再生水湿地净化系统中芦苇根际细菌多样性变化分析

2023-11-17 理论教育版权反馈

【摘要】：结果表明，基于全模型判别分析法识别奥林匹克公园典型再生水补给湿地不同水质净化功能区具有显著差异的水质指标为pH、DO、ORP、TN 和NH4+-N5 项。传统多样性指数分析方法未能对功能区间细菌群落多样性空间差异做出有效分析，而基于多酶切综合比对细菌群落多样性变异分析结果表明，复合垂直流湿地和植物氧化塘的细菌群落多样性明显低于混合生态功能区，pH、DO、Cl-、TN 和NO3--N是导致人工湿地净化系统芦苇根际细菌群落多样性空间变异的主要因素。

An Analysis on the Reeds Rhizosphere Bacterial Diversity of Typical Reclaimed Water Recharged Wetland Purification System: A Case Study in Olympic Forest Park of Beijing

吴东丽1 董志2 郭逍宇3 高星琪3 薛红喜4*（1.中国气象局气象观测中心，北京100048；2.北京大学生命科学学院，北京 100871；3.首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048；4.国家气象中心，北京 100048）

Wu Dongli1 Dong Zhi2 Guo Xiaoyu3 Gao Xingqi3 Xue Hongxi4*(1.Meteorological Observation Centre,China Meteorological Administration,Beijing 100048;2.School of Life Sciences,Peking University,Beijing 100871;3.College of Resources Environment and Tourism,Capital Normal University,Beijing 100048;4.National Meteorological Centre,Beijing 100048)

摘要以北京市奥体公园再生水补水人工湿地净化系统芦苇根际样品为研究对象，采用末端限制性片段长度多态性技术（Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism，T-RFLP），通过传统多样性指数分析与基于多酶切综合比对细菌群落多样性变异分析和单酶切T-RFs 类群丰度显著变化特征分析相结合的方法对芦苇根际细菌群落多样性空间差异进行分析，并借助单因素方差分析（one-way ANOVA）和Spearman 相关分析等多元统计方法对再生水人工湿地净化系统各功能区细菌群落种属差异进行判别，分析人工湿地不同空间尺度的水质净化特征。结果表明，基于全模型判别分析法识别奥林匹克公园典型再生水补给湿地不同水质净化功能区具有显著差异的水质指标为pH、DO、ORP、TN 和NH4+-N5 项。传统多样性指数分析方法未能对功能区间细菌群落多样性空间差异做出有效分析，而基于多酶切综合比对细菌群落多样性变异分析结果表明，复合垂直流湿地和植物氧化塘的细菌群落多样性明显低于混合生态功能区，pH、DO、Cl-、TN 和NO3--N是导致人工湿地净化系统芦苇根际细菌群落多样性空间变异的主要因素。β-proteobacteria、Cyanobacteria和Actinobacteria 丰度在各类群落间变化显著。再生水补水中有机污染物的降解主要发生在复合垂直流人工湿地和植物氧化塘。

关键词：再生水末端限制性片段长度多态性技术细菌多样性空间变异

Abstract Reeds rhizosphere samples from the reclaimed water recharged constructed wetland purification system in Beijing Olympic Sports Park were taken as research objects.Terminal restriction fragment length polymorphism(T-RFLP) was used to analyse the conventional diversity index of bacterial community so as to find its spatial variation in reeds rhizosphere.One-way ANOVA and Spearman correlation analyses were also used to discriminate the significant changes in the abundance of different groups of bacterial community.Based on the full model discriminant analysis method,following water quality indicators have been identified with significant differences in different water purification functional areas,i.e.,the indicators of pH value,DO,ORP,total nitrogen,and ammonium nitrogen.It revealed that those five indicators could be used to characterise the differences in water quality among different functional areas.Significant changes in the abundance of β-proteobacteria,Cyanobacteria and Actinobacteria in various communities were found.It indicated that pH value,DO,chlorides,total nitrogen and nitrate-nitrogen contents might be the direct factors to cause the spatial variation in the diversity of bacterial community.The degradation of organic pollutants in recharged reclaimed water would mainly occur in the composite vertical-flow constructed wetland.

Key words：Reclaimed water Terminal restriction fragment length polymorphism(T-RFLP) Bacterial diversity Spatial variations(www.chuimin.cn)

中国气象局农业气象保障与应用技术重点开放实验室开放研究基金（编号：AMF201606）资助。

第一作者吴东丽，女，1977年生，2007年毕业于北京师范大学生命科学学院，博士，高级工程师。

*通信联系人，xuehongxi@126.com。

城市人工湿地不仅具有重要的景观作用，而且具有良好的环境污染修复能力，能有效去除水体氮、磷、各种有机物质、重金属氧化物及病原菌，降低水体生化需氧量（BOD）和总悬浮固体（TSS）含量[1-6]，是集观赏、娱乐、污水净化于一体的景观生态环境系统[7]。城市人工湿地净化后进行再生水河湖景观补给复合模式，已经成为城市再生水河湖景观补水的重要水质净化方式。湿地再生水净化作用不仅体现在水生植物通过自身吸收作用去除水体中氮、磷等污染物，更体现在植物通过根际分泌物促使根际微生物对有机物、氮、磷等污染物的降解转化[8]。同时，人工湿地中水力条件、废水特性及各种营养元素的可利用度等条件会直接影响微生物数量、活性及菌群组成等各方面特性[9-12]。因而人工湿地在城市景观水体的水质改善中逐渐得到广泛应用[13]。目前关于再生水河湖景观补水，尤其是人工湿地回用的相关研究多集中于分析人工湿地对再生水中污染物质的去除效率及其净化状况评估[14]，而关于再生水湿地净化系统微生物时空变异及其运行机制鲜见报道。

与变性梯度凝胶电泳（Denaturing Gradient Gel Electrophoresis，DGGE）、单链构象多态性（Single-Strand Conformation Polymorphism，SSCP）或核糖体DNA扩增片段限制性内切酶分析（Amplified Ribosomal DNA Restriction Analysis，ARDRA）等方法相比较，末端限制性片段长度多态性技术（Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism，T-RFLP）分析更精细、更易于自动化并且分析能力强，而且任何一末端限制性片段的测序结果可通过ABI 自动测序仪与Internet 中数据库的数据进行比较分析，来确定样品所包含的微生物在系统中的分类地位并推断其系统发育关系[15-18]。制约T-RFLP 方法进一步广泛应用的主要弊端之一是样品在进行T-RFLP 分析时，会产生大量的酶切片段，其中80%～90%的酶切片段（T-RFs）因属于非培养片段或数据库信息不全而无法比对到种属特征，因而无法进行深入分析[19-21]。多元统计特征分析在分析大量数据的内在规律方面有很大优势[22]，与T-RFLP 分析相结合可以有效克服T-RFLP 实验方法所引起的弊端，得到比较好的研究结果[23]。本文对再生水人工湿地净化系统芦苇根际细菌群落多样性空间差异进行分析，并借助单因素方差分析（one-way ANOVA）和Spearman 相关分析等多元统计方法对再生水人工湿地净化系统各功能区细菌群落种属差异进行判别，分析人工湿地不同空间尺度的水质净化特征，以期为再生水人工湿地净化系统机制解释提供科学依据。

再生水湿地净化系统中芦苇根际细菌多样性变化分析

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