回用景观水菌藻群落结构及环境响应

徐玲娥,刘书敏,路丽君

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州 311100;2.同济大学环境科学与工程学院,上海 200092;3.常州市排水管理处,江苏常州 213017)

城市污水处理后的再生水作为重要的水资源之一,具有流量大、稳定及不受自然因素制约的特点,污水处理后回用景观水既节约了淡水资源,同时具有显著经济优势[1]。我国对于再生水回用的工程实践源于应对北方水资源短缺及污染问题,目前多个景观再生水回用工程已分别在多个城市开展,然而当前工程回用规模及处理效果与西方国家存在一定差距[2]。2015年颁布的《水污染防治行动计划》提出,缺水及水污染严重地区城市的生态景观用水要优先使用再生水,逐步加大了再生水回用工程应用及推广需求[3],因而同步地对回用水的生态影响评价提出更高要求。

然而,再生水回用景观水体存在一定的环境问题,其中氮磷营养盐引发的富营养化问题尤为突出[4-5]。我国制定了《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T 18921—2002)的排放标准,该标准规定氨氮质量浓度<5.0mg/L,TP质量浓度<0.5mg/L,TN质量浓度≤15mg/L,但相较于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅴ类水体氮、磷限值(氨氮质量浓度<2.0mg/L,TP质量浓度<0.4mg/L)仍然较高。再生水的氮、磷营养元素本底值较高,增加了景观水水华暴发潜在风险[6]。因此,如何安全并稳定地将再生水回用城市景观水体,如何最大程度降低再生水回用过程中环境风险发生的可能性,成为再生水是否可大规模回用的关键。

以往较多研究集中于再生水水质的污染情况,已有较多学者对水体有机物、无机物[7]、生物毒性[8]、遗传毒性[9]的含量与性质进行分析。较少研究对回用景观水体的浮游藻类、细菌及二者对水质的响应进行分析。水体浮游藻类、细菌作为水生食物网的重要组成部分,在水生态系统中作为生产者和分解者发挥协同运转作用[10-11],通过参与水体生态系统的重要元素循环[12],促进系统水体、植物、动物及沉积物的物质及能量交换[13],在维持生态系统功能和健康中发挥重要作用[14]。对于二者的检测和分析有助于对再生水回用生态系统健康进行评价,进而从生态系统健康角度出发,为再生水回用的水质及水量的确定提供参考依据。

鉴于此,该项目于2022年7月对常州江边污水处理厂再生水回用的湿地及河道水质进行调研,通过显微镜检对浮游藻类进行了定性、定量观测,对浮游细菌采用了16S rDNA高通量测序技术进行检测。通过分析再生水回用湿地及河道的水质水平、浮游菌藻的群落结构特征及对水质的响应关系,旨在对再生水回用景观水体后的浮游菌藻的响应特征进行评价。本文项目结果将为再生水回用景观水环境的保护与管理提供理论依据,同时为相关职能部门的决策实施提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 采样点设置概况

再生水回用补水来自常州市江边污水处理厂,规模为4×104m3/d的再生水输送常州高铁公园和东风大沟生态补水后流入藻江河。补水路径共有两条:一条为再生水补水常州高铁公园,湿地补水流量为1.5×104m3/d,湿地出水流入东风大沟;另一条路径为再生水直接补水东风大沟,补水流量为2.5×104m3/d,且东风大沟为断头浜,补水提高了河道水体流动性。本次水质调查采样点分别布设在常州市高铁生态湿地公园(ST1～ST3)、东风大沟(ST4～ST5)、藻江河西支(ST6～ST8)。其中,高铁公园生态湖泊水域面积为1×105m2,东风大沟河道长约为1.4 km,宽约为20 m,藻江河西支河道长约为1.3 km,宽约为20 m。采样时间为2022年7月,采样点布设概况如图1所示。

图1 项目采样点分布

1.2 样品采集与水质理化指标测定

水体样品采集使用柱状采样器采取0～0.5 m表层水2 L,每个样点平行采样3次。采用多参数水质测定仪(YSI EXO)现场测定溶解氧(DO)、电导率、pH;采用SAN++连续流动分析仪测定TP、TN和氨氮质量浓度;采用重铬酸钾回流法测定化学需氧量(CODCr);采用分光光度计测定叶绿素a(Chl-a)质量浓度;采用赛氏盘测定水体透明度(SD)。

1.3 浮游藻类的采集与鉴定

浮游植物样品采集完成后,用鲁哥试剂立即固定100 mL水样,计数方法采用倒置显微镜计数法。采用视野法观察100个视野,确定藻类细胞数量,通过测量直径、高度等近似的几何图形来计算藻类体积,确定藻类生物量。

1.4 DNA提取和高通量测序

根据E.Z.N.A.®soil DNA kit (Omega Bio-tek, Norcross, GA, U.S.)说明书进行微生物群落总DNA抽提,使用1%的琼脂糖凝胶电泳检测DNA的提取质量,使用NanoDrop2000测定DNA浓度和纯度;使用338F (5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)对16S rRNA基因V3～V4可变区进行PCR扩增。每个样本3个重复。利用Illumina公司的MiSeq PE300平台进行测序。

1.5 数据分析

1.5.1 生物信息学分析

使用Fastp软件[15]对原始测序序列进行质控,并使用Flash软件[16]进行拼接。使用Uparse软件[17]根据97%的相似度[18]对序列进行OTU聚类并剔除嵌合体。利用RDPclassifier[19]对每条序列进行物种分类注释,比对Silva 16S rRNA数据库(v138),设置比对阈值为70%。

1.5.2 生物多样性分析

浮游藻类的生物多样性指数选择歧异度指数Shannon-Wiener指数来表示,基于物种数量反映群落种类多样性。微生物群落的丰富度和多样性通过单样本的Alpha多样性分析反映,本次分析将Ace指数作为反映群落多样性的指数。

1.5.3 统计学分析

通过计算综合营养状态指数(TLI)对回用水体的富营养状态进行评价。采用冗余分析(redundancy analysis,RDA)进行环境因子约束性分析,描述样本分组与环境因子相关关系,浮游藻类、浮游细菌与环境因子的相关性分析均采用了该方法。采用相关性Heatmap分析,描述环境因子与特定浮游细菌物种相关关系。相关统计分析分别基于R(version 3.3.1)的vegan包、heatmap包来分析,并作图。

2 结果与分析

2.1 再生水回用水体理化性质

采集分布于再生水回用水体的8个采样点(ST1～ST8)水样,对其进行理化检测,并采用单因子评价法对水质进行分析(表1)。结果表明:湿地(ST1～ST3)的氨氮质量浓度为0.13～0.31mg/L,TN质量浓度为0.75～0.85mg/L,TP质量浓度为0.09～0.15mg/L,CODCr质量浓度为12～16mg/L,满足地表水环境质量标准Ⅲ类标准(GB 3838—2002)。河道(ST4～ST8)的氨氮质量浓度为0.90～1.38mg/L,河道TP质量浓度为0.18～0.33mg/L,CODCr质量浓度为11～16mg/L,基本满足地表水环境质量标准Ⅴ类标准(GB 3838—2002),TN质量浓度为2.54～3.17mg/L。

表1 2022年采样点再生水回用水质变化

回用水体的富营养状态采用TLI指数进行评价,计算如式(1)。

(1)

其中:T——TLI指数;

Tj——第j种参数的营养状态指数;

m——评价参数的个数;

Wj——第j种参数的营养状态指数的相关权重,根据我国湖泊(水库)的Chl-a与其他参数之间的相关关系得到。

根据本次检测湿地及河道(ST1～ST8)TLI分析(表2),结果表明:回用湿地(ST1～ST3)水体营养状态为中营养状态,水质水平良好;回用河道水体(ST4～ST8)营养状态集中为轻度富营养状态,水质水平为轻度污染。

表2 湿地及河道水质综合营养状态评价结果

2.2 浮游藻类群落结构及水质相关关系

2.2.1 浮游藻类群落结构组成

本次调查共检出浮游藻类52种。其中,绿藻门和硅藻门物种数占比最高(17种),蓝藻门为8种,裸藻门为5种,甲藻门为2种,隐藻门为2种,金藻门1种。各采样点的物种数各有不同,最高为25种,最低为11种;总体上为ST8>ST5>ST7>ST3=ST4>ST6>ST2>ST1。在藻类密度水平上(图2),蓝藻门在各个采样点所占的比例较高,其次为硅藻门和绿藻门,各采样点的藻类密度在1.08×106～4.37×106L-1,其中ST5最高,ST4最低,8个采样点平均值为2.25×106L-1。在浮游藻类生物量水平上,藻类生物量在0.82～4.82mg/L,其中ST5最高,ST1最低,8个采样点平均值为2.58mg/L。生物量趋势与密度趋势不一致,主要与不同物种的体积、质量有关。总体上硅藻门在各个采样点所占的比例较高,尤其在ST2和ST3。在东风大沟(ST4、ST5)采样点裸藻门浮游藻类相比其他点位占比较高。

图2 项目点位藻类密度及生物量变化

2.2.2 浮游藻类生物多样性分析

生物多样性指数反映了各物种种群数量的变化情况,生物多样性指数越大,说明群落内物种数量分布越均匀,相应的水质状况越好。本次生物多样性指数选择歧异度指数(Shannon-Wiener指数,H′)来表示,计算如式(2)。

(2)

其中:S——种数;

ni——i种的个体数;

N——总个体数。

当H′<1.0时,表示水体重污染;当1.0≤H′<2.0时,表示水质类型为α-中污染;当2.0≤H′<3.0时,表示水质类型为β-中污染;当3.0≤H′<4.0时,表示水质类型为轻污染;当H′≥4.0时,表示水质为清洁状态。

Shannon-Wiener指数结果表明(表3),各采样点多样性都非常低,大都处于α-中污染或β-中污染状态,表明群落丰富度和均匀度均处于较低水平。其中,ST2位点的生态多样性最低,为重污染水平。

表3 各采样点浮游植物多样性指数

2.2.3 优势浮游藻类与环境因子相关关系

对检测时段内各点位浮游藻类按照生物量占比≥1%出现的条件进行筛选,总计筛选4个门类16种浮游藻类优势种(表4)。分析浮游藻类优势种生物量与环境因子之间的关系,先进行除趋势对应分析法(DCA)分析,结果显示轴最大梯度值均小于3,因此,选用RDA分析方法(图3)。该分析结果表明,第一轴解释率为36.84%,第二轴解释率为23.87%,说明分析结果较高,可信度较好。RDA分析结果显示:ST1～ST8采样点中,蓝藻门束丝藻(Aphanizomenonflosaquae)生物量与TN、氨氮、TP呈正相关关系;裸藻门的陀螺藻(Strombomonassp.)和金藻门的鱼鳞藻(Mallomonassp.)生物量与TN呈正相关;硅藻门的尖针杆藻(Synedra.acus)、辐节藻(Stauroneissp.)、羽纹藻(Pinnulariasp.)生物量与水体TN、氨氮呈负相关。该结果表明,再生水回用到自然水体之后,蓝藻生长受到氮磷营养盐的影响较大,而对硅藻的影响不明显。

表4 再生水回用7月浮游藻类优势种

图3 浮游藻类优势种与环境因子RDA的排序

2.3 浮游细菌群落结构及水质相关关系

2.3.1 浮游细菌群落结构组成

对再生水回用湿地和景观河道样本浮游细菌进行测序后,共检测出2 093个OTU,分布于41门、108纲、262目、422科、768属、1 297种。不同点位再生水回用水体中浮游细菌群落结构存在差异(图4),在门水平上,物种丰度位于前9位的门占据了物种总丰度的99%,其中相对丰度排名前4位的变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobac-teriota)、拟杆菌门(Bacteroidota)、蓝细菌门(Cyanobacteria)约占据了物种总丰度的90%。在纲水平上,对物种丰度位于前12位的具有代表性的细菌纲水平进行物种分析,γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)相对丰度在15.90%～45.60%,放线菌纲(Actinobacteria)相对丰度在8.09%～26.79%,拟杆菌纲(Bacteroidia)相对丰度在7.00%～25.41%,蓝藻细菌纲(Cyanobacteriia)相对丰度在1.7%～21.56%,α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)相对丰度在6.90%～13.35%。

图4 再生水回用水体细菌群落结构组成

2.3.2 浮游细菌生物多样性分析

Ace指数是通过分析群落中的OTU数目反映群落丰富度。如图5所示,坐标轴横轴代表项目水体采样点位ST1～ST8,纵坐标代表了Ace生物多样性指数,通过Ace指数分析发现,ST6～ST7藻江河西支河段群落丰富度较高,ST1～ST3高铁公园湿地丰富度次之,ST4～ST5东风大沟点位群落丰富度最低。

图5 水体样点Ace多样性指数

2.3.3 浮游细菌群落结构与环境因子相关关系

将细菌群落属水平物种丰度与环境因子进行RDA相关性分析(图6),结果表明,不同环境因子对再生水回用的细菌群落丰度相关关系存在差异。RDA分析结果第一轴解释率为76.06%,第二轴解释率为12.92%,说明分析结果较高可信度较好。高铁生态公园(ST1～ST3)浮游细菌群落丰度与DO、pH呈正相关,与TN、氨氮、TP呈负相关;东风大沟(ST5)浮游细菌群落丰度与TN、氨氮、TP呈正相关,与CODCr、DO、pH呈负相关,ST4浮游细菌群落丰度与CODCr呈负相关;藻江河西支(ST6～ST8)与TN、氨氮、TP呈正相关,与DO、pH呈负相关。

图6 水库浮游细菌群落结构与环境因子的RDA分析(属水平)

为了进一步探索浮游细菌丰度与环境因子间的相关关系(图7),通过Spearman相关性分析计算水体环境因子与细菌丰度前50位的纲水平的相关性。结果表明:Negativicutes纲丰度与pH呈显著负相关,弯曲杆菌纲(Campylobacteria)、Negativicutes纲与DO呈显著负相关,Chlamydiae纲与SS呈显著正相关,嗜热油菌纲(Thermoleophilia)与CODCr呈显著正相关,γ-变形菌纲与TN呈显著正相关,芽单胞菌纲(Gemmatimonadetes)、Syntrophobacteria纲、Kryptonia纲与TN呈显著负相关,弯曲杆菌纲与氨氮呈正相关,弯曲杆菌纲、梭杆菌纲(Fusobacteriia)与TP呈正相关。

图7 样本物种(纲水平)与环境因子相关性Heatmap图

3 讨论

3.1 再生水回用水体水质分析

通过对再生水回用水体断面进行理化因子检测并进行单因子评价及营养状态评价,结果表明:回用湿地水质优于河道回用水质。湿地(ST1～ST3)满足GB 3838—2002 Ⅲ类标准。河道(ST4～ST8)除TN指标外基本满足GB 3838—2002中Ⅴ类标准,TN质量浓度为2.54～3.17mg/L。营养状态指数表明,回用于湿地的水体(ST1～ST3)营养状态为中营养状态,水质水平良好;回用河道的水体(ST4～ST8)营养状态集中为轻度富营养状态,水质水平为轻度污染。

3.2 浮游藻类对水体理化因子响应特征

浮游藻类是水体生态系统中重要的初级生产者,浮游藻类的密度、生物量及优势种可一定程度上对水体的污染状态进行反应[27]。通过对再生水回用浮游藻类检测并分析,结果表明,回用水体各采样点浮游藻类密度和生物量均相对较低,尤其在再生水回用的起始点位最低,随后沿补水路径依次上升。藻类密度:ST5>ST2>ST6>ST8>ST1>ST7>ST3>ST4,其中,ST4点位藻类密度最低,而ST4点位为靠近再生水大量补水最近的检测断面,分析原因为再生水在管网输配或存储过程中存在余氯或消毒副产物等,其水质特征并不适宜部分浮游藻类生长[28]。藻类生物量:ST5>ST8>ST4>ST6>ST2>ST3>ST7>ST1,且在生物量水平上硅藻门藻类优势种较多,以往研究[29]表明,硅藻占据优势种的浮游藻类群落是水质污染较轻水体的特征,而蓝绿藻型藻类群落则意味着水体富营养化程度较高。

回用水体的优势种主要以中心硅藻纲硅藻、小型丝状蓝藻、绿藻和囊裸藻为主,优势种均为富营养水体常见物种,均为耐污种。绿藻门的衣藻常在氮、磷较高的水体中占优势,是水体超富营养化的潜在指示种,同时也表明水体可为富营养化常见物种提供较好的生存条件,存在水体富营养化恶化的趋势。此外,裸藻门的物种多适宜生存在有机质非常丰富的水体,除ST1和ST5检测点外,其余点位囊裸藻均占优势,这与点位有机质含量相对较高密切相关。藻类多样性指数分析表明,各位点物种多样性较低,总体处于α-中污染或β-中污染,个别位点为重污染状态。TLI指数表明水体呈中营养、轻度富营养化状态,但藻类物种多样性却较低,分析原因这与再生水水质特点密切相关,水处理过程中的消毒工艺会残留化学物质,抑制部分藻类生长[30],导致藻类生物多样性较低,且促使蓝藻及硅藻占据较大生态位成为主要优势藻种[31],增加了受纳景观水的水华暴发概率。

3.3 浮游细菌对水体理化因子响应特征

再生水回用水体浮游细菌主要优势门为变形菌门、放线菌门、拟杆菌门、蓝细菌门、芽单胞菌门。芽单胞菌门为土壤中重要细菌门之一,且该门细菌与浮游藻类密切相关,该门细菌可附着在硅藻门和蓝藻门藻类表面[32],该门细菌与藻类的协同竞争关系有待进一步分子水平探究。回用水体主要优势纲为γ-变形菌纲、放线菌纲、拟杆菌纲、蓝藻细菌纲、α-变形菌纲。这与以往多数研究[33-34]所鉴定出的典型海洋、湖泊及河流中浮游细菌优势类群相似。回用水体降低了微生物群落的多样性,Ace多样性指数表明,回用水体浮游细菌多样性排序依次为藻江河西支(ST6～ST8)>高铁公园湿地(ST1～ST3)>东风大沟(ST4～ST5)。水体理化因子对回用水体的浮游细菌丰度影响具体表现在,高铁生态公园(ST1～ST3)浮游细菌群落丰度与DO、pH具有较强相关性;东风大沟(ST4)作为靠近回用水量最大的检测点位,其浮游细菌丰度与氮、磷营养盐相关关系并不显著,分析原因该点位细菌多样性受到尾水消毒产物余氯等影响可能性较大;东风大沟(ST5)、藻江河西支(ST6～ST8)与氮、磷营养盐相关关系密切。再生水回用景观水经历了将生化水转变为生态水的过程,然而转变过程中微生物群落结构的改变机制以及对微生物削减污染物功能的影响值得进一步研究。

4 结论

(1)以再生水为水源补给景观水可改善水体水质及营养状态,本研究中再生水回用至高铁公园湿地水质改善效果优于回用至河道。湿地(ST1～ST3)水质水平满足GB 3838—2002 Ⅲ类标准,营养状态为中营养状态。河道(ST4～ST8)水质除TN外基本满足Ⅴ类标准,营养状态集中为轻度富营养状态。

(2)再生水的回用可使浮游藻类的丰度和生物量维持在较低水平,且最终形成以硅藻为主要优势种的藻类群落结构。再生水回用景观水中调查出浮游藻类52种,其中绿藻门和硅藻门物种数占比最高(17种),蓝藻门为8种,裸藻门为5种,甲藻门为2种,隐藻门为2种,金藻门1种。在浮游藻类密度和生物量水平上,硅藻门浮游藻类为主要优势藻,各采样点的藻类密度在1.08×106～4.37×106L-1。在浮游藻类生物量水平上,生物量在0.82～4.82mg/L。

(3)再生水回用降低了水体微生物多样性,回用水体浮游细菌多样性随补水路径逐渐升高,排序依次为东风大沟(ST4～ST5)<高铁公园湿地(ST1～ST3)<藻江河西支(ST6～ST8)。再生水回用水体浮游细菌主要优势门为变形菌门、放线菌门、拟杆菌门、蓝细菌门。与环境因子的相关性方面,东风大沟(ST5)、藻江河西支(ST6～ST8)与氮、磷营养盐相关关系密切,东风大沟(ST4)作为靠近回用水量最大的检测点位与氮磷营养盐相关关系并不显著。