城镇污水厂尾水排放对嘉陵江流域微生物群落的潜在影响

李 润,秦明森b,李 蕾,王 瑶,唐 贇

(西华师范大学 a.生命科学学院,b.西南野生动植物资源保护教育部重点实验室,四川 南充 637009)

伴随着我国城镇化、工业化的快速发展以及城镇人口规模的不断扩大,污水排放也不断增加。未经处理的城镇污水会对周围土壤、水体造成严重污染和生态影响。因此,如何通过污水处理,减少污水排放对生态环境的危害,备受全社会和科研工作者的关注[1]。污水处理厂作为城镇的重要基础设施,通过以生物净污为主的方式,能有效净化城镇污水,降低生态破坏。但目前受限于技术和成本,一些处理后的污水仍含有大量有机物质和营养物质,会增加排污口水体营养,进而促进河床生长附着型藻类,影响当地生物群落的结构和功能[1-2]。一些生活污水中含有微量污染物,也会对水体生物群落造成影响。2000年美国统计国家水质数据时发现,部分污水处理厂的致病菌难以彻底去除,造成了污水处理厂附近39%的地表水受到病原微生物污染[3]。除病原微生物外,大量异源微生物也会通过相互作用,影响受纳水体微生物群落结构和多样性[4-6]。微生物在河流生态系统中扮演着重要的角色,作为主要分解者,能够有效地降解有机物质,维持河流生态系统的平衡[7]。因此,进一步调查排污水体营养和微生物情况,评估城镇污水对当地水体的潜在影响很有必要,且对于潜在的生态污染风险治理具有重要的意义。

南充市常住人口556万,是四川省人口第二大城市,全域面积1.25万km2。嘉陵江中游流经该市,是全市生活、农业、工业用水的主要来源,也是承接全市污水排放的主要河流,探究该段城镇污水对嘉陵江的潜在生态危害,对于保持嘉陵江生态环境的稳定性和功能具有重要意义。基于此,本研究选择嘉陵江南充段流域的8个污水处理厂,采集污水处理厂进水、尾水和附近水的水体样品,通过测定理化性质和微生物群落,判断城镇生活污水排放对嘉陵江流域微生物的潜在影响,从而为嘉陵江流域的生态保护提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样点分布与样品采集

通过前期调查,选取了尾水排放至嘉陵江南充段的8个污水处理厂,且污水处理厂位于南充市的主要区县。于2021年12月采集各污水处理厂的进水、尾水以及排污口下游200～300 m范围5～10 cm的表层水(后文简称附近水)样品,采样点信息见表1和图1,其中污水厂K尾水排至嘉陵江支流,对应的附近水为支流水样。每个样点后缀1、2、3对应进水、尾水和附近水样品,比如B1、B2、B3分别代表污水厂B的进水、尾水和附近水。使用污水采样器采集进水、尾水样品,每个样点采集3次,采集后均装入同一个已消毒的2.5 L聚乙烯塑料桶;利用便携式采样器采集附近水样品,同样采集3次后装入已消毒的2.5 L聚乙烯塑料桶;采样后2 h内带回实验室放置于-20 ℃冰箱保存备用。

表1 各采样点信息及编号Table 1 Information and serial number of each sampling site

1.2 理化性质的测定

1.3 高通量测序

取1 L水样以孔径为0.22 μm的微孔滤膜进行抽滤后,将滤膜置于离心管于-80 ℃冰箱保存备用。所有滤膜样品用干冰冷藏寄送至上海美吉生物医药科技有限公司进行DNA提取和目标片段的高通量测序。扩增目标片段为细菌16S rRNA基因的V4—V5区,引物为515F/907R[9]。高通量测序采用Illumina NovaSeq 6000测序平台,所得原始序列通过拼接、过滤、去除冗余序列,得到有效序列。根据97%的相似性对有效序列进行聚类,获得可操作分类单元(Operational Taxonomic Units,OTU)及其丰度。使用Silva(Release138,http://www.arb_silva.de)对OTU进行物种鉴定,保留细菌OTU,并抽平到统一reads深度。

1.4 数据统计分析

本研究主要分析均在R语言平台进行。使用“vegan”软件包计算微生物α多样性指数,包括丰富度、均匀度、香农威纳指数、辛普森指数、Chao1指数以及Ace指数。微生物β多样性分析使用“vegan”软件包进行主坐标分析(Principal Co-ordinates Analysis,PCoA)。采用Excel 2021处理数据,考虑到样品均按照污水处理厂进行配对采样,故用IBM SPSS Statistics 26.0 软件上的配对T检验分析比较不同水体之间理化和微生物多样性的差异,P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 水体理化情况

2.2 高通量测序结果

高通量测序结果显示:24个水体样本共计得到有效序列884 448条,按最小样本序列数36 852抽平分析。序列经过对比注释后,得到符合要求的细菌OTU共6 404个,隶属57门161纲410目702科1 428属2 908种。进水中特有OTU共227个,尾水中特有OTU共2 529个,附近水特有OTU共750个,三者共有的OTU有1 022个,进水、尾水共有的OTU为1 179个,进水与附近水共有的OTU为34个,尾水与附近水共有的OTU为698个(图3)。

2.3 微生物群落组成

对不同采样点微生物门分析发现,随嘉陵江自上而下微生物主要门的变化无明显规律(图4)。污水厂进水、尾水、附近水水体中的微生物均以变形菌门(Proteobacteria)为主(图5a),其在进水中的相对丰度显著高于尾水(P=0.043)。进水中相对丰度较高还有厚壁菌门(Firmicutes),其相对丰度显著高于尾水(P=0.001)和附近水(P<0.001)。尾水中相对丰度较高的有拟杆菌门(Bacteroidota)、厚壁菌门、放线菌门(Actinobacteriota)、Patescibacteria、绿弯菌门(Chloroflexi),其中拟杆菌门显著高于进水(P=0.037)、Patescibacteria和绿弯菌门显著高于进水和附近水(P<0.001)。附近水中相对丰度较高的包括放线菌门、蓝细菌门(Cyanobacteria)、拟杆菌门,其中蓝细菌门和放线菌门的相对丰度均显著高于进水(P=0.010,P=0.001)和尾水(P=0.014,P=0.012)。

对污水厂进水、尾水、附近水前六的优势菌属进行比较(图5b)发现,进水中相对丰度最高的属为不动杆菌属(Acinetobacter),其相对丰度显著高于尾水及附近水(P<0.001);尾水中相对丰度最高的为从毛单胞菌属(Comamonadaceae),但其相对丰度仅显著高于进水(P=0.007);附近水中相对丰度最高的为Chloroplast,其相对丰度显著高于进水(P=0.011)和尾水(P=0.012)。此外,与附近水相比,进水中水栖菌属(Enhydrobacter)、毛球菌属(Trichococcus)、拟杆菌属(Bacteroides)的相对丰度更高,而尾水中Saccharimonadales、拟杆菌属、气单胞菌属(Aeromonas)相对丰度更高。

微生物群落的主坐标分析结果显示(图7):第一主成分(PC1)的贡献率是38.02%,第二主成分(PC2)的贡献率是21.87%。结果表明,污水处理厂进水、尾水、附近水的水样之间的微生物群落组成具有差异性,而不同污水厂相同位置水中的微生物物种组成较为接近。

2.4 微生物群落多样性

3 讨 论

本研究显示,尾水特有OTU有2 529个,而附近水特有的OTU仅有750个,且尾水中微生物群落多样性显著高于附近水以及进水。这是因为,一方面,本研究的污水处理厂均用活性污泥法去除污水中的营养物,而活性污泥中的大量微生物会在去污过程中进入污水处理系统,并随尾水排出;另一方面,尾水与进水共有OTU有2 201个,占进水OTU的89.40%,这一结果与进水的微生物会进入污水处理系统,并在尾水中蓄积[12]相符合,从而增加了污水处理系统的微生物多样性。同时,尾水中高特异的微生物将随排污进入到嘉陵江,这在理论上能增加水体中生物群落多样性,而通过微生物相互作用,可能会引起自然水体微生物群落的改变[13],但其具体影响效应还需要进一步研究。

本研究发现在门分类水平上,污水厂进水、尾水、附近水中变形菌门是第一优势菌门,其他废水、湖泊、河流的水体微生物研究也有类似结果[14-16]。这是因为变形菌门含有大量的光营养型、化能自养型和化能异养型细菌,该类群不仅能利用污水中的有机物,还可以利用河流、湖泊中的氮和磷等污染物[16-17],在各种水体环境中均具有较强的适应性。相较于附近水,厚壁菌门在进水和尾水中相对丰度更高,这是因为在粪便中厚壁菌门为最主要的微生物类群,它能进入污水系统,从而在进水中具有较高的丰度[18];另一方面,它本身能较好地适应厌氧和高营养环境,可以水解污水中的蛋白质、脂肪和碳水化合物等大分子物质,也是污水处理系统中常见的优势菌[19]。另外,在自然水体的研究中发现,淡水水体中厚壁菌门的相对丰度一旦超过1%时,便指示水体已经受到了污染[20],而本研究中附近水厚壁菌门的相对丰度不足1%,这在一定方面上说明嘉陵江南充段水体受污染程度较低。蓝细菌门在附近水中显著高于尾水,这是因为蓝细菌门是一类依靠产氧光合作用获取能量的细菌,一般多存在于淡水水体中[21-23],而污水处理系统中较高的营养以及密闭环境不利于蓝细菌生长。放线菌门的相对丰度在附近水中高于进水和尾水,这与其适应自然水体环境,具有较强的生长优势有关[24]。在属分类水平上,进水中相对丰度最高的为不动杆菌属,占总丰度的44%。这是因为该菌属偏好富营养水体[25],而进水中有机物、氮、磷等都较高,有利于该菌的生长发育。此外,不动杆菌相对丰度在尾水和附近水中相当,说明沿岸的污水处理厂能够有效去除不动杆菌,而考虑到有报道称污水中的不动杆菌包含多种新兴致病菌[26],在现有污水处理工艺的基础上,应该进一步增强对它的去除效果,并检测可能出现的新兴致病菌种类。尾水中的优势菌属气单胞菌属是活性污泥中常见的优势菌和重要功能菌,能参与污水处理系统中的有机物、氮磷降解[27]。本文发现,hgcl_clade、CL500-29_marine_group是附近水中的优势属,这两类菌能吸收利用水体营养物质,有改善水质的作用[28-29],并在多种淡水环境中也为主要的优势菌群[28,30]。

4 结 论

本研究分析了嘉陵江流域上污水处理厂进水、尾水、附近水的水体营养以及微生物群落情况,结果表明嘉陵江南充段主要的污水处理厂能显著降低进水的水体营养,改变进水中微生物群落组成,增加微生物多样性。对比自然水体发现,污水厂尾水营养依旧较高,且水体微生物群落多样性也更高,其群落含有较多的特有微生物类群。同时,本研究结果也指出,自然水体微生物群落多样性和主要的属与水体理化关系密切,其群落受水体理化的影响更大。综合来看,嘉陵江南充段主要的污水处理厂的尾水排放,能通过直接输入异源微生物和改变自然水体理化,对嘉陵江水体微生物造成潜在的影响,需进一步降低水体营养以及尾水的微生物。