官厅水库水质特征及水体微生物多样性的响应

中国环境科学2015,35(5)：1547~1553ChinaEnvironmentalScience官厅水库水质特征及水体微生物多样性的响应孙寓姣1,陈程1,2,丁爱中1*,赵晓辉1,张惠淳1(1.北京师范大学水科学研究院,北京100875；2.中国国际工程咨询有限公司资源与环境业务部,北京100048)摘要：针对北京市原水源地官厅水库,选择了上下游共6个采样点进行了不同季节的水质及环境因子特征分析.总体看来,4个季节水体氮磷碳营养物质浓度依次为:夏季秋季春季冬季,夏秋季出现明显水华.上游妫水河水质要好于下游水库库区水质,尤其以夏秋季节最为明显.夏季上游妫水河的总碳、总氮、氨氮、总磷平均浓度为26.5,0.95,0.55,0.077mg/L,而水库库区响应平均浓度分别为111.47,4.27,3.16,0.25mg/L.结合PCR-DGGE对不同时期各点水体微生物进行了群落分析,发现上下游水体中细菌群落结构差异很大,水华严重区的细菌群落多样性和丰度要低于比水质较好区域.CANOCA软件分析了夏秋季水华时水体微生物群落变化与环境因子的响应关系,发现细菌群落结构与环境因子(T、pH值、DO、NFR、TP、Fe)之间存在较强的关联.水质较好的上游水体夏秋细菌群落结构主要受温度、DO影响较大;而水质较差的库区水体夏秋季细菌群落结构变化与固氮速率、pH值、总磷的相关性较好.关键词：官厅水库；水华；环境因子；水质；微生物多样性中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)05-1547-07ThecorrespondingofmicrobialdiversityonwaterqualityandenvironmentalvariablesofGuantingReservoir.SUNYu-jiao1,CHENCheng1,2,DINGAi-zhong1*,ZHAOXiao-hui1,ZHANGHui-chun1(1.CollegeofWaterScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China；2.ChinaInternationalEngineeringConsultingCorporationResourcesandEnvironmentBusinessDepartment,Beijing100048,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(5)：1547~1553Abstract：ThewaterqualityandenvironmentalfactorsofBeijingGuantingReservoirindifferentseasonswereanalyzedbasedonthecharacterizationofthedatafromsixsamplingsites.Generally,theconcentrationsofthenutrientsincludingcarbon,nitrogen,andphosphoruswereintheordersof:summerautumnspringwinter,andtheoutbreaksofwater-bloomsoccurredinsummerandautumn.Thewaterqualityintheupstream(GuiRiver),wasbetterthanthatofthedownstream(reservoirarea),especiallyinsummerandautumn.Insummer,theaverageconcentrationsoftotalcarbon,totalnitrogen,ammonianitrogen,totalphosphorusinupstreamwere26.5,0.95,0.55,0.077mg/Lrespectively,whilethatofdownstreamwere111.47,4.27,3.16,0.25mg/Lrespectively.MicrobialcommunityofthewaterwasanalyzedemployingPCR-DGGEtechnique.Theresultshowedthatbacterialcommunitystructuresvariedconsiderablybetweentheupstreamandthedownstream.Theupstreamwaterbehavedthehigherlevelofbacterialcommunitydiversityandricherdegreethanthatofdownstreamwaterseriousbloomarea.Inaddition,CANOCAsoftwarewasusedtoexploretheresponserelationshipbetweenmicrobialcommunityandenvironmentalfactorsinsummerandautumnbloomperiods.Theresultshowedstrongcorrelationinresponseofbacterialcommunitystructurewithenvironmentalfactors(T,pH,DO,NFR,TP,Fe).Forupstreamwater,thebetterwaterqualitywasinthebacterialcommunitystructuresmainlyaffectedbythetemperatureandDOfactor;whileforthedownstream,thepoorwaterqualitywaswiththebacteriacommunitystructureseffectedmainlybyenvironmentalfactorsofpH,TPandNFR.Keywords：GuantingReservoir；waterbloom；environmentalfactors；waterquality；microbiologicaldiversity官厅水库位于北京市西北部,是新中国成立后兴建的第一座大型水库.从20世纪70年代起由于受上游工农业污染,官厅水库水质恶化,富营养化严重,1997年退出北京市应用水体系[1-3].而先前的监测数据显示,总磷(TP)、氨氮(NH4+-N)、总氮(TN)是官厅水库夏季富营养化的主要贡献收稿日期：2014-09-31基金项目：国家自然科学基金(51178048,51378064);北京师范大学自主基金(2014KJJCB22)*责任作者,教授,[e-mail]1548中国环境科学35卷因子[4].近年来,由于北京市饮用短缺,官厅水库的水体修复即成为亟待解决的问题之一.水体中氮营养元素的来源主要有人为源及天然源,目前针对官厅水库氮含量超标的人为来源研究很多,但是对其天然来源的研究则很少.作为水生生态系统的一个重要组成部分,细菌数量巨大,具有很高的能量转换效率,是水体生态系统能量流动、营养物质交换的重要环节.在水体环境发生变化时,细菌群落结构也会发生相应变化[5-6].因此细菌群落对水环境质量相互关系十分密切.目前大量研究工作都是针对湖泊中的浮游动植物进行的[7],而水华过程中水体细菌群落的变化应是研究水体性质变化的一个重要切入点.郑小红等[8]用PCR-DGGE技术对玄武湖的水体进行了细菌群落的变化分析,发现在水华暴发期细菌优势种有16种,生物多样性高,而进入衰退期后优势菌减少,多样性降低,但细菌数量增大.本文对官厅水库不同季节水体水质理化指标进行跟踪监测,探索水库水质年度变化情况.监测的水质指标主要包括:温度、pH、DO、NH4+、NO3-、NO2-、TN、TP、BOD5、COD和叶绿素a,以及自然界内源的氮输入方式固氮作用的速率.分析水体氮磷营养元素含量变化的原因.利用PCR-DGGE技术扩增细菌16srDNA基因来对官厅水库不同区域水体中细菌的群落变化进行了研究,以期发现水体富营养化过程中微生物群落结构的响应关系.进而为水华水质变化及水体中微观生态代谢过程深入讨论提供理论依据.1材料与方法1.1采样点设置水样的采集于7月20日水华发生时进行,本次采样共设6个采样点(S1~S6)如图1所示.其中S1、S2、S3位于官厅水库上游妫水河,S4、S5、S6位于水库库区,采样过程中使用GPS系统对每个采样点进行精确定位,采样点位置S1~S6经、纬度依次为115°46′5″,40°21′58″;115°42′24″,40°20′51″;115°42′9″,40°20′15;115°36′75″,40°14′13;15°35′57″,40°14′7;115°25′39″,40°14′58.1.2水样采集有机玻璃采样器采集水深0.5m左右处水样.用于测定固氮速率的水样注入经盐酸浸泡洗净、水样反复润洗的玻璃瓶中,低温避光带回实验室.Nkm图例采样点城镇大坝河流官厅水库大坝官厅镇01.252.557.510图1官厅水库采样点示意Fig.1LocationofsamplingsitesinGuantingReservoir1.3水样分析1.3.1水体理化参数的测定水温、pH值、溶解氧(DO)浓度现场测定,理化指标当天送样品至北京谱尼测试公司测定,包括NH4+-N,NO3--N,总氮(TN),总磷(TP),CODcr,Fe等.叶绿素a(Chl-a)浓度测定在北京理化测试中心完成.1.3.2水体固氮速率测定采用乙炔还原法测定水体固氮速率[9-10].取1500mL水样8500×g离心20min后弃上清135mL即将水样浓缩10倍,取浓缩水样50mL于65mL磨口三角瓶中,用注射器抽取顶端15%的空气,并注入等量乙炔气体,同时用无菌水设置对照.27℃温育72h后加入0.1mL50%TCA终止反应.取100µL顶端气体,气相色谱检测乙炔含量,换算成氮含量表示固氮速率.1.3.3总DNA提取及固氮16s基因扩增水样于24h内经0.22µm醋酸纤维素滤膜过滤,浓缩生物样品.使用OmegaWaterDNAKit提取水体微生物的总DNA.使用16SrDNAV3区通用引物341F-GC和907R(合成于上海生工生物公司)对水样基因组总DNA扩增.在上游引物341f的5'端前面加了一段“GC发卡”结构使后续的DGGE能有更好的5期孙寓姣等：官厅水库水质特征及水体微生物多样性的响应1549分辨率(Polyetal.,2001).引物序列(GC_341f:5'-CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGCGGGGGCACGGGGGGCCTACGGGAGGCAGCAG-3';907r:5'-CCGTCAATTCMTTTGAGTTT-3').以1µLDNA样品为模板,PCR扩增体系含有:5.0µL10×PCR缓冲液(Takara),4.0µL2.5mMdNTP混合液,20mM引物各1µL,0.25µL(0.5U/µL)Taq酶(Takara),无菌水补齐至50µL.采用降落PCR技术扩增,扩增程序为:95℃/5min;94℃/30s,63℃/60s,72℃/90s,8个循环,每个循环降低1℃至56℃;94℃/30s,56℃/60s,72℃/90s;25个循环,72℃/7min.用OmegaPCR产物纯化试剂盒对产物进行切胶回收[6].1.3.416s基因扩增片段变性梯度凝胶电泳(DGGE)聚丙烯酰胺的变性梯度范围为35%~65%,DNA扩增产物上样量约为200ng,60℃恒温,80V恒压条件下电泳13~15h,电泳完毕后采用银染技术染色,白光成像.随后使用QuantityOne软件对DGGE图谱进行分析,分析各泳道条带数目及灰度.16s基因的多样性使用Shannon-Weaver指数H进行表征.计算公式为:1lnSiiiH