城鎮污水廠尾水排放對嘉陵江流域微生物群落的潛在影響

李 潤,秦明森b,李 蕾,王 瑤,唐 贇

(西華師范大學 a.生命科學學院,b.西南野生動植物資源保護教育部重點實驗室,四川 南充 637009)

伴隨著我國城鎮化、工業化的快速發展以及城鎮人口規模的不斷擴大,污水排放也不斷增加。未經處理的城鎮污水會對周圍土壤、水體造成嚴重污染和生態影響。因此,如何通過污水處理,減少污水排放對生態環境的危害,備受全社會和科研工作者的關注[1]。污水處理廠作為城鎮的重要基礎設施,通過以生物凈污為主的方式,能有效凈化城鎮污水,降低生態破壞。但目前受限于技術和成本,一些處理后的污水仍含有大量有機物質和營養物質,會增加排污口水體營養,進而促進河床生長附著型藻類,影響當地生物群落的結構和功能[1-2]。一些生活污水中含有微量污染物,也會對水體生物群落造成影響。2000年美國統計國家水質數據時發現,部分污水處理廠的致病菌難以徹底去除,造成了污水處理廠附近39%的地表水受到病原微生物污染[3]。除病原微生物外,大量異源微生物也會通過相互作用,影響受納水體微生物群落結構和多樣性[4-6]。微生物在河流生態系統中扮演著重要的角色,作為主要分解者,能夠有效地降解有機物質,維持河流生態系統的平衡[7]。因此,進一步調查排污水體營養和微生物情況,評估城鎮污水對當地水體的潛在影響很有必要,且對于潛在的生態污染風險治理具有重要的意義。

南充市常住人口556萬,是四川省人口第二大城市,全域面積1.25萬km2。嘉陵江中游流經該市,是全市生活、農業、工業用水的主要來源,也是承接全市污水排放的主要河流,探究該段城鎮污水對嘉陵江的潛在生態危害,對于保持嘉陵江生態環境的穩定性和功能具有重要意義?；诖?本研究選擇嘉陵江南充段流域的8個污水處理廠,采集污水處理廠進水、尾水和附近水的水體樣品,通過測定理化性質和微生物群落,判斷城鎮生活污水排放對嘉陵江流域微生物的潛在影響,從而為嘉陵江流域的生態保護提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點分布與樣品采集

通過前期調查,選取了尾水排放至嘉陵江南充段的8個污水處理廠,且污水處理廠位于南充市的主要區縣。于2021年12月采集各污水處理廠的進水、尾水以及排污口下游200～300 m范圍5～10 cm的表層水(后文簡稱附近水)樣品,采樣點信息見表1和圖1,其中污水廠K尾水排至嘉陵江支流,對應的附近水為支流水樣。每個樣點后綴1、2、3對應進水、尾水和附近水樣品,比如B1、B2、B3分別代表污水廠B的進水、尾水和附近水。使用污水采樣器采集進水、尾水樣品,每個樣點采集3次,采集后均裝入同一個已消毒的2.5 L聚乙烯塑料桶;利用便攜式采樣器采集附近水樣品,同樣采集3次后裝入已消毒的2.5 L聚乙烯塑料桶;采樣后2 h內帶回實驗室放置于-20 ℃冰箱保存備用。

表1 各采樣點信息及編號Table 1 Information and serial number of each sampling site

1.2 理化性質的測定

1.3 高通量測序

取1 L水樣以孔徑為0.22 μm的微孔濾膜進行抽濾后,將濾膜置于離心管于-80 ℃冰箱保存備用。所有濾膜樣品用干冰冷藏寄送至上海美吉生物醫藥科技有限公司進行DNA提取和目標片段的高通量測序。擴增目標片段為細菌16S rRNA基因的V4—V5區,引物為515F/907R[9]。高通量測序采用Illumina NovaSeq 6000測序平臺,所得原始序列通過拼接、過濾、去除冗余序列,得到有效序列。根據97%的相似性對有效序列進行聚類,獲得可操作分類單元(Operational Taxonomic Units,OTU)及其豐度。使用Silva(Release138,http://www.arb_silva.de)對OTU進行物種鑒定,保留細菌OTU,并抽平到統一reads深度。

1.4 數據統計分析

本研究主要分析均在R語言平臺進行。使用“vegan”軟件包計算微生物α多樣性指數,包括豐富度、均勻度、香農威納指數、辛普森指數、Chao1指數以及Ace指數。微生物β多樣性分析使用“vegan”軟件包進行主坐標分析(Principal Co-ordinates Analysis,PCoA)。采用Excel 2021處理數據,考慮到樣品均按照污水處理廠進行配對采樣,故用IBM SPSS Statistics 26.0 軟件上的配對T檢驗分析比較不同水體之間理化和微生物多樣性的差異,P<0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 水體理化情況

2.2 高通量測序結果

高通量測序結果顯示:24個水體樣本共計得到有效序列884 448條,按最小樣本序列數36 852抽平分析。序列經過對比注釋后,得到符合要求的細菌OTU共6 404個,隸屬57門161綱410目702科1 428屬2 908種。進水中特有OTU共227個,尾水中特有OTU共2 529個,附近水特有OTU共750個,三者共有的OTU有1 022個,進水、尾水共有的OTU為1 179個,進水與附近水共有的OTU為34個,尾水與附近水共有的OTU為698個(圖3)。

2.3 微生物群落組成

對不同采樣點微生物門分析發現,隨嘉陵江自上而下微生物主要門的變化無明顯規律(圖4)。污水廠進水、尾水、附近水水體中的微生物均以變形菌門(Proteobacteria)為主(圖5a),其在進水中的相對豐度顯著高于尾水(P=0.043)。進水中相對豐度較高還有厚壁菌門(Firmicutes),其相對豐度顯著高于尾水(P=0.001)和附近水(P<0.001)。尾水中相對豐度較高的有擬桿菌門(Bacteroidota)、厚壁菌門、放線菌門(Actinobacteriota)、Patescibacteria、綠彎菌門(Chloroflexi),其中擬桿菌門顯著高于進水(P=0.037)、Patescibacteria和綠彎菌門顯著高于進水和附近水(P<0.001)。附近水中相對豐度較高的包括放線菌門、藍細菌門(Cyanobacteria)、擬桿菌門,其中藍細菌門和放線菌門的相對豐度均顯著高于進水(P=0.010,P=0.001)和尾水(P=0.014,P=0.012)。

對污水廠進水、尾水、附近水前六的優勢菌屬進行比較(圖5b)發現,進水中相對豐度最高的屬為不動桿菌屬(Acinetobacter),其相對豐度顯著高于尾水及附近水(P<0.001);尾水中相對豐度最高的為從毛單胞菌屬(Comamonadaceae),但其相對豐度僅顯著高于進水(P=0.007);附近水中相對豐度最高的為Chloroplast,其相對豐度顯著高于進水(P=0.011)和尾水(P=0.012)。此外,與附近水相比,進水中水棲菌屬(Enhydrobacter)、毛球菌屬(Trichococcus)、擬桿菌屬(Bacteroides)的相對豐度更高,而尾水中Saccharimonadales、擬桿菌屬、氣單胞菌屬(Aeromonas)相對豐度更高。

微生物群落的主坐標分析結果顯示(圖7):第一主成分(PC1)的貢獻率是38.02%,第二主成分(PC2)的貢獻率是21.87%。結果表明,污水處理廠進水、尾水、附近水的水樣之間的微生物群落組成具有差異性,而不同污水廠相同位置水中的微生物物種組成較為接近。

2.4 微生物群落多樣性

3 討 論

本研究顯示,尾水特有OTU有2 529個,而附近水特有的OTU僅有750個,且尾水中微生物群落多樣性顯著高于附近水以及進水。這是因為,一方面,本研究的污水處理廠均用活性污泥法去除污水中的營養物,而活性污泥中的大量微生物會在去污過程中進入污水處理系統,并隨尾水排出;另一方面,尾水與進水共有OTU有2 201個,占進水OTU的89.40%,這一結果與進水的微生物會進入污水處理系統,并在尾水中蓄積[12]相符合,從而增加了污水處理系統的微生物多樣性。同時,尾水中高特異的微生物將隨排污進入到嘉陵江,這在理論上能增加水體中生物群落多樣性,而通過微生物相互作用,可能會引起自然水體微生物群落的改變[13],但其具體影響效應還需要進一步研究。

本研究發現在門分類水平上,污水廠進水、尾水、附近水中變形菌門是第一優勢菌門,其他廢水、湖泊、河流的水體微生物研究也有類似結果[14-16]。這是因為變形菌門含有大量的光營養型、化能自養型和化能異養型細菌,該類群不僅能利用污水中的有機物,還可以利用河流、湖泊中的氮和磷等污染物[16-17],在各種水體環境中均具有較強的適應性。相較于附近水,厚壁菌門在進水和尾水中相對豐度更高,這是因為在糞便中厚壁菌門為最主要的微生物類群,它能進入污水系統,從而在進水中具有較高的豐度[18];另一方面,它本身能較好地適應厭氧和高營養環境,可以水解污水中的蛋白質、脂肪和碳水化合物等大分子物質,也是污水處理系統中常見的優勢菌[19]。另外,在自然水體的研究中發現,淡水水體中厚壁菌門的相對豐度一旦超過1%時,便指示水體已經受到了污染[20],而本研究中附近水厚壁菌門的相對豐度不足1%,這在一定方面上說明嘉陵江南充段水體受污染程度較低。藍細菌門在附近水中顯著高于尾水,這是因為藍細菌門是一類依靠產氧光合作用獲取能量的細菌,一般多存在于淡水水體中[21-23],而污水處理系統中較高的營養以及密閉環境不利于藍細菌生長。放線菌門的相對豐度在附近水中高于進水和尾水,這與其適應自然水體環境,具有較強的生長優勢有關[24]。在屬分類水平上,進水中相對豐度最高的為不動桿菌屬,占總豐度的44%。這是因為該菌屬偏好富營養水體[25],而進水中有機物、氮、磷等都較高,有利于該菌的生長發育。此外,不動桿菌相對豐度在尾水和附近水中相當,說明沿岸的污水處理廠能夠有效去除不動桿菌,而考慮到有報道稱污水中的不動桿菌包含多種新興致病菌[26],在現有污水處理工藝的基礎上,應該進一步增強對它的去除效果,并檢測可能出現的新興致病菌種類。尾水中的優勢菌屬氣單胞菌屬是活性污泥中常見的優勢菌和重要功能菌,能參與污水處理系統中的有機物、氮磷降解[27]。本文發現,hgcl_clade、CL500-29_marine_group是附近水中的優勢屬,這兩類菌能吸收利用水體營養物質,有改善水質的作用[28-29],并在多種淡水環境中也為主要的優勢菌群[28,30]。

4 結 論

本研究分析了嘉陵江流域上污水處理廠進水、尾水、附近水的水體營養以及微生物群落情況,結果表明嘉陵江南充段主要的污水處理廠能顯著降低進水的水體營養,改變進水中微生物群落組成,增加微生物多樣性。對比自然水體發現,污水廠尾水營養依舊較高,且水體微生物群落多樣性也更高,其群落含有較多的特有微生物類群。同時,本研究結果也指出,自然水體微生物群落多樣性和主要的屬與水體理化關系密切,其群落受水體理化的影響更大。綜合來看,嘉陵江南充段主要的污水處理廠的尾水排放,能通過直接輸入異源微生物和改變自然水體理化,對嘉陵江水體微生物造成潛在的影響,需進一步降低水體營養以及尾水的微生物。