南太湖流域典型入湖河流水质与微生物菌群时空分布研究

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数十年来,我国太湖等重点流域工业化城镇化快速发展,带来严重的水环境污染问题,受到国家高度重视与公众普遍关注。早期研究认为,入湖河流污染是造成太湖等湖(库)富营养化、藻类爆发、饮水安全的主要原因,研究多数集中于入湖河流生物生态修复、湖库控藻抑藻等方面。然而,随着社会经济持续发展、引江济太、水资源过度开发利用,太湖等重点湖泊水位不断抬高、湖水倒灌频繁,引发入湖河流蓝藻水华堆积、修复工艺性能不佳、断面水质难以稳定达标。研究不同污染类型的纳污水体理化特征与微生物群落结构时空演替规律,对因地制宜地制定“一河一策”、重建健康河流生态系统具有重要意义,尤其是在经济发达、人口众多而又水文条件复杂的重点流域。为此,论文选择南太湖流域长兴港和西苕溪两条典型的入湖河流作为研究对象,在太湖入湖口、城镇污水处理厂排放口、城镇雨水径流口、农业面源排水区4种污染类型所在河段设置监测点位,运用高通量测序、多元统计分析等技术,分析典型入湖河流四季的水体理化特征、微生物群落多样性及其结构,剖析复杂水文条件下污染类型对河流微生物生态系统的影响及其优势菌群功能。主要研究结论如下:(1)分析南太湖流域两条典型入湖河流水质特征发现,长兴港的整体水质劣于西苕溪,主要污染因子为氨氮(NH4+-N)、总氮(TN)和总磷(TP)。不同季节入湖河流的污染程度有所差异,其中秋季长兴港、冬季西苕溪的水质相对较差,属于重度污染水平。分析不同污染类型对两条入湖河流水质的影响发现,城镇雨水径流口监测点位的水质最差,NH4+-N、TN、TP浓度分别为1.02-2.19 mg/L、3.14-5.30 mg/L、0.22-0.55 mg/L,表明入湖河流受雨污混排影响显著;同时,太湖入湖口监测点位的p H相对较高(7.5-8.0),秋季太湖蓝藻爆发时溶解氧(DO)低至2.20 mg/L。(2)分析典型入湖河流微生物群落结构发现,季节变化是引起微生物群落多样性差异的主要因素,两条入湖河流夏、秋季节的微生物群落多样性最高,Chao1指数分别达到3278、1247。应用聚类分析研究不同河流不同点位样品优势菌群差异发现,太湖入湖口、农业面源排水区及饮用水源地3类监测点位归为第一组,其微囊藻科(Microcystis)显著富集(16.6%-26.0%),城镇污水处理厂排放口、城镇雨水径流口2类监测点位归为第二组,其假单胞菌属(Pseudomonas)、弓形杆菌属(Arcobacter)和不动杆菌属(Acinetobacter)相对丰度较高(4.4%-9.7%、5.5%-8.2%、0.6%-4.2%),证实不同河流微生物群落结构在相同污染类型监测点位的丰度相似。(3)鉴于污染类型是影响河流微生物群落结构的主要因素之一,冗余分析入湖河流不同监测点位的水质特征与微生物菌群相关性发现,太湖入湖口监测点位的微囊藻科(Microcystis)和念珠藻科(Nostocaceae)相对丰度与DO、p H正相关;城镇雨水径流口监测点位的反硝化细菌(Pseudomonas、Arcobacter、Malikia)与TN、NO3--N呈正相关;而水杆菌属(Aquabacterium)、不动杆菌属(Acinetobacter)、脱氯单胞菌属(Dechloromonas)、噬氢菌属(Hydrogenophaga)则与NH4+-N呈正相关、DO呈负相关。基于上述结果,建议太湖入湖口的污染修复重点考虑滞留区水力流通与复氧,进而缓解该河段蓝藻堆积问题,强化硝化反硝化菌群分区定殖;城镇雨水径流口的污染修复则应重点考虑适度曝气增氧(DO控制在5-6 mg/L)与硝化细菌的有效富集,同步实现硝化反硝化。
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