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      不同上覆水氟濃度對湖泊沉積物氟釋放與微生物群落的影響*

      2022-05-17 08:12:34徐志鵬羅一單彭福全龐晴晴馬玉珅汪龍眠
      湖泊科學(xué) 2022年3期
      關(guān)鍵詞:沙湖湖泊沉積物

      朱 翔,徐志鵬,2,羅一單,2,彭福全,龐晴晴,謝 磊,3,馬玉珅,2,汪龍眠

      (1:生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所,南京 210042) (2:河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,南京 210098) (3:南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211800)

      水體中氟化物污染已經(jīng)成為全球性環(huán)境問題,中國作為世界上氟化物污染較為嚴重的國家之一,形勢不容樂觀[1-2]. 劉璇等[3]研究吉林西部湖泊F-濃度結(jié)果顯示:F-濃度最低為3.10 mg/L,最高達到32.56 mg/L,遠超我國地表水Ⅲ類標準(1 mg/L). 寧夏地區(qū)也報道了F-濃度高的現(xiàn)象. 寧夏清水河上游地下水F-濃度范圍為0.83~2.51 mg /L,平均值為1.47 mg /L[4]. Tian等[5]在研究寧夏沙湖時發(fā)現(xiàn),2019年沙湖地表水F-濃度為0.95~1.40 mg/L,周邊35%的采樣點中地下水F-濃度超過1 mg/L.

      針對現(xiàn)有研究的不足,為明確湖泊上覆水F-濃度變化對沉積物F-釋放的地球化學(xué)與微生物影響機制,本文模擬沙湖沉積物-水系統(tǒng),以上覆水F-濃度為主要控制因子,分析上覆水與孔隙水中F-濃度、pH和主要離子的變化規(guī)律,研究上覆水F-濃度變化條件下沉積物優(yōu)勢菌屬相對豐度的變化,分析沉積物優(yōu)勢菌屬與F-及其他主要離子濃度的相互作用,從地球化學(xué)與微生物兩個方面探究不同上覆水F-濃度背景下沙湖沉積物-水系統(tǒng)內(nèi)F-釋放和遷移的機理,為沙湖及其他高氟湖泊防治提供理論支持.

      1 材料與方法

      1.1 研究區(qū)域概況

      沙湖(38°45′N,106°18′E)位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市,地處賀蘭山麓,沙湖的表面積為13.96 km2,平均深度為2.2 m[19]. 沙湖地區(qū)屬于干旱和半干旱的大陸性氣候,蒸發(fā)強烈. 降雨主要集中在夏季的7-9月,平均年降水量為172.5 mm,而年平均蒸發(fā)量卻達到1755.1 mm[20],年平均溫度為9.5℃,晝夜溫差一般可達12~15℃. 2011-2018年沙湖氟離子濃度先增加后降低,并在2015年達到峰值1.59 mg/L[21].

      沙湖的巖性主要為黏土砂、細砂和砂質(zhì)黏土,由石英(40%~70%)、斜長石(15%~25%)、鈉長石(5%)、伊利石(2.5%~6%)、亞氯酸鹽(3%~5.5%)、方解石和白云石(2.2%~15.5%)以及少量的石膏(0.2%)和角閃石(0.3%)[22]組成.

      1.2 樣品采集與處理

      采樣時間為2020年11月,采集沙湖沉積物樣品和水樣. 采樣點位(38°49′N,106°21′E)遠離河道、閘口、旅游區(qū)以及可能的污染源頭且沉積物中微生物種類豐富,共采集水樣25 kg,泥樣10 kg. 采樣選擇風小、水面穩(wěn)定時進行.

      1.3 實驗設(shè)計

      實驗裝置為10根形狀相同的聚氯乙烯(PVC)圓柱,圓筒直徑為9 cm,高度為60 cm. 實驗開始前,在圓柱底部鋪設(shè)20 cm高的原始湖泊沉積物. 根據(jù)監(jiān)測的水質(zhì)指標,在實驗室配制模擬原水,以模擬上覆水(為避免原水中微生物、藻類等因素的干擾,更精確地計算沉積物中氟離子的釋放量,使用配制模擬原水.),上覆水高30 cm. 配置水質(zhì)指標所需試劑及劑量(括號中數(shù)值為試劑投加量,按10 L配置水量計算)為:NaOH(3.5 mg)、C6H12O6(243.7 mg)、KH2PO4(0.9 mg)、NaNO3(4.5 mg)、NH4Cl(5.1 mg)、NaF(15.3 mg)、NaCl(2991.3 mg)、KCl(153.3 mg)、CaCl2(871.4 mg)、MgSO4(3090.0 mg)、NaHCO3(1323.3 mg)、MgCl2(156.6 mg)、CaSO4(357.0 mg).

      為研究不同濃度的上覆水F-對沉積物-水體系中氟化物遷移的影響,以原上覆水中F-為1倍濃度(0.69 mg/L),設(shè)計了不同濃度梯度,分別為以原水濃度為1倍濃度(0.69 mg/L),設(shè)置0.5倍組(0.35 mg/L)、1倍組(0.69 mg/L)、2倍組(1.38 mg/L)和4倍組(2.76 mg/L)4個F-濃度梯度組. 另外,為研究微生物對氟化物遷移的影響,在1倍濃度組中增設(shè)1倍滅菌組(0.69 mg/L),共設(shè)置5個實驗組,上述各組均設(shè)1個平行組.

      在實驗室環(huán)境預(yù)培養(yǎng)3天后,在實驗第1、2、3、5、7、10、15、20、25、30天分別收集80 mL上覆水和50 mL孔隙水,共計200個水樣并測量各指標. 其中孔隙水利用Rhizosphere土壤溶液取樣器[23](Rhizon SMS,荷蘭)采集,每次取完水樣后,將準備好的上覆水模擬水沿柱壁緩慢補充各圓筒至原來高度.

      1.4 分析方法

      1.4.2 湖泊沉積物中微生物群落分析 1) 微生物樣品收集:實驗結(jié)束后采集實驗組10組沉積物樣品(每組包含1個平行樣),10組實驗組的沉積物均收集自沉積物-水界面下5~10 cm處. 實驗結(jié)束后立即將10組實驗組和1組初始沉積物樣品(共11組)保存在-80℃環(huán)境中.

      2) DNA提取與Illumina高通量測序:稱取沉積物樣品0.25 g,使用OMEGA Soil DNA Kit (D5625-01) (Omega Bio-Tek,美國)提取總基因組DNA樣本,具體步驟按照制造商的說明. 在進一步分析之前保存在 -20℃ 環(huán)境中. 分別使用NanoDropND-1000分光光度計(ThermoFisherScientific,美國)和1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測提取DNA的數(shù)量和質(zhì)量.

      使用正向引物338F(5′-ACTCCTACGGGAGAGGCAGCA-3′)和反向引物806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)對細菌16SrRNA基因V3-V4區(qū)進行PCR擴增. PCR擴增子用Vazyme VAHTSTM DNA Clean Beads(Vazyme,南京,中國)純化,并使用Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit(Invitrogen,美國)進行定量. 進行單獨的定量步驟后,將等量的擴增子合并,并使用上海派森諾生物科技股份有限公司(中國上海)的IllluminaMiSeq平臺和MiSeqReagent Kit v3的雙端2×250 bp測序[28-30].

      3)微生物群落結(jié)構(gòu)分析:通過層次聚類和冗余分析(redundancy analysis,RDA)挖掘樣品間的物種組成差異和環(huán)境因子的相關(guān)性[31-32].

      1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

      根據(jù)實驗結(jié)果和質(zhì)量守恒定定律計算沉積物中F-的累次釋放量和單次釋放量,計算公式見式(1)~(2):

      Mi=(C1i·V1+C2i·V2)-(C10·V1+C20·V2)

      (1)

      式中,Mi為第i次實驗測試結(jié)果沉積物F-的累次釋放量,mg;C10為初始上覆水中F-濃度,mg/L;C20為初始孔隙水中F-濃度,mg/L;C1i為第i次實驗此時結(jié)果上覆水中F-濃度,mg/L;C2i為第i次實驗此時結(jié)果孔隙水中F-濃度,mg/L;V1為容器中上覆水體積,L;V2為容器中孔隙水體積,L;i為實驗測試次數(shù),當i=10時,計算結(jié)果則為釋放總量,否則為累次釋放量.

      mi=Mi-Mi-1

      (2)

      式中,mi為第i次實驗測試結(jié)果沉積物F-的單次釋放量,mg;Mi為第i次累次釋放量,mg;Mi-1為第i-1次累次釋放量,mg;i為實驗測試次數(shù).

      水質(zhì)數(shù)據(jù)變化通過Origin 2018軟件繪制,上覆水中各陰陽離子與F-間的相關(guān)性(Pearson相關(guān)性分析)以及上覆水F-與pH間的相關(guān)性(一元線性回歸分析)利用Excel 2010、SPSS 22.0軟件計算. 采用R語言進行方差分析,采用UPGMA算法對微生物群落進行Beta多樣性層次聚類分析,基于97%相似水平的OUT對主要菌屬的相對豐度和環(huán)境因子的相關(guān)性開展RDA分析,利用PHREEQC 2.16計算飽和指數(shù)[5].

      圖1 不同實驗組上覆水和孔隙水F-濃度變化Fig.1 F- concentration changes of overlying water and pore water in different groups

      2 結(jié)果與分析

      2.1 上覆水和孔隙水F-濃度變化

      圖2 各實驗組沉積物釋放F-總量Fig.2 Total amount of F- released by sediments in each group

      根據(jù)圖1所示,初始時0.5倍、1倍、1倍滅菌、2倍、4倍濃度組上覆水F-濃度分別為0.35、0.69、0.69、1.38 和2.76 mg/L,隨實驗進行,各組上覆水和孔隙水F-濃度發(fā)生了不同程度變化,除了4倍濃度組F-濃度有所下降(實驗結(jié)束時為2.51 mg/L),其余4組的上覆水F-濃度均有小幅度的上升. 另外1倍滅菌組中上覆水及孔隙水F-濃度均要稍低于同倍非滅菌組,說明微生物活動會影響F-的遷移.

      2.2 湖泊沉積物F-釋放量

      如圖2所示,沉積物釋放F-的總量由高到低依次為0.5倍、1倍、1倍滅菌、2倍和4倍組. 其中2倍組和4倍組沉積物由釋放F-轉(zhuǎn)為吸附F-. 相比于1倍滅菌組,1倍組中沉積物F-釋放量更高. 根據(jù)實驗數(shù)據(jù),沉積物總氟含量為41.49 mg. 各實驗組釋放F-含量占總量的比例分別為0.85%(0.5倍組)、0.69%(1倍組)、0.19%(1倍滅菌組)、-0.35%(2倍組)以及-1.45%(4倍組)(負號代表吸附).

      2.3 微生物群落變化

      從初始沉積物及各實驗組共11個樣品的層次聚類圖(圖3)可以看出,左側(cè)各組的相似關(guān)系總體可以分為滅菌組和非滅菌組兩大類,證明滅菌會對沉積物中微生物群落產(chǎn)生很大影響. 由圖3可知,除Thiobacillus外,實驗前后沉積物主要菌屬組成有較大差異. 初始沉積物中Paenisporosarcina相對豐度較高,但實驗后各濃度組該菌屬相對豐度接近0,表明上覆水F-濃度一定程度上抑制了Paenisporosarcina的代謝和生長;Clostridium_sensu_stricto_13和Fusibacter在各濃度組占比與初始沉積物相比都有不同程度的增加. 滅菌組和其他非滅菌組沉積物中菌落在屬水平組成上表現(xiàn)出極大差異. 滅菌組菌屬以Sedimentibacter和Exiguobacterium為絕對主導(dǎo),而非滅菌組中Thiobacillus占絕對支配,但隨F-濃度增加,其相對豐度逐漸降低. 非滅菌組中不同濃度組沉積物菌落整體組成差異不大,僅1_1中Clostridium_sensu_stricto_1,2_1、4_1和4_2中Fusibacter相對豐度較高,其中Fusibacter表現(xiàn)出良好耐高濃度氟的屬性.

      圖3 基于屬水平各實驗組相對豐度的層次聚類分析 (0為處理前的樣品編號,05_1、05_2、1_1、1_2、1_1#、1_2#、2_1、2_2、4_1和4_2為處理后的樣品編號, “_”前面數(shù)字表示上覆水F-濃度倍數(shù),后面數(shù)字表示平行樣編號,#表示滅菌組,下同)Fig.3 The hierarchical cluster analysis based on the relative abundance of different groups at the genus level

      2.4 水體化學(xué)特征對湖泊沉積物F-釋放的影響

      2.4.1 pH對湖泊沉積物F-釋放的影響 實驗數(shù)據(jù)顯示,上覆水pH平均值為7.25,并且在各濃度條件下均無顯著差異;0.5倍組孔隙水pH值(平均值為7.1)顯著低于其他組,其余4組無顯著差異,且平均值為7.4.

      表1 各實驗組上覆水中離子濃度平均值

      表2 各實驗組上覆水中F-與離子濃度的Pearson相關(guān)性分析

      3 討論

      3.1 不同上覆水F-濃度背景下環(huán)境因子與湖泊沉積物中微生物群落的相互作用

      圖4 孔隙水中主要菌屬相對豐度與 環(huán)境因子的RDA分析 Fig.4 RDA analysis of main bacteria and environmental factors of pore water

      3.2 不同上覆水F-濃度下pH對湖泊沉積物F-釋放的影響

      3.3 上覆水中主要離子與F-濃度的相關(guān)關(guān)系

      圖5 各實驗組沉積物中CaCO3和CaF2的飽和指數(shù)Fig.5 Saturation indixes of calciteand fluorite in sediments of each group

      各實驗組沉積物表現(xiàn)出98%的CaCO3飽和指數(shù)>0和所有螢石CaF2飽和指數(shù)<0,表明本實驗沉積物-水體系更容易發(fā)生含鈣礦石的沉淀和含氟礦石的溶解. 各濃度組之間相比,4倍濃度組CaF2飽和指數(shù)最高(-0.89~-0.58),0.5倍濃度組CaF2飽和指數(shù)最低(-2.63~-1.81),因為上覆水較高的F-濃度會抑制CaF2等含氟礦物的溶解.

      圖6 0.5倍和4倍實驗組上覆水Ca2+和濃度變化Fig.6 The changes of Ca2+ and concentrations of two groups (0.5 and 4 times)

      圖7 不同實驗組間上覆水與孔隙水F-濃度差Fig.7 The F- concentration gradient between overlying water and pore water of each group

      4 結(jié)論

      1)不同F(xiàn)-濃度背景下,沉積物F-的釋放量由大到小依次為0.5倍組、1倍組、1倍滅菌組、2倍組和4倍組,沉積物F-的釋放量隨上覆水F-濃度的增加而呈下降的趨勢,其中2倍和4倍組的沉積物由釋放F-轉(zhuǎn)變?yōu)槲紽-. 對比滅菌組和非滅菌組,滅菌組F-的釋放量更小.

      2)初始組中Paenisporosarcina相對豐度較高,但實驗后各濃度組該菌屬相對豐度接近0,滅菌組菌屬以Sedimentibacter和Exiguobacterium為主要菌屬,而非滅菌組中Thiobacillus占絕對支配. 非滅菌組中,隨著F-濃度增加,Thiobacillus的相對豐度逐漸降低,而Fusibacter的相對豐度逐漸升高.

      3)除了0.5倍組,其余各組沉積物F-釋放量均與上覆水pH呈顯著正相關(guān),其中4倍濃度組呈極顯著相關(guān). pH越大,沉積物中F-釋放增量越大.

      5)通過模擬沙湖沉積物-水系統(tǒng),探究不同上覆水F-濃度背景下沙湖沉積物中F-釋放和遷移機理,為沙湖及其他含氟地表水防治提供理論支持.

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