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随着我国城市化进程的不断加快,生活污水、工业废水、畜禽养殖废水等的过度排放造成了河流富营养化,逐渐使水体呈现黑臭状态。水体黑臭是河流水环境污染严重的表现,因此探究水体黑臭的机理对水污染的治理至关重要。国内外关于黑臭水体的研究主要集中在化学机理、评价方法等方面,对于其形成的微生物机制研究则明显不足。本研究选取我国南北方典型黑臭河流(丁山河、子牙河),对比分析水体理化性质、碳硫循环功能基因数量、微生物群落组成和多样性,主要有以下结论:(1)从河流的水质检测指标(DO、TN、NH4+-N、N03--N、S042-、COD)来分析,子牙河较丁山河有着较高的营养盐负荷,其富营养化现象严重,更容易引起“水华”的发生,导致水体黑臭。(2)我国南北黑臭水体中碳循环功能微生物群落结构分析结果:a.丁山河的产甲烷菌(mcrA)与甲烷氧化菌(pmoA)的丰度没有明显的差别,而子牙河与丁山河则存在明显的差别,其产甲烷菌(mncrA)的丰度明显高出甲烷氧化菌(pmoA)一个数量级。b.针对 mcrA 基因聚类可得到 10 个 OTUs,在 OTU1(Uncultured methanogenic archaeon)中,子牙河占比 65.3%,在 OTU2(Methanosarcinamazei)中,丁山河占比80.4%;针对pmoA基因聚类可得到7个OTUs,其优势OTU分别为以下三类:OTU1(Methylosinus sp.)、OTU2(Uncultured bacterium clone)、OTU3(Met.hylomonas sp.)。c.T-RFLP结果显示,mcrA基因其两条河流几乎没有共有的优势片段,南方河流(丁山河)其优势片段主要集中在上游,包括146bp、243bp、285bp,北方河流(子牙河)森林区177bp是优势片段,在工业区53bp、147bp、761bp成为主要的优势片段,而在农业面源污染区60bp和86bp片段成为优势群落;pmoA基因两条河流含有共有的优势片段247bp。d.从环境因子的显著性水平看,影响丁山河mcrA基因的主要环境因子是溶氧(DO)和pH,影响子牙河mcrA基因的主要环境因子还包括总磷(TP)、COD;而影响丁山河pmoA基因的主要环境因子是硫酸盐(SO42-)和氨态氮(NH4+-N),对子牙河COD、pH、氨态氮、总氮、硝态氮、溶氧、硫酸盐、总磷等环境因子对pmoA基因均不存在显著性差异。(3)我国南北黑臭水体中硫循环功能微生物群落结构分析结果;a.从两种功能基因的丰度来看,两条河流都是硫氧化菌(soxB)的丰度明显高出硫酸盐还原菌(dsrB)的丰度一个数量级。b.针对soxB基因聚类可得到17个OTUs,在OTU1(Mesorhizobiumsp.)中,丁山河占比 97%,在 OTU2(Limnohabitans sp.103DPR2)中,丁山河占比 90%,在 OTU3(Uncultured bacterium)和 OTU4(Polynucleobacterduraquae)中,子牙占比90%;针对pmoA基因聚类可得到15个OTUs,其优势OTU分别为以下三类:OTU1(Desulfobulbus sp.)、OTU2(Desulfomicrobium apsheronum)、OTU3(Desulfovibrio carbinolicus strain DSM 3852)。c.T-RFLP结果显示,soxB基因南方河流(丁山河)的优势片段主要是38bp和416bp,北方河流(子牙河)其优势片段主要是499bp;dsrB基因南方河流(丁山河)优势群落片段主要是380bp、163bp、125bp、108bp,且在上游与下游基本呈均匀分布,北方河流(子牙河)的优势片段也包含163bp,其中在工业区分布着不同于森林区和农业区的64bp的片段。d.从环境因子的显著性水平看,丁山河影响soxB基因的主要环境因子是氨态氮(NH4+-N),影响dsrB基因的主要环境因子是氨态氮(NH4+-N)和pH;子牙河影响soxB基因的主要环境因子是溶氧(DO),影响dsrB基因的主要环境因子是总磷(TP)。(4)对水样的微生物细菌16S rDNA高通量测序得出:a.水体微生物在phylum门分类水平下,优势类群主要包括变形菌门(Proteobacteria 43.9%—90.4%)、厚壁菌门(Firmicutes 2.8%—17.6%)、拟杆菌门(Bacteroidetes 0.5%—22.3%)、蓝藻菌门(Cyanobacteria 0.3%—21.7%);水体微生物在class纲的水平下,优势群落包括β-变形菌纲(Betaproteobacteria 13.3%—31.9%)、Y-变形菌纲(Gammaproteobacteria 5.6%—53.4%)、α 变形菌纲(Alphaproteobacteria 5.2%—18.3%)、蓝藻纲(Cyanobacteria 0.3%—21.7%)、梭菌纲(Clostridia 0.2%—15.15)、拟杆菌纲(Bacteroidia0—10.2%)、Δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria0.1%—10.2%)b.选取sobs、shannon、sinpsoneven指数进行Alpha多样性分析,得出南方河流丁山河的微生物群落组成丰富,多样性较高;且这三种指数均与水体硝酸盐氮的含量呈显著的负相关关系,与其他理化指标无相关关系。c.在门的水平下相关性Heatmap图,可以看出与pH相关的是Microgenomates、浮霉菌门、软壁菌门,与水体溶解氧相关的是Omnitrophica、迷踪菌门(Elusimicrobia)、Cloacimonetes、软壁菌门(Tenericutes)、纤维杆菌门(Fibrobacteres)、黏胶球形菌门(Lentisphaerae),与水体硫酸盐相关的是 Hydrogenedentes、FCPU426、Microgenomates,与水体硝酸盐氮相关的是 CPR2、KSB3_Modulibacteria、Omnitrophica、Acidobacteria、Unclassified_K_norank、Hydrogenedentes、Armatimonadetes,与水体氨氮相关的是软壁菌门(Tenericutes)、纤维杆菌门(Fibrobacteres)、黏胶球形菌门(Lentisphaerae)、脱铁杆菌门(Deferribacteres)、Synergistetes,与水体COD呈显著负相关的是Saccharibacteria;与水体总磷呈显著正相关的是Omnitrophica、迷踪菌门(Elusimicrobia)。d.细菌群落与水体理化性质的CCA分析,得出D1(对照)受pH的影响较大,D2(高SO42-)、D3(高COD、高NH4+-N)受总磷的影响较大,Z1(对照)、Z2(高SO42-)受溶氧和硝氮的影响较大,Z3(高COD、高NH4+-N)受氨氮的影响较大。对整体群落分布的影响当中,理化指标硫酸盐对其影响最小。