回用景觀水菌藻群落結構及環境響應

徐玲娥,劉書敏,路麗君

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江杭州 311100;2.同濟大學環境科學與工程學院,上海 200092;3.常州市排水管理處,江蘇常州 213017)

城市污水處理后的再生水作為重要的水資源之一,具有流量大、穩定及不受自然因素制約的特點,污水處理后回用景觀水既節約了淡水資源,同時具有顯著經濟優勢[1]。我國對于再生水回用的工程實踐源于應對北方水資源短缺及污染問題,目前多個景觀再生水回用工程已分別在多個城市開展,然而當前工程回用規模及處理效果與西方國家存在一定差距[2]。2015年頒布的《水污染防治行動計劃》提出,缺水及水污染嚴重地區城市的生態景觀用水要優先使用再生水,逐步加大了再生水回用工程應用及推廣需求[3],因而同步地對回用水的生態影響評價提出更高要求。

然而,再生水回用景觀水體存在一定的環境問題,其中氮磷營養鹽引發的富營養化問題尤為突出[4-5]。我國制定了《城市污水再生利用景觀環境用水水質》(GB/T 18921—2002)的排放標準,該標準規定氨氮質量濃度<5.0mg/L,TP質量濃度<0.5mg/L,TN質量濃度≤15mg/L,但相較于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅴ類水體氮、磷限值(氨氮質量濃度<2.0mg/L,TP質量濃度<0.4mg/L)仍然較高。再生水的氮、磷營養元素本底值較高,增加了景觀水水華暴發潛在風險[6]。因此,如何安全并穩定地將再生水回用城市景觀水體,如何最大程度降低再生水回用過程中環境風險發生的可能性,成為再生水是否可大規模回用的關鍵。

以往較多研究集中于再生水水質的污染情況,已有較多學者對水體有機物、無機物[7]、生物毒性[8]、遺傳毒性[9]的含量與性質進行分析。較少研究對回用景觀水體的浮游藻類、細菌及二者對水質的響應進行分析。水體浮游藻類、細菌作為水生食物網的重要組成部分,在水生態系統中作為生產者和分解者發揮協同運轉作用[10-11],通過參與水體生態系統的重要元素循環[12],促進系統水體、植物、動物及沉積物的物質及能量交換[13],在維持生態系統功能和健康中發揮重要作用[14]。對于二者的檢測和分析有助于對再生水回用生態系統健康進行評價,進而從生態系統健康角度出發,為再生水回用的水質及水量的確定提供參考依據。

鑒于此,該項目于2022年7月對常州江邊污水處理廠再生水回用的濕地及河道水質進行調研,通過顯微鏡檢對浮游藻類進行了定性、定量觀測,對浮游細菌采用了16S rDNA高通量測序技術進行檢測。通過分析再生水回用濕地及河道的水質水平、浮游菌藻的群落結構特征及對水質的響應關系,旨在對再生水回用景觀水體后的浮游菌藻的響應特征進行評價。本文項目結果將為再生水回用景觀水環境的保護與管理提供理論依據,同時為相關職能部門的決策實施提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點設置概況

再生水回用補水來自常州市江邊污水處理廠,規模為4×104m3/d的再生水輸送常州高鐵公園和東風大溝生態補水后流入藻江河。補水路徑共有兩條:一條為再生水補水常州高鐵公園,濕地補水流量為1.5×104m3/d,濕地出水流入東風大溝;另一條路徑為再生水直接補水東風大溝,補水流量為2.5×104m3/d,且東風大溝為斷頭浜,補水提高了河道水體流動性。本次水質調查采樣點分別布設在常州市高鐵生態濕地公園(ST1～ST3)、東風大溝(ST4～ST5)、藻江河西支(ST6～ST8)。其中,高鐵公園生態湖泊水域面積為1×105m2,東風大溝河道長約為1.4 km,寬約為20 m,藻江河西支河道長約為1.3 km,寬約為20 m。采樣時間為2022年7月,采樣點布設概況如圖1所示。

圖1 項目采樣點分布

1.2 樣品采集與水質理化指標測定

水體樣品采集使用柱狀采樣器采取0～0.5 m表層水2 L,每個樣點平行采樣3次。采用多參數水質測定儀(YSI EXO)現場測定溶解氧(DO)、電導率、pH;采用SAN++連續流動分析儀測定TP、TN和氨氮質量濃度;采用重鉻酸鉀回流法測定化學需氧量(CODCr);采用分光光度計測定葉綠素a(Chl-a)質量濃度;采用賽氏盤測定水體透明度(SD)。

1.3 浮游藻類的采集與鑒定

浮游植物樣品采集完成后,用魯哥試劑立即固定100 mL水樣,計數方法采用倒置顯微鏡計數法。采用視野法觀察100個視野,確定藻類細胞數量,通過測量直徑、高度等近似的幾何圖形來計算藻類體積,確定藻類生物量。

1.4 DNA提取和高通量測序

根據E.Z.N.A.?soil DNA kit (Omega Bio-tek, Norcross, GA, U.S.)說明書進行微生物群落總DNA抽提,使用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的提取質量,使用NanoDrop2000測定DNA濃度和純度;使用338F (5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)對16S rRNA基因V3～V4可變區進行PCR擴增。每個樣本3個重復。利用Illumina公司的MiSeq PE300平臺進行測序。

1.5 數據分析

1.5.1 生物信息學分析

使用Fastp軟件[15]對原始測序序列進行質控,并使用Flash軟件[16]進行拼接。使用Uparse軟件[17]根據97%的相似度[18]對序列進行OTU聚類并剔除嵌合體。利用RDPclassifier[19]對每條序列進行物種分類注釋,比對Silva 16S rRNA數據庫(v138),設置比對閾值為70%。

1.5.2 生物多樣性分析

浮游藻類的生物多樣性指數選擇歧異度指數Shannon-Wiener指數來表示,基于物種數量反映群落種類多樣性。微生物群落的豐富度和多樣性通過單樣本的Alpha多樣性分析反映,本次分析將Ace指數作為反映群落多樣性的指數。

1.5.3 統計學分析

通過計算綜合營養狀態指數(TLI)對回用水體的富營養狀態進行評價。采用冗余分析(redundancy analysis,RDA)進行環境因子約束性分析,描述樣本分組與環境因子相關關系,浮游藻類、浮游細菌與環境因子的相關性分析均采用了該方法。采用相關性Heatmap分析,描述環境因子與特定浮游細菌物種相關關系。相關統計分析分別基于R(version 3.3.1)的vegan包、heatmap包來分析,并作圖。

2 結果與分析

2.1 再生水回用水體理化性質

采集分布于再生水回用水體的8個采樣點(ST1～ST8)水樣,對其進行理化檢測,并采用單因子評價法對水質進行分析(表1)。結果表明:濕地(ST1～ST3)的氨氮質量濃度為0.13～0.31mg/L,TN質量濃度為0.75～0.85mg/L,TP質量濃度為0.09～0.15mg/L,CODCr質量濃度為12～16mg/L,滿足地表水環境質量標準Ⅲ類標準(GB 3838—2002)。河道(ST4～ST8)的氨氮質量濃度為0.90～1.38mg/L,河道TP質量濃度為0.18～0.33mg/L,CODCr質量濃度為11～16mg/L,基本滿足地表水環境質量標準Ⅴ類標準(GB 3838—2002),TN質量濃度為2.54～3.17mg/L。

表1 2022年采樣點再生水回用水質變化

回用水體的富營養狀態采用TLI指數進行評價,計算如式(1)。

(1)

其中:T——TLI指數;

Tj——第j種參數的營養狀態指數;

m——評價參數的個數;

Wj——第j種參數的營養狀態指數的相關權重,根據我國湖泊(水庫)的Chl-a與其他參數之間的相關關系得到。

根據本次檢測濕地及河道(ST1～ST8)TLI分析(表2),結果表明:回用濕地(ST1～ST3)水體營養狀態為中營養狀態,水質水平良好;回用河道水體(ST4～ST8)營養狀態集中為輕度富營養狀態,水質水平為輕度污染。

表2 濕地及河道水質綜合營養狀態評價結果

2.2 浮游藻類群落結構及水質相關關系

2.2.1 浮游藻類群落結構組成

本次調查共檢出浮游藻類52種。其中,綠藻門和硅藻門物種數占比最高(17種),藍藻門為8種,裸藻門為5種,甲藻門為2種,隱藻門為2種,金藻門1種。各采樣點的物種數各有不同,最高為25種,最低為11種;總體上為ST8>ST5>ST7>ST3=ST4>ST6>ST2>ST1。在藻類密度水平上(圖2),藍藻門在各個采樣點所占的比例較高,其次為硅藻門和綠藻門,各采樣點的藻類密度在1.08×106～4.37×106L-1,其中ST5最高,ST4最低,8個采樣點平均值為2.25×106L-1。在浮游藻類生物量水平上,藻類生物量在0.82～4.82mg/L,其中ST5最高,ST1最低,8個采樣點平均值為2.58mg/L。生物量趨勢與密度趨勢不一致,主要與不同物種的體積、質量有關。總體上硅藻門在各個采樣點所占的比例較高,尤其在ST2和ST3。在東風大溝(ST4、ST5)采樣點裸藻門浮游藻類相比其他點位占比較高。

圖2 項目點位藻類密度及生物量變化

2.2.2 浮游藻類生物多樣性分析

生物多樣性指數反映了各物種種群數量的變化情況,生物多樣性指數越大,說明群落內物種數量分布越均勻,相應的水質狀況越好。本次生物多樣性指數選擇歧異度指數(Shannon-Wiener指數,H′)來表示,計算如式(2)。

(2)

其中:S——種數;

ni——i種的個體數;

N——總個體數。

當H′<1.0時,表示水體重污染;當1.0≤H′<2.0時,表示水質類型為α-中污染;當2.0≤H′<3.0時,表示水質類型為β-中污染;當3.0≤H′<4.0時,表示水質類型為輕污染;當H′≥4.0時,表示水質為清潔狀態。

Shannon-Wiener指數結果表明(表3),各采樣點多樣性都非常低,大都處于α-中污染或β-中污染狀態,表明群落豐富度和均勻度均處于較低水平。其中,ST2位點的生態多樣性最低,為重污染水平。

表3 各采樣點浮游植物多樣性指數

2.2.3 優勢浮游藻類與環境因子相關關系

對檢測時段內各點位浮游藻類按照生物量占比≥1%出現的條件進行篩選,總計篩選4個門類16種浮游藻類優勢種(表4)。分析浮游藻類優勢種生物量與環境因子之間的關系,先進行除趨勢對應分析法(DCA)分析,結果顯示軸最大梯度值均小于3,因此,選用RDA分析方法(圖3)。該分析結果表明,第一軸解釋率為36.84%,第二軸解釋率為23.87%,說明分析結果較高,可信度較好。RDA分析結果顯示:ST1～ST8采樣點中,藍藻門束絲藻(Aphanizomenonflosaquae)生物量與TN、氨氮、TP呈正相關關系;裸藻門的陀螺藻(Strombomonassp.)和金藻門的魚鱗藻(Mallomonassp.)生物量與TN呈正相關;硅藻門的尖針桿藻(Synedra.acus)、輻節藻(Stauroneissp.)、羽紋藻(Pinnulariasp.)生物量與水體TN、氨氮呈負相關。該結果表明,再生水回用到自然水體之后,藍藻生長受到氮磷營養鹽的影響較大,而對硅藻的影響不明顯。

表4 再生水回用7月浮游藻類優勢種

圖3 浮游藻類優勢種與環境因子RDA的排序

2.3 浮游細菌群落結構及水質相關關系

2.3.1 浮游細菌群落結構組成

對再生水回用濕地和景觀河道樣本浮游細菌進行測序后,共檢測出2 093個OTU,分布于41門、108綱、262目、422科、768屬、1 297種。不同點位再生水回用水體中浮游細菌群落結構存在差異(圖4),在門水平上,物種豐度位于前9位的門占據了物種總豐度的99%,其中相對豐度排名前4位的變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobac-teriota)、擬桿菌門(Bacteroidota)、藍細菌門(Cyanobacteria)約占據了物種總豐度的90%。在綱水平上,對物種豐度位于前12位的具有代表性的細菌綱水平進行物種分析,γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)相對豐度在15.90%～45.60%,放線菌綱(Actinobacteria)相對豐度在8.09%～26.79%,擬桿菌綱(Bacteroidia)相對豐度在7.00%～25.41%,藍藻細菌綱(Cyanobacteriia)相對豐度在1.7%～21.56%,α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)相對豐度在6.90%～13.35%。

圖4 再生水回用水體細菌群落結構組成

2.3.2 浮游細菌生物多樣性分析

Ace指數是通過分析群落中的OTU數目反映群落豐富度。如圖5所示,坐標軸橫軸代表項目水體采樣點位ST1～ST8,縱坐標代表了Ace生物多樣性指數,通過Ace指數分析發現,ST6～ST7藻江河西支河段群落豐富度較高,ST1～ST3高鐵公園濕地豐富度次之,ST4～ST5東風大溝點位群落豐富度最低。

圖5 水體樣點Ace多樣性指數

2.3.3 浮游細菌群落結構與環境因子相關關系

將細菌群落屬水平物種豐度與環境因子進行RDA相關性分析(圖6),結果表明,不同環境因子對再生水回用的細菌群落豐度相關關系存在差異。RDA分析結果第一軸解釋率為76.06%,第二軸解釋率為12.92%,說明分析結果較高可信度較好。高鐵生態公園(ST1～ST3)浮游細菌群落豐度與DO、pH呈正相關,與TN、氨氮、TP呈負相關;東風大溝(ST5)浮游細菌群落豐度與TN、氨氮、TP呈正相關,與CODCr、DO、pH呈負相關,ST4浮游細菌群落豐度與CODCr呈負相關;藻江河西支(ST6～ST8)與TN、氨氮、TP呈正相關,與DO、pH呈負相關。

圖6 水庫浮游細菌群落結構與環境因子的RDA分析(屬水平)

為了進一步探索浮游細菌豐度與環境因子間的相關關系(圖7),通過Spearman相關性分析計算水體環境因子與細菌豐度前50位的綱水平的相關性。結果表明:Negativicutes綱豐度與pH呈顯著負相關,彎曲桿菌綱(Campylobacteria)、Negativicutes綱與DO呈顯著負相關,Chlamydiae綱與SS呈顯著正相關,嗜熱油菌綱(Thermoleophilia)與CODCr呈顯著正相關,γ-變形菌綱與TN呈顯著正相關,芽單胞菌綱(Gemmatimonadetes)、Syntrophobacteria綱、Kryptonia綱與TN呈顯著負相關,彎曲桿菌綱與氨氮呈正相關,彎曲桿菌綱、梭桿菌綱(Fusobacteriia)與TP呈正相關。

圖7 樣本物種(綱水平)與環境因子相關性Heatmap圖

3 討論

3.1 再生水回用水體水質分析

通過對再生水回用水體斷面進行理化因子檢測并進行單因子評價及營養狀態評價,結果表明:回用濕地水質優于河道回用水質。濕地(ST1～ST3)滿足GB 3838—2002 Ⅲ類標準。河道(ST4～ST8)除TN指標外基本滿足GB 3838—2002中Ⅴ類標準,TN質量濃度為2.54～3.17mg/L。營養狀態指數表明,回用于濕地的水體(ST1～ST3)營養狀態為中營養狀態,水質水平良好;回用河道的水體(ST4～ST8)營養狀態集中為輕度富營養狀態,水質水平為輕度污染。

3.2 浮游藻類對水體理化因子響應特征

浮游藻類是水體生態系統中重要的初級生產者,浮游藻類的密度、生物量及優勢種可一定程度上對水體的污染狀態進行反應[27]。通過對再生水回用浮游藻類檢測并分析,結果表明,回用水體各采樣點浮游藻類密度和生物量均相對較低,尤其在再生水回用的起始點位最低,隨后沿補水路徑依次上升。藻類密度:ST5>ST2>ST6>ST8>ST1>ST7>ST3>ST4,其中,ST4點位藻類密度最低,而ST4點位為靠近再生水大量補水最近的檢測斷面,分析原因為再生水在管網輸配或存儲過程中存在余氯或消毒副產物等,其水質特征并不適宜部分浮游藻類生長[28]。藻類生物量:ST5>ST8>ST4>ST6>ST2>ST3>ST7>ST1,且在生物量水平上硅藻門藻類優勢種較多,以往研究[29]表明,硅藻占據優勢種的浮游藻類群落是水質污染較輕水體的特征,而藍綠藻型藻類群落則意味著水體富營養化程度較高。

回用水體的優勢種主要以中心硅藻綱硅藻、小型絲狀藍藻、綠藻和囊裸藻為主,優勢種均為富營養水體常見物種,均為耐污種。綠藻門的衣藻常在氮、磷較高的水體中占優勢,是水體超富營養化的潛在指示種,同時也表明水體可為富營養化常見物種提供較好的生存條件,存在水體富營養化惡化的趨勢。此外,裸藻門的物種多適宜生存在有機質非常豐富的水體,除ST1和ST5檢測點外,其余點位囊裸藻均占優勢,這與點位有機質含量相對較高密切相關。藻類多樣性指數分析表明,各位點物種多樣性較低,總體處于α-中污染或β-中污染,個別位點為重污染狀態。TLI指數表明水體呈中營養、輕度富營養化狀態,但藻類物種多樣性卻較低,分析原因這與再生水水質特點密切相關,水處理過程中的消毒工藝會殘留化學物質,抑制部分藻類生長[30],導致藻類生物多樣性較低,且促使藍藻及硅藻占據較大生態位成為主要優勢藻種[31],增加了受納景觀水的水華暴發概率。

3.3 浮游細菌對水體理化因子響應特征

再生水回用水體浮游細菌主要優勢門為變形菌門、放線菌門、擬桿菌門、藍細菌門、芽單胞菌門。芽單胞菌門為土壤中重要細菌門之一,且該門細菌與浮游藻類密切相關,該門細菌可附著在硅藻門和藍藻門藻類表面[32],該門細菌與藻類的協同競爭關系有待進一步分子水平探究。回用水體主要優勢綱為γ-變形菌綱、放線菌綱、擬桿菌綱、藍藻細菌綱、α-變形菌綱。這與以往多數研究[33-34]所鑒定出的典型海洋、湖泊及河流中浮游細菌優勢類群相似。回用水體降低了微生物群落的多樣性,Ace多樣性指數表明,回用水體浮游細菌多樣性排序依次為藻江河西支(ST6～ST8)>高鐵公園濕地(ST1～ST3)>東風大溝(ST4～ST5)。水體理化因子對回用水體的浮游細菌豐度影響具體表現在,高鐵生態公園(ST1～ST3)浮游細菌群落豐度與DO、pH具有較強相關性;東風大溝(ST4)作為靠近回用水量最大的檢測點位,其浮游細菌豐度與氮、磷營養鹽相關關系并不顯著,分析原因該點位細菌多樣性受到尾水消毒產物余氯等影響可能性較大;東風大溝(ST5)、藻江河西支(ST6～ST8)與氮、磷營養鹽相關關系密切。再生水回用景觀水經歷了將生化水轉變為生態水的過程,然而轉變過程中微生物群落結構的改變機制以及對微生物削減污染物功能的影響值得進一步研究。

4 結論

(1)以再生水為水源補給景觀水可改善水體水質及營養狀態,本研究中再生水回用至高鐵公園濕地水質改善效果優于回用至河道。濕地(ST1～ST3)水質水平滿足GB 3838—2002 Ⅲ類標準,營養狀態為中營養狀態。河道(ST4～ST8)水質除TN外基本滿足Ⅴ類標準,營養狀態集中為輕度富營養狀態。

(2)再生水的回用可使浮游藻類的豐度和生物量維持在較低水平,且最終形成以硅藻為主要優勢種的藻類群落結構。再生水回用景觀水中調查出浮游藻類52種,其中綠藻門和硅藻門物種數占比最高(17種),藍藻門為8種,裸藻門為5種,甲藻門為2種,隱藻門為2種,金藻門1種。在浮游藻類密度和生物量水平上,硅藻門浮游藻類為主要優勢藻,各采樣點的藻類密度在1.08×106～4.37×106L-1。在浮游藻類生物量水平上,生物量在0.82～4.82mg/L。

(3)再生水回用降低了水體微生物多樣性,回用水體浮游細菌多樣性隨補水路徑逐漸升高,排序依次為東風大溝(ST4～ST5)<高鐵公園濕地(ST1～ST3)<藻江河西支(ST6～ST8)。再生水回用水體浮游細菌主要優勢門為變形菌門、放線菌門、擬桿菌門、藍細菌門。與環境因子的相關性方面,東風大溝(ST5)、藻江河西支(ST6～ST8)與氮、磷營養鹽相關關系密切,東風大溝(ST4)作為靠近回用水量最大的檢測點位與氮磷營養鹽相關關系并不顯著。