基于微生物生物完整性指數的水生態系統健康評價

摘要：目前，隨著城市河道的水體污染問題日益受到關注，生物完整性指標在河道生態系統健康評價中被廣泛應用，但以微生物為指標物種構建的生物完整性指標對城市水體進行評價的研究較少。以松江區4條城市河道為例，其中兩條為進行生態修復的河道。根據水體高通量測序信息，從與水質指標相關性及對污染物耐受程度確定候選生物指標，最終確定疣微菌門（Verrucomicrobiota）相對豐度、彎曲桿菌門（Campilobacterota）相對豐度、酸桿菌門（Acidobacteriota）相對豐度、髕骨菌門（Patescibacteria）相對豐度與總磷耐受屬、氨氮清潔屬6個指標，構建微生物生物完整性指數評價體系。研究結果表明，微生物生物完整性指數評價體系不僅可以用于評價城市河流生態系統的健康狀況，同時可作為評估河道生態修復效果的標準。

關鍵詞：生物完整性指數；城市河道；微生物群落；健康評價體系

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）11-0174-06

Water Ecosystem Health Assessment Based on Microbial Index of Biotic Integrity

—A Case Study of Urban River in Songjiang District， Shanghai

SUN Yao1，2， XIE Xuehui1，2， QIN Yiting1，2， WU Ziyi1，2， LI Dongyang1，2，ZHANG Zhilan3， XU Yong3

（1. Key Laboratory of Pollution Control and Emission Reduction Technology in Textile Industry of China Textile

Industry Federation， Textile Pollution Controlling Engineering Center of Ministry of Environmental Protection， College of Environmental Science and Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China; 2.Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security， Shanghai 200092， China; 3.Shanghai Zeyao Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201600， China）

Abstract： At present， with the increasing attention paid to water pollution in urban river channels， biological integrity indicators are widely used in river ecosystem health assessment， but there are few studies on the evaluation of urban water bodies with biological integrity indicators constructed with microorganisms as indicator species. Taking four urban river channels in Songjiang district as examples， two of which are for ecological restoration. According to the high-throughput sequencing information of water body， the candidate biological indicators are determined from the correlation with water quality indicators and the degree of tolerance to pollutants. The relative abundance of Verrucomicrobiota， Campilobacterota， Acidobacteriota， Patescibacteria， total phosphorus tolerance and ammonia nitrogen cleaning bacteria are finally determined to construct the evaluation system of microbial index of biotic integrity. The results show that microbial index of biotic integrity is can not only be used to evaluate the health status of urban river ecosystem， but also be used as a standard to evaluate the ecological restoration effect of river channel.

Keywords： index of biotic integrity; urban river; microbial community; health evaluation system

近年來，城市小流域河道的污染問題日益嚴重，原因在于居民向河道中排放垃圾、生活污水等[1]。鑒于此，構建有效的城市河道水體生態系統健康評價指標體系意義重大。在評價指標體系構建中，相較于物化指標不夠精準、不夠靈敏，生物指標具有更加迅速、更加全面等優點。傳統的生物指標在多種水體環境中作為生物指示劑，隨著水體環境的變化而變化。但微生物的反應更加迅速，因此以微生物為指標物種構建生物完整性指數（Index of Biotic Integrity，IBI）體系評價水體的健康程度具有研究意義[2]。基于此，采集上海市松江區4條城市河道不同時期的水體樣本，建立微生物生物完整性指標（Microbial Index of Biotic Integrity，M-IBI）體系。其中，兩條河道正在進行生態修復，位于松江區某村莊。河道周邊為密集居民區，但周邊居民環保意識不足，直接將生活垃圾、生活廢水、農田廢水等排入河中，造成河道水體污染。為了保證周邊居民的用水質量，對河道進行了生態修復。還有兩條河道作為對照水樣，一條學生河位于松江大學城內，受人為干擾較大；另外一條曹婁浜位于郊外，周邊無人居住，受干擾較小。研究結果不僅可以為松江區城市河道生態系統健康管理提供理論支撐，還可以作為河道生態修復效果的評價標準。

1 材料與方法

1.1 采樣點設置

位于松江區某村莊正在進行生態修復的兩條城市河道，其中河道1布設2個采樣點，分別為Z1、Z2；河道2布設2個采樣點，分別為B1、B2。位于大學城附近受人為干擾較大的學生河、位于郊外且幾乎不受外界干擾的曹婁浜各布設1個采樣點，分別為XSHQ、CLBQ。采樣點分布如圖1所示。

1.2 樣品采集及分析

生態修復河道分別于2022年12月修復前（Z1_1、Z2_1、B1_1、B2_1）、2023年3月施工初期（Z1_2、Z2_2、B1_2、B2_2）、2023年7月修復中期（Z1_3、Z2_3、B1_3、B2_3）、2023年11月修復后期（Z1_4、Z2_4、B1_4、B2_4）、2024年3月修復后穩定期（Z1_5、Z2_5、B1_5、B2_5）采樣。學生河和曹婁浜分別于2023年4月（XSHQ_1、CLBQ_1）、2023年7月（XSHQ_2、CLBQ_2）、2023年11月（XSHQ_3、CLBQ_3）采樣。pH值用pH計進行測定，溶解氧采用便攜式溶解氧儀進行測定，其他指標（氨氮、總磷、高錳酸鹽指數、總氮）則委托上海清寧環境規劃設計有限公司檢測，PCR及測序均由上海美吉生物醫藥科技有限公司完成。

1.3 M-IBI評價體系建立

1.3.1 水質評分的計算

按照《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002），選取pH值、氨氮、總磷、高錳酸鹽指數、總氮及溶解氧作為指標，對各類水賦予相應的分值，分別為5、4、3、2、1分，未達以上標準為0分。最后計算平均值，90%分位數以上的為參考點，10%分位數以下的為干擾強度較高的點。

1.3.2 備選指標的確定

通過相關性分析可以明確環境因子與各微生物之間的相關程度。其中，將具有顯著相關性的微生物作為備選指標。按照已有研究方法，對備選指標進行干擾反應、判別能力和相關性的分析，可得到用于計算M-IBI的微生物指標。

1.3.3 M-IBI指標計分及評價標準劃分

安新麗等[3]采用Illumina高通量測序技術，探索構建了M-IBI指標評價體系，并將其成功應用于地下水的健康狀況評價。對于隨著擾動增大而下降的指標，計算方法為指標值/95%分位數；對于隨著擾動增大而上升的指標，計算方法為（最大值-指標值）/（最大值-5%分位數）。計算結果超過1，則記為1。以參考點得分的95%分位數作為標準，該值以下的進行五等分，分別為健康、亞健康、一般、較差和極差狀態。

2 結果與分析

2.1 水質得分

城市河道各采樣點的水質參數與得分如表1所示。10%和90%分位數分別是2.67分和3.83分。因此，得分大于3.83分的點為參考點，小于2.67分的點為較高干擾強度點。

2.2 備選指標

微生物群落與環境因子相關性分析結果如圖2所示，pH值、透明度、溫度是顯著影響微生物群落結構的環境因子，而氮磷和有機物含量同樣會影響群落組成，因此將總磷、氨氮、高錳酸鹽指數也納入關鍵環境因子。如圖3所示，與關鍵環境因子相關的菌門均可以納入備選指標中。

選擇與關鍵環境因子相關的菌門及部分功能菌屬，共確立17個備選指標，各指標對干擾的反應如表2所示。通過對備選指標進行判別能力與相關性分析，篩選出疣微菌門（Verrucomicrobiota）豐度、彎曲桿菌門（Campilobacterota）豐度、酸桿菌門（Acidobacteriota）豐度、髕骨菌門（Patescibacteria）豐度、總磷耐受屬和氨氮清潔屬6個指標（見表3）。

2.3 M-IBI指標體系評價及評價結果

參照M-IBI指標的計分標準，利用比值法計算得出各指標的分值（見表4），并確定城市河道的M-IBI指標體系評價標準（見表5），進而得出所有采樣點的M-IBI評分及健康評價結果（見表6）。健康狀況評價結果表明，河道1、2施工初期與修復后穩定期、曹婁浜3次采樣均為健康狀態；河道1、2修復前與修復后期、學生河4月與11月采樣均為亞健康狀態；河道1、2修復中期、學生河7月采樣均為一般狀態。隨著修復進程的推進，河道1、河道2生態系統的健康程度逐漸提高；受7—8月大量農田廢水直排的影響，修復中期健康狀況為一般。同理，修復后期為亞健康狀態也可能與農田廢水直排有關。經過一段時間的生態修復，修復后穩定期處于健康狀態。綜上，各采樣點的M-IBI指數可有效反映水體受干擾程度，且與水質狀況基本吻合。

3 討論

3.1 M-IBI評價體系的準確性

對河道健康狀況進行M-IBI評價，評價結果能夠基本準確反映河道水質狀況，即生態修復施工初期與修復后穩定期的河道以及受人為活動干擾較小的曹婁浜健康程度較高，而修復前的河道、農田廢水大量直排造成水體健康嚴重受損的修復中期河道及受人為活動干擾較大的學生河健康程度較低。蘇瑤等[4]構建了適合浙江省城市河道的M-IBI指標體系，對浙江省內5條城市河道進行評價，結果表明M-IBI能夠合理評價城市河道生態系統健康狀況。

3.2 微生物對水質的指示作用

通過對備選指標進行判別能力與相關性分析，篩選出了疣微菌門（Verrucomicrobiota）豐度、彎曲桿菌門（Campilobacterota）豐度、酸桿菌門（Acidobacteriota）豐度、髕骨菌門（Patescibacteria）豐度、總磷耐受屬和氨氮清潔屬6個指標。董婧等[5]篩選出了對氨氮、總磷敏感的清潔屬和耐受屬。陳光哲等[6]研究表明hgcI_clade與藍藻關系密切，而藍藻豐度與氮磷含量相關，因此hgcI_clade的豐度可以用來指示氮磷含量，氮磷含量越高表明水體健康狀態越差。胡愈忻[7]等在分析長江流域河流和湖庫的浮游細菌群落組成差異時，發現CL500-29_marine_group是一類適宜在富營養化水體中生長繁殖的細菌，其豐度會隨著水體中氮磷含量升高而升高。上述研究表明微生物對水體中多種環境因子具有指示作用。

4 結論

通過構建適用于松江區城市河道的M-IBI指標體系，對4條城市河道生態系統健康進行評價。結合各河道理化參數分析，證明應用M-IBI指標體系可以較好地評價松江區城市河道生態系統健康狀況。研究結果可為松江區水環境質量監管政策的制定提供可靠的數據基礎，并為松江區水體水質的生態修復提供科學依據。

參考文獻

1 劉 丹，鐘絲搖.城市小流域河道水環境綜合治理工作中常見不足及應對建議[J].黑龍江環境通報，2024（4）：97-99.

2 孔紅梅，趙景柱，姬蘭柱，等.生態系統健康評價方法初探[J].應用生態學報，2002（4）：486-490.

3 安新麗，陳廷廷，趙 晗，等.基于微生物生物完整性指數的地下水生態系統健康評價：以包鋼稀土尾礦庫周邊地下水生態系統為例[J].環境科學，2016（9）：3413-3422.

4 蘇 瑤，許育新，安文浩，等.基于微生物生物完整性指數的城市河道生態系統健康評價[J].環境科學，2019（3）：1270-1279.

5 董 婧，盧少奇，伍娟麗，等.基于微生物生物完整性指數的北京市城市河道生態系統健康評價[J].環境工程技術學報，2022（5）：1411-1419.

6 陳光哲，姜星宇，胡 洋.不同營養程度湖泊中細菌群落組成及其分子生態網絡特征[J].環境科學研究，2020（2）：375-384.

7 胡愈炘，張 靜，黃 杰，等.長江流域河流和湖庫的浮游細菌群落差異[J].環境科學，2022（3）：1414-1423.