摘要
中共十八大将生态文明建设写入"五位一体"战略布局,2018年全国人民代表大会将生态文明写入宪法,从而开启了中国生态文明建设的新征程.黄河是中国的母亲河,是西北、华北地区最重要的灌溉和饮用水资源,因此,其水环境安全关乎黄河流域经济社会发展与沿岸近2亿人口饮水安全.据多年《中国环境状况公报》中公布,黄河水质在我国七大江河中属中等偏下,COD和氨氮污染尤为严重,这说明人类活动已经严重影响黄河水环境安全. 兰州是黄河上游乃至整个流域唯一一座河水穿城而过的重型工业省会城市,黄河水是目前兰州市民唯一的饮用水源,黄河兰州段水质如何?这一问题尚无科学评价.为此,本研究于2016-2017分别在黄河兰州段不同断面(刘家峡、新城桥、西固、七里河、中山桥、包兰桥、清城桥)枯水期和丰水期采集水样,采用16SrRNA高通量测序、功能基因高通量测序、荧光实时定量PCR的分子生物学研究方法和多变量统计分析方法,对黄河兰州段水体的常规理化性质、重金属含量进行定量分析,评价其健康风险和污染物来源,同时对水体细菌群落结构、消除氨氮污染的功能微生物群落结构及其与环境因子的相关性进行深入分析.结果发现: (1)黄河兰州段枯水期和丰水期、上游至下游不同样点的水环境状况均有明显差异.枯水期水质优于丰水期,上游水质较下游好,采样点周围的环境对黄河水环境影响十分显著.两个水期均有多项理化指标的平均含量超出国家标准.其中,五日生化需氧量、氨氮、亚硝态氮、总氮、粪大肠菌群、重金属汞超标比较普遍,丰水期重金属砷超标.健康风险评价显示水中As作为致癌物和非致癌物都存在较大的人体健康风险,Cr6+作为致癌物也存在健康风险.分析认为,沿河分布的工业企业、生活污水处理厂和人为活动是导致水质恶化的主要原因. (2)两个水期丰度较大的细菌类群为变形菌门(Proteobacteria),拟杆菌门(Bacteroidetes),蓝细菌门(Cyanobacteria)和放线菌门(Actinobacteria),这些细菌类群在黄河兰州段不同季节、不同环境中的分布具有一定的特点.其中,Bacteroidetes和Actinobacteria在两个水期丰度均较大,而Proteobacteria在丰水期比枯水期丰度大将近1倍,Cyanobacteria在枯水期比丰水期丰度大近10倍.通过对影响上述细菌群落结构的因素进行分析再结合理化指标测定结果发现,细菌群落结构的变化对水质具一定指示作用,水中的氮、磷化合物会刺激细菌生长,使细菌群落多样性增加. (3)黄河兰州段水体中存在目前已知的三类氨氧化微生物,氨氧化古菌(AOA)、氨氧化细菌(AOB)和厌氧氨氧化细菌(Anammox).相对定量和绝对定量结果都显示三类氨氧化微生物的群落多样性和基因丰度顺序为AOA>AOB>Anammox,这说明黄河兰州段存在的氨氧化微生物以AOA为主.在AOA中,丰度最大的细菌属为Nitrosopumilus,Nitrososphaera.Nitrosopumilus丰度较大与淡水中C/N较低有关,而Nitrososphaera数量较多则与较低的环境温度有关.研究中还发现大量的AOA不属于已发现的常见类群,说明黄河兰州段具有丰富的AOA种群资源.AOB中,丰度较大的细菌属为Nitrosospira,Nitrosomonas.其中Nitrosospira的丰度最大,而在污水处理系统、温泉等环境中丰度较大的Nitrosomonas在黄河兰州段却较少,可能是由于黄河兰州段水温偏低导致的.Anammox中丰度较大的细菌属有CandidatusBrocadia,CandidatusScalindua和CandidatusKuenenia,黄河兰州段以CandidatusBrocadia种群为主,说明CandidatusBrocadia在厌氧氨氧化过程中占主导. (4)5种重金属与氨氧化微生物群落基因丰度的相关性分析表明,重金属对AOA群落基因丰度的影响最显著,Anammox次之,AOB群落的基因丰度对重金属的响应不明显.AOA群落的基因丰度与5种重金属之间呈现出较显著的正相关性,Anammox群落与部分重金属(As、Cu、Pb)具一定正相关性,AOB除受到Cr6+较显著的抑制作用以外,与大部分重金属相关性不明显.As、Cu和Pb对三类氨氧化微生物的影响是相似的,它们的含量都与AOA和Anammox群落的基因丰度呈正相关,与AOB无明显相关性;Hg仅与AOA的丰度具正相关性;Cr6+较特殊,它在促进AOA生长的同时,对AOB有较明显的抑制作用. (5)细菌群落结构对环境因子变化较敏感,可作为水质检测的重要辅助手段,且测定相对简单;氨氧化功能微生物群落可以作为今后黄河水污染修复的重要途径和手段.上述研究结果为黄河流域生态文明建设和管理提供了科技依据.
NETL