黄河流域郑州段沉积物重金属污染特征及其对微生物群落结构的影响

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中文摘要：随着工业化、城镇化和农业集约化快速发展，环境中重金属污染日益加剧。重金属通过污水排放、地表径流、大气沉降等途径进入水体后，对水生态系统安全构成威胁。作为水生生态系统污染物的源和汇，沉积物中重金属污染状况一直备受关注。微生物是重金属污染的直接受体，对沉积物环境条件变化尤为敏感，探明沉积物中微生物对重金属污染的响应可为精准评估水生态系统重金属形成的潜在生态风险提供重要的理论参考。本研究以黄河（郑州段）为研究对象，系统采集15个断面沉积物样品，对沉积物中锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、砷（As）、镉（Cd）和铅（Pb）等元素含量及分布特征进行分析，并从中筛选出特征污染元素；在此基础上，借助多元统计分析探讨研究区段沉积物中重金属污染来源，分别采用单因子污染指数、内梅罗综合污染指数、地积累指数和潜在生态风险指数评价沉积物中重金属的污染水平；进一步选取代表性断面，建立沉积物中重金属污染与微生物群落结构之间的关联，并以特征污染元素构建微宇宙培养环境，阐明研究区段沉积物中微生物对环境介质中不同Cd污染水平的响应。主要研究结论如下： 1.黄河（郑州段）沉积物中Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb的均值分别为：483.98±113.52、8.44±1.97、17.10±13.37、12.99±8.89、32.25±11.29、6.83±1.44、0.14±0.15和13.15±5.67mg/kg，仅Cd元素均值超过河南省土壤背景值，其在H3、H10和H13断面含量相比其他断面有所增加，后随河流方向逐渐降低，呈现先增加后降低的波动规律。同时，8种重金属存在不同程度的超标情况，其中Cd点位超标率高达63%。8种重金属均展现出中等强度及以上的变异程度，其中Cd的变异系数最为显著，说明Cd受外界干扰严重，可能具有较强的点源污染，因此将Cd定为研究区的特征污染元素。沉积物重金属来源推测分为两类：①Zn、Cd和Pb可能源于交通运输和工业污染；②Ni、Cu和As可能源于燃料燃烧和农业活动。单因子污染指数表明Zn和As全部属于无污染水平，Mn、Co、Ni和Pb属于无-轻微污染水平，Cu和Cd属于轻度及以上污染水平；内梅罗综合污染指数的均值为3.75，表明研究区域属于重度污染水平；地积累指数表明黄河（郑州段）沉积物中Cd存在不同程度的污染风险；潜在生态风险指数显示研究区域的综合潜在生态风险指数（RI）均值为76.03，属于轻微生态风险水平，其中Cd对潜在生态风险指数的贡献率高达78.78％。 2.筛选的8个断面细菌群落组成中优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteriota）、放线菌门（Actinobacteriota）、厚壁菌门（Firmicutes）和绿弯菌门（Chloroflexi）等10个细菌门类，其中Proteobacteria为绝对优势菌门；优势菌属主要为维西纳米杆菌（Vicinamibacterales）、微小杆菌属（Exiguobacterium）、孪生球菌属（Gaiella）、厌氧绳菌属（Anaerolineaceae）和芽单胞菌属（Gemmatimonadaceae）。其中Vicinamibacterales为绝对优势菌属。在H4、H7和H10，支流汇入后，Ace、Chao和Shannon指数升高，这是因为支流菌群多样性高，汇入干流后使其为微生物多样性增大。在门水平上，Ni、Zn和As与Proteobacteria和Firmicutes呈较强的正相关，Co、Cu和Cd与Firmicutes和Chloroflexi呈较强的正相关，Mn、Cd和Pb与Proteobacteria呈负相关，Co、Ni、Cu、Zn和As与Acidobacteriota呈负相关，8种重金属均与Actinobacteriota呈负相关。在属水平上，Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As和Cd与MBNT15呈较大的正相关，与Vicinamibacterales、Gaiella和Gemmatimonadaceae呈较大的负相关，Pb与Exiguobacterium呈较大的正相关。 3.研究发现，在不同Cd污染水平的沉积物中，Proteobacteria、Actinobacteriota、Acidobacteriota等是样品中的优势细菌门类；Vicinamibacterales、MBNT15、Gaiella、Gemmatimonadaceae和Anaerolineaceae等是样品中的优势细菌属类。细菌群落的丰度和多样性变化不显著，可能是由于土壤中细菌数量庞大，细菌在多年的Cd胁迫下已建立起自我保护机制。此外，Cd污染会导致对Cd敏感的细菌死亡，减少细菌总数，降低环境生存压力，同时增加对Cd有耐受性的细菌数量。环境因子pH和CEC对细菌群落结构的影响显著，其次是O.M。pH与Proteobacteria、Actinobacteriota、Acidobacteriota、MBNT15、Vicinamibacterales、Gaiella和Gemmatimonadaceae呈较大正相关，CEC与Chloroflexi和Anaerolineaceae呈较强正相关，O.M与Actinobacteriota和Chloroflexi呈正相关。

作者：

张瑞琪

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关键词：

黄河流域沉积物重金属污染特征微生物多样性冗余分析

授予学位：

硕士

学科专业：

生态学

导师：

马丽

学位年度：

2024

学位授予单位：

河南农业大学

语种：

中文

中图分类号：