渭河陕西段水沙变化对河流水质及细菌群落结构多样性的影响

论文摘要

中国河流普遍多沙。泥沙颗粒作为化学物质与微生物的载体,是陆地、地表水与沉积物物质能量信息流通的重要媒介,也是流域内部地球生物化学过程的重要参与者。由于河流泥沙来源复杂多样,且其迁移变化往往伴随着不同生境间的物理化学性质改变,加上传统微生物研究手段的局限性,颗粒物所带来的微生物生态影响往往难以被清晰的认识。本研究围绕“河流泥沙-水质-细菌群落生态效应”这一核心问题,选取渭河（陕西段）作为季节性多泥沙河流的代表,首先通过采样分析考察了悬浮物与沉积物的颗粒理化特征和溶解态与颗粒态有机物、氮、磷的时空变化规律,探明了渭河（陕西段）的水沙环境变化模式。在此基础上,采用末端限制性长度多态性（T-RFLP）和Illumina Miseq高通量测序技术解析了浮游细菌群落与沉积物细菌群落组成与多样性在不同水文时期的空间分布模式,通过CCA、RDA等方法识别了细菌群落变化的关键环境驱动因子,并辨析了泥沙浓度、氮磷含量、粒度特征等对水和沉积物细菌群落变化的贡献程度。最后,进一步探析了由颗粒迁移联通的流域不同生境之间的细菌群落组成与多样性差异,及颗粒特征变化在其中的贡献程度。从而系统阐明了泥沙变化对河流水质与细菌群落结构和多样性变化的影响。相关结果可以为渭河及同类季节性多泥沙河流水生态环境保护与管理提供新的依据和视角。本研究取得以下主要成果:（1）研究期渭河（陕西段）流域悬浮颗粒物浓度介于0.003g/L16.332g/L之间,丰水期干流TSS浓度均值是平水期的23倍、枯水期的58倍,悬浮颗粒物以粘粒和细粉砂为主（d（0.5）=7.34μm）。上游及北岸支流雨洪、关中流域农业非点源、城市市政排污和雨水径流是渭河（陕西段）TSS的主要来源,它们在不同水文季节的相对贡献差异,决定了TSS不同的空间变化规律。渭河干流2014年丰水期泥沙表现出在宝鸡段发生沉积,咸阳-西安段冲淤交杂,接受北岸支流来沙后最终在渭南段再次沉积的过程。不同河段的泥沙冲淤变化造成了沉积物粒度特征的空间差异。（2）丰水期渭河干流上游来沙TN与TP含量分别为11.28g/kg和5.31g/kg,泾河携沙TN与TP含量为8.21g/kg和4.65g/kg,氮磷含量丰富。这些外源颗粒使咸阳周至-渭南潼关段渭河干流颗粒态CODCr、TN和TP的占比达到49.3%、40.8%和98.8%,分别是其它时期CODCr、TN和TP颗粒态浓度的9、59和15倍,同时溶解态复杂有机物和溶解态有机氮的比例增加。RDA分析表明,TSS是不同时期水质变化的关键解释因子,对平、枯、丰三个水文季节综合水质变化的单独解释度为28.1%、2.0%和7.3%。相对于粒度特性,丰水期悬浮颗粒物浓度及颗粒TN、氨氮含量对河流水质空间变化的影响更为显著。河道水沙变化过程与流域土地利用方式共同塑造了不同水文时期渭河（陕西段）的水质空间格局。（3）浮游细菌群落Shannon多样性在1.422.91之间,整体呈现丰水期>平水期>枯水期的关系。细菌群落结构的季节变化大于空间变化,且在变化中维持着稳定的“核心”优势菌群,其中包含很多降解污染物的功能性物种,表明了渭河水体潜在的自净能力。TSS、溶解态TP和C/N比是不同季节渭河浮游细菌群落变化的关键驱动因子,其中TSS在平、枯、丰三季可以单独解释12.5%、23.5%和9.4%的细菌群落变化。丰水期高悬沙水体中变形菌门（Proteobacteria,46.7%56.4%）和拟杆菌门（Bacteroidetes,27.2%33.4%）为绝对优势门类,变形菌门中又以β-变形菌纲相对丰度最高,且干流δ-变形菌纲（4.99%6.29%）和?-变形菌纲（0.98%7.72%）的相对丰度高于其它大多数地表水。丰水期浮游细菌群落对32-63μm颗粒体积占比变化最敏感,不同菌群对不同粒度区间有特殊偏好。TSS浓度在丰、平、枯三个水文季节中,与同汛期雨洪、农业非点源和城市污染源相关的污染物降解菌群或指示菌群相对丰度存在显著相关关系。颗粒物的存在对增加平水期功能菌群占比具有积极意义,并在丰水期巩固“核心”浮游菌群的同时增加致病菌带来的河流健康风险。（4）沉积物细菌群落Shannon多样性指数介于1.053.18之间,在除丰水期外的大部分时期高于浮游细菌群落。颗粒为沉积物细菌群落提供了更复杂多样的生存空间。非度量多维尺度分析（NMDS）分析表明,不同水文季节里细菌群落在表层水和沉积物两类生境中存在明显分型,两类细菌群落具有不同的空间与季节演替方向。丰水期流域沉积物细菌群落优势T-RF从21/26条增加到31条,优势菌群种类更加丰富,且复杂的冲淤过程增加了沉积物细菌群落组成与多样性的空间差异。较粗的粒径与较高的重金属污染压力,使平水期西安段沉积物细菌群落多样性（2.37）低于干流其它点位,并出现代表金属耐受性菌群的优势T-RF片段。枯水期西安段沉积物颗粒是致病菌的“收纳所”,并为下游水体造成长期健康风险。多元直接梯度分析结果表明,在多类环境因子中,沉积物氮磷含量及粒度特征对细菌群落变化的影响程度在平水期和枯水期最为突出。（5）丰水期滨岸土壤细菌群落Shannon多样性高于浮游细菌群落与沉积物细菌群落。三类生境中细菌群落在门水平上的组成十分相近,但不同菌群的相对丰度有异,且此差异在精细的分类水平上表现更为充分。浮游细菌群落与土壤细菌群落在不同分类水平上均表现出更高的Bray-Curtis相似度。三元图分析表明ε-Proteiobacteria和Sphingobacteria在表层水中的丰度明显高于其它两类生境;Bacilli、Bacteriodia、Clostridia、Synergistia和Themoleophilia在沉积物样本中的丰度更高,而Nostocophycideae、Synechococcophycideae、Spartobacteria、Chloracidobacteria和Solibacteres在河滨土壤样本中的丰度更高。三种生境里都存在具有生境独特性的高丰度物种,且沉积物与土壤中数量比表层水更加丰富。汛期陆源物质输入与沉积物再悬浮对维持渭河浮游细菌群落中的低丰度物种具有重要意义,而流域土壤对稳定浮游细菌群落结构的贡献比沉积物更大。颗粒物硝氮含量与粒度特征指标可以解释研究区域三类生境间65.5%的细菌群落变化。粒度多样性和中值粒径是所选颗粒物理化性质指标中,影响丰水期渭河浮游细菌群落、沉积物细菌群落、土壤细菌群落结构差异最关键的因子。

论文目录

摘要

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 泥沙对地表水理化环境的影响

1.2.2 泥沙的地表水微生物生态效应

1.2.3 决定泥沙水生态环境效应的关键因素

1.2.4 地表水微生物群落特征研究中的分子生物技术

1.3 主要研究内容及技术路线

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

1.3.3 技术路线

2 渭河陕西段水沙特征及其对水质变化的影响

2.1 渭河近年水沙特性分析

2.1.1 渭河水沙量年际变化

2.1.2 年内丰平枯规律

2.1.3 南北支流含沙量差异

2.1.4 颗粒级配特征

2.2 采样及实验方法

2.2.1 研究区域及采样点设置

2.2.2 采样方法

2.2.3 分析方法

2.3 结果与分析

2.3.1 渭河陕西段泥沙理化特征

2.3.2 渭河陕西段含沙水体水质特征

2.3.3 影响渭河陕西段水化学特性的关键环境因子

2.4 讨论

2.4.1 泥沙的来源、特征与汛期冲淤行为

2.4.2 水质空间格局由水沙变化过程与流域土地利用方式共同塑造

2.4.3 总氮控制是当前渭河（陕西段）水质管理的关键

2.5 小结

3 水沙变化条件下的浮游细菌群落演替特征及驱动因子

3.1 实验方法

3.1.1 样点布设及采样方法

3.1.2 T-RFLP分析方法

3.1.3 细菌宏基因组测序

3.2 数据处理方法

3.2.1 群落多样性分析

3.2.2 群落相似性分析

3.2.3 细菌群落结构多样性与环境因子的排序分析

3.3 结果与分析

3.3.1 浮游细菌群落多样性分析

3.3.2 浮游细菌群落优势T-RF片段丰度构成

3.3.3 浮游细菌群落结构相似性聚类分析

3.3.4 不同时期浮游细菌群落结构的环境驱动因子识别

3.3.5 丰水期浮游细菌群落物种结构分析

3.4 讨论

3.4.1 季节性多沙条件下的浮游细菌群落结构多样性特征

3.4.2 浮游细菌对水体污染的指示作用以及渭河潜在的自净能力

3.4.3 丰水期水沙过程对浮游细菌群落的生态影响

3.4.4 不同水文季节里与颗粒物对浮游细菌群落的影响机制

3.5 小结

4 水沙变化条件下的沉积物细菌群落演替特征及驱动因子

4.1 实验及分析方法

4.1.1 样品采集与理化分析

4.1.2 T-RFLP实验与分析方法

4.2 结果与分析

4.2.1 沉积物细菌群落多样性分析

4.2.2 沉积物细菌群落优势T-RF片段构成

4.2.3 沉积物细菌群落结构相似性聚类分析

4.2.4 不同水文时期关键环境因子的识别

4.3 讨论

4.3.1 沉积物细菌群落多样性特征及其与浮游细菌群落的差异

4.3.2 丰水期水沙过程对沉积物细菌群落的影响

4.3.3 各类环境因子对沉积物细菌群落变化的贡献程度

4.4 小结

5 沉积物与滨岸土壤对丰水期浮游细菌群落的影响

5.1 研究方法

5.1.1 研究区域与样品的采集

5.1.2 理化性质的测定

5.1.3 分子微生物检测分析方法

5.1.4 数据统计分析方法

5.2 结果及分析

5.2.1 悬浮物、沉积物与河滨土壤颗粒理化性质分析

5.2.2 细菌群落多样性分析

5.2.3 基于T-RFLP的细菌群落结构差异分析

5.2.4 三类生境中细菌的物种构成

5.2.5 流域细菌群落的环境影响因子识别

5.3 讨论

5.3.1 河流表层水、沉积物及河滨土壤细菌群落的异同

5.3.2 沉积物与河滨土壤对浮游细菌群落的影响程度

5.3.3 颗粒粒度特征是流域不同生境间细菌群落差异的重要解释因子

5.4 小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 论文的创新点

6.3 本研究的局限及对下一步工作的展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文及获奖情况

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘睿

导师: 周孝德

关键词: 渭河,细菌群落,泥沙

来源: 西安理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 西安理工大学

分类号: TV143

DOI: 10.27398/d.cnki.gxalu.2019.000003

总页数: 165

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