近日，中山大学环境科学与工程学院汪善全教授团队的研究成果在环境领域重要学术期刊JournalofHazardousMaterials上在线发表。该研究从微生物角度揭示了城市水体黑臭形成机制，探索了水体黑臭的关键因素，为评价黑臭水体提供了更准确的参数及其科学依据。本文第一作者为梁志伟博士，美格基因有幸负责本研究的基因测序工作。
Mechanisticinsightsintoorganiccarbon-drivenwaterblackeningandodorizationofurbanrivers
有机碳驱动的城市水体黑臭形成机制
作者：ZhiweiLiang等
期刊：JournalofHazardousMaterials
时间：.11.25
影响因子:9.
研究背景
随着全球城市化进程的加快，大量人为输入的有机物和无机营养物质导致城市河流的严重污染，改变了其水生微生物群落的结构和功能。目前，对城市河流水质黑臭形成机制以及水质黑臭现象与微生物群落变化的关系还知之甚少，本文从微生物角度揭示了城市水体黑臭形成机制。
实验结果
1.野外采样与水物理化学
根据水质（如溶解有机碳(DOC)的浓度），作者选取广州市5个主要区域的7条水质黑臭的城市河流进行了为期一年的野外采样，它们都与中国第三长河珠江(PR)相连(图1a)。根据7条河流一年的水理化数据可知这7条城市河流存在不同程度的水污染（图1b）。其中，Jiaokou河、Zhujiang河和Tangxia河的DOC和总氮(TN)污染最严重，潜在氧化剂DO、硫酸盐和硝酸盐浓度较低(图1b)。基于理化参数对这些河涌进行聚类分析显示，7条河涌主要形成两类，分别为轻度黑臭河涌（group-I）和重度黑臭河涌（group-II）。
图1城市7条黑臭河流的采样图及水物理化学
2.水和沉积物微生物群落的时空动态及其与环境变量的相关性
为了解微生物群落对河流污染的响应，对groupI和groupII河流的水和沉积物进行了月度采样。alpha多样性进行比较分析显示，水体和沉积物微生物群落的丰富度显著降低（P0.01），表明河流污染降低了水体和沉积物微生物群落的丰富度。随着时间的演变，水体微生物群落结构发生了显著的变化，微生物主要群落组成从groupI中的Actinobacteria，Alpha-proteobacteria，Beta-proteobacteria转变为groupII中的Gamma-proteobacteria，Epsilon-proteobacteria，Bacteroidetes为主的群落，groupII河流水体中Arcobacter和Acinetobacter的相对丰度显著增加，其中的几种(例如Arcobacterbutzleri)是已知的新兴病原医院感染有关（图2）。这些结果表明，散发黑色气味的城市河流可能为病原体的生长和传播提供生境，并对周围居民的健康构成威胁。同时环境因子预测水体群落功能证实了含氮有机物和DOC在引发城市河涌水体致黑致臭方面的潜在作用。
图2城市黑臭河流微生物群落的时空动态及其与水体理化变量的相关性
3.水微生物群落的微生物网络与来源追踪
基于污染对水体微生物群落的显著影响，对城市河流的84个水样中最丰富的个类群进行网络分析，以可视化这些类群的共生情况，并确定关键物种（图3）。在微生物网络中发现了两个具有不同交互模式的模块，两个模块的类群呈负相关关系，其中模块I（moduleI）对应到轻度黑臭河涌（group-I）,模块II（moduleII）对应到重度黑臭河涌（group-II）。值得注意的是，致病菌和机会致病菌，包括Epsilon-proteobacteria的Arcobacte、Prevotellar和Bacteroidetes的Bacteroides在模块II中密切相关，进一步证实了城市河流散发黑臭味对周围居民健康的潜在不利影响。采用Beta多样性分析和溯源分析预测方法，对城市黑臭河流水体微生物区系的潜在来源进行了分析。溯源分析结果估算结果显示，城市河流水体的群落组成主要来源于淡水和市政污水，且随着水体有机污染程度的增加，市政污水群落的比例明显增加(P0.05)。
图3水微生物群落共生网络及其溯源追踪
4.模拟黑臭过程的实验室实验
为了测试城市河流各种有机物和有机-无机污染物混合物对黑臭过程的影响程度，作者透过加入进行葡萄糖、尿素、及蛋氨酸作为有机碳、有机氮及有机硫的来源以及不同的无机营养进行实验室沉积物-水柱模拟实验。实验证据表明，城市河流和实验室沉积物-水柱中的黑色物质均为粒径大于0.45μm的悬浮固体(SS)，因此，作者在后续的沉积物-水柱实验中，使用SS来量化黑色物质并监测水的发黑过程。同时黑臭河水中的黑色物质成分主要由接近微生物细胞(C:HO:N=:12:53:23)比例的C、H、O、N元素组成，沉积物中则是金属元素相对丰度较高（图4）。
图4悬浮黑色物质的表征
有机碳(org-C)、有机氮(org-N)和有机硫(org-S)沉积物-水柱实验结果表明，在水发黑过程中起关键作用的是有机碳，而不是其他有机物和/或无机营养素。为了了解长期受污染的沉积物对水体发黑过程的影响，以低有机碳污染的PR沉积物和散发着黑色气味的TX河沉积物为样本，进行了另一个间歇试验。两者黑色物质的最大浓度相似，但发黑高峰时间不同(图5d)，表明长期污染的沉积物并没有恶化发黑过程。TX柱中较早的峰值时间可能是由于TX河沉积物中厌氧微生物的丰度高于PR沉积物，可以立即调节发黑过程。
结论与亮点
1.有机碳是促进城市河流水体异养微生物过度生长的关键因素；
2、城市黑臭河涌中黑色悬浮物质主要由吸附了还原金属化合物的菌胶团所组成；
3、市政污水原核微生物群落对城市黑臭河涌水体微生物群落的贡献巨大，并且在这些河流中，新出现的病原体富集，并可能对公共卫生造成不利影响。
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