桑石磊， 黃柏強(qiáng)

(生態(tài)環(huán)境部 華南環(huán)境科學(xué)研究所， 廣東 廣州 510535)

許多沿海城市都受到地下水咸化作用的影響，其誘發(fā)因素多種多樣，包括生活和工業(yè)廢水[1]、古海水[2]及現(xiàn)代海水入侵[3]等。為了探明地下水鹽分的來(lái)源以及地下水鹽漬化對(duì)人類(lèi)生活和生態(tài)系統(tǒng)的影響，已經(jīng)有一些學(xué)者對(duì)海水入侵區(qū)域的水文地球化學(xué)過(guò)程和微生物群落的變化進(jìn)行研究[2-4]。有研究表明，海水入侵作用引起地下水的污染和微生物群落發(fā)生變化[5-6]。然而，由于地下生態(tài)系統(tǒng)猶如“黑盒子”的復(fù)雜性，地下水微生物的多樣性和群落尚未得到充分研究。微生物是地下水生態(tài)環(huán)境的唯一棲息者，將近1/2的原核生物都藏在地下，驅(qū)動(dòng)著很多重要生源要素的生物地球化學(xué)循環(huán)，與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸、物質(zhì)轉(zhuǎn)換和污染物的降解密切相關(guān)。許多含水層的環(huán)境條件(溫度、pH、水化學(xué)和流速)幾乎是穩(wěn)定的，微生物群落不受地表的直接影響。因此，研究地下微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)有效認(rèn)識(shí)地下水和更好地利用和保護(hù)地下水具有非常重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。近年來(lái)，隨著分子微生物學(xué)及其相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，目標(biāo)DNA的鑒定和定量分析解決了利用微生物學(xué)進(jìn)行地下環(huán)境微生物研究存在的難題[7]。HEEJUNG等[8]綜合水文地質(zhì)學(xué)、分子微生物學(xué)和同位素分析方法，研究微生物群落結(jié)構(gòu)與地球化學(xué)過(guò)程的相互作用認(rèn)為，多學(xué)科綜合研究是追蹤污染源和微生物過(guò)程的有效工具。筆者近年來(lái)參與海水入侵相關(guān)的研究項(xiàng)目，對(duì)珠江三角洲地區(qū)和北萊州灣地區(qū)地下水的水文化學(xué)、微生物群落多樣性特征進(jìn)行長(zhǎng)期的研究，取得一些與地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境影響因素等相關(guān)的研究成果。為進(jìn)一步研究地下咸水微生物群落的多樣性特征提供參考，基于高通量測(cè)序技術(shù)，研究珠江三角洲地區(qū)和萊州灣地區(qū)地下咸水區(qū)微生物的多樣性。

1 材料與方法

1.1 材料

選取萊州灣地區(qū)50余口民用井(圖1)，待水體流出一段時(shí)間后用干凈的塑料桶取水體10 L；在廣州南部地區(qū)選取12口地下水監(jiān)測(cè)井，采集水體5 L，用0.22 μm濾膜過(guò)濾收集水體樣品。

圖1 民用井采樣點(diǎn)的位置分布

1.2 方法

1.2.1 海水入侵對(duì)民用飲水井咸水區(qū)微生物群落的影響 以電導(dǎo)率>1 500 μS/cm作為海水入侵的標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)查50余口民用井水體的理化性質(zhì)，溫度、pH、水位、電導(dǎo)率等指標(biāo)使用電導(dǎo)率儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其余理化因子在室內(nèi)分析測(cè)試。選取其中5口典型的監(jiān)測(cè)井，過(guò)濾水樣得到微生物樣品，經(jīng)過(guò)DNA的提取和高通量測(cè)序，分析微生物的種類(lèi)和多樣性。

1.2.2 珠三角咸水區(qū)的微生物群落組成 研究珠江三角洲地下咸水區(qū)微生物群落的多樣性特征，以廣州南部地區(qū)采集的12個(gè)地下水監(jiān)測(cè)井水樣為研究對(duì)象，采用高通量測(cè)序技術(shù)，經(jīng)過(guò)DNA的提取和高通量測(cè)序，分析微生物的種類(lèi)和多樣性。

1.2.3 不同咸水區(qū)微生物的異同 根據(jù)DNA測(cè)序結(jié)果，比較研究南方和北方不同的海水入侵地區(qū)微生物群落的相似性和差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 海水入侵對(duì)民用飲水井咸水區(qū)微生物群落的影響

調(diào)查50余口民用井水體的理化性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，高達(dá)70%的民用井受到海水入侵的影響，最高的電導(dǎo)率值為8 390 μS/cm，平均值為2 300 μS/cm。經(jīng)過(guò)對(duì)5口典型監(jiān)測(cè)井水樣過(guò)濾得到的微生物樣品的DNA提取和高通量測(cè)序發(fā)現(xiàn)，海水入侵作用對(duì)飲用水體中主要的離子濃度有一定的影響，且影響微生物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)。不同鹽度水體中高豐度的微生物類(lèi)型不同，在淡水中主要是β-變形菌，在微咸水中主要是擬桿菌屬和紅細(xì)菌屬，而在咸水中是Perlucidibaca。此外，在咸水水體中的一些菌群，如假單胞菌屬和黃桿菌屬，容易在水體中形成菌膜，有助于致病菌的生存和繁殖[9]。

2.2 珠三角咸水區(qū)微生物的群落組成

從圖2看出，珠江三角洲地下咸水區(qū)微生物群落的多樣性特征。門(mén)的水平：地下水中的微生物類(lèi)群主要包括變形菌門(mén)(Proteobacteria)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、奇古菌門(mén)(Thaumarchaeota)、廣古菌門(mén)(Euryarchaeota)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、硝化螺旋菌門(mén)(Nitrospirae)和Woesearchaeota。綱的水平：豐度較高的是γ-變形菌綱和厚壁菌門(mén)的芽孢桿菌綱。屬的水平：有微小桿菌屬、假單胞菌屬、不動(dòng)桿菌屬、氣單胞菌屬、食酸菌屬、甲烷球菌、脫硫弧菌屬和叢毛單胞菌屬等。其中，厚壁菌門(mén)能夠產(chǎn)生孢子抵抗不利的環(huán)境條件，采樣區(qū)有大量厚壁菌門(mén)的微生物存在，表明，廣州咸水入侵區(qū)地下水環(huán)境對(duì)微生物的生存而言不是一個(gè)適宜的生態(tài)環(huán)境，可能與廣州地下水中存在大面積的高鹽度環(huán)境及其他的環(huán)境污染源有關(guān)。還有擬桿菌門(mén)的微生物存在，其可以降解有機(jī)物質(zhì)，對(duì)地下水環(huán)境的自然凈化過(guò)程非常重要。然而微生物降解污染物的過(guò)程比較緩慢，而且不能超過(guò)一定的限度，還需要比較適宜的環(huán)境，擬桿菌門(mén)只在一些地區(qū)出現(xiàn)，可能是地下咸水環(huán)境限制了此類(lèi)群微生物的大量繁殖與擴(kuò)散。

圖2 微生物群落結(jié)構(gòu)門(mén)水平上的分類(lèi)

有研究顯示[10]，該地區(qū)地下環(huán)境中存在大量的海侵時(shí)期的古生物沉積層，在源源不斷釋放鹽分的同時(shí)，也釋放了大量的有機(jī)物，從而使得高咸水區(qū)微生物的多樣性較高。此外，由于降雨和地表水的補(bǔ)給，對(duì)地下咸水有稀釋作用，在一些補(bǔ)給頻繁的地區(qū)，造成地下環(huán)境的鹽度波動(dòng)較大，對(duì)微生物的生長(zhǎng)不利，從而可能導(dǎo)致該地區(qū)微生物多樣性較低。比較不同鹽度梯度下微生物群落的組成特征發(fā)現(xiàn)，中度咸水和微咸水的OTUs比高鹽度的地下水樣品更相似；而不同鹽度的樣品有很多共享的OTUs，說(shuō)明，淡水和鹽水之間有強(qiáng)烈的交換。影響地下水微生物群落的主要環(huán)境因子包括鹽度、pH和總氮。

2.3 不同咸水區(qū)微生物的異同

對(duì)比珠江三角洲和萊州灣地區(qū)不同海水入侵地區(qū)微生物群落的相似性和差異性(圖3)發(fā)現(xiàn)，地下水主要的細(xì)菌類(lèi)群有很大的相似性，主要的類(lèi)群均為變形菌門(mén)的γ-，β-和α-變形菌綱以及厚壁菌門(mén)的芽孢桿菌綱。但不同地區(qū)其他細(xì)菌類(lèi)群組成存在一定差異，如在萊州灣地下水體中放線菌綱、擬桿菌綱和鞘脂桿菌綱的豐度比較高，而在珠江三角洲地下水中ε-、δ-變形菌綱豐度比較高。不同地區(qū)之間的差異是由多種因素共同作用引起的，如地質(zhì)構(gòu)造、周?chē)h(huán)境及地下水流動(dòng)性等，其對(duì)微生物群落也會(huì)產(chǎn)生影響。此外，在咸水區(qū)檢測(cè)到的一些微生物類(lèi)群，如交替單胞菌目(Alteromonadales) 、海桿菌屬 (Marinobacter)和海洋螺菌目(Oceanospirillales)等，可以作為潛在的海水入侵的標(biāo)志性物種，為咸水區(qū)的微生物監(jiān)測(cè)指示提供了研究方向。

圖3 珠江三角洲(a)和萊州灣地區(qū)(b)不同海水入侵地區(qū)地下水微生物群落綱水平上的比較

3 小結(jié)

研究基于高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)比了珠江三角洲(南方)和萊州灣地區(qū)(北方)不同海水入侵地區(qū)微生物群落的相似性和差異性，結(jié)果表明：萊州灣地區(qū)50余口民用井中70%的民用井受到海水入侵的影響，最高電導(dǎo)率為8 390 μS/cm，平均為2 300 μS/cm；不同鹽度水體中高豐度的微生物類(lèi)型存在差異，淡水中主要是β-變形菌，微咸水中主要是擬桿菌屬和紅細(xì)菌屬，而咸水中主要是Perlucidibaca。珠江三角洲地下咸水區(qū)微生物群落豐度較高的門(mén)、綱和屬分別是變形菌門(mén)、厚壁菌門(mén)及奇古菌門(mén)等7個(gè)門(mén)，γ-變形菌綱和芽孢桿菌綱2個(gè)綱，微小桿菌屬、假單胞菌屬及不動(dòng)桿菌屬等8個(gè)屬。2個(gè)地區(qū)地下水微生物群落結(jié)構(gòu)有很大的相似性，主要類(lèi)群均為變形菌門(mén)的γ-，β-和α-變形菌綱以及厚壁菌門(mén)的芽孢桿菌綱；也存在一定的差異，萊州灣地下水體中以放線菌綱、擬桿菌綱和鞘脂桿菌綱的豐度比較高，珠江三角洲地下水體中以ε-、δ-變形菌綱豐度較高。一些微生物如交替單胞菌目等，可以作為潛在的海水入侵標(biāo)志性物種，表明微生物群落在不同海水入侵地區(qū)的環(huán)境指示意義。