Environmental Pollution：微污染物会对地下水微生物群产生怎样的影响|微生物专题
期刊：Environmental Pollution
影响因子：8.071
发表时间：2022.1
研究方法：16S rRNA基因测序
全球约45.7%的饮用水来自于地下水。而近年来微污染物（MPs）导致地下水质量逐渐下降。采用活性炭吸附或高级氧化这种先进的水处理方法尽管可以去除MPs例如农药的污染，但是这种方法不仅实用性低、经济压力大，而且也不是长久之计。有研究报道，由地下水微生物介导的MPs的原位生物降解和自然衰减是保护饮用水资源的一种更可持续的方法。微污染物浓度下的农药对地下水微生物群落的影响的相关研究报道非常有限。因此，本文致力于通过探究地球化学参数、微污染物浓度、微生物群落之间的关系，为地下水资源的利用提供研究依据。
通过16SrRNA基因测序和qPCR对2014-2016年荷兰两口地下水监测井的不同深度水样的地球化学参数、微污染物浓度、微生物组成进行检测，来探究三者之间的相关关系。两口监测井三年间分别重复（2次）采集5个深度的水样，其中深度小于<40m为浅含水层，>=40m为深水层。
1. 含水层微生物群落组成与动态变化
对2014-2016年采集的两个检测井的60例水样进行16S rRNA基因测序，其中PD指数（Faith’s phylogenetic diversity，某个地点所有物种间最短进化分支长度之和占各节点分支长度综合的比例）统计分析发现随着取样深度的增加PD指数呈增加趋势。在物种组成方面，22号和23号监测井的丰度占比最高的门水平物种都为变形菌（Proteobacteria），且门水平未分类的物种占比也比较高，可能的原因有两种：（1）扩增子测序及本身的限制；（2）深层地下水未被研究描述的物种较多。
图1 两口监测井不同深度水样的门水平物种柱状堆叠图
为了了解含水层微生物群落的时空动态变化，进行PCA降维分析，从图中可以看到两口检测井中深度>=40m的样本单独聚类在一起且小于40m的不同井的样本也具有明显的分离，说明不管是不同监测井的深含水层之间还是同一监测井的深含水层和浅含水层之间都具有一定的水文学联系。例如不同监测井之间的深含水层物种组成比较相似，可能是因为深层水样的砂比较粗糙，更有利于微生物的交换和地下水横向流向开采井。而浅水层由于粘土层的存在，这种现象会相对较弱。
图2 两口监测井的非加权PCA分析
2. 电子受体可用性
在近16年的持续监测中各测量深度处的地下水地球化学成分基本稳定，电子受体有效性和DOC为关键电子供体，其中DOC的浓度随着深度的增加而下降，且在22号监测井中下降程度最大。在22号监测井中参与硫酸盐还原的dsrB基因的丰度较高(图3c)，证明了硫酸盐在13-22m深处是主要的电子受体。而在23号监测井中，参与硝酸盐还原的基因nirS和参与一氧化二氮还原的nosZ基因在<40m的样本中丰度明显高于其他样本，说明硝酸盐为主要的电子受体，另外，在>40m的样本中二价铁的含量明显增加且nirS和nosZ基因的丰度明显降低，可以说明群落组成对电子受体可用性的响应发生了变化。
图3 不同检测样本中地球化学参数及相关基因检测量
3. 地下水中的有机污染物
通过16年的持续监测发现数百种污染物中在微污染浓度下最常见化合物有7种，分别是三种农药（苯肼Bentazone、氯唑CLZ、MCPP）、三种农药转化产品（BAM、CLZD、CLZMD）和1种溶剂（二恶烷Dioxane），这些化合物的浓度在时间和空间上都要具有很大的差异。在深层含水层能检测到MPs的存在，说明粘土层并不能完全限制化合物的垂直迁移。
本研究的主要目的就是表征地下水地球化学组成与微生物群落组成的时空变异性之间的相关性，所以作者对MPs和地球化学组成与菌群进行RDA分析，结果表明硝酸盐、硫酸盐、铁(II)、DOC、铵、二氧烷和CLZD（p=0.05）对微生物群落组成的变化影响程度最高。同时对四个影响程度最高的因素进行VPA分析，结果显示解释度从高到低依次为DOC（7.7%）、硝酸盐（6.9%）、铁（6.2%）和硫酸盐（75.1%），它们总共解释了微生物群落组成总变化的33.3%。
图4 地球化学参数、MPs和微生物群落的RDA分析和VPA分析
主要结论：在2014-2016年，在荷兰采集了两口地下水监测井。在这两个井中，从13-54m的5个离散深度取样水，并使用16SrRNA基因测序和qPCR分析了地球化学参数、农药浓度和微生物群落组成。地下水地球化学在整个研究期间保持稳定，农药在低浓度(μgL−1范围)下分布不均匀。微生物群落组成在整个采样期间也保持稳定。总体来说，地球化学参数和地污染物（MPs）对微生物群落施加了选择压力。两个井的微生物群落在较深的含水层中组成相似，粗砂的水平流动性更强。这项研究为形成微生物群落组成的地下水参数提供了参考，有助于未来实施补救技术，以确保饮用水的安全生产。
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