关键词:
再生水
生态补水
生物多样性
环境DNA宏条形码技术
摘要:
污水再生利用已成为缓解水危机的重要途径。再生水具有稳定性高、可控性强和连续性好的优势,已被广泛用于河流生态补水。然而,由于富含氮磷等营养物质,再生水补给容易引起水体富营养化等问题,可能造成生物多样性降低、威胁水生生态系统健康。为保障受纳水体的生态安全,有必要监测和评估再生水补给对水生生物多样性的影响。目前,生物多样性调查主要采用形态学鉴定方法,这种方法耗时费力、对生物有损伤,且易受主观判断影响;而近年来发展迅速的环境DNA(Environmental DNA metabarcoding,eDNA)宏条形码技术,通过对环境样本中的DNA片段进行扩增、测序和比对,可实现快速、高效、灵敏、低成本的物种监测且对环境和生物无损伤。本研究选取青岛市某再生水受纳河流为研究对象,首先对水体主要理化指标进行了测定和评价;其次采用eDNA宏条形码技术全面调查了浮游植物、无脊椎动物和鱼类三个营养级生物的群落组成和结构;最后,探究了再生水补给后影响浮游植物、无脊椎动物和鱼类群落组成和结构的主要水质因子。主要结果如下:
(1)采用国标法测定了pH、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand)、总磷(TP)、亚硝态氮(NO2--N)、硝态氮(NO3--N)、氨氮(NH4+-N)和总氮(TN)等7个指标,采用无水乙醇提取法测定了叶绿素a(Chla)指标。本研究在再生水汇入口的上游设置了3个点位(上游点位),在其下游不同位置设置了6个点位(中游点位3个,下游点位3个)。结果发现,再生水补给对河流水质因子产生了显著影响,并且呈现出季节性变化。夏季,与上游相比,中下游TN和NH4+-N含量显著升高,可能是再生水中高浓度的污染物输入导致的;相反,TP、NO2--N和COD的浓度显著降低,可能与再生水的稀释作用有关。冬季,与上游相比,中下游TN、NH4+-N和TP含量显著升高,而NO3--N、NO2--N和Chla含量显著降低,也分别与再生水的污染物输入和稀释作用有关。采用综合污染指数法对河流进行了水质评价,结果显示夏季再生水的补给提升了河流的水质,而冬季再生水输入对河流水质无显著影响。
(2)采用eDNA宏条形码技术,对再生水受纳河流中浮游植物、无脊椎动物和鱼类的生物多样性进行了调查。结果发现,浮游植物种群组成上以Chlorophyta(绿藻门)为主,无脊椎动物以Rotifer(轮虫门)为主,鱼类以Chordata(脊索动物门)为主;各类生物的优势种均为常见种和耐污种。采用Shannon和Chao1指数评价各类生物的Alpha多样性,结果发现上中下游无显著变化。采用PCoA方法分析各类生物Beta多样性的变化,结果显示夏季和冬季,上游、中游和下游的浮游植物群落显著不同,无脊椎动物仅在夏季有显著差异,鱼类则在冬季有显著差异;结果表明上游、中游和下游存在明显的群落演替,Beta多样性的差异可能主要是优势种和稀有种成分的变化所致。采用网络分析方法研究了上中下游多营养级生物相互作用关系的变化,结果发现与上游相比,中下游多营养级生物互作网络的边、平均度和平均聚类系数均降低,这表明中下游物种之间的相互作用(捕食、竞争或共生)减弱,可能导致群落稳定性和生态系统抗干扰能力降低。
(3)采用斯皮尔曼(Spearman Correlation Analysis)相关性分析、冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)和典范对应分析(Canonical Correspondence Analysis,CCA)分析了水质因子与水生生物多样性之间的关联。结果发现,Alpha多样性与所研究的8个水质因子均无显著关系。对于Beta多样性,pH是影响浮游植物群落结构的主要水质因子,而TN和NH4+-N是影响无脊椎动物和鱼类的主要水质因子。研究发现,pH的波动可能通过破坏细胞内部酸碱平衡,对浮游植物产生毒性;NH4+-N会损伤无脊椎动物和鱼类的呼吸道,诱发血液毒性、神经系统毒性和代谢紊乱从而造成死亡。另一方面,从季节来看,夏季NH4+-N和Chla是影响大多数物种的主要水质因子,而冬季pH和TN是主要因子。
综上,利用eDNA宏条形码技术,本研究发现再生水补给显著改变了受纳河道水生生物的组成和群落结构,削弱了多营养级水生生物的相互作用;pH、TN和NH4+-N是影响水生生物多样性的关键水质因子。结果表明,为保障受纳水体的生态安全,除关注水质因子外,有必要对受纳水体的生物多样性进行科学监测和评估。本研究为再生水生态补水的安全性评价提供了基础数据和方法参考。