关键词:
地下水
MixSIAR模型
微生物群落
功能基因
来源识别
摘要:
地下水硝酸盐污染已经严重威胁生态系统和人类健康。硝酸盐作为氮循环的重要组成部分,其动态转化过程直接受控于微生物介导的硝化-反硝化耦合作用。硝化、反硝化细菌及其功能基因在这一过程中扮演着关键角色,它们的丰度和表达水平不仅影响着氮循环的效率,也可作为量化地下水硝酸盐污染程度的生物标志物。而硝化和反硝化细菌及其功能基因可能会受到环境变化的影响,因此深入研究地下水硝酸盐污染的来源、迁移转化机制以及硝化和反硝化细菌的功能基因丰度水平对氮的转化过程的影响,对于制定有效的氮污染防治策略和地下水资源可持续管理具有重要意义。本研究以贵州省织金县八步地下河流域为研究区,基于一个完整水文年的动态监测数据,综合运用水化学参数分析、多同位素溯源技术及MixSIAR模型,系统解析流域内硝酸盐的污染来源、迁移路径与生物地球化学转化过程;同时,通过定量表征硝化-反硝化细菌功能基因丰度及其与环境因子的响应关系,揭示水文条件对微生物介导氮素转化的调控机制。结果如下:
(1)水化学指标显示,流域整体上呈现出弱碱性。地下河出口水样主要为Ca-Mg-HCO3-SO4型,落水洞主要为Ca-Mg-SO4型,污水主要为Ca-Na-K-HCO3型,马坎泉主要为Ca-Mg-HCO3型。
(2)研究区四个采样点水样结果显示,除了污水和马坎泉部分样品外,地下河出口、落水洞几乎整年的硝酸盐都高于国家标准,整体平均值表现为落水洞>地下河出口>马坎泉>污水。并且四个采样点的δ15N-NO3同位素值时间变化较大并且无规律季节变化。
(3)研究区地下水中暴雨中和暴雨后的微生物群落结构存在显著差异,且暴雨中内部组成更为一致。硝化细菌丰度在暴雨后高于暴雨中,反硝化细菌丰度暴雨中高于暴雨后。而暴雨中和暴雨后硝化基因(amo A、amo B、amo C)的相对丰度整体要高于反硝化基因(nir K、nir S、nos Z、nor B)。RDA分析表明硝化细菌与NH4+、NO2-、p H、T等环境因子的相关性更高,反硝化细菌与NO3-、DO、TN等环境因子的相关性更高。硝化基因amo A与TN、EC、p H、NO2-、T、δ15N-NO3等环境因子的相关性更高;硝化基因amo B、aom C与NH4+、TN、NO3-的相关性更高;反硝化基因nir S、nor B、nos Z、nir K与DO和NO3-的相关性更高。
(4)通过δ15N-NO3、δ18O-NO3、δ13C-DIC结合水化学、溶解氧、硝化反硝化微生物及功能基因丰度等结果表明八步地下河流域内硝化作用占主要地位。综合水化学、δ15N-NO3与δ18O-NO3双同位素示踪及MixSIAR模型解析,揭示八步地下河流域整体地下水硝酸盐污染源以粪肥污水(50%)、氨态氮肥料(32%)及土壤氮(18%)为主导,印证了人为输入(生活污水与农业活动)对岩溶含水层氮负荷的关键贡献;暴雨中地下水硝酸盐来源为氨态氮(49%)、粪肥污水(45%)、土壤氮(6%);地下河出口为粪肥污水(69%)、氨态氮肥料(17%)、土壤氮(14%);落水洞为粪肥污水(65%)、氨态氮肥料(19%)、土壤氮(16%);马坎泉为粪肥污水(49%)、氨态氮肥料(37%)、土壤氮(14%),四个采样点与整体来源比例一致。四个采样点都不同程度的受到了人类活动的影响,并最终通过地下管道反应到地下河出口处。
本研究对深入理解地下水硝酸盐污染来源、迁移和转化与生物地球化学过程分析提供了来自硝化、反硝化微生物及功能基因的视角,以及制订对应的污染治理方法提供了科学依据。研究存在时空采样密度与微生物动态监测频次较低,MixSIAR模型同位素端元值精度等局限性,未来需结合多同位素示踪与多模型对比验证,强化含水介质-土地利用分类监测网络,并拓展宏基因组及时间序列分析以解析微生物功能基因的生态互馈机制。