科研 Water Research：中观尺度研究-过氧化氢对饮用水库中天然浮游植物和浮游细菌的影响

  本文使用了半干旱地区的超富营养化水库进行中宇宙实验评估了H2O2对浮游植物、浮游细菌和非生物参数的影响。

  蓝藻水华正在全世界内持续不断的增加，这对水处理厂构成了挑战，同时关系到人类健康和水生生态系统的风险。先进的氧化工艺包括有效且安全的水处理方法。由于过氧化氢（H2O2）与其他浮游植物相比具有更高的敏感性，并且在低浓度下不会对环境能够造成重大风险，因此过氧化氢已被提议作为减轻蓝藻水华的可持续解决方案。在这里，我们引入了半干旱地区的一个水库作为中宇宙实验，该水库呈现以浮丝藻属为主的蓝藻水华，研究了120 h内单次添加H2O2（10 mg L-1）对水库中天然浮游植物和浮游细菌的效果。我们跟踪了理化参数和浮游细菌组成的变化。H2O2在72小时内有效抑制了蓝藻、绿藻和硅藻，增加了水体透明度和溶解有机碳的含量，降低了溶解氧的含量和pH，而营养素浓度未受影响。120小时后，蓝藻的丰度仍然很低，而绿藻则占据主导地位。16S rRNA测序表明，最初的蓝藻水华由浮丝藻属、蓝菌属和微囊藻属组成。在120小时内，只有蓝菌属的相对丰度增加，意味着其发生再生长。当H2O2处理后，异养细菌的组成发生了显著变化，Exiguobacterium、Parococcus和Deinococcus成为水体中最丰富的属。研究根据结果得出，该方法可有效抑制蓝藻水华并改善热带环境中的水质。监测非生物参数的变化和特定细菌类群的相对丰度可用于预测H2O2降解后蓝藻的再生情况，并指示应在水库中的何处使用H2O2以便将效果持续到水处理厂的进水口。

  本研究是于2019年2月15日至2月20日在Gavião水库（3°59’03’S / 38°37’13’W）（图1）中进行的，相对于海平面的高度为65 m。该地是一个半干旱地区，年平均大气温度为32°C。与水库相邻的水处理厂（WTP）运行了常规处理设备（混凝、直接过滤和消毒）运行。将6个不透水且半透明的塑料袋制成长2 m和1.5 m圆柱体（3.5 m3）。中宇宙实验中充满约3000 L的水。整个结构位于Gavião水库的湖积带，平均深度为10 m，靠近水处理厂的进水口。实验设置了无H2O2的对照组（n = 3），以及单次添加H2O2（10 mg L-1）的处理组（n = 3）。实验周期为120小时（5天），并在添加H2O2（T0）之前和第24、72和120h时采集水样。每个采样时间点评估了水体的生物和非生物参数（表1）。

  处理明显影响了非生物参数和来自浮游植物的叶绿素（通常称为湖泊学参数）（

  = 0.02，F = 25.20），这些常作为水质指标。PERMANOVA分析指出采样时间和处理之间的存在显著的相互作用（

  = 0.024；F = 4.0793）。72 h后中宇宙试验中已经检测不到

  0.0 001，F = 50.73）。初始透明度值为47 cm，在24 h后对照组水体增加至64 cm，没再次出现进一步变化。在H

  过的中宇宙试验里，透明度在24、72和120 h分别持续增加至82、115和105 cm（表2）。水体中最初的浊度为11 NTU（比浊法浊度单位），实验过程中对照组的浊度维持在11-14 NTU。而在处理组的水体中，其浊度在24、72和120 h时分别降至8.3、5.5和5.5 NTU。在某些采样时间，对照组和处理组中的其他非生物参数存在非常明显差异（表2）。电导率在整个处理过程中表现出显著的变化（

  0.0001，F = 42.16），在72 h时从9.2降至8.1，在120 h时从9.0降至8.3（表2）。水体中的TOC含量保持平稳，而相比于处理组，对照组的DOC含量在72h从22 mg L

  = 0.003，F= 7.71）。在第72 h，DO也明显降低：对照组为11.4 mg L

  0.000.1，F = 21.26）。此外，对照组和处理组的氨氮（

  = 0.12）含量均没有显著差异。在处理和对照条件下，营养的东西的浓度受围场的影响而随时间流逝。而温度或水体本色不会随时间的变化而变化（

   0.05）。数值表示平均值和标准偏差（n = 3）。缩写：DOC-溶解有机碳；TOC-总有机碳；DO-溶解氧；Chl-叶绿素；NTU-比浊计浊度单位。

   0.0001，F = 24.97）。在T0时蓝藻的叶绿素浓度最高（〜35 μg L

  ），与对照条件相比，该值随时间推移持续下降。在72 h时，未检测到蓝藻（图2A）。绿藻的叶绿素在72 h时也显著下降（

  = 0.0003），降低了50％。然而，叶绿素浓度表明绿色藻类生物量在120h显著增加（

  = 0.04），但随后在120 h其生物量增长为对照组的3倍（图2C）。在120 h时，处理组的绿藻生物量高于对照组，而在蓝藻中的趋势则相反，这表明

  图2 在120 h内，基于（A）蓝藻，（B）绿藻和（C）硅藻的叶绿素浓度评估10 mg L

  的对照组。处理组和对照组中的每个重复的个体值用x代表（n= 3）。星号表示处理组与对照组之间有统计学差异，其中∗（

  32221条序列来描述细菌群落（补充表1）。样品T3M5（对照组：72h）在DNA处理过程中丢失，没有办法进行分析。所有样品的反射曲线均达到饱和，细菌多样性覆盖率达到97-98％（补充表1和补充图2）。样品的聚类表明对照组和处理组之间的平均相似度为60％，而它们之间的非相似性为70-80％（补充图3）。从Shannon多样性指数和sobs丰富度指数来看，

  = 0.07，F = 5.58）（补充图4A），但是在24和72 h时明显降低了群落多样性（

  后细菌群落的组成发生了变化，但物种数却没有减少。非度量型多维尺度（nMDS）分析表示了时间尺度下处理组和对照组的样品的排序情况。不同处理条件下的样本分隔较远，且处理下不同采样时间的样品各自形成聚类（补充图5）。加入

  后24和72 h收集的样品的细菌群落比120 h收集的样品更相似。双因素PERMANOVA分析证实了处理组和对照组之间细菌群落（

   0.0001，F = 26.562）和处理后的24、72、120 h之间细菌群落存在非常明显差异（

   0.0001，F = 4.516），且时间和处理之间的相互作用影响了细菌群落（

  处理后的细菌群落组成随时间发生了变化（图3，补充表3）。原始群落主要由放线％）组成，其次是疣微菌门（9％）、绿弯菌门（8％）和拟杆菌门（7％）。对照组的细菌群落组成在时间尺度上就没有发生变化。蓝细菌的相对丰度在24 h（25％）和72 h（27％）时增加，随后在120 h时恢复到与初始丰度相似的值。放线％。相反，处理组的浮游细菌群落的组成完全发生了变化。在第24和72 h的样品的浮游细菌群落组成更加相似，有必要注意一下的是厚壁菌门的丰度从T0时的0.2％明显地增加到40-50％。其它丰度增加的门的还包括耐辐射球菌（从T0时的0.01％到7-11％）和变形菌门（从T0时的11％到17-23％）。同时，放线菌门、疣微菌门、浮霉菌门和绿弯菌门的丰度出现了下降。在120 h时，H

  处理组的浮游细菌群落分布与T0时的细菌群落和120 h的对照组的不同，包括拟杆菌门（19％）、疣微菌门（24％）和变形菌门（26％）等优势门（图3）。

  ）组中，门水平的细菌OTU的相对丰度。每个条形图表示在不同采样时间和处理条件下三个重复门（n = 3）的平均值。

  处理后使得蓝藻的相对丰度从T0的20％降低到24 h、72 h的1％左右以及120 h的7％。蓝藻群落中的OTU组成也受到H

  处理的影响（图4）。浮丝藻属、蓝菌属和微囊藻属在最初的蓝细菌群落中是最主要的属，分别占30％，27％和16％（图4）。同样它们也是整个实验过程对照组中的主要属。而在处理组中蓝藻的丰度急剧下降，在24 h内，微囊藻属占主导地位，占所有蓝藻OTU的60％，而蓝菌属占20％。微囊藻属的丰度在72h到120h分别降低了10%和5％，而蓝菌属的丰度则分别提高了53%和64％。处理后浮丝藻属的丰度仍然很低（4-8％）。因此，当实验结束蓝藻的丰度趋于增加时，群落组成与最初的不同（图4）。

  ）组中，门水平的细菌OTU的相对丰度。每个条形图表示在不同采样时间和处理条件下三个重复门（n = 3）的平均值。

  为了强调区分对照组和处理组的主要浮游生物类群，在不考虑时间的情况下通过OTU的相对丰度进行了LDA和LEfSe分析。基于LDA score（log10）（阈值为3.0）选择了67个OTU，这些OTU有助于区分处理组和对照组（补充图6）。其中，对照组中最具代表性的分类群是来自

  的相对丰度为10％，而在对照条件下或在时间T0时，它们的丰度接近于零（图5G-I）。对照组中其它主要的分类单元是

  sp.（~15％）、Exigigbacterium sp.（~5％）、未分类的

   0.05，LDA score（log10） 3.0）的对照或处理条件下的异养细菌和蓝藻主要属在时间尺度上的相对丰度。在对照组中，主要 OTU对应于未分类的异养细菌

  (Cylindrospermopsis)(F)。在处理组中，主要的OTU对应于E

  通过SIMPER分析（补充表4）选择了在每个采样时间下处理组和对照组之间有显著差异的OTU，并检验了它们与对照组的湖泊学参数（叶绿素组和非生物因素）的相关性（表2）。CCA排序（图6）表明，处理组所有采样时间（包括T0）下，蓝藻的浊度和叶绿素是与这些细菌类群显著相关的主要湖泊学参数。高浊度值与四种不同的蓝藻OTU呈正相关，

  (OTU02) (r = 0.75)。蓝藻的浊度和叶绿素与一些异养细菌呈正相关，如

  （OTU08）（r = 0.79）呈显著正相关（图6）。这三个OTU与蓝藻的叶绿素之间存在非常明显的负相关（分别为r = -0.71、-0.74和-0.75）（图6和补充表5）。在72h时，对照组和处理组之间的浊度和透明度之间仍然存在显著的差异，且处理组的pH、DOC和DO出现下降（表2）。处理组中的

  （OTU08）仍与透明度呈正相关（分别为r = 0.77、0.80和0.79），并且与未分类的

  （OTU42）与透明度呈正相关（分别为r = 0.66、0.73和0.6），与浊度（分别为r = -0.65和-0.74）和pH（分别为r = -0.62和-0.80）呈负相关。

  = 0.0001）也与DO呈负相关（r = -0.75）。在任何OTU和DOC之间均未观察到显著的相关性（图6，补充表5）。在120 h时，对照组和处理组的透明度、浊度、pH、电导率和蓝藻叶绿素出现了差异。许多OTU与处理组较高的电导率和透明度之间有显著的正相关：

  （OTU65）（电导率：r = 0.84；透明度：r = 0.68）、

  （OTU81）（电导率：r = 0.75；透明度：r = 0.80)、

  （OTU160）（电导率：r = 0.80；透明度：r = 0.75）和未分类的

  （OTU37）（电导率：r = 0.82；透明度：r = 0.72）。未分类的

  （OTU25）的丰度仅与电导率有关（r = 0.77）。与pH呈负相关并与处理相关的OTU是

  = 0.2）与120 h的处理条件有关，但它们与非生物因素没有显著相关性（补充表 5）。此外，绿藻叶绿素与

  sp（OTU16）（r = 0.62）的丰度呈正相关，该OTU在对照条件下始终存在，而在处理组中略有增加。

  sp.（OTU88）与硅藻叶绿素呈正相关（r = 0.74），而未分类的

  （OTU29）与这两个因素都呈正相关（绿藻：r = 0.6；硅藻：r = 0.73）。

  以减轻蓝藻水华并改善水质参数。同时，我们研究了该处理对浮游细菌群落组成的影响。添加单一浓度的10 mg L

  ，并在120 h（五天）内监测生物和非生物参数。研究报告指出，5 mg L

  ）基于先前使用Gavião水库的水进行的微宇宙实验，同时考虑到其超富营养状态和高有机碳含量。该浓度抑制了蓝藻且对真核浮游植物的影响较小。尽管与其他浮游植物相比，蓝藻会选择性地受到H

  的影响，但必须注意不要伤害其他生物，如浮游动物。Spoof等人指出来自Köyliönjärvi 湖（芬兰）的不同类别浮游动物在暴露于10和20 mg L

  原位抑制蓝藻的效率取决于其降解时间，其受有机碳浓度和浮游细菌密度和组成的影响。范等人使用太湖水样发现10 mg L

  降解时间的信息。奇怪的是，太湖中DOC浓度基于地点或季节从2到8 mg L

  不等，比Gavião水库中的 DOC低2-3倍。即便如此，在Gavião水库中，10 mg L

  对蓝藻的抑制超过了120 h，与那些在较低有机碳浓度环境中应用10 mg L

  或更少的研究相比，时间缩短了。在我们的实验中，从72 h开始就没有检测到H

  。之后，根据叶绿素和16S rRNA测序分析，处理组的蓝藻含量仍然低于对照组，但在120 h观察到其略有增加。与对照相比，处理组的DOC浓度在72 h下降，这可能与光降解或微生物活动有关，尽管没有细菌OTU与DOC浓度下降相关。

  具有更高的敏感性或绿藻存在更高的恢复/适应性。Sinhá等人指出蓝藻生物量减少后，真核硅藻

  sp.的数量增加，表明这些物种受益于蓝藻的减少并利用了可用的营养。在另一项研究中，使用H

  对浮游植物的抑制，水体透明度增加，并且随着时间的推移与蓝藻叶绿素相关，这与其他研究不同。因此，在我们的研究中，使用高浓度H

  改善了水质参数。DO浓度在72 h下降，这可能与蓝藻减少和光合活性降低导致氧气产量降低有关。淡水环境中的其他研究表明，pH值和溶解氧的增加可归因于大规模水华中蓝藻的生长以及较高的营养水平。

  处理后养分利用率增加，磷酸盐和氨浓度的增加可能与微生物细胞裂解有关。养分利用率的维持或增加将有利于蓝藻重新生长。此外，养分浓度的变化可能与蓝藻水华的物种组成、水体的氧化还原电势以及相关微生物群落的生长有关。H

  降解后，在120 h观察到蓝藻生物量和序列相对丰度的增加，表明重新生长的群落组成与原始群落组成不同。

  0.2-2 μm）含量丰富，但在贫-中营养或超营养条件下的淡水系统中却被低估了。在贫营养海洋环境中，超微蓝藻的代表性物种可以达到0.5 d

  抑制，生长速度相对较快的蓝藻可能受益于竞争的缓解和养分的可用性。因此，长期显微镜分析、叶绿素测量和分子工具对于监测剩余蓝藻群落的发展和优化缓解策略非常重要。

  处理后放线菌门、疣微菌门、浮霉菌门和绿弯菌门就是这种情况，表明这些门的成员也对氧化过程敏感。相反，一些细菌分类群对H

  对处理组样本（24和72 h）的细菌群落的贡献比例相似。已知来自这两个属的成员可以产生参与细菌防御以抵抗氧化应激的有害影响的酶。

  以其在各种极端环境条件（如电离、紫外线辐射和干燥）中生存的能力而闻名。电离和紫外线辐射可以介导和加强ROS的产生。耐辐射

  具有抵抗力，并且对紫外线和γ射线的抵抗力更强，显示出在各种压力因素下提高存活率的潜力。

  ，其世界性分布可能与对极端环境条件（包括高紫外线强度）的适应性有关。该属的固有特征是过氧化氢酶的强烈活性。该属的菌株提供了类胡萝卜素C30合成的完整途径，这可能有助于ROS淬灭以及防止光损伤。

  sp.的提取物对蓝藻有强烈的杀藻活性，在2天内抑制浮丝藻、聚球藻和色球藻的生长，对绿藻无杀藻活性。H

  。先前有研究指出了该属与超微蓝藻之间的相关性。此外，Cardman等人认为疣微菌门的成员（包括

  sp.）可能参与海洋环境中藻类多糖的降解。这些结果表明，使用宏基因组学方法进行的进一步研究可以确认氧化过程之后特定细菌分类群的流行以及蓝藻再生长之前的后续组成变化。在这种情况下，重要的是要了解在用于水处理目的的氧化处理后主导浮游细菌的抗性细菌，因为它们可能意味着用水的风险。此外，了解H

  处理后微生物群落的动态可以揭示细菌分类群可能有助于作为蓝藻大量繁殖之前的生物监测条件。

  对蓝藻毒素的潜在影响，因为在整个实验过程之前和整个过程中都没有检测到常规监测的蓝藻毒素（微囊藻毒素、石房蛤毒素和圆柱藻毒素）。尽管在原位和蓝细菌培养物中均观察到过H

  过程释放且未经过化学或生物降解的毒素任旧存在于水处理厂的进水口，则可以在水处理厂的中采用其他步骤来完全去除，例如活性炭吸附或化学氧化。H

  处理的优点是它不需要在水处理厂的中添加新的基础设施，并且只有当原水水质恶化到某个阈值时才可以应用于水库的一小部分（靠近取水口）。

  降解后绿藻占主导地位。最初以浮丝藻为主的蓝藻水华被抑制，但随后蓝藻的数量出现了明显增加。这表明蓝藻的再生与营养的可获得性有关。异养细菌群落组成随时间变化，主要由对H

  通过对浮游细菌施加压力条件，使细菌群落的门组成发生强烈的变化。需要更长的观察期来确定H

  降解后蓝藻水华恢复的时间。我们的根据结果得出，监测非生物参数和特定分类群的相对丰度可用于预测蓝藻的再生。要观察该过程是否成功，一个重要的方面是在何处施加H

  ，以便在水处理厂的进水口中仍能观察到处理后的效果。为此，除了了解水质改善持续多长时间之外，还需要研究水库流体动力学（停滞时间、优先路径）。