A novel real-world ecotoxicological dataset of pelagic microbial community responses to wastewater  

關(guān)于浮游微生物群落對(duì)廢水響應(yīng)的新型真實(shí)世界生態(tài)毒理學(xué)數(shù)據(jù)集  

來源：Scientific Data, Volume 7, Article number: 158 (2020)  

《科學(xué)數(shù)據(jù)》，第7卷，文章編號(hào)158 (2020年)  

 

摘要  

本研究提供了一個(gè)罕見的真實(shí)世界觀測(cè)數(shù)據(jù)集，記錄和量化了廢水排放與自然水生系統(tǒng)之間的壓力-應(yīng)激-響應(yīng)聯(lián)系。隨著全球廢水量以前所未有的速度增長(zhǎng)，該數(shù)據(jù)集至關(guān)重要，它提供了有關(guān)微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵信息。野外研究在澳大利亞夏季的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行。在完整的廢水濃度范圍和兩種鹽度下進(jìn)行了單物種和微生物群落水平的全程廢水毒性（WET）測(cè)試，并附帶環(huán)境數(shù)據(jù)，以提供關(guān)于營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)物循環(huán)的新見解，并識(shí)別生態(tài)毒理學(xué)臨界點(diǎn)。選擇兩種鹽度 regime 是為了研究基于預(yù)測(cè)的研究點(diǎn)鹽度升高（全球海平面上升的沿海地區(qū)典型情況）的未來情景。使用流式細(xì)胞術(shù)、16S和18S rRNA基因的擴(kuò)增子測(cè)序以及微流體定量聚合酶鏈反應(yīng)（MFQPCR）來確定葉綠素a和總細(xì)菌細(xì)胞的數(shù)量和大小，以及浮游微生物群落的分類和功能多樣性。這個(gè)強(qiáng)大的試點(diǎn)數(shù)據(jù)集可以在全球其他地區(qū)復(fù)制，對(duì)科學(xué)家和工程師具有很高價(jià)值，以支持微生物生態(tài)毒理學(xué)、環(huán)境生物監(jiān)測(cè)和河口水質(zhì)建模的下一次進(jìn)展。

 

研究目的  

本研究旨在通過構(gòu)建一個(gè)綜合性的真實(shí)世界數(shù)據(jù)集，來填補(bǔ)當(dāng)前關(guān)于廢水排放對(duì)自然水生環(huán)境（特別是河口生態(tài)系統(tǒng)）中微生物群落影響的認(rèn)識(shí)空白。具體目標(biāo)是：1) 量化不同濃度廢水和鹽度條件對(duì)浮游微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能（包括營(yíng)養(yǎng)循環(huán)、有機(jī)物代謝）的影響；2) 識(shí)別廢水毒性效應(yīng)的生態(tài)臨界點(diǎn)；3) 為未來在全球范圍內(nèi)評(píng)估和預(yù)測(cè)廢水排放的生態(tài)影響提供一個(gè)可復(fù)制的模型和方法框架。

 

研究思路  

1.  研究區(qū)域與采樣設(shè)計(jì)：選擇澳大利亞新南威爾士州的Hunter河口作為研究區(qū)域，該河口接收來自多個(gè)污水處理廠（WWTP）的經(jīng)三級(jí)處理后的廢水。在河口的上下游設(shè)置了20個(gè)采樣點(diǎn)（見表2），于2016年11月和2017年2月（ Austral夏季）進(jìn)行了兩次大規(guī)模野外調(diào)查采樣。

 

2.  全程廢水毒性（WET）測(cè)試：在實(shí)驗(yàn)室可控條件下，使用來自5個(gè)WWTP的經(jīng)過UV消毒的廢水，設(shè)置一系列濃度梯度（0%, 0.1%, 1%, 10%, 50%, 90%, 100%），并在兩種鹽度（淡水、鹽水）條件下進(jìn)行測(cè)試。

    ?   單物種測(cè)試：以標(biāo)準(zhǔn)指示生物——淡水單細(xì)胞綠藻（Raphidocelis subcapitata）為對(duì)象，評(píng)估廢水的急性毒性效應(yīng)。

 

    ?   全群落測(cè)試：以河口采集的自然微生物群落為對(duì)象，評(píng)估廢水對(duì)復(fù)雜群落結(jié)構(gòu)、功能和活性的影響。

 

3.  多維度數(shù)據(jù)分析：

    ?   水質(zhì)理化參數(shù)：監(jiān)測(cè)常規(guī)指標(biāo)（NH3, NOx, TN, TP, TOC, BOD, TSS, Chl-a, H2S, pH, DO, 溫度、鹽度等）。

 

    ?   微生物群落結(jié)構(gòu)：通過16S和18S rRNA基因的高通量測(cè)序，分析原核和真核微生物的群落組成和多樣性。

 

    ?   微生物豐度與活性：使用流式細(xì)胞術(shù)（Flow Cytometry）定量總細(xì)菌細(xì)胞和含葉綠素a的藻類細(xì)胞的數(shù)量和大小；使用微流體定量PCR（MFQPCR）定量與營(yíng)養(yǎng)循環(huán)（C, N, P, S）、抗生素抗性和病原體相關(guān)的功能基因的絕對(duì)豐度（見表3）。

 

    ?   環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：在WET測(cè)試過程中，使用丹麥Unisense的微傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)培養(yǎng)體系中的pH、溶解氧（DO）和硫化氫（H2S）的動(dòng)態(tài)變化。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1.  野外調(diào)查水質(zhì)數(shù)據(jù)：包括營(yíng)養(yǎng)鹽（NH3, NOx, TN, TP, TKN）、有機(jī)物（TOC, BOD）、懸浮物（TSS）、葉綠素a（Chl-a）、硫化氫（H2S）以及物理參數(shù)（pH, DO, 溫度、鹽度、濁度等）。這些數(shù)據(jù)提供了研究區(qū)域的基礎(chǔ)環(huán)境背景，是分析微生物群落響應(yīng)環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子的基礎(chǔ)。

2.  微生物群落測(cè)序數(shù)據(jù)（16S & 18S rRNA基因）：揭示了不同采樣點(diǎn)、不同廢水暴露程度下，微生物群落（包括細(xì)菌、古菌和微真核生物）在分類學(xué)上的組成和差異。該數(shù)據(jù)對(duì)于理解廢水排放如何改變水生生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性至關(guān)重要。

3.  流式細(xì)胞術(shù)數(shù)據(jù)（圖2為例圖）：提供了總細(xì)菌和藻類細(xì)胞的絕對(duì)數(shù)量以及細(xì)胞大小信息。該數(shù)據(jù)直接反映了微生物的生物量和生長(zhǎng)狀況，是評(píng)估廢水促進(jìn)或抑制微生物生長(zhǎng)的最直觀指標(biāo)。

 

4.  微流體定量PCR（MFQPCR）數(shù)據(jù)：測(cè)量了涉及氮循環(huán)（如narG, nirS, nirK, nosZ）、磷循環(huán)（如phoD）、硫循環(huán)（如dsrA）、碳固定（如rubisco基因）以及病原體和抗生素抗性基因（如stx2, mecA）的絕對(duì)豐度。這些功能基因數(shù)據(jù)將微生物群落結(jié)構(gòu)與生態(tài)系統(tǒng)功能（營(yíng)養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化、污染物降解、健康風(fēng)險(xiǎn)）直接聯(lián)系起來，意義重大。

5.  Unisense微傳感器數(shù)據(jù)（pH, DO, H2S）：在WET測(cè)試過程中實(shí)時(shí)記錄了培養(yǎng)體系的關(guān)鍵化學(xué)微環(huán)境參數(shù)的變化。這些高分辨率數(shù)據(jù)對(duì)于解釋觀察到的生物效應(yīng)（如毒性、抑制或促進(jìn)）的化學(xué)原因至關(guān)重要，例如低DO或高H2S可能是導(dǎo)致毒性效應(yīng)的直接因素。

 

結(jié)論  

1.  本研究成功構(gòu)建并公開了一個(gè)極其詳盡和高質(zhì)量的真實(shí)世界數(shù)據(jù)集，涵蓋了從水質(zhì)理化參數(shù)到微生物群落結(jié)構(gòu)、功能基因和活性的多層次信息，全面揭示了廢水排放對(duì)河口浮游微生物生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜影響。

2.  該數(shù)據(jù)集證明了將現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)（高通量測(cè)序、MFQPCR）與傳統(tǒng)生態(tài)毒理學(xué)測(cè)試（WET）和環(huán)境監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，是未來深入研究環(huán)境壓力-響應(yīng)機(jī)制的有效途徑。

3.  數(shù)據(jù)集揭示了在不同鹽度和廢水濃度下，微生物群落的結(jié)構(gòu)、功能和耐受性會(huì)發(fā)生顯著變化，強(qiáng)調(diào)了在評(píng)估廢水影響時(shí)考慮環(huán)境背景（如鹽度）的重要性。

4.  該試點(diǎn)研究為在全球其他類似地區(qū)開展可比性研究提供了完整的藍(lán)圖和方法學(xué)細(xì)節(jié)，有助于推動(dòng)建立全球性的廢水生態(tài)影響評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和方法。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義  

在本研究的全程廢水毒性（WET）測(cè)試中，使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的微傳感器（microsensors）對(duì)pH、溶解氧（DO）和硫化氫（H2S）進(jìn)行了實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)，這一技術(shù)手段具有重要的研究意義：

1.  高時(shí)空分辨率與過程解析：與傳統(tǒng)離散采樣后離線分析的方式不同，Unisense微傳感器能夠以高頻率（可達(dá)秒級(jí)）連續(xù)記錄培養(yǎng)體系中關(guān)鍵化學(xué)參數(shù)的變化動(dòng)態(tài)。這使得研究者能夠捕捉到毒性測(cè)試過程中可能瞬時(shí)出現(xiàn)的極端條件（例如，由于微生物呼吸作用導(dǎo)致DO的快速耗盡，或因硫酸鹽還原導(dǎo)致H2的快速積累），這些瞬時(shí)變化很可能就是引發(fā)毒性效應(yīng)的關(guān)鍵時(shí)刻，而離散采樣極易錯(cuò)過這些細(xì)節(jié)。

2.  準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)生物效應(yīng)與化學(xué)成因：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的化學(xué)數(shù)據(jù)可以與同時(shí)監(jiān)測(cè)的生物響應(yīng)數(shù)據(jù)（如流式細(xì)胞術(shù)測(cè)得的細(xì)胞數(shù)量變化、MFQPCR測(cè)得的基因表達(dá)變化）進(jìn)行精確的時(shí)間序列關(guān)聯(lián)。例如，可以明確判定藻類生長(zhǎng)抑制是發(fā)生在DO下降至某個(gè)閾值之后，還是與H2S濃度上升同步發(fā)生。這為闡明廢水中特定組分或整體廢水的毒性作用機(jī)制提供了最直接、有力的證據(jù)。

3.  評(píng)估系統(tǒng)狀態(tài)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)時(shí)DO數(shù)據(jù)可以確保整個(gè)毒性測(cè)試過程中缺氧或厭氧條件得以維持，符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求。pH數(shù)據(jù)可以指示微生物代謝活動(dòng)（如硝化作用產(chǎn)酸）對(duì)體系的影響，并確保pH值沒有偏離目標(biāo)生物的最適生存范圍太遠(yuǎn)，從而避免將pH的間接影響誤判為廢水的直接毒性。

4.  提升數(shù)據(jù)質(zhì)量與可重復(fù)性：通過實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的異常情況（如傳感器漂移、設(shè)備故障），并立即進(jìn)行干預(yù)或記錄，從而保證了最終獲得的生物效應(yīng)數(shù)據(jù)的可靠性和實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。

 

綜上所述，Unisense微傳感器提供的實(shí)時(shí)、原位化學(xué)數(shù)據(jù)，不僅是描述實(shí)驗(yàn)環(huán)境的輔助參數(shù)，更是建立“廢水暴露->化學(xué)環(huán)境變化->微生物響應(yīng)”這一完整因果鏈條的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，極大地增強(qiáng)了對(duì)生態(tài)毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果機(jī)理的闡釋能力。