ESE｜基于细菌群落生物完整性的水生态健康评价方法

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成果简介

近日，北京师范大学易雨君教授团队在ESE上发表了题为“A bacteria-based index of biotic integrity indicates aquatic ecosystem restoration”的论文。文章提出了一种改进的基于底栖细菌群落生物完整性的水生态健康评价方法，相对于传统的生物完整性评价方法，该方法能够降低评价过程中人为干预的影响，提供更加客观的量化结果。使用该方法对2018—2021年治理中的白洋淀生态状况进行评价，结果显示白洋淀的生物完整性指数从2018年的0.62增加到2021年的0.81。该方法能够为不同流域的水生态健康评价提供客观可靠的方法支持。

引言

在气候变化和人类活动影响下，水资源短缺、水环境污染和水生态退化等系列问题凸显，严重威胁了水生态系统健康。水污染防治和水生态保护是中国长期以来的重要工作。水生态监测和评价的一种常用方法是生物完整性（biotic integrity）法。该方法通过计算并比较监测点位和参考点位的生物完整性指数评价水生态系统的健康程度。传统的生物完整性评价过程包含较多的人为干预部分，如监测点位和参考点位确定、候选指标选取和核心指标筛选等。这些人为干预降低了评价复杂生态环境和大流域尺度的准确性。比如参考点位基于部分环境数据或人类活动干扰强度进行选择，包含一定的主观性；核心指标的筛选过程人为的突出了参数敏感性而降低了参数的普适性。因此，基于生物完整性的水生态评价方法仍有较大的改进空间。与水生生态系统的其他类群相比，底栖细菌群落直接与生物地球化学过程相关，具有较高的普遍性和多样性，且对环境变化敏感。细菌群落的分布、组成和功能等信息可通过高通量测序技术直接获得。因此，基于底栖细菌群落的生物完整性法展现出了作为一种普适性水生态评价方法的潜力。

本研究以2018至2021年环境治理中的白洋淀底栖细菌群落作为研究对象，提出一种基于底栖细菌群落内在属性（即组成、多样性和功能）的生物完整性法用于水生态评价。（1）通过测定白洋淀底泥中的氮、磷、总有机碳和重金属等环境因子获得不同治理时期白洋淀的环境数据；（2）使用高通量测序技术分析白洋淀底栖细菌群落的分布、组成和功能；（3）改进生物完整性评价流程，使用底栖细菌群落内在属性作为参数，降低人为干预程度。并将改进后的方法与传统的生物完整性评价方法进行比较。

图文导读

导读内容一：新时期白洋淀生态环境演变

自2018年开始，白洋淀及其上游流域实施了严格的生态环境治理措施。文章通过采集2018、2020和2021年不同生境类型的白洋淀底泥样品，并对各项环境参数进行测定，初步评估白洋淀环境状况。由图1可知，白洋淀底泥中氮、磷和重金属含量逐年显著下降（p < 0.05）。其中，总氮下降23.8%，总磷下降30.3%，重金属平均下降16.7%。结果表明生态环境治理措施有效的改善了白洋淀的水环境。

图1  各采样点表层底泥环境参数在不同年份的变化情况（总氮、总磷、总有机碳、镉、铬、铅）。

导读内容二：环境改变对底栖细菌群落的影响

底栖细菌全基因组DNA提取后使用Illumina MiSeq PE300 platform进行测序。测序数据与Silva数据库（版本138）比对后获得最终测序结果。测序结果的生物信息学分析主要使用R中的phyloseq包和PICRUSt2包进行。结果表明硫氧化菌Thiobacillus和Sulfuricurvum有着较高的相对丰度和随时间下降的趋势（图2）。功能预测结果显示与硫循环和氮循环相关的代谢途径所占比例降低（图3）。

图2  属水平上的底栖细菌群落结构，图中显示的为相对丰度>1.5%的属。

图3  PICRUSt2预测的与氮循环和硫循环相关的新陈代谢途径热图。

导读内容三：改进的水生态健康评价方法

前述的研究结果表明，底栖细菌群落的内在属性会随着环境变化而变化，群落多样性随环境改善而上升，与氮循环和硫循环相关的菌群和新陈代谢比例下降。文章基于这些变化，选择多样性参数（Chao1指数、Shannon-Wiener指数和Shannon均匀度指数）、群落组成参数（参与氮和硫循环相关代谢的细菌的相对丰度）和群落功能参数（氮和硫循环相关代谢）作为候选参数计算基于底栖细菌群落内在属性生物完整性指数。相对于传统方法，该方法不定义参考点位，且不需对指标进行筛选，仅根据参数升降应用5%和95%百分位缩放系统计算每个指标的得分。文章同时使用传统方法计算了生物完整性指数，在计算中采用2021年环境改善后的采样点作为参考点位，其他年份的点位为受损点位，且在相对更大的参数集合中使用Mann-Whitney U检验和箱线图检验筛选具有显著区分度的代表性参数，使用Spearman相关性分析以识别和去除冗余参数。结果如图4所示，首先两种生物完整性指数都随时间升高，表明生态治理工作有效地改善了白洋淀的水生态（图4c：0.62升至0.81；图4f：0.31升至0.90）；其次，传统计算方法筛选出的三个参数均与硫循环相关，表明与硫循环相关的底栖细菌群落对白洋淀的环境变化更为敏感（图4e）；第三，改进后的生物完整性指数上升幅度较低且标准差更大，这是因为改进后的方法没有筛选候选参数，因此其对环境变化的敏感性低于传统方法（图4c和图4f）。

图4  a-c为基于底栖细菌群落内在属性的生物完整性指数，其中a为各采样点位在不同年份的指数变化情况，b为三个内在属性参数集在不同年份的指数变化情况，c为不同年份的生物完整性指数；d-f为传统方法计算的生物完整性指数，其中d为各采样点位在不同年份的指数变化情况，e为筛选出的三个用于计算的指标的变化情况，f为不同年份的生物完整性指数。

结论

文章的主要结论为以下三点：

1. 白洋淀的生态环境治理工作有效地改善了白洋淀的水环境，湖泊底泥中的氮、磷和重金属分别减少了23.8%、30.3%和16.7%。而水生植物的增殖使总有机碳增加了8.0%。

2. 底栖细菌群落受到白洋淀环境改善的强烈影响，表现为与硫代谢和氮代谢相关的菌群和新陈代谢途径所占比例降低，如硫代谢途径比例下降10.5%。

3. 提出了一种基于底栖细菌群落内在属性（即组成、多样性和功能）的生物完整性法并成功应用于白洋淀的生态评价工作中，研究结果显示白洋淀的生物完整性指数从2018年的0.62增加到2021年的0.81。相对于传统的生物完整性评价方法，该方法能够降低评价过程中人为干预的影响，提供更加客观的量化结果。由于计算方法的改善，该方法具有评价复杂水生态系统和跨流域比较的潜力，在未来的环境保护和生态治理工作中具有良好的应用前景。

作者简介

通讯作者：易雨君，北京师范大学大学环境学院教授、博士生导师。国家杰出青年基金获得者，国家重点研发项目首席科学家，教育部“青年长江学者”，德国“洪堡学者”，国家创新研究群体方向带头人。长期从事生态水力学研究，在水生态评价、流域生态保护与修复基础理论与方法方面开展了系列研究。

第一作者：刘奇，北京师范大学博士后。

论文信息

原文标题：A bacteria-based index of biotic integrity indicates aquatic ecosystem restoration

引用信息：Liu, Q., Yin, S., & Yi, Y. (2024). A bacteria-based index of biotic integrity indicates aquatic ecosystem restoration. Environmental Science and Ecotechnology 22: 100451.

doi: 10.1016/j.ese.2024.100451

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