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

關于浮游微生物群落對廢水響應的新型真實世界生態毒理學數據集  

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

《科學數據》，第7卷，文章編號158 (2020年)  

 

摘要  

本研究提供了一個罕見的真實世界觀測數據集，記錄和量化了廢水排放與自然水生系統之間的壓力-應激-響應聯系。隨著全球廢水量以前所未有的速度增長，該數據集至關重要，它提供了有關微生物群落結構和功能的關鍵信息。野外研究在澳大利亞夏季的兩個時間點進行。在完整的廢水濃度范圍和兩種鹽度下進行了單物種和微生物群落水平的全程廢水毒性（WET）測試，并附帶環境數據，以提供關于營養鹽和有機物循環的新見解，并識別生態毒理學臨界點。選擇兩種鹽度 regime 是為了研究基于預測的研究點鹽度升高（全球海平面上升的沿海地區典型情況）的未來情景。使用流式細胞術、16S和18S rRNA基因的擴增子測序以及微流體定量聚合酶鏈反應（MFQPCR）來確定葉綠素a和總細菌細胞的數量和大小，以及浮游微生物群落的分類和功能多樣性。這個強大的試點數據集可以在全球其他地區復制，對科學家和工程師具有很高價值，以支持微生物生態毒理學、環境生物監測和河口水質建模的下一次進展。

 

研究目的  

本研究旨在通過構建一個綜合性的真實世界數據集，來填補當前關于廢水排放對自然水生環境（特別是河口生態系統）中微生物群落影響的認識空白。具體目標是：1) 量化不同濃度廢水和鹽度條件對浮游微生物群落的結構和功能（包括營養循環、有機物代謝）的影響；2) 識別廢水毒性效應的生態臨界點；3) 為未來在全球范圍內評估和預測廢水排放的生態影響提供一個可復制的模型和方法框架。

 

研究思路  

1.  研究區域與采樣設計：選擇澳大利亞新南威爾士州的Hunter河口作為研究區域，該河口接收來自多個污水處理廠（WWTP）的經三級處理后的廢水。在河口的上下游設置了20個采樣點（見表2），于2016年11月和2017年2月（ Austral夏季）進行了兩次大規模野外調查采樣。

 

2.  全程廢水毒性（WET）測試：在實驗室可控條件下，使用來自5個WWTP的經過UV消毒的廢水，設置一系列濃度梯度（0%, 0.1%, 1%, 10%, 50%, 90%, 100%），并在兩種鹽度（淡水、鹽水）條件下進行測試。

    ?   單物種測試：以標準指示生物——淡水單細胞綠藻（Raphidocelis subcapitata）為對象，評估廢水的急性毒性效應。

 

    ?   全群落測試：以河口采集的自然微生物群落為對象，評估廢水對復雜群落結構、功能和活性的影響。

 

3.  多維度數據分析：

    ?   水質理化參數：監測常規指標（NH3, NOx, TN, TP, TOC, BOD, TSS, Chl-a, H2S, pH, DO, 溫度、鹽度等）。

 

    ?   微生物群落結構：通過16S和18S rRNA基因的高通量測序，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：使用流式細胞術（Flow Cytometry）定量總細菌細胞和含葉綠素a的藻類細胞的數量和大小；使用微流體定量PCR（MFQPCR）定量與營養循環（C, N, P, S）、抗生素抗性和病原體相關的功能基因的絕對豐度（見表3）。

 

    ?   環境實時監測：在WET測試過程中，使用丹麥Unisense的微傳感器實時監測培養體系中的pH、溶解氧（DO）和硫化氫（H2S）的動態變化。

 

測量的數據及研究意義  

1.  野外調查水質數據：包括營養鹽（NH3, NOx, TN, TP, TKN）、有機物（TOC, BOD）、懸浮物（TSS）、葉綠素a（Chl-a）、硫化氫（H2S）以及物理參數（pH, DO, 溫度、鹽度、濁度等）。這些數據提供了研究區域的基礎環境背景，是分析微生物群落響應環境驅動因子的基礎。

2.  微生物群落測序數據（16S & 18S rRNA基因）：揭示了不同采樣點、不同廢水暴露程度下，微生物群落（包括細菌、古菌和微真核生物）在分類學上的組成和差異。該數據對于理解廢水排放如何改變水生生態系統的生物多樣性至關重要。

3.  流式細胞術數據（圖2為例圖）：提供了總細菌和藻類細胞的絕對數量以及細胞大小信息。該數據直接反映了微生物的生物量和生長狀況，是評估廢水促進或抑制微生物生長的最直觀指標。

 

4.  微流體定量PCR（MFQPCR）數據：測量了涉及氮循環（如narG, nirS, nirK, nosZ）、磷循環（如phoD）、硫循環（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）的絕對豐度。這些功能基因數據將微生物群落結構與生態系統功能（營養鹽轉化、污染物降解、健康風險）直接聯系起來，意義重大。

5.  Unisense微傳感器數據（pH, DO, H2S）：在WET測試過程中實時記錄了培養體系的關鍵化學微環境參數的變化。這些高分辨率數據對于解釋觀察到的生物效應（如毒性、抑制或促進）的化學原因至關重要，例如低DO或高H2S可能是導致毒性效應的直接因素。

 

結論  

1.  本研究成功構建并公開了一個極其詳盡和高質量的真實世界數據集，涵蓋了從水質理化參數到微生物群落結構、功能基因和活性的多層次信息，全面揭示了廢水排放對河口浮游微生物生態系統的復雜影響。

2.  該數據集證明了將現代分子生物學技術（高通量測序、MFQPCR）與傳統生態毒理學測試（WET）和環境監測相結合的方法，是未來深入研究環境壓力-響應機制的有效途徑。

3.  數據集揭示了在不同鹽度和廢水濃度下，微生物群落的結構、功能和耐受性會發生顯著變化，強調了在評估廢水影響時考慮環境背景（如鹽度）的重要性。

4.  該試點研究為在全球其他類似地區開展可比性研究提供了完整的藍圖和方法學細節，有助于推動建立全球性的廢水生態影響評估標準和方法。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

在本研究的全程廢水毒性（WET）測試中，使用丹麥Unisense公司生產的微傳感器（microsensors）對pH、溶解氧（DO）和硫化氫（H2S）進行了實時、在線監測，這一技術手段具有重要的研究意義：

1.  高時空分辨率與過程解析：與傳統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（可達秒級）連續記錄培養體系中關鍵化學參數的變化動態。這使得研究者能夠捕捉到毒性測試過程中可能瞬時出現的極端條件（例如，由于微生物呼吸作用導致DO的快速耗盡，或因硫酸鹽還原導致H2的快速積累），這些瞬時變化很可能就是引發毒性效應的關鍵時刻，而離散采樣極易錯過這些細節。

2.  準確關聯生物效應與化學成因：實時監測的化學數據可以與同時監測的生物響應數據（如流式細胞術測得的細胞數量變化、MFQPCR測得的基因表達變化）進行精確的時間序列關聯。例如，可以明確判定藻類生長抑制是發生在DO下降至某個閾值之后，還是與H2S濃度上升同步發生。這為闡明廢水中特定組分或整體廢水的毒性作用機制提供了最直接、有力的證據。

3.  評估系統狀態與驗證實驗條件：實時DO數據可以確保整個毒性測試過程中缺氧或厭氧條件得以維持，符合實驗設計的要求。pH數據可以指示微生物代謝活動（如硝化作用產酸）對體系的影響，并確保pH值沒有偏離目標生物的最適生存范圍太遠，從而避免將pH的間接影響誤判為廢水的直接毒性。

4.  提升數據質量與可重復性：通過實時監控，可以及時發現實驗過程中的異常情況（如傳感器漂移、設備故障），并立即進行干預或記錄，從而保證了最終獲得的生物效應數據的可靠性和實驗的可重復性。

 

綜上所述，Unisense微傳感器提供的實時、原位化學數據，不僅是描述實驗環境的輔助參數，更是建立“廢水暴露->化學環境變化->微生物響應”這一完整因果鏈條的關鍵環節，極大地增強了對生態毒理學實驗結果機理的闡釋能力。