[發明專利]一種地下水生態系統健康評價方法

有效

• 申請號: 201610179071.1
• 申請日: 2016-03-28
• 公開（公告）號: CN105868545B
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 蔡超;安新麗;張又弛;朱永官
• 申請（專利權）人: 中國科學院城市環境研究所
• 主分類號: G01F1/00
• 分類號: G01F1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及環境污染監測和評價技術領域，主要是利用地下水微生物完整性指數作為判斷指標，來評價地下水生態系統健康的方法。

背景技術

地下水是地球上最豐富且分布最廣泛的淡水資源。近年來，隨著經濟社會的快速發展，人類過度干擾地下水系統而又不加以保護，導致部分區域地下水水質惡化、形態結構破壞、水文條件變化、生境退化以及重要或敏感生物消失，甚至釀成難以彌補的嚴重后果。因此，開展地下水生態系統健康評價研究，建立有效的評價指標和科學方法，準確診斷地下水生態系統健康狀況，將對地下水可持續利用與管理以及促進地下水生態系統健康發展具有重大意義。

目前，國內外對地下水的評價主要從水文地質條件與污染物分布等方面展開。例如，專利“一種地下水環境質量評價方法” （201410314367.0）和“一種地下水污染源強評價方法” （201510616503.6）分別以地下水中污染物濃度與污染源強為指標評價地下水，孫才志在《基于ArcView_WOE的下遼河平原地下水生態系統健康評價》一文中通過含水層上覆氣帶特征、含水層滲透系數和地下水礦化度等十個地下水環境指標構建評價體系。但是，這些評價方法均不能直接反映地下水生態系統的健康狀況。在水體生態系統中，生產者、消費者和分解者共同構成系統生物群落，在生存環境受到干擾后，這些生物將產生各異的生物學響應。如果能夠利用其反應敏感的生物參數對水體生態系統進行評價，將更好更直接地掌握水體生態系統健康狀況。生物完整性指數方法便是基于此發展的水體生態系統健康評價方法，該方法以魚、大型無脊椎動物、藻類或浮游生物等生產者和消費者為研究對象，從生物類群的組成和結構來反映水體生態系統的健康狀況，定量描述生物特性與非生物因子的關系，建立對環境干擾最敏感的生物參數，通過比較參數值與參考系統的標準值對水體生態系統健康水平進行評價。但是，地下水生態系統中由于大型生物豐度低，生物信息匱乏，基于生產者和消費者發展的生物完整性指數方法并不適用于地下水生態系統健康評價領域。

地下水生態系統中的分解者主要是微生物，它們是水體自我凈化的基礎。微生物群落特性與水生態環境具有高度相關性，微生物的變化比水文地球化學指標的變化更為敏感，其結構特征和功能狀態可以反映地下水生態系統對污染輸入脅迫的響應。在水體污染嚴重區域，生產者和消費者的豐度及多樣性顯著減少，數據可獲得性難度增加，而微生物作為分解者，功能活性極其活躍，群落結構多樣性高，隨著測序技術的發展與完善，Illumina等高通量測序技術可以克服傳統分子生物學方法通量低、準確性低等缺點，更加快速、靈敏獲取更全面的環境微生物群落結構信息，從而更加綜合客觀地認識地下水環境中原位微生物在污染脅迫下生態特征的變化。因此，通過構建基于地下水微生物群落特性的生物完整性指數方法，考察地下水生態系統中微生物群落結構變化，可望提供更全面更準確的評價地下水生態系統健康狀況，為我國地下水生態系統健康評價和管理提供更全面的科學基礎與技術支持。

發明內容

本發明的發明目的在于打破現有技術應用的局限性，提高評價結果的準確性和客觀性，應用微生物群落結構信息計算微生物完整性指數，提供一種利用微生物完整性指數來評價地下水水質生態系統的健康評價方法。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種地下水生態系統的健康評價方法，利用地下水微生物完整性指數作為判斷指標，包括以下步驟：

A、微生物群落豐富度指數計算：

收集地下水樣品中的微生物細胞，提取微生物基因組DNA，以DNA為模板，針對16S rRNA的V4-V5可變區，并進行PCR擴增；

檢測得到的PCR產物，切割目的條帶進行純化，定量所得PCR產物，后進行雙末端測序；

過濾掉低質量序列并挑選代表性序列并進行聚類與注釋，隨機從每個樣品中挑選出相同數目的序列，進行稀有化分析并計算微生物群落豐富度指數；

B、候選生物參數確定

設定參照點與受損點，選取與步驟A）中豐富度相關、群落組成相關和對干擾耐受能力相關的參數作為計算生物完整性指數的候選參數，計算干擾耐受參數與棲境參數的最適值，確定關鍵環境因子的敏感和耐受微生物分類單元；

C、確定微生物完整性指數值

對步驟B）中確定的候選生物參數進行指數值分布范圍分析和判別能力分析，篩選生物參數，采用比值法計算各樣點中篩選到的各生物參數分值，累加各參數分值得到各樣點的生物完整性指數值；

D、生態系統健康評價