CN104962620A - 一种基于微生物群落的生态健康评价方法 - Google Patents

一种基于微生物群落的生态健康评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微生物群落的生态健康评价方法，特点是包括以下步骤：（1）采样分析水质和微生物；（2）计算水质指标与微生物相对丰度的相关系数；（3）筛选与特定水质指标相关的执行相反功能的微生物类群；（4）建立相关微生物类群的总相对丰度与特定水质指标的联系；（5）以所有样本的某一水质指标的值为x轴，以Sija-Sijb为y轴作图，当差值Sija-Sijb=0时和Sija-Sijb不再增加时，S形曲线相应出现两个拐点，由两拐点所区分的三个区间分别评判为生态健康、亚健康和不健康，优点是简单快捷，准确客观，环境生态学意义明确，并可为海域环境容量计算提供客观标准。

Description

一种基于微生物群落的生态健康评价方法
技术领域
本发明属于海洋生态环境保护领域，尤其是涉及一种基于微生物群落的海洋生态健康评价方法。
背景技术
生态健康是指生态***保持其自然属性、维持生物多样性和关键生态过程稳定并持续发挥其服务功能的能力。国家***发布的《近岸海洋生态健康评价指南》将近岸海洋生态***区分为珊瑚礁、海草床、红树林、河口与海湾等生态***类型。其基本方法是：（1）对各种生态***类型，调查其各类水环境指标、栖息地指标、生物指标、生物毒性指标；（2）按一定的规则人为地分别对这些指标进行赋值；（3）将所有指标的赋值相加并求均值，以该均值作为生态健康指数；（4）预先将生态健康级别分为3级，即健康，亚健康和不健康，并规定各级别的生态健康指数范围（即评价标准）；（5）当评价对象的生态健康指数值落入某级别的标准范围值时，该评价对象即属于该健康级别。
这种评价方法的优点在于：（1）区分不同类型生态***，对不同***规定不同的指标与标准，有利于突出不同***的根本特征；（2）调查指标全面，可较为全面地反映***状态。但其缺陷是：（1）评价所需涉及的指标太多，而实际上很多指标难以获得，或者成本太大；（2）其评价标准是在默认所有指标都能获得的情况下制定的，因此当缺少某些指标时，则套用原有的评价标准明显是不合适的；（3）各指标的赋值以及评价标准值都是人为给定的，其取值是否合适没有客观依据。这些问题的存在，使得海洋生态***健康评价业务开展困难，其可靠性也广受质疑。
我们认为：（1）微生物既是生态***中的分解者，又是生产者和消费者，处于食物链的最低端，在生态***中占有非常重要的地位。微生物结构和功能的变化可反映生态***的最基本的特征，即可以用微生物群落结构和功能的变化来评价***生态状态的变化；（2）水体生态健康实质是各类微生物功能的平衡，水体生态***中，污染物的去除主要是微生物作用的结果，执行各类功能的微生物之间的平衡是生态***维持平衡与健康的根本保证；（3）对某类微生物而言，水质极好或极差分别对应于两个极端，两极端之间应该存在一个水质条件，使得该类微生物丰度在此处最大并向两极逐步下降或趋平；（4）微生物相对丰度与环境因子密切相关，可通过筛选相关性较强的微生物类群作为特定环境因子或特定污染负荷的指示微生物；（5）不同海域、不同生态***类型以及不同的时间条件下，生态***的状态特别是用以表征生态***健康状态的微生物也有较大差异。
此外我们的研究发现，对某一环境因子或总的污染负荷，均存在与该因子或污染负荷关联密切的微生物类群。这些类群可大致分为两种类型：一是与其呈正相关的类群，二是呈负相关的类群；可以分别理解为执行相反功能的微生物类群；正相关的微生物，其丰度随污染物浓度增加而增加，但增加到某一阈值时不再增加，或者反而下降；负相关的微生物，其丰度随污染物浓度增加而减少，但减少到某一阈值时不再下降，或者反而增加，符合生态学中的中位理论和耐受性定律。因此，可以通过监测微生物群落的变化来评价水体生态***的健康状态。分子生物学技术的飞速发展，使得通过采用高通量测序或基因芯片等技术手段实现水体中微生物的快速监测成为可能，从而可以通过监测微生物的变化实现水体生态***健康评价。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种根据海洋水体或沉积物中微生物群落的变化来实现海洋生态健康评价的方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种基于微生物群落的生态健康评价方法，包括以下步骤：
（1）采样分析水质和微生物
在一定的评价区域内，根据地域空间或污染物浓度梯度设置n个采样点的样本i，i=1,2…,n，在每个采样点采集水样和/或沉积物样品；对所有样本分析g 个水质指标j，j=1,2,…,g，获得每个样本的水质指标j的值x ij ；每个样本通过高通量测序、基因芯片或高通量定量PCR方法测序得出m种微生物k，k=1,2,…,m，计算每个样本中每一种微生物的相对丰度y ik ；其中某一种微生物的相对丰度为某个样本中某一种微生物的个数占该样本中所有微生物个数的百分比；
（2） 计算水质指标与微生物相对丰度的相关系数
将所有样本的水质指标j的值x ij 与相应样本的m种微生物的相对丰度y ik 进行相关分析，获得所有样本的水质指标j与相应样本的m种微生物的相关系数r jk 及其显著性指数p值p jk ;；
（3） 筛选与特定水质指标相关的微生物类群
设定某一显著性指数p值标准p s ，从p jk 中找出小于和等于p s 的微生物种类，即为与相应水质指标j相关的微生物类群；设筛选出有a种微生物与该水质指标j呈正相关，有b种微生物与该水质指标j呈负相关；定义a种正相关微生物及b种负相关微生物为执行相反功能的微生物类群；
（4）建立相关微生物类群的总相对丰度与特定水质指标的联系
对每一样本i，计算所有与某一水质指标j呈正相关的a种微生物的相对丰度之和S ija ,以及呈负相关的b种微生物的相对丰度之和S ijb ；以所有样本该水质指标j的值x ij 为x轴，以S ija 和S ijb 为y轴作图，建立正负两类功能微生物类群的总相对丰度随水质指标j的变化图；
（5） 划分生态健康状态区间并确定评价标准
以所有样本的某一水质指标j的值x ij 为x轴，以S ija -S ijb 为y轴作图，x ij 和S ija -S ijb 图出现类似于逻辑斯缔（Logistic）增长曲线的S形曲线；当差值S ija -S ijb =0时和S ija -S ijb 不再增加时，该S形曲线出现相应的两个拐点，两个拐点分别对应的水质指标的值即可作为评价标准；即以差值S ija -S ijb =0时的水质指标的值作为功能平衡点E 1 ，以差值S ija -S ijb 不再增加时的水质指标的值作为环境容量点E 2 ；当某一采样点的水质指标j的值x ij 为x ij ≤E 1 ，则该采样点区域评判为生态健康；当某一采样点的水质指标j的值x ij 为E 1 ﹤x ij ≤E 2 ，则该采样点区域评判为亚健康；当某一采样点的水质指标j的值x ij 为E 2 ﹤x ij ，则该采样点区域评判为不健康。
与现有技术相比，本发明的优点在于：根据海洋水体或沉积物中微生物群落变化来评价海洋生态健康，从微生物生态角度客观地评价海域生态健康状态，并可为海域环境容量计算提供客观定量标准；方法简单快捷，客观准确，环境生态学意义明确。
附图说明
图1为本发明正负两类功能微生物类群的总丰度随水质指标的变化图；
图2 为本发明正负两类功能微生物类群的总丰度的差异随水质指标的变化图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
具体实施例
2013年8月，在宁波海域分别设置98个采样点，采集水样、沉积物样进行化学分析，并对样品经过滤、DNA提取、PCR扩增等前处理后进行高通量测序，得到各样本各微生物OTU的相对丰度。以不同分类水平（门、纲、目、科、属、种）的数据评价时，除数据不同外，其流程与本发明技术方案方法完全一致。用以下微生物属的数据为例，水质指标用PO4 -为例，说明具体流程与方法：
（1）样本i共有98个 i=1,2…,98；对所有样品分析10个水质指标（j=1,2,…,10），其中PO4 -为第6个水质指标，即其值为x i6 ，并计算每个样本的等标污染负荷值z i ；每个样本通过高通量测序或定量PCR等方法测序得出m个属微生物k，k=1,2,…,m，计算每个样本中每一种微生物的相对丰度y ik ；其中某一种微生物的相对丰度为某个样本中某一种微生物的个数占该样本中所有微生物个数的百分比；
（2）对水质指标PO4 -(j=6)，将所有样本的水质指标PO4 -的值x ij 与相应样本的m个属微生物的相对丰度y ik 进行相关分析，得该指标PO4 -与所有m种微生物的相关系数r jk 及其显著性指数p值p jk ;；
（3）给定某一p值标准p s =0.01，从p jk 中找出小于和等于p s 的微生物属，即为与水质指标PO4 -相关的微生物类群；设筛选出有a种微生物与水质指标PO4 -呈正相关，有b种微生物与水质指标PO4 -呈负相关；定义a种正相关微生物及b种负相关微生物为执行相反功能的微生物类群；
（4）对每一样本i，计算所有与PO4 -呈正相关的a种微生物的相对丰度之和S ija 以及所有与PO4 -呈负相关的b种微生物的相对丰度之和S ijb ；以所有样本PO4 -的值x ij 为x轴，以S ija 和S ijb 为y轴作图，可得正负两类功能微生物类群的总相对丰度随PO4 -的变化图（见图1）；
（5）以所有样本的该水质指标PO4 -的值x ij 为x轴，以S ija -S ijb 为y轴作图，x ij 和S ija -S ijb 图出现类似于Logistic增长曲线的S形曲线；当差值S ija -S ijb =0时和S ija -S ijb 不再增加时，该S形曲线相应出现两个拐点，两个拐点所分别对应的水质指标的值即可作为评价标准；即以差值S ija -S ijb =0时的水质指标的值作为功能平衡点E 1 ，此例E 1 =0.03 mg/L；以差值S ija -S ijb 不再增加时的水质指标的值作为环境容量点E 2 ，此例E 2 =0.05 mg/L；由两拐点E 1 和 E 2 所区分的三个区间分别评判为生态健康、亚健康和不健康；此图即为生态健康评价标准图（见图2）。若某需要评价的新样本的PO4 -的值为0.04mg/L，可从图2查到，该样本所属海域的生态健康等级为“亚健康”。
每一个评价海域、生态***类型以及评价时间都应该有不同标准。评价海域可以是较大的尺度范围，如东海、南海、渤海、黄海等，也可以是较小的海域范围，如象山港海域、三门湾海域等；生态***类型可按《近岸海洋生态健康评价指南》，或者按特殊需要确定；评价时间可分为季度和月份；
上述样本可以是沉积物，相应的环境指标是沉积物相应环境因子指标。
上述微生物种类可以分别是分类学意义上的门、纲、目、科、属、种或OTU等分类水平；由不同分类水平计算所得的结果可以相互比较和印证。
上述水质指标还可以为水体的游离态氨含量、总磷含量、pH值和悬浮固体含量。
可将等标污染负荷z i 作为一个综合指标，按以上方法作相同评价。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明保护范围。

Claims (1)

1.一种基于微生物群落的生态健康评价方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）采样分析水质和微生物
在一定的评价区域内，根据地域空间或污染物浓度梯度设置n个采样点的样本i，i=1,2…,n，在每个采样点采集水样和/或沉积物样品；对所有样本分析g 个水质指标j，j=1,2,…,g，获得每个样本的水质指标j的值x ij ；每个样本通过高通量测序、基因芯片或高通量定量PCR方法测序得出m种微生物k，k=1,2,…,m，计算每个样本中每一种微生物的相对丰度y ik ；其中某一种微生物的相对丰度为某个样本中某一种微生物的个数占该样本中所有微生物个数的百分比；
（2）计算水质指标与微生物相对丰度的相关系数
将所有样本的水质指标j的值x ij 与相应样本的m种微生物的相对丰度y ik 进行相关分析，获得所有样本的水质指标j与相应样本的m种微生物的相关系数r jk 及其显著性指数p值p jk ;；
（3）筛选与特定水质指标相关的微生物类群
设定某一显著性指数p值标准p s ，从p jk 中找出小于和等于p s 的微生物种类，即为与相应水质指标j相关的微生物类群；设筛选出有a种微生物与该水质指标j呈正相关，有b种微生物与该水质指标j呈负相关；定义a种正相关微生物及b种负相关微生物为执行相反功能的微生物类群；
（4）建立相关微生物类群的总相对丰度与特定水质指标的联系
对每一样本i，计算所有与某一水质指标j呈正相关的a种微生物的相对丰度之和S ija ,以及呈负相关的b种微生物的相对丰度之和S ijb ；以所有样本该水质指标j的值x ij 为x轴，以S ija 和S ijb 为y轴作图，建立正负两类功能微生物类群的总相对丰度随水质指标j的变化图；   
（5）划分生态健康状态区间并确定评价标准
以所有样本的某一水质指标j的值x ij 为x轴，以S ija -S ijb 为y轴作图，x ij 和S ija -S ijb 图出现类似于逻辑斯缔增长曲线的S形曲线；当差值S ija -S ijb =0时和S ija -S ijb 不再增加时，该S形曲线出现相应的两个拐点，两个拐点分别对应的水质指标的值即可作为评价标准；即以差值S ija -S ijb =0时的水质指标的值作为功能平衡点E 1 ，以差值S ija -S ijb 不再增加时的水质指标的值作为环境容量点E 2 ；当某一采样点的水质指标j的值x ij 为x ij ≤E 1 ，则该采样点区域评判为生态健康；当某一采样点的水质指标j的值x ij 为E 1 ﹤x ij ≤E 2 ，则该采样点区域评判为亚健康；当某一采样点的水质指标j的值x ij 为E 2 ﹤x ij2 ，则该采样点区域评判为不健康。
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