一种水体径流连通性的探测方法技术

本发明专利技术公开了一种水体径流连通性的探测方法，其包括如下步骤：S1、采取水质样品；S2、对所有水质样品中的微生物进行宏基因组测序并进行序列拼接，获取优质序列；S3、对优质序列进行聚类，形成若干分类单元，并获取每一分类单元中微生物的分类学信息；以及S4、根据各采样点的微生物的分类学信息以及水质检测结果对所有采样点进行聚类分析，判断水体径流的连通性。本发明专利技术以微生物作为示踪剂，无需添加额外实际，可以就地取材，环保经济且无毒无害，打破了示踪剂选择的瓶颈；且后续示踪剂的检测和分析都可以采用现在较为成熟的生物信息学技术及聚类分析技术实现，易操作、成本低廉，可极大简化实验流程，同时保证实验结果的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种水体径流连通性的探测方法
本专利技术涉及地质勘测
，具体涉及一种水体径流连通性的探测方法。
技术介绍
传统的探测地下水的连通性的方法多采用理化实验的方式来进行，即在某一水源点(水井或水文孔)投放颗粒或试剂(示踪剂)，若一段时间以后在其他的水源点采集到了相同的颗粒或试剂，即可认为这两个试验点地下径流相互连通。该方法得到的实验结果非常精确，因而得到了极为广泛的应用。人工示踪则主要分为物理方法连通示踪及化学方法连通示踪。其中，物理方法连通示踪主要通过水声法示踪，水文地质炸弹、颗粒连通示踪等方法进行研究。化学方法连通示踪则主要通过使用人工放射性同位素、易溶于水的化学试剂如盐类离子化合物、化学试剂染色功能的染料如普通色素和荧光色素等，也有取样直接化验检测试剂的浓度的离子或者分子示踪剂。然而这类示踪方法也存在诸多问题，比如颗粒示踪剂容易卡住、在接收点不易捕获；石松粉示踪剂需要用重液进行分离，而长期便用镉重液，还易造成人体骨骼变形，关节疼痛及头晕目眩等；人工放射性同位素虽然精度高，但会污染周围水体环境；而盐类离子化合物的投放不仅非常浪费而且可能会对实行结果带来误判，只能适用于数十到一两百米的小范围连通试验。
技术实现思路
针对上述缺陷，本专利技术提供了一种水体径流连通性的探测方法，其以微生物作为示踪剂，无需添加额外实际，可以就地取材，环保经济且无毒无害，打破了示踪剂选择的瓶颈；且后续示踪剂的检测和分析都可以采用现在较为成熟的生物信息学技术及聚类分析技术实现，易操作、成本低廉，可极大简化实验流程，同时保证实验结果的准确性。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：提供了一种水体径流连通性的探测方法，其包括如下步骤：S1、确定若干采样点，并从每一所述采样点中采取对应的水质样品；S2、对所有水质样品中的微生物进行宏基因组测序并进行序列拼接，获取每一水质样品微生物序列拼接结果中的优质序列；S3、对所有优质序列进行聚类，形成若干分类单元，且同一分类单元中微生物的优质序列相似度≥97％，并获取每一分类单元中微生物的分类学信息；以及S4、根据各采样点的微生物的分类学信息以及水质检测结果对所有采样点进行聚类分析，且根据聚类分析结果判断水体径流的连通性。优选的，所述步骤S2包括：S21、对所有水质样品中的微生物进行MiSeq宏基因组测序，测序得到的原始数据以双端FASTQ格式保存，且同时对每一采样点的水质进行检测，检测指标包括：Zn、Cd、Pb、SO42-、NO2-、pH中的一项或几项；S22、采用滑动窗口法对以双端FASTQ格式保存的原始数据进行质量过滤，并对通过质量过滤的序列进行拼接，要求read1和read2的overlap值≥10bp，且不允许碱基错配，由此完成每一水质样品微生物测序结果的序列拼接；S23、针对每一水质样品的微生物基因序列拼接结果，根据用于区分样品的碱基序列索引进行匹配，从每一水质样品的微生物基因序列拼接结果中挑选出与所述碱基序列索引完全匹配的有效序列；以及S24、对所述有效序列进行序列过滤，去除嵌合体序列，以获得每一水质样品微生物的优质序列。优选的，采用Qiime进行序列过滤，采用mothur软件中的uchime方法去除嵌合体序列。优选的，所述步骤S3包括：S31、在Qiime中调用uclust的方法对所有优质序列进行聚类，形成若干分类单元，且同一分类单元中优质序列的序列相似度≥97％；S32、选取每个分类单元中的最长序列为代表序列，调用Qiime中的BLAST方法进行序列比对，获得每个分类单元中微生物的分类学信息，形成每一采样点水质样品的微生物种类-数量属性信息。优选的，所述步骤S3还包括步骤S33、去掉丰度值小于总的序列条数的0.001％的分类单元。优选的，所述步骤S4中，对所述采样点进行聚类分析的方法包括：层次聚类算法、Ward最小方差聚类算法、划分聚类算法以及排序算法中的一种或几种。优选的，所述步骤S4中，利用PCA和NMDS算法分别叠加Ward最小方差聚类结果进行降维投影后，根据投影结果所解释和确认的样方之间的差异获得采样点间的聚类结果，并根据该结果确定地下水径流的连通性。优选的，所述步骤S4中，在判断水体径流的连通性前，利用PCA算法对采样点微生物信息和环境因素进行综合分析，以获得环境因素对于采样点水质的影响，再根据环境因素对于采样点水质的影响辅助判断水体径流的连通性。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术创造性的提出以地下水中微生物作为天然示踪剂的技术方案，其不需要使用额外的示踪剂，不会增加经济成本也不会造成环境污染，且后续示踪剂的检测和分析都可以采用现在较为成熟的生物信息学技术及聚类分析技术实现，易操作、成本低廉，可极大简化实验流程，同时保证实验结果的准确性。附图说明图1为实施例一中水体径流连通性的探测方法流程图；图2为实施例一中采样点分布图及对应编号图；图3为实施例一中双端FASTQ格式实例图；图4a为实施例一中单连接聚合算法得到的聚类树；图4b为实施例一中完全连接聚合算法得到的聚类树；图4c为实施例一中UPGMA聚合算法得到的聚类树；图4d为实施例一中Ward聚合算法得到的聚类树；图5a为实施例一中单连接聚合算法的融合水平值图；图5b为实施例一中完全连接聚合算法的融合水平值图；图5c为实施例一中UPGMA算法的融合水平值图；图5d为实施例一中Ward聚合算法的融合水平值图；图6a为实施例一中裁剪后的单连接聚合算法聚类树；图6b为实施例一中裁剪后的完全连接聚合算法聚类树；图6c为实施例一中裁剪后的UPGMA算法聚类树；图6d为实施例一中裁剪后的Ward聚合算法聚类树；图7为实施例一中叠加有Ward聚合算法结果的PCA算法排序图；图8为实施例一中叠加有Ward聚合算法结果的NMDS算法排序图；图9为实施例一中叠加NMDS算法和Ward聚合算法结果获得的地下水径流连通图；图10为实施例一中通过传统理化实验获得的地下水径流连通图；图11为实施例一中PCA算法形成的距离双序图。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。实施例一：图1示出了本专利技术的一种水体(如地下水)径流连通性的探测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、确定若干采样点，并从每一所述采样点中采取对应的水质样品；具体的，本实施例中，在云南者海矿区实验研究范围内共确定12个采样点，分三个时间段进行地下水取样，以消除时间因素对结果带来的影响，并通过重复样本减少实验中的随机性和不确定性，12个采样点的具体分布及编号如图2所示，其中，两个观测点位于地表(e、f)，其余的为水文孔(a-d)和民用井(g-l)；S2、对所有水质样品中的微生物进行宏基因组测序并进行序列拼接，获取每一水质样品微生物序列拼接结果中的优质序列；具体的，所述步骤S2包括：S21、在IlluminaMiSeq平台对所有水质样品中的微生物进行MiSeq宏基因组测序，测序得到的原始数据以如图3所示的双端FASTQ格式保存，其中，每四行作为一条测序reads，其中第一行为序列名称(以@开头)，第二行为序列，第三行为“+”号，第四行为第二行序列所对应的碱基质量信息；且同时对每一采样点的水质进行检测，检测指标包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水体径流连通性的探测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、确定若干采样点，并从每一所述采样点中采取对应的水质样品；S2、对所有水质样品中的微生物进行宏基因组测序并进行序列拼接，获取每一水质样品微生物序列拼接结果中的优质序列；S3、对所有优质序列进行聚类，形成若干分类单元，且同一分类单元中微生物的优质序列相似度≥97％，并获取每一分类单元中微生物的分类学信息；以及S4、根据各采样点的微生物的分类学信息以及水质检测结果对所有采样点进行聚类分析，且根据聚类分析结果判断水体径流的连通性。

【技术特征摘要】
1.一种水体径流连通性的探测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、确定若干采样点，并从每一所述采样点中采取对应的水质样品；S2、对所有水质样品中的微生物进行宏基因组测序并进行序列拼接，获取每一水质样品微生物序列拼接结果中的优质序列；S3、对所有优质序列进行聚类，形成若干分类单元，且同一分类单元中微生物的优质序列相似度≥97％，并获取每一分类单元中微生物的分类学信息；以及S4、根据各采样点的微生物的分类学信息以及水质检测结果对所有采样点进行聚类分析，且根据聚类分析结果判断水体径流的连通性。2.如权利要求1所述的探测方法，其特征在于，所述步骤S2包括：S21、对所有水质样品中的微生物进行MiSeq宏基因组测序，测序得到的原始数据以双端FASTQ格式保存，且同时对每一采样点的水质进行检测，检测指标包括：Zn、Cd、Pb、SO42-、NO2-、pH中的一项或几项；S22、采用滑动窗口法对以双端FASTQ格式保存的原始数据进行质量过滤，并对通过质量过滤的序列进行拼接，要求read1和read2的overlap值≥10bp，且不允许碱基错配，由此完成每一水质样品微生物测序结果的序列拼接；S23、针对每一水质样品的微生物基因序列拼接结果，根据用于区分样品的碱基序列索引进行匹配，从每一水质样品的微生物基因序列拼接结果中挑选出与所述碱基序列索引完全匹配的有效序列；以及S24、对所述有效序列进行序列过滤，去除嵌合体序列，以获得每一水质样品微生物的优质序列。3.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：康晓军，赵旭光，冯亮，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42