基于文獻計量學的中國地下水微生物研究現(xiàn)狀分析

李 軍，張 恒 星3，藍 芙 寧

(1.中國地質(zhì)科學院 巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004； 2.自然資源部、廣西壯族自治區(qū)巖溶動力學重點實驗室，廣西 桂林 541004； 3.中國地質(zhì)科學院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061)

隨著分子生物學技術迅速發(fā)展和地下水問題日益突出[1-3]，深入了解地下水環(huán)境中微生物群落特征，充分發(fā)揮微生物群落在地下水污染修復過程中的作用，已成為當前地下水問題研究所需。我國地下水微生物研究報道最早出現(xiàn)于20世紀60年代，中科院微生物所、中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所和吉林醫(yī)學院是我國最早開展地下水微生物研究的機構[4-6]。此后40 a，該領域發(fā)展緩慢，直至進入21世紀，分子生物學技術[7]的廣泛應用使得地下水微生物研究進入新篇章。通過梳理2000年以來中國地下水微生物研究階段性成果，客觀揭示地下水微生物研究現(xiàn)狀與重點，為今后地下水微生物探索性研究和創(chuàng)新提供參考。

文獻計量學是應用數(shù)學和統(tǒng)計學方法研究文獻學的交叉科學[8]。多數(shù)文獻數(shù)據(jù)庫具有文獻計量學分析功能，也有研究者開發(fā)了專門用于文獻計量分析的軟件，并應用于眾多研究領域[9-10]。美國德雷塞爾大學陳超美教授開發(fā)的CiteSpace軟件是當下最流行的知識圖繪工具之一[11-13]，應用廣泛[14-16]。國內(nèi)地下水微生物研究報道逐年增加，但缺少階段性研究成果的量化分析。期刊論文能夠清晰反映我國地下水微生物研究領域的發(fā)展現(xiàn)狀和重點，碩博論文則能夠較詳細揭示地下水微生物研究領域的系統(tǒng)性和完整性。因此，本文以2000年以來中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫中地下水微生物相關期刊論文和碩博論文為基礎，利用Excel統(tǒng)計、CNKI可視化和CiteSpace軟件進行量化分析，揭示本領域當前研究現(xiàn)狀和重點，以期為后續(xù)研究創(chuàng)新和突破提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫是國內(nèi)最大的全文數(shù)據(jù)庫，收錄了8 000多種學術期刊和大多數(shù)碩博論文，幾乎涵蓋了國內(nèi)所有的研究領域，是世界上最大的持續(xù)更新的全文數(shù)據(jù)庫[17]，利用CNKI全文數(shù)據(jù)庫能夠較精確地反映出某領域的研究現(xiàn)狀與重點。本文數(shù)據(jù)樣本來源于CNKI數(shù)據(jù)庫，設定檢索類型為“主題”，檢索詞為“地下水 微生物”，檢索時間段為2000～2018年(2018年7月)，選擇“期刊”選項，共檢索出763篇相關文獻，剔除不相關和相關性不大文獻，得到397篇文獻；選擇“碩博士”選項，逐篇核查后獲得199篇碩博論文。

1.2 研究方法

基于Excel統(tǒng)計、CNKI可視化和CiteSpace軟件，分別對地下水微生物研究領域期刊和碩博論文發(fā)文量、關鍵詞、研究作者、研究機構進行分析，以便客觀真實地揭示國內(nèi)地下水微生物研究現(xiàn)狀。利用Excel統(tǒng)計分析歷年發(fā)文量，利用CiteSpace 5.2.R2對397篇期刊論文關鍵詞、研究作者和發(fā)文機構進行可視化分析，利用新版CNKI網(wǎng)站自帶可視化分析模塊對199篇碩博論文關鍵詞、發(fā)文機構進行可視化分析。共現(xiàn)圖譜的文字或節(jié)點大小表示出現(xiàn)頻率高低，不同顏色表示不同年份，各節(jié)點間連線表示各元素關聯(lián)程度。

2 結果與分析

2.1 發(fā)文情況

多年發(fā)文量可以直接反映我國地下水微生物研究領域的活躍程度。由圖1知，我國地下水微生物研究期刊發(fā)文量由緩慢增長階段過渡至平穩(wěn)波動階段。2008年以前，地下水微生物研究領域期刊發(fā)文量均在20篇以下，增長速度緩慢，平均發(fā)文量近12篇/a；2009年，發(fā)文量突增至33篇，此后，期刊發(fā)文量進入平穩(wěn)波動階段，發(fā)文量為29篇/a。碩博論文發(fā)文量總體增加，發(fā)文趨勢與期刊相近，其中碩士論文146篇，占73.4%，博士論文53篇，占26.6%。2008年以前，碩博論文發(fā)文量小于3篇/a；2009年以后，碩博論文發(fā)文量呈先增后降走勢；2015年發(fā)文量最大為達35篇。2009年以后，地下水微生物研究進入了相對活躍的階段。一方面因為分子生物學技術的快速發(fā)展，促使其商業(yè)化推廣和低成本應用，另一方面是科研人員對地下水污染研究的重視以及對微生物巨大作用潛力的深度認知[18-19]。

2.2 研究現(xiàn)狀

關鍵詞是論文研究主題和核心觀點的集中體現(xiàn)[20]，分析近些年論文關鍵詞是了解地下水微生物研究現(xiàn)狀的重要途徑。利用CiteSpace 5.2.R2對397篇期刊論文關鍵詞進行可視化分析，共得到68個節(jié)點、156條關系連線(見圖2(a))，Q值為0.490，大于0.3，S值為0.659，大于0.5，圖譜可信。利用CNKI網(wǎng)站自帶可視化分析模塊對199篇碩博論文關鍵詞進行聚類，過濾出現(xiàn)頻次小于10次的關鍵詞，得到關鍵詞聚類圖譜(見圖2(b))。分別導出并統(tǒng)計期刊論文和碩博論文出現(xiàn)頻率排名前10的關鍵詞，見表1。

圖1 2000年以來國內(nèi)地下水微生物研究領域發(fā)文量Fig.1 The number of published papers on groundwater microbial research in China since 2000

圖2 2000年以來國內(nèi)地下水微生物領域關鍵詞共現(xiàn)圖譜Fig.2 The co-occurrence map of key words on groundwater microbial research in China since 2000

2.2.1期刊論文關鍵詞揭示研究現(xiàn)狀

據(jù)圖2(a)和表1，地下水污染修復是地下水微生物研究的重要內(nèi)容，硝酸鹽和石油烴為地下水中主要研究的污染物。針對地下水不同污染物，一部分學者通過傳統(tǒng)微生物純培養(yǎng)和分子生物學方法揭示了地下水污染狀態(tài)下生物自然衰減能力[21]、微生物群落特征及與環(huán)境因子之間相關性[22]；一部分學者進行地下水污染生物修復研究，主要包括室內(nèi)實驗模擬[23-25]和原位生物修復[26-28]。

表1 2000年以來國內(nèi)地下水微生物領域高頻詞Tab.1 The high frequency key words on groundwater microbial research in China since 2000

生物自然衰減是利用土著微生物對地下水污染物進行生物降解，無需人工干預。利用分子生物學技術檢測地下水微生物群落與功能組成是監(jiān)測生物自然衰減的重要手段，且生物檢測技術具有反應快、成本低等優(yōu)點[29]。從16S rRNA入手[30]，可揭示地下水不同污染壓力下微生物群落組成與豐度，鑒別優(yōu)勢菌群，通過比較不同污染物與污染壓力下微生物群落組成與豐度差異，可有效分析菌群與污染物之間的相關性。薛銀剛等采用高通量測序技術對工業(yè)園區(qū)地下水和土壤細菌16S rRNA測序，揭示了不同環(huán)境中地下水與土壤微生物群落多樣性與相對豐度差異，鑒別出各自的優(yōu)勢菌群，為地下水環(huán)境生態(tài)評價提供依據(jù)[31]。從功能基因入手[32]，可揭示污染環(huán)境下功能基因結構組成，與污染物轉(zhuǎn)化相關的功能基因存在與否及存在多少是生物自然衰減的重要評價指標。李軍等針對地下水不同污染環(huán)境，較深入地概述了利用基因芯片揭示功能基因結構對污染物的響應變化情況[33]，從功能基因角度為地下水污染修復提供科學參考。從宏轉(zhuǎn)錄組入手[34-35]，可揭示污染環(huán)境中活性微生物、活性轉(zhuǎn)錄本和活性功能，比較不同污染壓力下差異表達基因和功能基因，是地下水污染自然衰減的重要證據(jù)之一。

生物自然衰減能力往往是有限的，原位生物修復是在污染原地點采取一定工程措施，強化微生物對污染物降解的能力，從而達到快速修復效果的技術。原位生物修復按添加組分可分為兩類：一類是添加經(jīng)過馴化的菌群和相應的添加劑。通過模擬試驗篩選添加劑往往是地下水原位生物修復的首要步驟。陳雷等取用活性污泥為微生物來源，設計了9組碳源與載體不同比例組合的柱實驗，模擬了地下水中不同濃度硝酸鹽降解情況，最終篩選出最佳比例，發(fā)現(xiàn)當硝酸鹽氮濃度介于40～100 mg/L時，異養(yǎng)反硝化作用對硝酸鹽去除效果最佳[36]。另一類是直接向地下水污染區(qū)注入添加劑，刺激強化降解污染物的土著微生物，以而達到修復目的。特別是注入添加劑后地下水微生物群落和功能基因結構變化的研究是國外研究的熱點之一[37-39]，與污染元素轉(zhuǎn)化相關的功能基因和分子生態(tài)網(wǎng)絡信息是揭示地下水污染修復機理和微生態(tài)變化的重要依據(jù)。

2.2.2碩博論文關鍵詞揭示的研究現(xiàn)狀

2.3 研究作者

研究作者共現(xiàn)圖譜是揭示地下水微生物研究領域核心作者和其他作者間合作關系的重要方法。相比碩博論文，期刊作者反映的信息更具代表性。利用CiteSpace 5.2.R2對397篇期刊論文作者進行聚類，生成中國地下水微生物研究作者共現(xiàn)圖譜(見圖3)，共得到70個節(jié)點、101條關系連線，Q值為0.856，大于0.3，S值為0.565，大于0.5，圖譜結果可信。

由圖譜節(jié)點可知，節(jié)點最大的作者是中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所張勝研究員，發(fā)表論文4篇及以上的分別是劉菲、林學鈺、席北斗、張?zhí)m英、張云、王焰新、張吉庫、張明。從作者發(fā)表首篇論文時間可知，我國地下水微生物的研究作者經(jīng)歷了三個階段的發(fā)展，2000～2010年地下水微生物研究的重要學者是中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所的張勝研究員和吉林大學林學鈺院士。利用CiteSpace 5.2.R2的Burstness功能，發(fā)現(xiàn)林學鈺院士于2000～2004年呈強引突顯，張勝研究員于2004～2009年呈強引突顯，他們開創(chuàng)了中國地下水傳統(tǒng)微生物研究的先河，特別是張勝研究員，是奠定我國地下水傳統(tǒng)微生物研究基礎的重要貢獻者[43-45]。此外，沈陽建筑大學張吉庫教授在地下水除鐵、錳研究中涉及到了微生物領域[46]。2011～2015年，中國地質(zhì)大學(北京)劉菲教授和中國地質(zhì)大學(武漢)王焰新教授是地下水微生物研究的重要學者。2016年至今，中國環(huán)境科學研究院席北斗、王月、涂婷、安達在地下水污染微生物方面發(fā)文貢獻顯著。

圖3 2000年以來國內(nèi)地下水微生物研究作者共現(xiàn)圖譜Fig.3 The co-occurrence map of authors on groundwater microbial research in China since 2000

2.4 研究機構

研究機構是培養(yǎng)人才和發(fā)表成果的重要基質(zhì)。利用CiteSpace 5.2.R2對397篇期刊論文研究機構進行聚類，結果見圖4(a)，共得到36個節(jié)點、23條關系連線，Q值為0.797，大于0.3，S值為0.342，略低于0.5，圖譜結果基本可信。碩博論文僅少數(shù)為聯(lián)合培養(yǎng)成果，碩博論文發(fā)文量采用餅狀圖更能體現(xiàn)主要研究機構，利用CNKI可視化分析模塊對199篇碩博論文進行統(tǒng)計分析見圖4(b)。

由圖4(a)知，從機構發(fā)文量看，吉林大學發(fā)文量最多，二級機構是吉林大學環(huán)境與資源學院和地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，其次是中國地質(zhì)大學(北京)、中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所。從合作關系看，吉林大學合作關系最廣泛，其次是中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所。由圖4(b)知，碩博論文發(fā)文量最多的機構是中國地質(zhì)大學(北京)，達44篇，其次是吉林大學和合肥工業(yè)大學，分別為34篇和11篇，發(fā)表碩博論文達7篇的機構有中國地質(zhì)大學(武漢)、天津大學、華東理工大學、哈爾濱工業(yè)大學。發(fā)文量排名前7的機構共發(fā)文117篇，占總發(fā)文量的58.8%，碩博論文發(fā)文數(shù)量相對集中在少數(shù)研究機構。因此，中國地質(zhì)大學(北京)、吉林大學是為該研究領域培養(yǎng)碩博人才最多的機構。中國地質(zhì)科學院碩博論文發(fā)文量僅1篇，這與中國地質(zhì)科學院研究生招生數(shù)量有一定關系。

圖4 2000年以來國內(nèi)地下水微生物研究機構發(fā)文情況Fig.4 The co-occurrence map of institutions on groundwater microbial research in China since 2000

據(jù)2000年以來期刊發(fā)文量，將排名前10的研究機構進行統(tǒng)計見表2。其中，吉林大學在地下水微生物研究領域發(fā)文量達34篇，是該研究領域發(fā)文量最多的研究機構，其次是中國地質(zhì)大學(北京)和中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，發(fā)文量分別為18，14篇。發(fā)文量排名前10的機構共發(fā)文91篇，占總發(fā)文量22.9%，說明我國地下水微生物研究的機構較多，但機構發(fā)文量分布分散。隨著我國污染問題日益嚴峻和生態(tài)文明建設實際需要，地下水微生物研究從早期少數(shù)水文地質(zhì)學家關注逐漸發(fā)展到涉及環(huán)境科學、環(huán)境工程、微生物學、生態(tài)學等眾多研究領域，參與地下水微生物研究的機構明顯增加，但多數(shù)學者僅在某一時段在水文地質(zhì)研究中涉及微生物研究或?qū)鹘y(tǒng)微生物和分子生物技術應用于地下水研究，長期專門從事地下水微生物研究的機構和學術團體并不多見，這也是造成我國地下水微生物研究落后于國外的一個重要原因。

表2 2000年以來地下水微生物發(fā)文數(shù)量前10的研究機構Tab.2 Top 10 research institutions on groundwater microbial research in China since 2000

3 結論與建議

在地下水微生物研究中，地下水污染問題無疑是最值得關注的領域。本文利用Excel統(tǒng)計、CNKI可視化和CiteSpace軟件，分析了2000年以來國內(nèi)地下水微生物領域發(fā)表的397篇期刊論文和199篇碩博論文，在一定程度上揭示了地下水微生物領域的研究現(xiàn)狀，有助于了解該領域的發(fā)展現(xiàn)狀和研究重點。

(1) 中國地下水微生物研究起步較晚，發(fā)展較快，取得階段性成果豐碩，特別是2009年以后，地下水微生物研究進入了相對快速發(fā)展階段。

(2) 地下水微生物研究主要圍繞地下水污染開展，一方面通過添加降解菌群、修復劑，調(diào)控修復環(huán)境，使用聯(lián)合修復技術，實現(xiàn)微生物最大化降解地下水污染物的目標，為地下水污染修復提供技術支持；另一方面利用現(xiàn)代分子生物學技術監(jiān)測不同污染壓力和修復階段微生物群落特征和功能基因組成變化情況，為地下水污染修復提供理論支撐。在國家生態(tài)文明建設的迫切需求下，最大化發(fā)揮微生物群落在地下水污染修復中的作用潛力仍是當下研究的重點和難點。

(3) 研究地下水微生物的科研人員和研究單位不斷發(fā)展壯大，中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所的張勝研究員、吉林大學林學鈺院士、中國地質(zhì)大學(北京)劉菲教授、中國地質(zhì)大學(武漢)王焰新教授和中國環(huán)境科學研究院席北斗研究員分別是我國地下水微生物研究領域不同階段的重要學者，吉林大學、中國地質(zhì)大學(北京)和中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所在該領域具有較強影響力。但在學者之間、研究機構之間學術交流合作還有待加強，同時也缺乏長期專門從事地下水微生物研究的學術團隊和機構。

致 謝

中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所張勝研究員為本文提供了研究線索和幫助，本文工作得到國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFC0502502)和國家自然科學基金面上項目(41471447)的資助。在此一并致謝。