地表水和地下水中細(xì)菌數(shù)量動態(tài)變化研究*

任春曉，隋海潮，王繼華，劉晨宇，車 琦

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

水作為人類生存發(fā)展不能缺少的資源，在人類生活的各個領(lǐng)域起著十分重要的作用，是維持人類生存的基本條件[1].由于世界人口數(shù)量的持續(xù)上漲和經(jīng)濟的飛速前進，水資源不足及水體污染已發(fā)展成全世界學(xué)者們關(guān)注的焦點[2].中國也是眾多水資源不足的國家之一，不同區(qū)域水資源量差異很大，水資源已經(jīng)變成影響中國可持續(xù)發(fā)展的不容忽視的因素[3].人們對于水體的污染和過度使用更加加劇了資源不足問題[4].江蘇省屬于長江中下游地區(qū)，水資源總量為399億m3，占整個長江水域總量的3.9%，其中地表水資源量為196.4億m3，地下水資源量為118.9億m3，而江蘇省用水總量為591.3億m3[5].數(shù)據(jù)顯示，該地區(qū)水的使用量已經(jīng)遠(yuǎn)超其原有水資源量.為了解決和緩解資源短缺現(xiàn)狀，加大水環(huán)境監(jiān)測及相關(guān)研究就成為學(xué)者們研究的重中之重[6].

水環(huán)境中存在大量的微生物，它們體積微小、表面積大、存在較廣，其生長繁殖過程中代謝速率極高，并且速率反應(yīng)性極為靈敏，有較強的遺傳適應(yīng)性，可利用多種營養(yǎng)物質(zhì)，在適宜的環(huán)境條件下能夠快速生長[7]，這使其成為促進自然界發(fā)生一系列化學(xué)變化的動力因子.水體微生物可以加速能量從一級流向下一級的過程并且能夠促進水生生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮等元素的循環(huán)[8]，其數(shù)目大小和豐富度的高低可以在一定程度上反映水質(zhì)狀況[9]，而細(xì)菌總數(shù)作為評價水體受污染程度指標(biāo)被廣泛使用[10].該研究為了探究地表水和地下水細(xì)菌數(shù)量的動態(tài)變化，以江蘇省常州市深水城北污水處理廠內(nèi)地下水及其納污的地表水為研究對象，在2015年12月～2016年12月期間采集地表水和地下水水樣展開研究，解析不同月份下地表水和地下水中細(xì)菌總數(shù)，從而為地表水和地下水的后續(xù)研究提供一定的理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

常州市位于江蘇省境南部，地理坐標(biāo)為(119°08'E-120°12'E，31°09'N-32°04'N)[11].地處太湖流域、長江流域及京杭大運河的交匯地帶.常州城市河流分布密集，有46條河道流經(jīng)市區(qū)，其中21條為主干河道[12].該地區(qū)屬于北亞熱帶海洋性氣候，常年溫度適宜、空氣濕潤、四季分明.常州市夏季氣溫高降雨量大，冬季空氣濕度較高，氣候陰冷[13].年平均氣溫16.5℃，最高氣溫常達(dá)36℃以上，平均無霜期日數(shù)248d，年總降水量889.6 mm.研究于2015年12月-2016年12月選取江蘇省常州市深水城北污水處理廠有限公司內(nèi)地下水及尾水納污的地表水，每個月采集一次，一共12次.地下水采樣點井深30 m，取8～12 m混合水樣；地表水取水面下0～0.5 m混合水樣.采集后裝入無菌采樣瓶中并進行編號，一部分在24 h內(nèi)測定水質(zhì)指標(biāo)，另一部分帶回實驗室置于4℃的冰箱保存，用于細(xì)菌總數(shù)的測定.

1.2 實驗方法

1.2.1 細(xì)菌總數(shù)測定方法

細(xì)菌總數(shù)測定方法采用抽濾法，使用濾膜抽濾，將水中微生物過濾到濾膜上，再將濾膜接種到LB固體培養(yǎng)基中，進行細(xì)菌培養(yǎng).LB固體培養(yǎng)基：酵母膏5 g，蛋白胨10 g，NaCl 10 g，瓊脂粉15 g，蒸餾水1000 mL，pH 7，121℃滅菌20 min.細(xì)菌計數(shù)采用平板計數(shù)法.

1.2.2 水質(zhì)指標(biāo)測定方法

水質(zhì)指標(biāo)測定方法主要參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》見表1.

表1 水質(zhì)指標(biāo)測定方法

1.3 主要儀器

電熱式壓力蒸汽滅菌器(XFH-40CA)，無菌操作臺(SW-CJ-2FD)，電熱恒溫培養(yǎng)箱(DH6000BⅡ)，電子天平(FA1104)，細(xì)菌抽濾器，分光光度計，比色皿，電熱鼓風(fēng)干燥箱.

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用軟件EXCEL 2003對2個采樣點的細(xì)菌總數(shù)進行統(tǒng)計并記錄，應(yīng)用Origin 8和SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)的處理、繪圖及分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水和地下水中細(xì)菌總數(shù)動態(tài)變化

研究選取地表水和地下水兩個采樣點，于2015年12月到2016年12月采集水樣，進行細(xì)菌總數(shù)的測定，如圖1和圖2分別為不同月份下地下水和地表水細(xì)菌總數(shù)的動態(tài)變化情況.由圖1可知，地下水細(xì)菌總數(shù)的變化趨勢是先上升后下降，細(xì)菌總數(shù)的最小值出現(xiàn)在2015年12月，為13.9×104CFU/mL；最大值出現(xiàn)在2016年9月，為33.6×104CFU/mL.2015年12月到2016年4月持續(xù)增加，增加量均大于3.0×104CFU/mL；4～7月變化不明顯；8月細(xì)菌總數(shù)較7月有明顯增加，增加量約3.0×104CFU/mL；8～10月變化不明顯，但總體處于較高水平，細(xì)菌總數(shù)在9月達(dá)到最大值；10～12月呈大幅度下降狀態(tài)，下降量均在6.0×104CFU/mL以上.

圖1 地下水中細(xì)菌總數(shù)動態(tài)變化

由圖2可知地表水細(xì)菌總數(shù)總體呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，2015年12月細(xì)菌最少，為9.7×104CFU/mL；2016年8月是最大值所在月份，為32.9×104CFU/mL；2015年12～2016年1月，細(xì)菌總數(shù)出現(xiàn)小幅度上升，上升值為1.0×104CFU/mL；1～3月出現(xiàn)大幅度上升，上升值為10.6×104CFU/mL；3～5月出現(xiàn)小幅度下降，下降值分別為0.6×104CFU/mL和0.8×104CFU/mL；5～6月有大幅度上升，上升值為6.8×104CFU/mL；6～7月又有小幅度下降，下降值為0.6×104CFU/mL；7～8月有大幅度上升，上升值為6.8×104CFU/mL；8～10月出現(xiàn)中等幅度下降，下降值分別為2.8×104CFU/mL和1.8×104CFU/mL；10～12月出現(xiàn)較大程度降低，降低程度均大于6.0×104CFU/mL.

圖2 地表水中細(xì)菌總數(shù)動態(tài)變化

2.2 地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)的關(guān)系

不同采樣點之間細(xì)菌總數(shù)檢測結(jié)果存在差異，如圖3所示，將每個月份的細(xì)菌總數(shù)進行比較得出：除8月外，地下水細(xì)菌總數(shù)均明顯大于地表水細(xì)菌總數(shù).將從兩樣點細(xì)菌總數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差進行比較結(jié)果顯示地表水>地下水，得出地表水?dāng)?shù)據(jù)的離散程度大于地下水，說明地表水細(xì)菌總數(shù)波動較地下水大.不同時間段內(nèi)，兩采樣點間細(xì)菌總數(shù)的變化趨勢不同，如圖3所示3～5月、8～9月地下水細(xì)菌總數(shù)呈上升趨勢而地表水細(xì)菌總數(shù)呈小幅度下降，這可能與水質(zhì)改善工程有關(guān).

圖3 地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)的變化

將細(xì)菌總數(shù)的結(jié)果進行季節(jié)性分析，如圖4所示分析不同季節(jié)下細(xì)菌總數(shù)的變化情況，結(jié)果顯示：地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)隨季節(jié)變化先增長后下降，在冬季時細(xì)菌總數(shù)低，盛夏細(xì)菌總數(shù)高.表現(xiàn)出明顯的與季節(jié)相關(guān)的特點.另外將地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2顯示，地表水與地下水細(xì)菌總數(shù)表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系，在0.01水平上相關(guān)性指數(shù)為0.945.表明地表水與地下水細(xì)菌總數(shù)存在明顯的相互作用，且影響細(xì)菌總數(shù)變化的主要因素可能是不同季節(jié)導(dǎo)致的.

圖4 細(xì)菌總數(shù)隨季節(jié)變化關(guān)系

表2 地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)相關(guān)性

注：**在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

2.3 地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系

研究檢測了地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)在12個月的動態(tài)變化的同時還測定了水質(zhì)指標(biāo)，主要測定的水質(zhì)指標(biāo)有：氨氮、硝氮、亞硝氮.如表3所示，將地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)與各水質(zhì)指標(biāo)進行相關(guān)性分析.

結(jié)果表明：地表水細(xì)菌總數(shù)與氨氮呈正相關(guān)，與亞硝氮呈正相關(guān)，與硝氮呈顯著負(fù)相關(guān)，在0.05水平上相關(guān)系數(shù)為-0.659.地表水水質(zhì)指標(biāo)之間均存在極顯著相關(guān)關(guān)系，地表水氨氮與亞硝氮呈極顯著正相關(guān)，與硝氮呈極顯著負(fù)相關(guān)，硝氮與亞硝氮呈顯著負(fù)相關(guān)，表明地表水細(xì)菌總數(shù)上升時，氨氮和亞硝氮含量上升，硝氮含量下降，不考慮細(xì)菌總數(shù)的變化時，當(dāng)氨氮含量升高時，亞硝氮含量也隨之升高，而硝氮含量則呈現(xiàn)下降趨勢，此變化規(guī)律與細(xì)菌數(shù)量改變所引起的變化規(guī)律相同，說明地表水細(xì)菌總數(shù)的變化可以反映各水質(zhì)指標(biāo)的含量，因此可以通過監(jiān)測細(xì)菌總數(shù)的升降來間接反映水體受污染程度.地下水細(xì)菌總數(shù)與各水質(zhì)指標(biāo)之間及各水質(zhì)指標(biāo)之間均不存在顯著相關(guān)性.說明不能僅僅通過監(jiān)測地下水細(xì)菌總數(shù)的變化來間接反映水質(zhì)的變化情況.由于影響地下水細(xì)菌及無機鹽含量的因素很多，也很復(fù)雜，地層中往往含有大量無機鹽類，而地層中的無機鹽與細(xì)菌總數(shù)沒有直接的因果關(guān)系，這可能是造成地下水細(xì)菌總數(shù)與上述水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性不顯著的原因.

表3 細(xì)菌總數(shù)與各水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性

注：*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

3 討論

細(xì)菌學(xué)指標(biāo)可作為評價水受污染嚴(yán)重與否的重要指標(biāo)[14].水體中微生物群落結(jié)構(gòu)組成與其生存的水環(huán)境緊密相關(guān)，微生物的數(shù)量和種類變化在一定程度上可以反映水體的生態(tài)環(huán)境及污染狀況[15].馮勝等[16]表明細(xì)菌總數(shù)的上升與水體營養(yǎng)水平的上升表現(xiàn)出相同的走勢，富營養(yǎng)化程度的高低直接影響細(xì)菌總數(shù)的大小.這表明細(xì)菌總數(shù)的變化趨勢可以反映水體中富營養(yǎng)化水平，而水體富營養(yǎng)化水平與氮、磷含量也存在相關(guān)性.另外水體中細(xì)菌總數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)也存在良好的響應(yīng)關(guān)系，楊雪辰等[17]研究利用DNA濃度與水質(zhì)指標(biāo)的響應(yīng)來反映微生物總量與水質(zhì)的響應(yīng)，結(jié)果表明當(dāng)DNA濃度升高時，氨氮及總氮的含量也隨之升高，反之下降，各污染物變化趨勢和DNA濃度趨勢大致相同.劉建琪等[15]研究結(jié)果表明，水體受污染后，細(xì)菌總數(shù)會急劇增加，且與氨氮、亞硝氮等具有響應(yīng)關(guān)系.因此可以說明細(xì)菌總數(shù)的變化可以反映水體中污染物含量情況進而反映水質(zhì)的變化情況.

根據(jù)實驗結(jié)果，兩采樣點細(xì)菌總數(shù)在2015年12月到2016年8月或9月呈上升狀態(tài)，之后下降，表現(xiàn)出明顯與季節(jié)相關(guān)的特點.張芝勍等[18]研究結(jié)果表明，對北京市官廳水庫進行的異養(yǎng)細(xì)菌和大腸菌群監(jiān)測，結(jié)果是夏季細(xì)菌總數(shù)值高，冬季值低，且水庫各部分已經(jīng)不同程度遭受細(xì)菌污染.對沉積物的調(diào)查中，池塘底泥中的細(xì)菌由于受溫度等影響數(shù)量呈現(xiàn)較大波動，冬季總數(shù)低，夏季細(xì)菌大量繁殖，總數(shù)急劇增加，這與該研究得出的細(xì)菌總數(shù)變化與季節(jié)相關(guān)的結(jié)果較為一致.根據(jù)細(xì)菌總數(shù)的差異分析結(jié)果得出地表水<地下水，通常情況下，地下水環(huán)境較封閉，受人類活動影響較小[19]，有機污染物不易進入水體，細(xì)菌總數(shù)較低，水較清潔.該次研究結(jié)果卻呈現(xiàn)地表水細(xì)菌總數(shù)少的情況.該現(xiàn)象出現(xiàn)可能與采樣點位置有關(guān).地表水采樣點位于污水處理廠尾水排管渠，水渠中的水一部分來源于上游，一部分來源于處理后較清潔的尾水，尾水與上游水混合使上游水中的細(xì)菌濃度降低，導(dǎo)致每毫升檢出細(xì)菌總數(shù)少.另外，地表水具有陽光充足、溫度變化大等特點，而地下水長期處于較低溫度水平，使地下水微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的利用和轉(zhuǎn)化速率較地表水緩慢數(shù)十倍[20]，應(yīng)對環(huán)境變化較遲緩，所以地表水細(xì)菌總數(shù)與地下水細(xì)菌總數(shù)變化呈現(xiàn)出不同的特點，表現(xiàn)為地表水細(xì)菌總數(shù)波動程度較地下水大.

4 結(jié)論

(1)地下水細(xì)菌總數(shù)動態(tài)變化規(guī)律：細(xì)菌總數(shù)在2015年12月出現(xiàn)最小值，為13.9×104CFU/mL；在2016年9月出現(xiàn)最大值，為33.6×104CFU/mL，總體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；2015年12月～2016年4月細(xì)菌總數(shù)持續(xù)增加，4月到7月變化不明顯，8月細(xì)菌總數(shù)較7月有明顯增加，8～10月波動較小，10～12月呈大幅度減少.

(2)地表水細(xì)菌總數(shù)動態(tài)變化規(guī)律：細(xì)菌總數(shù)在2015年12月出現(xiàn)最小值，為9.7×104CFU/mL；在2016年8月出現(xiàn)最大值，細(xì)菌總數(shù)為32.9×104CFU/mL，總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢.

(3)地下水和地表水細(xì)菌總數(shù)的關(guān)系為地表水<地下水，地下水的波動程度較地表水小，且動態(tài)變化與季節(jié)相關(guān)；二者呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01，r=0.945，n=12)，夏季總數(shù)高，冬季總數(shù)低.

(4)分析細(xì)菌總數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性，結(jié)果表明：地表水細(xì)菌總數(shù)與總氮呈負(fù)相關(guān)，與氨氮呈正相關(guān)，與硝氮呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05，r=- 0.659，n= 12)，說明地表水細(xì)菌總數(shù)可以反映水質(zhì)指標(biāo)的變化情況；地下水細(xì)菌總數(shù)與各水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性不明顯.