渤海灣浮游細(xì)菌分布特征及環(huán)境影響因素

趙海萍，李清雪，陶建華

(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300354； 2. 河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

海洋細(xì)菌在海洋生態(tài)系統(tǒng)中既是生產(chǎn)者又是消費(fèi)者，能直接吸收利用主食物鏈的代謝“廢物”——溶解有機(jī)物，而增長(zhǎng)自身的生物量，隨后進(jìn)入經(jīng)典食物鏈，同時(shí)也參與顆粒有機(jī)物的礦化、分解過(guò)程，從中獲得能源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，充當(dāng)分解者角色[1]。海洋細(xì)菌在海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能流循環(huán)中起著不可替代的作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海洋細(xì)菌的生態(tài)特征、群落結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了大量研究[2-5]，對(duì)海洋細(xì)菌與環(huán)境影響因素的關(guān)系也進(jìn)行了大量研究，如白潔等[6]在南海南部海域、張喆等[7]南海北部海域、沈烽等[8]在南京玄武湖、李建洋等[9]在深圳近海表層海域、陳淑文等[10]在深圳灣海域分別進(jìn)行了浮游細(xì)菌與環(huán)境影響因素之間關(guān)系的研究。

渤海灣位于渤海的最西邊，是一個(gè)半封閉的淤泥質(zhì)淺水海灣。渤海灣地處環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的中心位置，沿岸大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活廢水輸入，加上該海域水體自凈能力比較差，致使水體富營(yíng)養(yǎng)化和赤潮等水質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生[11-12]，成為中國(guó)最受威脅的海洋生態(tài)環(huán)境之一，受到了廣泛關(guān)注[12-13]。

李清雪等[14-15]調(diào)查研究了渤海灣近岸海域表層水體中的自養(yǎng)、異養(yǎng)浮游細(xì)菌和總浮游細(xì)菌的生態(tài)分布及影響因素,喬旭東等[16]對(duì)渤海灣南部近岸海域10個(gè)站位的總浮游細(xì)菌、活菌、可培養(yǎng)異養(yǎng)細(xì)菌、總大腸菌群的數(shù)量進(jìn)行了調(diào)查研究。但已有報(bào)道的研究時(shí)間相對(duì)比較早，研究范圍也相對(duì)較小，為更好地了解渤海灣浮游細(xì)菌的生態(tài)環(huán)境狀況，有必要對(duì)渤海灣進(jìn)行大面積的實(shí)地調(diào)查研究。本研究分別于2011年5月、2012年5月、2012年11月對(duì)渤海灣海域33個(gè)站位表層海水中浮游細(xì)菌豐度進(jìn)行了3個(gè)航次的調(diào)查研究，旨在探求浮游細(xì)菌的分布特征及其與環(huán)境影響因素之間的關(guān)系。

1 調(diào)查區(qū)域和站位設(shè)定

本研究在渤海灣117°30′E～119°E、38°N～39°N的范圍內(nèi)共設(shè)33個(gè)站位，見(jiàn)圖1。

圖1 渤海灣研究區(qū)域及采樣站位

2 樣品采集和測(cè)定

2.1 水樣的采集

于2011年5月、2012年5月和2012年11月分別采集了14、33和33個(gè)站位的水樣用于浮游細(xì)菌總數(shù)和環(huán)境因子測(cè)定。使用卡蓋式采水器(型號(hào)QCC15，北京普雷德儀器設(shè)備有限公司)采集各站位的表層海水(水面下0.5 m左右處)，分裝到500 mL無(wú)菌采樣瓶中，并立即加入無(wú)菌無(wú)顆粒甲醛(事先經(jīng)0.2 μm的無(wú)菌濾膜過(guò)濾)固定水樣(無(wú)菌甲醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%)，用于浮游細(xì)菌總數(shù)的測(cè)定。整個(gè)采樣過(guò)程要迅速，避免外界微生物污染。然后將水樣置于4℃避光保存，帶回實(shí)驗(yàn)室，并于一周內(nèi)分析完畢。渤海灣海域表層海水環(huán)境影響因子水樣的采集、保存和運(yùn)輸嚴(yán)格按照GB17378—2007《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》中的規(guī)定進(jìn)行。

2.2 浮游細(xì)菌的測(cè)定

本研究渤海灣浮游細(xì)菌的計(jì)數(shù)采用吖啶橙染色-熒光顯微直接計(jì)數(shù)法(即吖啶橙落射熒光顯微鏡直接計(jì)數(shù)法)[17]。取1 mL待測(cè)樣品于無(wú)熒光黑色濾膜(WHATMAN聚碳酸酯濾膜)上，在負(fù)壓(50 kPa)條件下，把樣品慢慢抽濾至濾膜剛剛呈濕潤(rùn)狀態(tài)，釋放真空；加入吖啶橙染色液(0.2 μm的無(wú)菌濾膜過(guò)濾液)3或4滴，染色5～10 min，然后在同樣負(fù)壓下抽濾至干；在載玻片上貼上濾膜(載菌一面朝上)，并在蓋玻片上加一小滴無(wú)熒光鏡油，具油面朝下蓋緊濾膜(濾膜上下兩面均不能有氣泡)；在落射熒光顯微鏡(Leica DM 5000B)的油鏡(100倍)條件下，隨機(jī)取20個(gè)視野，計(jì)算具有細(xì)菌形態(tài)的、呈亮綠色或紅色熒光的細(xì)胞數(shù)。計(jì)算公式為

(1)

式中：BN為樣品含菌數(shù)， L-1；Na為各視野平均菌數(shù)；S為濾膜實(shí)際過(guò)濾面積，mm2；Sf為顯微鏡視野面積，mm2；0.05為加入37%～40%甲醛固定樣品總體積的比例；V為過(guò)濾樣品量， L。

測(cè)定水樣時(shí)，應(yīng)同時(shí)測(cè)無(wú)菌水作為空白對(duì)照，且每個(gè)視野的細(xì)菌數(shù)量不得出現(xiàn)1個(gè)以上。檢測(cè)過(guò)程按照無(wú)菌操作進(jìn)行，啶橙染色劑現(xiàn)用現(xiàn)配。

2.3 環(huán)境因子的測(cè)定

3 結(jié)果與討論

3.1 浮游細(xì)菌豐度的分布

在渤海灣表層水體中，2011年5月的海洋浮游細(xì)菌豐度在(2.51～28.39)×108L-1之間，平均值為8.95×108L-1；浮游細(xì)菌豐度最高值出現(xiàn)在E1站位，在D5站位附近出現(xiàn)了最低值，在E2站位出現(xiàn)次高值26.72×108L-1，D7、D8站位及其附近海域也出現(xiàn)浮游細(xì)菌豐度的高值區(qū)(10.19×108L-1)。2011年5月浮游細(xì)菌在研究海域的空間分布特征是近岸海域細(xì)菌豐度比較高，遠(yuǎn)岸相對(duì)比較低，見(jiàn)圖2。

2012年5月的海洋浮游細(xì)菌豐度在(2.62～87.26)×108L-1，平均值為18.44×108L-1；分別在C2站位和D8站位及其附近海域出現(xiàn)了最高值和最低值；在C2、C3、C6、D1、D2、D4、D5、D6、E2、E3等站位及其附近海域出現(xiàn)高值區(qū)，在A2、A5、A6、A7、B4、C7、D3、D7、D8、E1、E5等站位及其附近海域出現(xiàn)稍高于最低值的低值區(qū)；整體空間趨勢(shì)是海灣北部、中部海域的水體中浮游細(xì)菌豐度高于南部的，近岸海域的浮游細(xì)菌豐度明顯高于外海海域，曹妃甸附近海域浮游細(xì)菌豐度出現(xiàn)一個(gè)高值區(qū)，海河口附近及其輻射海區(qū)內(nèi)的浮游細(xì)菌豐度很高，D7站位附近海域卻出現(xiàn)相對(duì)較低的浮游細(xì)菌豐度，見(jiàn)圖2。

2012年11月海洋浮游細(xì)菌豐度在(2.18～18.15)×108L-1，平均值為8.76×108L-1；分別在B5站位和A1站位及其附近海域出現(xiàn)了最高值和最低值；在A4、A5、A7、B1、B2、B5、C2、C3、D4、D5、D6、E1、E4、E5站位及其附近海域出現(xiàn)高值區(qū)，在B6、C5、D1、D2、D7站位及其附近海域出現(xiàn)低值區(qū)；灣內(nèi)南部海域浮游細(xì)菌豐度較北部的高，南部海域浮游細(xì)菌豐度的空間變化趨勢(shì)是近岸的較外海的高；海灣北部近岸海域(D1、D2站位附近)浮游細(xì)菌豐度出現(xiàn)一個(gè)低值區(qū)，由南堡到曹妃甸附近海域浮游細(xì)菌豐度逐漸增大，并在B1站位附近海域出現(xiàn)高值區(qū)，見(jiàn)圖2。

3個(gè)航次的調(diào)查結(jié)果顯示，2012年5月渤海灣海域浮游細(xì)菌豐度無(wú)論最高值或是平均值都明顯高于2011年5月的和2012年11月的，2012年11月的浮游細(xì)菌豐度相對(duì)最低。3個(gè)航次的浮游細(xì)菌豐度的空間分布顯示：總體都表現(xiàn)為近岸海域高于遠(yuǎn)岸海域；2011年5月和2012年11月的分布都是海灣南部高于北部，而2012年5月的分布是海灣北部、中部海域高于南部。

(a) 2011年5月

(b) 2012年5月

(c) 2012年11月

3.2 渤海灣浮游細(xì)菌分布特征討論

本研究結(jié)果與國(guó)內(nèi)其他海域的浮游細(xì)菌豐度范圍基本相當(dāng)(表1)。

2011年5月，海洋浮游細(xì)菌最高值出現(xiàn)在E1站位及其附近海域，在E2站位及其附近海域出現(xiàn)次高值，主要是由于站位E1和E2位于海河口附近的陸?；旌蠀^(qū)，水體中含有豐富的陸源有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽，浮游細(xì)菌可以充分利用這些物質(zhì)進(jìn)行繁殖生長(zhǎng)[23-25]。渤海灣灣口海域的水體與渤海水體交換能力相對(duì)較強(qiáng)，渤海水體攜帶相對(duì)多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可能是造成A4站位及其附近海域也出現(xiàn)浮游細(xì)菌高值區(qū)的原因[23]。

表1 國(guó)內(nèi)其他海區(qū)的總細(xì)菌豐度 108L-1

2012年5月，海洋浮游細(xì)菌豐度呈現(xiàn)渤海灣北部、中部海域高于南部海域，及近岸海域明顯高于外海海域的趨勢(shì)。浮游細(xì)菌豐度在曹妃甸附近海域形成一個(gè)高值區(qū)，在海河口附近及其輻射海區(qū)內(nèi)也很高，D7站位附近海域卻出現(xiàn)相對(duì)較低的浮游細(xì)菌豐度。本結(jié)果與喬旭東等[16]相關(guān)研究相比較，共同點(diǎn)是海河口附近海域浮游細(xì)菌豐度都比較高，近岸海域高于遠(yuǎn)岸海域，均體現(xiàn)了渤海灣海域浮游細(xì)菌豐度受到海河陸源輸入的影響比較大。渤海灣處于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的中心位置，沿岸大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活廢水通過(guò)海河等直接輸入渤海灣，加上該海域水體封閉性強(qiáng)、水體交換和自凈能力都比較差，污染物在海域內(nèi)長(zhǎng)期滯留，為海洋細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖提供了豐富的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽，這是造成海河口輻射海區(qū)內(nèi)浮游細(xì)菌豐度高的原因。渤海灣北部近岸海域、曹妃甸附近海域浮游細(xì)菌豐度比較高的原因都與海河口海域高值區(qū)的原因相似；不同點(diǎn)是，本研究中渤海灣北部、中部海域的浮游細(xì)菌豐度高于南部，而喬?hào)|旭等[16]研究顯示渤海灣中部海域的浮游細(xì)菌豐度較低。二者研究時(shí)間和區(qū)域點(diǎn)位不同，可能是研究結(jié)果有差異的主要原因。本研究站位覆蓋整個(gè)渤海灣，采樣時(shí)間為2011年和2012年，而喬?hào)|旭等[16]的研究站位是渤海灣近岸海域且主要分布在海灣的南半部分，研究時(shí)間為2004年。2011年5月和2012年5月浮游細(xì)菌的調(diào)查結(jié)果稍有差別，產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因可能有二：一是2011年5月因故僅調(diào)查了14個(gè)站位的水樣，2012年5月是全站位(33個(gè)站位)的調(diào)查；二是采樣過(guò)程的天氣條件，2011年5月采樣期間相對(duì)風(fēng)浪較多，2012年5月采樣期間風(fēng)和日麗的天氣條件較多。

2012年11月渤海灣內(nèi)南部海域的浮游細(xì)菌豐度較北部的高，由南堡向曹妃甸附近海域的浮游細(xì)菌豐度逐漸增大。渤海灣南部海域相對(duì)比較開(kāi)闊、近岸水深相對(duì)比較淺，且南部海域養(yǎng)殖業(yè)相對(duì)較發(fā)達(dá)，再加上11月海水與底質(zhì)的物質(zhì)交換比較明顯，大量底質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被傳遞到上覆水體中，這可能是導(dǎo)致該時(shí)期渤海灣南部海域浮游細(xì)菌豐度較北部高的原因。

3.3 渤海灣浮游細(xì)菌與環(huán)境因子的關(guān)系

采用R語(yǔ)言(版本3.1.0)對(duì)渤海灣表層浮游細(xì)菌、浮游植物與環(huán)境因子[26]之間的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性和主成分分析，結(jié)果見(jiàn)圖3～5。

圖3 2011年5月浮游細(xì)菌與環(huán)境因子在主成分1、2下的得分

圖4 2012年5月浮游細(xì)菌與環(huán)境因子在主成分1、2下的得分

圖5 2012年11月浮游細(xì)菌與環(huán)境因子在主成分1、2下的得分

2011年5月，浮游細(xì)菌和浮游植物有極顯著的正相關(guān)關(guān)系。浮游植物與浮游細(xì)菌之間的關(guān)系相當(dāng)密切和復(fù)雜，一方面，浮游植物能胞外分泌大量溶解有機(jī)碳供浮游細(xì)菌進(jìn)行二次生產(chǎn)[25]；另一方面，通過(guò)生物競(jìng)爭(zhēng)、分泌特殊物質(zhì)等途徑，浮游細(xì)菌可以抑制浮游植物的生長(zhǎng)繁殖，甚至裂解其細(xì)胞[27]。2011年5月渤海灣表層水體中浮游細(xì)菌和浮游植物的高度正相關(guān)性進(jìn)一步驗(yàn)證了浮游植物和浮游細(xì)菌的密切關(guān)系。該時(shí)期浮游細(xì)菌與TOC呈弱正相關(guān)關(guān)系，與COD呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，綜合體現(xiàn)了2011年5月渤海灣浮游細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖所需的有機(jī)碳主要來(lái)源于浮游植物胞外分泌的溶解有機(jī)碳，該時(shí)期浮游細(xì)菌的數(shù)量、生物量受浮游植物現(xiàn)存量的影響比較大。

2011年5月浮游植物生物量和浮游細(xì)菌生物量與氨氮呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮呈正相關(guān)關(guān)系，且浮游細(xì)菌生物量與氨氮呈現(xiàn)的負(fù)相關(guān)關(guān)系更明顯。這些說(shuō)明該時(shí)期渤海灣表層海域浮游植物和浮游細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖受營(yíng)養(yǎng)鹽含量的調(diào)節(jié)，浮游植物和浮游細(xì)菌更優(yōu)先利用氨氮[28]，并且二者對(duì)氨氮的吸收存在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制[29]，造成水體中氨氮含量的銳減而呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。由于浮游植物和浮游細(xì)菌在自身生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中對(duì)碳、氮、磷是各按一定比例吸收利用的，所以大量氨氮消耗的同時(shí)也有大量磷的消耗，這可能是造成水體中磷酸鹽與浮游植物生物量和浮游細(xì)菌生物量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系的原因。另外，浮游細(xì)菌生物量和浮游植物生物量均與TOC呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明陸源有機(jī)碳在一定程度上會(huì)刺激浮游植物和浮游細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖[30]。浮游細(xì)菌生物量和浮游植物生物量與溶解有機(jī)碳、硅酸鹽在同一方向上(圖3)，即浮游細(xì)菌生物量和浮游植物生物量會(huì)隨著溶解有機(jī)碳、硅酸鹽的增加而增加。

2012年5月，浮游細(xì)菌與浮游植物沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系，二者都與COD呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明該時(shí)期浮游細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖需要的有機(jī)碳源主要是陸源輸入有機(jī)物，浮游植物胞外分泌的溶解有機(jī)碳對(duì)浮游細(xì)菌的生長(zhǎng)貢獻(xiàn)相對(duì)不明顯。該時(shí)期渤海灣浮游細(xì)菌與BOD呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明該時(shí)期由陸源輸入的有機(jī)物促進(jìn)浮游細(xì)菌的大量、快速繁殖，造成水體中可降解有機(jī)物迅速減少。2012年5月，浮游細(xì)菌生物量與氨氮呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)系，與亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮呈正相關(guān)系，而與活性磷酸鹽呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)系。由于海洋細(xì)菌吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行自身生長(zhǎng)時(shí)，依據(jù)自身C、N、P比值來(lái)建立其生理狀態(tài)所調(diào)節(jié)的化學(xué)平衡[31]，造成海洋浮游細(xì)菌生物量與活性磷酸鹽呈極顯著負(fù)相關(guān)系，這一結(jié)果與2011年5月的研究結(jié)果相同。

2012年11月，渤海灣浮游細(xì)菌生物量除了與亞硝酸鹽氮、水溫呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系外，與其他環(huán)境因子都呈負(fù)相關(guān)，不同于無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽促進(jìn)浮游細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖的規(guī)律。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因可能是，海洋細(xì)菌吸收無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行生物合成時(shí)，該生物合成是建立在自身生理狀態(tài)的化學(xué)平衡上[32]。一般而言，浮游細(xì)菌的生長(zhǎng)增殖離不開(kāi)營(yíng)養(yǎng)鹽的供給，在一定條件下，無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽的種類、形態(tài)和濃度含量對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)具有正向促進(jìn)作用[33-36]。但當(dāng)海水中某元素的可利用量滿足不了細(xì)菌維持這種平衡時(shí)，該元素就成為細(xì)菌生長(zhǎng)的限制因子，進(jìn)而影響細(xì)菌對(duì)其他元素的吸收利用。而且，細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖只有在不受碳源影響的前提下，無(wú)機(jī)氮、活性磷的作用才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)三大營(yíng)養(yǎng)源的比例不符合浮游細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖所需的比例時(shí)，無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽與浮游細(xì)菌的相關(guān)關(guān)系就會(huì)發(fā)生變化。3個(gè)航次的主因子分析結(jié)果顯示：2011年5月，浮游細(xì)菌與浮游植物密切相關(guān)，都在被提取的第一主成分中，對(duì)海洋水環(huán)境指示作用的貢獻(xiàn)率達(dá)到33.98%；2012年5月和2012年11月浮游細(xì)菌作用項(xiàng)分別處于第二、第三主成分中，其對(duì)海洋水環(huán)境指示作用的貢獻(xiàn)率分別為20.312%、13.615%。

4 結(jié) 論

在渤海灣表層水體中，海洋浮游細(xì)菌豐度在(2.18～87.26)×108L-1之間。2011年5月、2012年5月和2012年11月3個(gè)航次浮游細(xì)菌豐度的空間分布都是近岸高于遠(yuǎn)岸。2011年5月和2012年11月的浮游細(xì)菌豐度均是海灣南部海域的高于北部海域的，而2012年5月是海灣北部、中部海域的高于南部海域的。陸源輸入有機(jī)碳和浮游植物胞外分泌有機(jī)碳對(duì)浮游細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖在不同時(shí)期的貢獻(xiàn)程度不同。

渤海灣表層水體中，2011年5月，浮游細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖所需碳源主要是浮游植物胞外分泌的溶解有機(jī)碳，浮游細(xì)菌生物量與氨氮呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與磷酸鹽呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；2012年5月，浮游細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖所需碳源主要是陸源輸入有機(jī)物，浮游細(xì)菌生物量與氨氮呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，與亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮呈正相關(guān)關(guān)系，而與活性磷酸鹽呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；2012年11月，渤海灣浮游細(xì)菌生物量除了與亞硝酸鹽氮、水溫呈正相關(guān)關(guān)系外，與其他環(huán)境因子都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。