李玲,劉玉,于菲,何淑雯,梁仁思,楊翔翡
(1. 中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510275; 2. 廣東省環(huán)境污染控制與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510275)
輪蟲(rotifera)在淡水浮游動(dòng)物中占重要地位,是水生態(tài)系統(tǒng)中微食物網(wǎng)的重要一環(huán),一方面它以浮游植物、原生動(dòng)物和細(xì)菌等為食,另一方面它又可被大型浮游動(dòng)物和魚類捕食,因此被視為水域生態(tài)系統(tǒng)中承上啟下的最重要的部分之一[1-3]。由于輪蟲生命周期短,對環(huán)境變化敏感性高等特征,輪蟲也常作為水環(huán)境的指示生物,在評價(jià)水體營養(yǎng)狀態(tài)和水體污染監(jiān)測等方面得到廣泛應(yīng)用[4-5],但對黑臭水體中輪蟲群落結(jié)構(gòu)的研究很少。
黑臭水體是一種水體污染的極端現(xiàn)象,隨著城市化規(guī)模的日益擴(kuò)大,我國城市黑臭水體大面積的出現(xiàn)[6]。截至2019年11月,全國城市黑臭水體整治監(jiān)管平臺(tái)顯示,我國黑臭水體總認(rèn)定數(shù)為2 869個(gè),其中廣東省黑臭水體數(shù)量位居全國首位共有509個(gè)。就我國目前而言,城市河流黑臭已成為突出的生態(tài)環(huán)境問題,針對我國水環(huán)境現(xiàn)狀特點(diǎn),建立適合我國水環(huán)境特征的浮游生物評價(jià)方法,已成為目前研究的趨勢。謝丹平等[7]對重污染河道治理中的浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)變化研究發(fā)現(xiàn),角突臂尾輪蟲、螺形臂尾輪蟲、橈足類無節(jié)幼體等浮游動(dòng)物可作為重污染河道修復(fù)的指示生物。何淑雯等[8]對浮游微藻與黑臭現(xiàn)象進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)裸藻豐度和群落結(jié)構(gòu)在一定程度上可作為水生生物指標(biāo)來評價(jià)河流黑臭。
谷河是珠江的支流,也是中山大學(xué)東校園重要的景觀河流,可是其水質(zhì)渾濁、淤泥深厚、腥臭味飄散等現(xiàn)象常年發(fā)生,表觀上可定義為城市黑臭水體,嚴(yán)重影響到師生們的工作和學(xué)習(xí)、生活和健康,師生們曾連年分別多次提案希望整治谷河。但鮮少見到對谷河進(jìn)行過水質(zhì)或生態(tài)學(xué)及黑臭等方面的研究報(bào)道。因此,本研究對谷河進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測和輪蟲的定性定量檢測,重點(diǎn)分析輪蟲的群落結(jié)構(gòu)與水體營養(yǎng)狀況(香農(nóng)指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、E/O值和QB/T指數(shù)等)的相關(guān)性及輪蟲判斷谷河黑臭水平的方法上的可行性,旨在探索用水生生態(tài)(浮游動(dòng)物輪蟲)的方法來判斷河流黑臭水平的科學(xué)上的可行性并為谷河黑臭研究和后續(xù)的污染治理提供科學(xué)數(shù)值依據(jù)。
谷河(113°23′3.91′′E~113°23′63.98′′E、23°4′2.68′′N~23°4′17.18′′N)位于廣州市番禺區(qū)小谷圍島北部,與珠江相連,全長約1.5 km,水深約2 m[9]。本次研究的區(qū)域?yàn)榱鹘?jīng)中山大學(xué)東校園的谷河西南段,受到珠江潮汐規(guī)律和閘門開閉影響,河段水流方向由東向西,水體地勢較平緩,流速較慢且時(shí)常有腥臭味逸散。通過實(shí)地考察,發(fā)現(xiàn)谷河西南段在多處設(shè)置了排污口。
根據(jù)地形、水質(zhì)狀況和周邊設(shè)施情況,本研究于中山大學(xué)東校園內(nèi)的河段設(shè)置了6個(gè)采樣點(diǎn),進(jìn)行秋(2017年11月)、冬(2018年1月)、春(2018年3月) 3次采樣,采樣點(diǎn)設(shè)置具體位置見圖1。其中1#采樣點(diǎn)為谷河中大河段的入水口;2#采樣點(diǎn)位于東校區(qū)行政樓邊緣,有排污口于此;3#采樣點(diǎn)位于活水來湖內(nèi),湖岸為校內(nèi)中心飯?zhí)茫?#、5#、6#采樣點(diǎn)在各學(xué)院樓附近等距設(shè)置,其中6#采樣點(diǎn)位于兩棟實(shí)驗(yàn)樓連線的中心處,該處設(shè)有排污口。谷河中山大學(xué)東校園段為珠江最末支流,全日基本為滯流狀態(tài)。
圖1 谷河采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling sites in Gu River
水溫(t)、pH、溶解氧(DO)采用YSI-556水質(zhì)分析儀、透明度(SD)采用賽式盤進(jìn)行現(xiàn)場測定。用有機(jī)玻璃采水器在每個(gè)采樣點(diǎn)采取水面下0.5 m水樣。采1 L水樣裝入聚乙烯瓶,現(xiàn)場用移液槍注入10 mL魯哥氏試劑固定樣品用于藻類種類和豐度的分析,以每升水中的藻類個(gè)體數(shù)記錄藻類豐度(ind/L)。再另采1 L水樣避光保存并帶回實(shí)驗(yàn)室,在48 h內(nèi)完成CODMn、NH3-N、葉綠素a(Chla)的測定。CODMn采用酸性高錳酸鉀氧化法,NH3-N采用納氏試劑比色法,葉綠素a采用丙酮冷凍浸提及三色法進(jìn)行測定。所有具體操作均按《水和廢水監(jiān)測分析方法》(2002)進(jìn)行。
輪蟲定量樣品用20 μm篩絹制成的浮游生物網(wǎng)過濾濃縮10 L谷河水水樣,取6 mL收集于塑料瓶子中,用移液槍注入1 mL乙醇固定后獲得樣本。輪蟲豐度以每升出現(xiàn)的個(gè)體數(shù)(ind/L)來計(jì)。輪蟲樣品在顯微鏡下鑒定種類并記錄數(shù)據(jù)[9]。
對輪蟲物種優(yōu)勢度情況采用優(yōu)勢度(Y)指數(shù)來判斷,優(yōu)勢度Y>0.02時(shí)即可定為優(yōu)勢種。采用輪蟲的E/O指數(shù)和QB/T指數(shù)對谷河的富營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)。
E/O指數(shù)為:E/O=ΣE/ΣO
式中,E為 富-中營養(yǎng)型指示種數(shù),O為貧-中營養(yǎng)型指示種數(shù);
QB/T指數(shù)為:QB/T=ΣB/ΣT
式中,B為臂尾輪蟲屬的種數(shù),T為異尾輪蟲屬的種數(shù)。
E/O指數(shù)判斷為:<0.5為貧營養(yǎng)型(Ⅰ型);0.5~1.5為中營養(yǎng)型(Ⅱ型);1.5~5.0為富營養(yǎng)型(Ⅲ型);﹥5.0為超富營養(yǎng)型(Ⅳ型)[10];QB/T指數(shù)>2時(shí)劃分為富營養(yǎng)[11]。采用香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener)(H′)進(jìn)行水質(zhì)污染水平的評價(jià)[12],H′>3為輕度污染或無污染;2 應(yīng)用較多的是采用不同物理化學(xué)指標(biāo)來建立黑臭水體的評價(jià)方法體系[13-14]。本研究對多種方法均進(jìn)行了數(shù)據(jù)篩選,最終依據(jù)與現(xiàn)實(shí)狀況相符性選定用黑臭多因子加權(quán)指數(shù)法[13]來判斷谷河的河流黑臭程度。 黑臭多因子加權(quán)指數(shù)法計(jì)算公式: (1) 其中,IB為黑臭指數(shù),CODMn(mg/L)為高錳酸鉀指數(shù);NH3-N(mg/L)為氨氮實(shí)測值;DO%為溶解氧飽和值;t(℃)為實(shí)測水溫。黑臭程度判斷標(biāo)準(zhǔn)為:IB≤8為無黑臭;8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Microsoft Excel軟件,通過Origin 9.0軟件進(jìn)行作圖。采用IBM SPSS Statistics 25軟件對谷河各采樣點(diǎn)輪蟲的種類、豐度及水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行差異檢驗(yàn),對輪蟲群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析。采用Canoco 5軟件進(jìn)行CCA分析判斷影響谷河輪蟲群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子。 谷河3次采樣各采樣點(diǎn)的水體理化因子及生物指標(biāo)存在差異。秋冬氣溫、水溫均在21~23 ℃左右,冬季采樣水溫最低在16 ℃左右。3次采樣的pH基本維持在7.0~8.0之間,SD、CODMn、DO冬季最高,NH3-N、Chla秋季最高,藻類豐度冬季最低,春季最高(表1)。 表1 谷河理化生指標(biāo)三季監(jiān)測結(jié)果Table 1 Results of physic-chemical and biological indexes in three seasons of Gu River 1) 種類組成和豐度調(diào)查發(fā)現(xiàn)3次采樣輪蟲共計(jì)35種,隸屬10科16屬,其中冬季最多共出現(xiàn)28種,秋季和春季分別為14種和16種,出現(xiàn)的輪蟲種類數(shù)最多的是臂尾輪蟲科,共計(jì)13種,占總種數(shù)的36.11%。臂尾輪屬在谷河3次采樣中占比均較高,且萼花臂尾輪蟲、角突臂尾輪蟲、尾突臂尾輪蟲在3次采樣中均有出現(xiàn)。用ANOAVA相關(guān)性分析顯示各樣點(diǎn)間輪蟲總豐度無顯著性差異,但不同季節(jié)輪蟲豐度存在較大差異。冬季總豐度明顯高于秋季和春季,冬季輪蟲豐度平均值為168.5 ind/L,春季輪蟲豐度平均值為57 ind/L,秋季最低,其平均值為51 ind/L。 2) 優(yōu)勢種及其污染指示調(diào)查期間各采樣點(diǎn)出現(xiàn)的輪蟲種類、出現(xiàn)頻度及其污染性(污染指示等級)見表2。具體為: 采用優(yōu)勢度(Y)指數(shù)來判斷,3次采樣發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢種共有10種,分別為蕚花臂尾輪蟲、角突臂尾輪蟲、尾突臂尾輪蟲、曲腿龜甲輪蟲、螺形龜甲輪蟲、長三肢輪蟲、晶囊輪蟲、前翼輪蟲、轉(zhuǎn)輪蟲、團(tuán)狀聚花輪蟲。 結(jié)合文獻(xiàn)研究數(shù)據(jù)[15]對本研究的輪蟲污染性進(jìn)行判定,3次采樣共發(fā)現(xiàn)輪蟲污染指示種24種,其中寡污型(o)3種,占12.5%;寡污到中污型(o-β)3種,占12.5%;中污到寡污型(β-o)1種,占4.1%;β-α中污型有7種,占29.2%;β中污型有10種,占41.7%。從不同污染指示種所占的比例來看,谷河水體達(dá)到了中度富營養(yǎng)化水平。 3) 輪蟲的E/O指數(shù)和QB/T指數(shù)根據(jù)表2計(jì)算得到谷河E/O值,見表3。 根據(jù)E/O指數(shù)計(jì)算所得數(shù)值與其判斷標(biāo)準(zhǔn),可以判定谷河中大河段整體已達(dá)到了富營養(yǎng)化水平。除此之外,秋季4#、5#采樣點(diǎn)、冬季6#采樣點(diǎn)和春季1#、3#采樣點(diǎn)已呈現(xiàn)為超富營養(yǎng)型水體。整體來看,谷河中大河段的富營養(yǎng)化情況:春季﹥秋季﹥冬季。 在3次采樣中,僅有冬季2號樣點(diǎn)和春季1號樣點(diǎn)有異尾輪蟲出現(xiàn),出現(xiàn)頻率低,種類數(shù)量少,相反臂尾輪蟲的種類和數(shù)量明顯占很大的優(yōu)勢;因此用QB/T指數(shù)判斷每次采樣每個(gè)樣點(diǎn)的谷河輪蟲的QB/T指數(shù)均超過了2,因而判定每個(gè)樣點(diǎn)的谷河水均達(dá)到了富營養(yǎng)化水平。 4) 多樣性指數(shù)谷河輪蟲3次采樣香農(nóng)多樣性指數(shù)(H′)平均值分別為1.71,2.05,1.85,ANOVA分析顯示輪蟲未存在季節(jié)或樣點(diǎn)的顯著性差異。用H′對谷河進(jìn)行生態(tài)學(xué)評價(jià)發(fā)現(xiàn),整體上谷河為α-中污型和β-中污型。 根據(jù)公式(1)對各樣點(diǎn)進(jìn)行黑臭水平分析,三季谷河中大河段的黑臭指數(shù)IB在5.15~20.40,從圖2可以看出谷河中大河段各個(gè)采樣點(diǎn)不同季節(jié)的黑臭指數(shù)存在差異。3次采樣按水體黑臭程度由高到低的排序依次為:春季﹥冬季﹥秋季。秋季有3個(gè)樣點(diǎn)(2#、3#、4#)為微黑臭,其余為無黑臭。冬季有4個(gè)樣點(diǎn)(1#、2#、5#、6#)為微黑臭,其余為無黑臭。春季各采樣點(diǎn)均呈現(xiàn)黑臭,其中3#、5#為中度黑臭。從圖中還可以看出,谷河2#采樣點(diǎn)三季度的黑臭水平相近,可能與其旁側(cè)為中山大學(xué)東校園行政樓餐廳排污口相關(guān)。 表2 谷河三季輪蟲的種類、出現(xiàn)頻度及其污染指示等級1)Table 2 The species composition, appearance frequency and pollution ranks of rotiferain three seasons of Gu River 1) +表示在該次水樣中有出現(xiàn),⊕表示是該次采樣中的優(yōu)勢種;o為寡污性,o-β為寡污到β中污型,β-o為β中污到寡污型;β為β中污型,β-α為β-α中污型 表3 谷河三季各采樣點(diǎn)輪蟲E/O指數(shù)值及營養(yǎng)水平判斷1)Table 3 The E/O index value of rotifera and the trophic levels judgments at each sampling site in three seasons of Gu River 1)Ⅰ:E/O≤0.5,貧營養(yǎng)型;Ⅱ:0.5 表4 谷河三季各采樣點(diǎn)輪蟲多樣性指數(shù)H′及污染水平判斷Table 4 The H′ diversity index of rotiferaand the pollution levels judgments at each sampling site in three seasons of Gu River 圖2 谷河三季各采樣點(diǎn) 黑臭指數(shù)IB的時(shí)空分布特征Fig.2 Temporal and spatial characteristics of black-odor index at each sampling site in three seasons of Gu River 表5顯示了輪蟲種類數(shù)、豐度與理化參數(shù)之間的Pearson相關(guān)關(guān)系。輪蟲種類數(shù)與SD、CODMn、DO呈顯著正相關(guān),與水溫、Chla呈顯著負(fù)相關(guān)。輪蟲豐度與t、Chla、藻類豐度呈顯著負(fù)相關(guān),與CODMn、DO呈顯著正相關(guān),與SD有相關(guān)性。 進(jìn)一步,對輪蟲三季的優(yōu)勢種及環(huán)境因子進(jìn)行的CCA分析,從而識別對輪蟲優(yōu)勢種影響較大的環(huán)境因子。結(jié)果如圖3,CCA分析顯示,前兩個(gè)排序軸的特征值分別為0.36和0.26,第一排序軸物種與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)為0.975,第二排序軸與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)為0.923。藻類與第一環(huán)境因子排序軸正相關(guān)性最大,其次是Chla;CODMn與第一環(huán)境因子排序軸負(fù)相關(guān)性最大,其次是DO。由圖3可知藻類、Chla、溫度t、CODMn、DO對輪蟲優(yōu)勢種影響較大。 表5 輪蟲種類、豐度與理化參數(shù)和藻類的相關(guān)性分析1)Table 5 Correlation analysis of rotifera species and abundance with physi-chemical parameters and algae abundance 1)**P<0.01,*P<0.05;n=18 圖3 谷河輪蟲與環(huán)境因子的CCA分析Fig.3 Canonical correspondence analysis between rotifera and environmental factors in Gu River 對三季輪蟲的總豐度、臂尾輪蟲總豐度及臂尾輪蟲組成比例與黑臭指數(shù)IB進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析(表6)。黑臭指數(shù)IB與輪蟲總豐度、臂尾輪蟲總豐度、臂尾輪蟲組成比例并沒有顯著相關(guān)性。 表6 黑臭指數(shù)與輪蟲豐度相關(guān)性分析1)Table 6 Correlation analysis of black-odor index IB with rotifera abundance 1)*P<0.05,**P<0.01,n=18 有報(bào)道水溫是決定輪蟲群落結(jié)構(gòu)變化的主要環(huán)境因子[16]。本研究中谷河輪蟲種類、豐度與水溫呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=0.617,r=0.833,P﹤0.01),在冬季谷河輪蟲種類和豐度達(dá)到了最大。輪蟲總數(shù)的高峰一般在水溫20 ℃以上出現(xiàn),胡柯等[17]在研究廣州輪蟲種群時(shí)發(fā)現(xiàn)輪蟲在冬季15 ℃和20 ℃下的繁殖率要高于其他季節(jié)23 ℃及28 ℃下的繁殖率,這與本研究中出現(xiàn)冬季(1月)輪蟲種類和豐度更高相一致。這可能與廣州的獨(dú)特的氣候條件密不可分。此外,谷河輪蟲絕大多數(shù)為廣溫性和溫水性種類,如臂尾輪蟲、螺形龜甲輪蟲、廣布多肢輪蟲、晶囊輪蟲等都是廣溫性種類,角突臂尾輪蟲、萼花臂尾輪蟲為溫水性種類[18]。因此,在長期的適應(yīng)下輪蟲在冬季出現(xiàn)較高的豐度。 相關(guān)性分析顯示輪蟲的種類數(shù)、豐度與溶解氧呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.622,r=0.821,P﹤0.01),而與Chla呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=0.628,r=0.626,P﹤0.01)。秋季采樣和春季采樣時(shí)的溶解氧明顯低于冬季采樣時(shí)谷河中的溶解氧含量,溶解氧不足可以限制輪蟲的生長[19]。Chla含量能間接反映浮游植物的豐度,通常情況下葉綠素a與輪蟲豐度呈顯著正相關(guān)[15,19],而本文呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的結(jié)果可能是因?yàn)榇骸⑶锛綜hla含量高,藻類豐度大,藻類的繁殖和分解作用消耗了水體的溶解氧,從而抑制了輪蟲的生長。也有學(xué)者認(rèn)為,食物濃度過高會(huì)抑制輪蟲的生長[20];富營養(yǎng)化的水體能為輪蟲提供充足的食物[21],因此認(rèn)為在有足夠的食物(藻類)條件下,溶解氧成為了影響谷河輪蟲群落生長的關(guān)鍵因素。 陳玉輝[6]將水體“黑臭”現(xiàn)象和“富營養(yǎng)化”狀態(tài)結(jié)合研究,發(fā)現(xiàn)處于嚴(yán)重黑臭狀態(tài)的水體同時(shí)也均處于富營養(yǎng)化狀態(tài),在本研究中谷河亦是如此。從三季研究中來看,谷河水體的富營養(yǎng)化程度和黑臭程度在春季均最嚴(yán)重。谷河輪蟲的污染指示種多為臂尾輪屬,出現(xiàn)種類最多、豐度大,其與輪蟲總豐度呈顯著正相關(guān)(r=0.889,P﹤0.01),進(jìn)一步對黑臭指數(shù)與輪蟲總豐度、臂尾輪蟲總豐度及臂尾輪蟲組成比例進(jìn)行相關(guān)性分析,并沒有發(fā)現(xiàn)它們之間有顯著相關(guān)性。但是CCA分析表明,在優(yōu)勢種方面曲腿龜甲輪蟲、長三肢輪蟲、團(tuán)狀聚花輪蟲、螺形龜甲輪蟲輪蟲的數(shù)量與CODMn、NH3-N相關(guān)性顯著,可作為水體污染程度的指示生物[22]。且與秋、冬兩次采樣不同的是在春季前翼輪蟲、晶囊輪蟲(β中污型)成為優(yōu)勢種從CCA分析中可以看出前翼輪蟲、晶囊輪蟲與黑臭加權(quán)指數(shù)IB呈正相關(guān),說明前翼輪蟲、晶囊輪蟲在一定程度上可能可作為水體污染加重的指示生物。谷河中大校園段水流量低,全日基本為滯流狀態(tài)有關(guān)。水體的流動(dòng)性差,降低了水體的自凈能力,造成谷河常年黑臭,水質(zhì)嚴(yán)重惡化。有研究顯示在水流量低的條件下,有利于浮游動(dòng)物維持相對穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)[23]。本次研究中各采樣點(diǎn)間的群落結(jié)構(gòu)差異不大,輪蟲群落結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,所以可能難以從輪蟲群落結(jié)構(gòu)變化上來定性、定量分析水體黑臭水平。綜上,雖然輪蟲在谷河不能很好地作為水質(zhì)生物指標(biāo)來評價(jià)水體黑臭,但是能較好地評價(jià)水體的富營養(yǎng)情況。 谷河中大河段的輪蟲共計(jì)35種,其中污染指示種23種,優(yōu)勢種類主要有萼花臂尾輪蟲B.calyciflorus、角突臂尾輪蟲B.angularis和曲腿龜甲輪蟲K.valga。E/O指數(shù)和QB/T指數(shù)均判定谷河達(dá)到了富營養(yǎng)化水平。香農(nóng)多樣性指數(shù)(H′)判定谷河為α-中污型和β-中污型。根據(jù)黑臭加權(quán)指數(shù)(IB)得出谷河水體黑臭程度為春季>冬季>秋季,水體整體已呈現(xiàn)微黑臭狀態(tài)。水溫、DO、CODMn、藻類豐度和Chla是影響谷河輪蟲群落結(jié)構(gòu)變化的重要的環(huán)境與生態(tài)因素。前翼輪蟲、晶囊輪蟲與IB相關(guān)性顯著,可作為谷河水體污染加重的指示生物。但輪蟲總豐度、臂尾輪蟲總豐度、臂尾輪蟲組成比例與IB并沒有顯著相關(guān)性,因此用輪蟲用來評價(jià)水體的黑臭狀況還有待進(jìn)一步的深入研究。1.6 黑臭評價(jià)方法
1.7 數(shù)據(jù)分析方法
2 結(jié) 果
2.1 理化及生物指標(biāo)
2.2 谷河輪蟲群落結(jié)構(gòu)特征
2.3 黑臭水平分析
2.4 輪蟲群落與環(huán)境因子及黑臭評價(jià)結(jié)果的關(guān)系
2.5 輪蟲與黑臭評價(jià)結(jié)果的相關(guān)性分析
3 討 論
3.1 影響輪蟲群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子
3.2 谷河輪蟲群落結(jié)構(gòu)與水質(zhì)及黑臭現(xiàn)象的關(guān)系
4 結(jié) 論