北京市五大水系水體浮游細(xì)菌的數(shù)量特征研究

朱文宇， 趙 文*， 王天宇， 時(shí) 曉， 李 博

(1.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院 遼寧省水生生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023；2.北京市水生野生動(dòng)植物救護(hù)中心，北京 102100)

作為生物群落的重要組成部分，細(xì)菌因其龐大的數(shù)量和繁雜的種類(lèi)成為水域生態(tài)環(huán)境重要的研究對(duì)象。浮游細(xì)菌在水生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)及能量流動(dòng)中發(fā)揮著極其重要的作用[1-2]。細(xì)菌作為分解者既能將有機(jī)物分解礦化供浮游植物利用[3]，起到一定凈化水體的作用，又能將周?chē)h(huán)境中的有機(jī)物吸收轉(zhuǎn)化為自身物質(zhì)，經(jīng)由浮游動(dòng)物的捕食作用沿食物鏈傳遞給下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)[4-5]。而過(guò)多的浮游細(xì)菌表明水體受污染程度較高[6]。水體特定的理化環(huán)境決定著在細(xì)菌群落生長(zhǎng)和繁殖的同時(shí)，細(xì)菌代謝過(guò)程的產(chǎn)物反過(guò)來(lái)影響著水體的理化性質(zhì)[7]。因此細(xì)菌在一定程度上反映著水域生態(tài)環(huán)境的狀況[8]，進(jìn)而被廣泛應(yīng)用于水體污染狀況的評(píng)價(jià)體系[9]。此次調(diào)查內(nèi)容涉及北京市五大水系典型水體浮游細(xì)菌數(shù)量的時(shí)空動(dòng)態(tài)，通過(guò)對(duì)各水系細(xì)菌數(shù)量的分布及其變化情況的統(tǒng)計(jì)以及與水環(huán)境理化指標(biāo)相關(guān)性的分析，以掌握北京市各水系水體浮游細(xì)菌狀況及其變化規(guī)律，為北京水質(zhì)安全及水域生態(tài)環(huán)境狀況的評(píng)價(jià)提供資料，并對(duì)今后一段時(shí)期湖庫(kù)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)及水庫(kù)水源的保護(hù)提供必要的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 水樣采集 水樣于北京市五大水系(即潮白河水系、大清河水系、永定河水系、北運(yùn)河水系和薊運(yùn)河水系)現(xiàn)場(chǎng)采集獲得。依照各個(gè)采樣點(diǎn)的實(shí)際水深情況采集水樣，深水區(qū)及淺水區(qū)分別采集各層混合水樣或單層水樣，采集后取一定量水樣置于100 mL塑料瓶?jī)?nèi)并立即加入3%無(wú)顆粒甲醛搖勻固定，于保溫箱內(nèi)低溫保存，帶回實(shí)驗(yàn)室后存于4 ℃冰箱并在短期內(nèi)完成計(jì)數(shù)。

1.1.2 主要儀器及試劑 采水設(shè)備為水生80型采水器；抽濾設(shè)備為循環(huán)水式多用真空泵(SHZ-D(Ⅲ)，河南省予華儀器有限公司)、玻璃過(guò)濾器(T-50，天津市津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；計(jì)數(shù)設(shè)備為蔡司熒光顯微鏡(Zess，HBO50/AC，德國(guó))；孔徑0.2 μm的微孔濾膜(直徑25 mm，上海興亞凈化材料廠)；無(wú)顆粒甲醛固定液(遼寧泉瑞試劑有限公司)，0.1%吖啶橙染液(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，熒光顯微鏡鏡油(IMMOIL-F30CC，日本奧林巴斯有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 采樣時(shí)間及采樣點(diǎn)設(shè)置 2016年至2018年每年的6月至9月先后對(duì)北京相關(guān)水系共進(jìn)行4～6次采樣，調(diào)查水體共計(jì)46個(gè)，包括潮白河水系14個(gè)水體、大清河水系8個(gè)水體、永定河水系10個(gè)水體、北運(yùn)河水系13個(gè)水體及薊運(yùn)河水系1個(gè)水體，涉及各水系的河流、湖泊和水庫(kù)。

1.2.2 浮游細(xì)菌計(jì)數(shù) 采用熒光顯微鏡計(jì)數(shù)法(AODC)[10]進(jìn)行細(xì)菌數(shù)量計(jì)數(shù),取5 mL固定后經(jīng)無(wú)菌水稀釋一定倍數(shù)的水樣,加入0.5 mL吖啶橙染液染色5 min,過(guò)濾至濾膜表面并將濾膜置于載玻片上，滴加無(wú)熒光潤(rùn)油，蓋上蓋玻片計(jì)數(shù)。在顯微鏡100×物鏡下，統(tǒng)計(jì)隨機(jī)10～15個(gè)視野下的細(xì)菌數(shù)量。浮游細(xì)菌密度的計(jì)算公式如下：

N=(A×S×n)/(FS×V)[11]

式中：N為水樣細(xì)菌密度(cell/mL)；A為顯微鏡每個(gè)視野中細(xì)菌平均數(shù)量(cells)；S為過(guò)濾細(xì)菌的濾膜過(guò)濾面積(cm2)；V為過(guò)濾水樣體積(mL)；FS為顯微鏡單個(gè)視野面積(cm2)；n為水樣稀釋倍數(shù)。

1.2.3 理化指標(biāo)測(cè)定 測(cè)定理化指標(biāo)包括溫度(T)、酸堿度(pH)、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、葉綠素a(Chl-a)、總氮(TN)、氨態(tài)氮(TAN)、總磷(TP)、可溶性活性磷(ADP)。使用Mettler Toledo便攜pH計(jì)、水溫計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定溫度、酸堿度及溶解氧；黑白盤(pán)法測(cè)定水體透明度。采得水樣保存在5 L聚乙烯桶內(nèi)帶回，其余理化指標(biāo)測(cè)定均在大連海洋大學(xué)遼寧省水生生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定方法及具體步驟參照《養(yǎng)殖水環(huán)境化學(xué)》[12]。

1.2.4 數(shù)據(jù)整理與分析 利用Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，通過(guò)SPSS19.0進(jìn)行浮游細(xì)菌密度與理化因子間相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 北京五大水系浮游細(xì)菌數(shù)量的時(shí)空分布

2.1.1 潮白河水系浮游細(xì)菌數(shù)量分布 潮白河水系各水體浮游細(xì)菌數(shù)量時(shí)間動(dòng)態(tài)見(jiàn)表1。已采集水樣點(diǎn)位的結(jié)果表明，該水系總體浮游細(xì)菌數(shù)量變化范圍為(0.24～28.46)×104cell/mL，平均值為2.78×104cell/mL。整體上2016年細(xì)菌數(shù)量低于其他年份，水系細(xì)菌數(shù)量最大均值出現(xiàn)在2018年9月，達(dá)8.20×104cell/mL，最小均值出現(xiàn)在2016年9月，僅為0.29×104cell/mL。各水體細(xì)菌數(shù)量最大均值為密云水庫(kù)的12.72×104cell/mL，最小均值為雁棲湖的0.26×104cell/mL。

表1 2016年6月至2018年9月潮白河水系浮游細(xì)菌數(shù)量分布

2.1.2 大清河水系浮游細(xì)菌的數(shù)量分布 大清河水系各水體浮游細(xì)菌數(shù)量時(shí)間動(dòng)態(tài)見(jiàn)表2。該水系總體浮游細(xì)菌數(shù)量變化范圍在(1.34～64.00)×104cell/mL，平均值為7.46×104cell/mL。水系細(xì)菌數(shù)量在2017年到2018年6月呈下降趨勢(shì)，最大數(shù)量出現(xiàn)在2018年9月，達(dá)到16.53×104cell/mL，最小數(shù)量為2018年6月的1.44×104cell/mL。各水體平均細(xì)菌數(shù)量最大為小清河的20.01×104cell/mL，最小為青龍湖1的2.76×104cell/mL。

表2 2017年6月至2018年9月大清河水系浮游細(xì)菌數(shù)量分布

2.1.3 永定河水系浮游細(xì)菌的數(shù)量分布 永定河水系各水體浮游細(xì)菌數(shù)量時(shí)間動(dòng)態(tài)見(jiàn)表3。該水系總體浮游細(xì)菌數(shù)量變化范圍為(0.17～6.77)×104cell/mL，平均值為2.99×104cell/mL。水系浮游細(xì)菌數(shù)量最大值出現(xiàn)在2017年9月，為4.24×104cell/mL，最小值為2018年6月的2.00×104cell/mL，各水體細(xì)菌數(shù)量平均值最大為沙河水庫(kù)4.89×104cell/mL，最小為齋堂水庫(kù)的0.17×104cell/mL。

表3 2017年6月至2018年9月永定河水系浮游細(xì)菌數(shù)量分布

2.1.4 北運(yùn)河水系浮游細(xì)菌的數(shù)量分布 北運(yùn)河水系各水體浮游細(xì)菌數(shù)量時(shí)間動(dòng)態(tài)見(jiàn)表4。該水系總體浮游細(xì)菌數(shù)量變化范圍為(0.24～64.00)×104cell/mL，平均值為6.21×104cell/mL。水系細(xì)菌數(shù)量最大值出現(xiàn)在2018年9月，達(dá)12.79×104cell/mL，最小為2018年6月的3.43×104cell/mL。其中龍?zhí)豆珗@平均數(shù)量最大，達(dá)19.32×104cell/mL，最小的清河僅2.84×104cell/mL。

表4 2017年6月至2018年9月北運(yùn)河水系浮游細(xì)菌數(shù)量分布

2.1.5 薊運(yùn)河水系金海湖浮游細(xì)菌的數(shù)量分布 薊運(yùn)河水系浮游細(xì)菌數(shù)量時(shí)間動(dòng)態(tài)見(jiàn)表5，該水系僅對(duì)金海湖水庫(kù)進(jìn)行調(diào)查，細(xì)菌數(shù)量變化范圍為(0.80～112.00)×104cell/mL，平均值為11.91×104cell/mL。2017年至2018年6月水系整體細(xì)菌數(shù)量呈下降趨勢(shì)，細(xì)菌數(shù)量最大值出現(xiàn)在2018年9月，達(dá)38.67×104cell/mL，最小值為2018年6月的2.21×104cell/mL。各點(diǎn)位細(xì)菌數(shù)量最大為金海湖1的29.62×104cell/mL，最小為金海湖2的2.45×104cell/mL。

表5 2017年6月至2018年9月薊運(yùn)河水系金海湖浮游細(xì)菌數(shù)量分布

2.2 北京市五大水系理化指標(biāo)的時(shí)間動(dòng)態(tài)

五大水系水環(huán)境理化指標(biāo)的時(shí)間動(dòng)態(tài)見(jiàn)表6。由于水樣采集在6月和9月進(jìn)行，集中在夏秋季節(jié)，測(cè)得水溫各水系均較高，平均水溫最高的永定河水系達(dá)到(26.38±1.61) ℃，最低的潮白河水系也有(25.03±1.85) ℃；各水系pH均穩(wěn)定在弱堿性狀態(tài)，平均pH值最高的永定河水系為8.87±0.13，最低的大清河水系8.30±0.48；DO各水系差異較大，潮白河水系、永定河水系和薊運(yùn)河水系DO峰值均出現(xiàn)在2018年6月，大清河水系2017年9月達(dá)到峰值，而北運(yùn)河水系2017年6月為最大值，DO均值最高為大清河水系的(10.41±2.90) mg/L，最低是潮白河水系(6.87±1.19) mg/L，總體達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅰ～Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[13]；潮白河水系、永定河水系和北運(yùn)河水系COD變化趨勢(shì)一致，從2017年6月降至9月的最低值，并在2018年6月轉(zhuǎn)為最高值后再次下降，各水系COD均值均符合Ⅰ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[13]；Chl-a大清河水系在2018年6月達(dá)到峰值，其余水系峰值均出現(xiàn)在2018年9月，且各水系Chl-a總體上2018年高于2017年；TN平均值最高為大清河水系(1.38±0.25) mg/L，最低則是永定河水系(1.20±0.44) mg/L，均屬Ⅳ類(lèi)水質(zhì)[13]；各水系TAN差異較大，但在2018年均符合低于0.15 mg/L的Ⅰ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限制水平；TP含量2018年除薊運(yùn)河水系外均呈現(xiàn)6月<9月的趨勢(shì)，平均值最大的潮白河水系達(dá)(0.48±0.97) mg/L，與最低的薊運(yùn)河水系(0.05±0.03) mg/L間相差近九倍；大清河水系、永定河水系和北運(yùn)河水系A(chǔ)DP均呈現(xiàn)出先降低再升高的趨勢(shì)，薊運(yùn)河水系則較穩(wěn)定地維持在0.01 mg/L，潮白河水系處于波動(dòng)狀態(tài)。

表6 北京市五大水系總體理化指標(biāo)的時(shí)間動(dòng)態(tài)

續(xù)表6

2.3 浮游細(xì)菌密度與理化因子的相關(guān)性分析

表7為各水系水體浮游細(xì)菌密度與理化因子間相關(guān)性分析結(jié)果。五大水系浮游細(xì)菌數(shù)量與各理化因子間的相關(guān)關(guān)系存在一定差異，部分水系浮游細(xì)菌數(shù)量受多種理化因子的影響。各水系浮游細(xì)菌密度與水體溫度、pH、DO和COD間均未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。大清河水系浮游細(xì)菌密度與TN(P<0.05)間呈顯著相關(guān)性，與TP(P<0.01)和ADP(P<0.01)間正相關(guān)性則達(dá)到極顯著水平；永定河水系浮游細(xì)菌密度與TAN(P<0.05)和TP(P<0.05)間呈顯著正相關(guān)性，而與ADP(P<0.01)間呈極顯著正相關(guān)性；薊運(yùn)河水系僅Chl-a(P<0.05)與浮游細(xì)菌密度間表現(xiàn)出顯著正相關(guān)性；而潮白河水系及北運(yùn)河水系細(xì)菌密度則與各理化因子均無(wú)顯著相關(guān)性。

表7 五大水系水體浮游細(xì)菌密度與環(huán)境因子相關(guān)性分析

3 討 論

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，各水系浮游細(xì)菌的數(shù)量變化分別為潮白河水系(0.24～28.46)×104cell/mL，大清河水系(1.34～64.00)×104cell/mL，永定河水系(0.17～6.77)×104cell/mL，北運(yùn)河水系(0.24～64.00)×104cell/mL，薊運(yùn)河水系(0.80～112.00)×104cell/mL。浮游細(xì)菌數(shù)量均值最高的薊運(yùn)河水系達(dá)到11.91×104cell/mL，最低的潮白河水系為2.78×104cell/mL。王曉丹等[14]曾對(duì)密云水庫(kù)水體細(xì)菌密度進(jìn)行過(guò)調(diào)查研究，結(jié)果顯示其每毫升細(xì)菌數(shù)量基本在104數(shù)量級(jí)，與本次調(diào)查結(jié)果較接近。近年來(lái)不少學(xué)者對(duì)水體浮游細(xì)菌做過(guò)相關(guān)調(diào)查，如新疆博斯騰湖的細(xì)菌密度為(1.41～4.57)×106cell/mL[15]，遼寧碧流河水庫(kù)為(1.01～8.50)×1010cell/mL[16]，對(duì)比結(jié)果表明北京市五大水系浮游細(xì)菌數(shù)量總體上呈較低水平。

浮游細(xì)菌常被用作反映水體污染情況的生物指標(biāo)，其數(shù)量受水環(huán)境中諸多理化因子及生物群落的影響[11,17]。氨態(tài)氮是水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)中最常用的重要指標(biāo)[18]，其可作為水體中重要氮源促進(jìn)浮游細(xì)菌的生長(zhǎng)[19]。分析結(jié)果表明，與其他水系不同的是永定河水系浮游細(xì)菌密度同TAN間表現(xiàn)出顯著正相關(guān)性，氨氮與細(xì)菌豐度間的關(guān)系同多種理化因子水平密切相關(guān)，浮游細(xì)菌在未受其他限制因素影響時(shí)，氮磷才能對(duì)細(xì)菌數(shù)量產(chǎn)生顯著影響，若理化指標(biāo)受到影響時(shí)，細(xì)菌同營(yíng)養(yǎng)鹽間的關(guān)系也會(huì)發(fā)生變化[20]。水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因之一是氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的過(guò)量輸入[21]，而浮游細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖有賴(lài)于對(duì)水體中氮、磷元素的吸收，氮磷在營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮著舉足輕重的作用[22]，減少氮、磷的輸入，在一定程度上可緩解水體污染狀況。曾有研究[11,16]發(fā)現(xiàn)浮游細(xì)菌數(shù)量同水體總氮、總磷間存在相關(guān)性，而結(jié)果顯示本研究北京市五大水系中與TN或TP具有顯著相關(guān)關(guān)系的有大清河水系和永定河水系，由于各水系理化狀況等具體情況不同，在相關(guān)性上存在較大差異。水體中活性磷被認(rèn)為是藻類(lèi)生長(zhǎng)所能吸收的磷元素的重要存在形式，以可溶性磷酸鹽為主[23]。有研究指出，活性磷是影響水體微生物群落的主要環(huán)境因素之一[24]，本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，永定河水系浮游細(xì)菌數(shù)量與活性磷呈顯著正相關(guān)性。作為浮游藻類(lèi)的共有色素，Chl-a水平通常能夠反映水體浮游植物的含量[25-26]，因而常被用來(lái)評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況。有學(xué)者提出細(xì)菌的生長(zhǎng)代謝依賴(lài)于浮游動(dòng)植物在水中的溶出有機(jī)質(zhì)[27]，同時(shí)細(xì)菌本身又可在特定條件下對(duì)浮游植物的生長(zhǎng)存活產(chǎn)生影響，表明細(xì)菌與浮游植物關(guān)系密不可分。胡明明等[6]發(fā)現(xiàn)云南高原湖庫(kù)中浮游細(xì)菌豐度與Chl-a間存在極顯著正相關(guān)性，Zhou等[28]對(duì)南海北部海域浮游細(xì)菌的調(diào)查結(jié)果也反映了這一狀況，調(diào)查各水系發(fā)現(xiàn)僅薊運(yùn)河水系存在這種相關(guān)關(guān)系，其他水系Chl-a并非是浮游細(xì)菌生長(zhǎng)的制約條件。

對(duì)比分析五大水系浮游細(xì)菌數(shù)量特征后發(fā)現(xiàn)各水系水質(zhì)狀況均較好，其中以永定河水系最優(yōu)。各水系浮游細(xì)菌數(shù)量及變化趨勢(shì)均不相同，浮游細(xì)菌數(shù)量與特定理化因子間的關(guān)系受到理化條件和水環(huán)境狀況等一系列因素的影響，導(dǎo)致最終相關(guān)性分析結(jié)果差異較大。水域環(huán)境復(fù)雜多樣，且不同浮游細(xì)菌種群受環(huán)境因子的影響同樣存在差異，需要對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步研究。