桂林會(huì)仙典型巖溶濕地水化學(xué)特征和微生物現(xiàn)狀

李 軍，趙 一，藍(lán) 芙 寧，周 長(zhǎng) 松，林 永 生，鄒 勝 章

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所 自然資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004； 2.河北建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程系 河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000； 3.聯(lián)合國(guó)教科文組織國(guó)際巖溶研究中心，廣西 桂林 541004)

我國(guó)是濕地資源非常豐富的國(guó)家，面積達(dá)5 360.26萬(wàn) hm2[1]，也是在亞洲擁有濕地最多的國(guó)家。豐富的濕地資源不僅具有涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、蓄洪抗旱和美化環(huán)境的功能，也在維持生物多樣性、凈化水質(zhì)等方面發(fā)揮著重要的生態(tài)作用[2-4]。在全球變暖的大環(huán)境下，人口增長(zhǎng)和工農(nóng)業(yè)發(fā)展一方面導(dǎo)致部分濕地面臨萎縮和退化風(fēng)險(xiǎn)[5]，另一方面致使?jié)竦厮w和土壤環(huán)境遭受污染[6]。特別是在巖溶濕地生態(tài)系統(tǒng)中，巖溶管道發(fā)育和集中排泄使得地下水流更快[7]，不僅導(dǎo)致巖溶濕地水位和水量年季變化大，而且污染物稀釋的同時(shí)更易擴(kuò)散，這對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)和附加經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生極其不利的影響。

會(huì)仙濕地是我國(guó)面積最大的低海拔巖溶濕地[8]，于2012年4月被列為試點(diǎn)建設(shè)國(guó)家濕地公園，是桂林山水的重要組成部分，也是中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所、廣西師范大學(xué)、桂林理工大學(xué)、桂林電子科技大學(xué)等科研單位的重要科研基地。近年來(lái)會(huì)仙巖溶濕地人類活動(dòng)頻繁，特別是農(nóng)業(yè)活動(dòng)的增加，導(dǎo)致會(huì)仙濕地面積由42 km2縮減至15 km2[8-9]，常年存水面積不足6 km2[2]，水土出現(xiàn)不同程度污染[6，8，10-12]。因此，有必要對(duì)會(huì)仙巖溶濕地開(kāi)展水體污染和與污染轉(zhuǎn)化相關(guān)的綜合性研究和總結(jié)工作。

近年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)會(huì)仙巖溶濕地植被、水土污染、元素循環(huán)、演變過(guò)程等進(jìn)行了較全面研究[13-15]，也有部分學(xué)者關(guān)注會(huì)仙巖溶濕地微生物群落。微生物是巖溶濕地中數(shù)量最多、個(gè)體最小的活躍群體，驅(qū)動(dòng)著地球化學(xué)元素循環(huán)和污染物遷移轉(zhuǎn)化[16]，微生物群體響應(yīng)特征也能間接反映巖溶濕地生態(tài)系統(tǒng)狀況，是物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)化和信息傳遞的重要參與者和執(zhí)行者[17]。然而，會(huì)仙巖溶濕地的研究工作當(dāng)前缺乏對(duì)水污染和微生物菌群的整體性認(rèn)識(shí)。因此，有必要綜合分析和歸納該濕地水化學(xué)變化和微生物群落整體特征，在此基礎(chǔ)上發(fā)掘水化學(xué)污染與微生物菌群之間相互影響關(guān)系，為會(huì)仙巖溶濕地提供綜合性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文利用會(huì)仙巖溶濕地調(diào)查結(jié)果和水化學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)合近些年會(huì)仙巖溶濕地水土污染和微生物研究成果，在介紹會(huì)仙巖溶濕地概況基礎(chǔ)上，分析近3 a水化學(xué)特征和污染變化趨勢(shì)，總結(jié)濕地微生物群落組成及與污染物之間的相互作用關(guān)系，以期促進(jìn)會(huì)仙巖溶濕地生態(tài)恢復(fù)和污染治理。

1 會(huì)仙巖溶濕地概況

1.1 區(qū)域概況

桂林會(huì)仙濕地是我國(guó)典型巖溶濕地，如圖1所示，由桂林雁山區(qū)、臨桂會(huì)仙鎮(zhèn)和四塘鄉(xiāng)部分地區(qū)組成，是桂江流域和柳江流域分水嶺[2，18]。地理位置為北緯25°05′20″～25°06′45″，東經(jīng)110°09′50″～110°14′30″，海拔多介于140～160 m，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，是我國(guó)亞熱帶峰林地貌中心帶，年平均氣溫為19.5 ℃，平均降水量為1 835.8 mm，蒸發(fā)量為1 569.7 mm，降水主要集中在4～8月，占年降水總量約50%[6]，具有雨季濕地水位高，旱季水位低的特點(diǎn)。

圖1 會(huì)仙巖溶濕地地理位置與采樣點(diǎn)分布Fig.1 The location of Huixian Karst wetland and sampling positions

會(huì)仙巖溶濕地補(bǔ)徑排條件受到氣象、水文、下墊面等綜合控制，地下水補(bǔ)給來(lái)源主要有3種：大氣降水直接入滲補(bǔ)給、沼澤水體入滲補(bǔ)給、外源水側(cè)向補(bǔ)給。受地形和構(gòu)造作用控制，地下水流向整體呈扇形，由南北兩向向西部、中部和東部徑流。排泄形式較多，主要為潛流、泉及伏流，枯水期或長(zhǎng)時(shí)間未降雨時(shí)，排泄以潛流為主。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析

選取會(huì)仙典型巖溶濕地為研究區(qū)，于2019年5月采集水樣共23組，地下水(民井和地下河)、地表水(地表河流和溶潭)分別為12組和11組。每組水樣采用500 mL聚乙烯塑料瓶分裝，用于無(wú)機(jī)組分測(cè)試，40 mL和1 L棕色玻璃瓶分裝，用于揮發(fā)和半揮發(fā)有機(jī)組分測(cè)試，有機(jī)樣品全程冰凍保存。采樣期間均進(jìn)行氣溫、水溫、pH、EC、Eh、DO和TDS指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。所有樣品送往巖溶地質(zhì)與資源環(huán)境測(cè)試中心進(jìn)行水化學(xué)離子檢測(cè)，通過(guò)對(duì)照、加標(biāo)等方法實(shí)現(xiàn)質(zhì)控。

收集會(huì)仙典型巖溶濕地近3 a水化學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)比較不同時(shí)期水化學(xué)變化特征，揭示研究區(qū)水體污染演變規(guī)律。同時(shí)，收集研究區(qū)微生物菌群相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，在總結(jié)微生物菌群結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步揭示微生物菌群與污染物之間的相關(guān)性。

1.3 生態(tài)特征

會(huì)仙巖溶濕地主要由巖溶湖泊、泉、沼澤、草地組成[19]，可劃分為河流濕地、湖泊濕地、沼澤濕地和人工濕地，主要類型是人工濕地，各類型濕地分布詳見(jiàn)表1[20]。

表1 會(huì)仙巖溶濕地類型概況Tab.1 The types of Huixian Karst wetland

會(huì)仙巖溶濕地具有豐富的生物多樣性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該濕地具有維管束植物108科316種，陸生脊椎動(dòng)67科234種，其中包括國(guó)家Ⅱ級(jí)保護(hù)植物野生稻1株，國(guó)家Ⅰ級(jí)保護(hù)動(dòng)物東方白鸛，國(guó)家Ⅱ級(jí)保護(hù)動(dòng)物18種，是湘桂走廊候鳥(niǎo)遷徙必經(jīng)之路[20]。豐富的動(dòng)植物資源對(duì)維持生物多樣性、局部氣候具有重要意義。微生物作為濕地生態(tài)系統(tǒng)中數(shù)量龐大的生命體，不僅與動(dòng)植物保持著相克相生的平衡關(guān)系，也與濕地生態(tài)系統(tǒng)功能、平衡密切相關(guān)。在土地資源稀缺、石漠化嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱的巖溶地區(qū)[21]，豐富的生物資源極具生態(tài)價(jià)值。

然而，隨著會(huì)仙地區(qū)人口壓力增大，不合理圍墾與開(kāi)發(fā)導(dǎo)致會(huì)仙巖溶濕地呈退化趨勢(shì)[21]，生態(tài)功能被嚴(yán)重削弱，主要表現(xiàn)在濕地面積縮減和生物多樣性減少，特別是部分國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)動(dòng)植物，近于滅絕狀態(tài)。大面積的人工魚(yú)塘和耕種，不僅對(duì)水土造成一定污染，同時(shí)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，特別是水葫蘆大面積瘋長(zhǎng)，進(jìn)一步惡化了水環(huán)境。生態(tài)環(huán)境惡化直接導(dǎo)致會(huì)仙巖溶濕地生態(tài)功能退化。

2 會(huì)仙巖溶濕地水化學(xué)與污染特征分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

根據(jù)23組水樣現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可知，會(huì)仙巖溶濕地pH介于6.46～8.17，平均值為7.28，多數(shù)水體pH>7，呈弱堿性。而2017年7月和10月的41組水樣結(jié)果中pH介于7.4～9.4，平均值為8.0[11]，高于2019年，說(shuō)明會(huì)仙巖溶濕地水體呈堿性至中性演化趨勢(shì)。溶解氧(DO)不僅可反映水體氧化還原環(huán)境，值越大說(shuō)明越接近氧化環(huán)境[22]，也能反映水體污染情況，值越小說(shuō)明越趨于污染。會(huì)仙巖溶濕地2019年5月DO值介于0.56～7.39 mg/L，平均值為5.01 mg/L，而2017年DO值介于0.70～15.90 mg/L，平均值為4.30 mg/L[11]，說(shuō)明會(huì)仙巖溶濕地2017年整體水質(zhì)較2019年差，但局部存在較好水質(zhì)。據(jù)濕地現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，多數(shù)河流表面生長(zhǎng)大量水葫蘆，水葫蘆雖對(duì)重金屬等污染物具有富集作用[23-25]，但在生長(zhǎng)過(guò)程中需消耗大量氧氣，促進(jìn)厭氧微生物繁殖代謝，水葫蘆腐爛也進(jìn)一步加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化[26]。因此，水葫蘆大量生長(zhǎng)是導(dǎo)致DO值偏低的一個(gè)重要原因。

2.2 無(wú)機(jī)組分含量與污染分析

表2 不同類型濕地水體離子濃度特征Tab.2 Characteristic ion concentration of different wetland types of water mg/L

2.3 重金屬含量與污染分析

會(huì)仙巖溶濕地2019年水樣Al、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、Mn、As和Hg測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。超標(biāo)重金屬包括Al、Mn和Hg，其中，溶潭水Al超標(biāo)，上村南部溶潭水濃度高達(dá)300.00 μg/L；河水Mn超標(biāo)，9組河水樣Mn平均濃度為128.81 μg/L，超過(guò)GBT14848-2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)0.1 mg/L，睦洞河中游水樣Mn濃度高達(dá)295.00 μg/L；僅一個(gè)測(cè)點(diǎn)Hg超過(guò)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)0.001 mg/L，即莫家村民井井水Hg濃度為1.08 μg/L。因此，從超標(biāo)樣點(diǎn)占比來(lái)看，地下河水和井水水質(zhì)優(yōu)于溶潭水和地表河水。據(jù)不同類型水體重金屬濃度平均值和最大值變化可知(見(jiàn)圖2)，溶潭水中Al的平均值和最大值均明顯高于其它3種類型水，地表河水中的Mn平均值和最大值均也明顯高于其它3種類型水，而井水中Hg平均值和其它3種類型水相差并不大。濕地土壤重金屬含量較高的地方集中在池塘和溝渠[29]，這可能是造成地表水較地下水污染嚴(yán)重的一個(gè)重要原因。

圖2 濕地不同類型水體重金屬濃度變化趨勢(shì)Fig.2 Trends of heavy metal contents in different types water of wetland

表3 濕地不同類型水體重金屬濃度特征Tab.3 Characteristic of heavy metal contents in different types water of wetland μg/L

3 微生物群落特征及相關(guān)性分析

微生物不僅是濕地生態(tài)系統(tǒng)的末端分解者[30]，也是環(huán)境污染的敏感指示者。因此，有必要了解濕地生態(tài)系統(tǒng)中主要菌群結(jié)構(gòu)和功能指示菌群，為抵抗?jié)竦丨h(huán)境污染壓力，維持濕地生態(tài)平衡提供重要基礎(chǔ)，特別是能提供不同基質(zhì)內(nèi)及相互間作用重要信息的過(guò)渡帶微生物群落，如濕地生態(tài)系統(tǒng)0～10 cm沉積物和水生植物根系土壤微生物菌群。

3.1 沉積物微生物菌群特征分析

巖溶湖泊、河道表層沉積物是水體與沉積物的過(guò)渡帶，微生物不僅受兩者共同影響影響，也能反映兩者環(huán)境狀態(tài)。研究表明，會(huì)仙巖溶濕地睦洞河沉積物中主要菌門為Proteobacteria(變形菌門)(18.33%～41.42%)、Chloroflexi(綠彎菌門)(5.27%～32.56%)、Acidobacteria(酸桿菌門)，優(yōu)勢(shì)菌門是Proteobacteria[31]。這與我國(guó)其它湖泊濕地沉積物菌門結(jié)果基本一致[16]。屬水平，主要菌屬和優(yōu)勢(shì)菌屬不明顯，相對(duì)豐度較高的菌屬包括H16、Spirochaeta_2(螺旋體屬)、Desulfatiglans(脫硫酸鹽橡菌屬)、Anaeromyxobacter(厭氧粘細(xì)菌屬)、Geobacter(地桿菌屬)、Desulfobacca(脫硫桿菌屬)、Stenotrophomonas(寡養(yǎng)單胞菌屬)，而未分類菌屬相對(duì)豐度達(dá)37.85%～84.67%[31]。

此外，阮楚晉等利用平板涂布法和16S rRNA高通量測(cè)序分析了會(huì)仙巖溶濕地低泥中可培養(yǎng)微生物[39]，可培養(yǎng)菌門共包括Firmicutes(厚壁菌門)、Actinobacteria(放線菌門)、Proteobacteria和Bacteroidetes(擬桿菌門)四類。屬水平，Bacillus(芽孢桿菌屬)是可培養(yǎng)微生物中的優(yōu)勢(shì)菌屬，占分離菌株的53.85%。已有研究表明，Bacillus中的功能菌株對(duì)大分子含碳有機(jī)物具有代謝能力[40-41]，可在高濃度有機(jī)物中大量繁殖。Bacillus的大量存在反映出濕地有機(jī)污染狀態(tài)，這與會(huì)仙地表水中水葫蘆大量生長(zhǎng)和腐爛相關(guān)。同時(shí)，從會(huì)仙巖溶濕地低泥中分離出的條件致病菌和有機(jī)砷耐受菌說(shuō)明人類活動(dòng)對(duì)濕地生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響[39]。

3.2 根系土壤微生物菌群特征分析

土壤是濕地動(dòng)植物生存的重要載體，也是植被營(yíng)養(yǎng)的提供者，而會(huì)仙巖溶濕地土壤又有別于其它土壤，具有成土速率低、土層薄、土壤分布不連續(xù)等特點(diǎn)[42]，使得巖溶濕地土壤資源變得格外寶貴。近些年，受人類農(nóng)牧業(yè)活動(dòng)影響，土壤養(yǎng)分含量呈下降趨勢(shì)，會(huì)仙巖溶濕地生態(tài)問(wèn)題日益突出[43]。濕地生態(tài)系統(tǒng)自凈功能是通過(guò)土壤-植物-微生物實(shí)現(xiàn)的，根系和微生物菌群可固定和降解污染物，特別是微生物，是吸附和降解污染物的作用主體[44-45]。

據(jù)2019年研究報(bào)道，會(huì)仙巖溶濕地根際土壤中微生物菌門主要為Proteobacteria(18.6%～49.5%)、Chloroflexi(2.8%～21.6%)、Acidobacteria(1.8%～12.4%)，優(yōu)勢(shì)菌門是Proteobacteria[46]，這與會(huì)仙巖溶濕地沉積物中菌門結(jié)果一致[31]。屬水平，不同菌屬在樣品中分布差異較大，存在于多數(shù)樣品中的主要菌屬包括Thiobacillus(硫桿菌屬)、Anaeromyxobacter、H16、Desulfatiglans、Geobacter、Candididatus_competibacter、Syntrophorhabdus、Bacillus等，同時(shí)也存在Nitropirae、Fimicutes門和Pseudomonas、Nitrospira屬[46]。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

4.2 展 望

會(huì)仙巖溶濕地是巖溶水文地質(zhì)和濕地生態(tài)研究的理想模式樣地，同時(shí)也面臨著生態(tài)恢復(fù)和環(huán)境治理的艱巨任務(wù)。目前，有關(guān)會(huì)仙巖溶濕地微生物的研究報(bào)道多基于稀釋平板計(jì)數(shù)法、培養(yǎng)法等傳統(tǒng)微生物學(xué)技術(shù)和克隆文庫(kù)、定量PCR、16S rRNA高通量測(cè)序等分子生物學(xué)方法，且研究?jī)?nèi)容集中在確定微生物菌群數(shù)量、活性、組成和結(jié)構(gòu)上，以揭示環(huán)境因子與微生物群落結(jié)構(gòu)間的相關(guān)性，但并不清楚化學(xué)元素循環(huán)過(guò)程和微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制；同時(shí)，會(huì)仙巖溶濕地微生物多數(shù)研究呈單一時(shí)空規(guī)律得差異分析，如不同季節(jié)、不同土地類型等，而微生物生態(tài)平衡是綜合作用的結(jié)果。因此，在今后的研究中，一方面積極引入多組學(xué)方法，從功能基因、轉(zhuǎn)錄過(guò)程、蛋白表達(dá)等方面揭示微生物驅(qū)動(dòng)元素地球化學(xué)循環(huán)和污染降解的機(jī)理；另一方面，從采樣設(shè)計(jì)到分析研究應(yīng)兼顧環(huán)境因子綜合作用結(jié)果和會(huì)仙巖溶濕地的整體性。