北京市五大水系水體浮游細菌的數量特征研究

朱文宇， 趙 文*， 王天宇， 時 曉， 李 博

(1.大連海洋大學水產與生命學院 遼寧省水生生物重點實驗室，遼寧 大連 116023；2.北京市水生野生動植物救護中心，北京 102100)

作為生物群落的重要組成部分，細菌因其龐大的數量和繁雜的種類成為水域生態環境重要的研究對象。浮游細菌在水生態系統的物質循環及能量流動中發揮著極其重要的作用[1-2]。細菌作為分解者既能將有機物分解礦化供浮游植物利用[3]，起到一定凈化水體的作用，又能將周圍環境中的有機物吸收轉化為自身物質，經由浮游動物的捕食作用沿食物鏈傳遞給下一營養級[4-5]。而過多的浮游細菌表明水體受污染程度較高[6]。水體特定的理化環境決定著在細菌群落生長和繁殖的同時，細菌代謝過程的產物反過來影響著水體的理化性質[7]。因此細菌在一定程度上反映著水域生態環境的狀況[8]，進而被廣泛應用于水體污染狀況的評價體系[9]。此次調查內容涉及北京市五大水系典型水體浮游細菌數量的時空動態，通過對各水系細菌數量的分布及其變化情況的統計以及與水環境理化指標相關性的分析，以掌握北京市各水系水體浮游細菌狀況及其變化規律，為北京水質安全及水域生態環境狀況的評價提供資料，并對今后一段時期湖庫生態環境的修復及水庫水源的保護提供必要的參考依據。

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、北運河水系和薊運河水系)現場采集獲得。依照各個采樣點的實際水深情況采集水樣，深水區及淺水區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塑料瓶內并立即加入3%無顆粒甲醛搖勻固定，于保溫箱內低溫保存，帶回實驗室后存于4 ℃冰箱并在短期內完成計數。

1.1.2 主要儀器及試劑 采水設備為水生80型采水器；抽濾設備為循環水式多用真空泵(SHZ-D(Ⅲ)，河南省予華儀器有限公司)、玻璃過濾器(T-50，天津市津騰實驗設備有限公司)；計數設備為蔡司熒光顯微鏡(Zess，HBO50/AC，德國)；孔徑0.2 μm的微孔濾膜(直徑25 mm，上海興亞凈化材料廠)；無顆粒甲醛固定液(遼寧泉瑞試劑有限公司)，0.1%吖啶橙染液(國藥集團化學試劑有限公司)，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 采樣時間及采樣點設置 2016年至2018年每年的6月至9月先后對北京相關水系共進行4～6次采樣，調查水體共計46個，包括潮白河水系14個水體、大清河水系8個水體、永定河水系10個水體、北運河水系13個水體及薊運河水系1個水體，涉及各水系的河流、湖泊和水庫。

1.2.2 浮游細菌計數 采用熒光顯微鏡計數法(AODC)[10]進行細菌數量計數,取5 mL固定后經無菌水稀釋一定倍數的水樣,加入0.5 mL吖啶橙染液染色5 min,過濾至濾膜表面并將濾膜置于載玻片上，滴加無熒光潤油，蓋上蓋玻片計數。在顯微鏡100×物鏡下，統計隨機10～15個視野下的細菌數量。浮游細菌密度的計算公式如下：

N=(A×S×n)/(FS×V)[11]

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

1.2.3 理化指標測定 測定理化指標包括溫度(T)、酸堿度(pH)、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、葉綠素a(Chl-a)、總氮(TN)、氨態氮(TAN)、總磷(TP)、可溶性活性磷(ADP)。使用Mettler Toledo便攜pH計、水溫計現場測定溫度、酸堿度及溶解氧；黑白盤法測定水體透明度。采得水樣保存在5 L聚乙烯桶內帶回，其余理化指標測定均在大連海洋大學遼寧省水生生物學重點實驗室內完成，各項指標的測定方法及具體步驟參照《養殖水環境化學》[12]。

1.2.4 數據整理與分析 利用Excel 2019對數據結果進行統計整理，通過SPSS19.0進行浮游細菌密度與理化因子間相關性分析。

2 結果與分析

2.1 北京五大水系浮游細菌數量的時空分布

2.1.1 潮白河水系浮游細菌數量分布 潮白河水系各水體浮游細菌數量時間動態見表1。已采集水樣點位的結果表明，該水系總體浮游細菌數量變化范圍為(0.24～28.46)×104cell/mL，平均值為2.78×104cell/mL。整體上2016年細菌數量低于其他年份，水系細菌數量最大均值出現在2018年9月，達8.20×104cell/mL，最小均值出現在2016年9月，僅為0.29×104cell/mL。各水體細菌數量最大均值為密云水庫的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菌數量分布

2.1.2 大清河水系浮游細菌的數量分布 大清河水系各水體浮游細菌數量時間動態見表2。該水系總體浮游細菌數量變化范圍在(1.34～64.00)×104cell/mL，平均值為7.46×104cell/mL。水系細菌數量在2017年到2018年6月呈下降趨勢，最大數量出現在2018年9月，達到16.53×104cell/mL，最小數量為2018年6月的1.44×104cell/mL。各水體平均細菌數量最大為小清河的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菌數量分布

2.1.3 永定河水系浮游細菌的數量分布 永定河水系各水體浮游細菌數量時間動態見表3。該水系總體浮游細菌數量變化范圍為(0.17～6.77)×104cell/mL，平均值為2.99×104cell/mL。水系浮游細菌數量最大值出現在2017年9月，為4.24×104cell/mL，最小值為2018年6月的2.00×104cell/mL，各水體細菌數量平均值最大為沙河水庫4.89×104cell/mL，最小為齋堂水庫的0.17×104cell/mL。

表3 2017年6月至2018年9月永定河水系浮游細菌數量分布

2.1.4 北運河水系浮游細菌的數量分布 北運河水系各水體浮游細菌數量時間動態見表4。該水系總體浮游細菌數量變化范圍為(0.24～64.00)×104cell/mL，平均值為6.21×104cell/mL。水系細菌數量最大值出現在2018年9月，達12.79×104cell/mL，最小為2018年6月的3.43×104cell/mL。其中龍潭公園平均數量最大，達19.32×104cell/mL，最小的清河僅2.84×104cell/mL。

表4 2017年6月至2018年9月北運河水系浮游細菌數量分布

2.1.5 薊運河水系金海湖浮游細菌的數量分布 薊運河水系浮游細菌數量時間動態見表5，該水系僅對金海湖水庫進行調查，細菌數量變化范圍為(0.80～112.00)×104cell/mL，平均值為11.91×104cell/mL。2017年至2018年6月水系整體細菌數量呈下降趨勢，細菌數量最大值出現在2018年9月，達38.67×104cell/mL，最小值為2018年6月的2.21×104cell/mL。各點位細菌數量最大為金海湖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月薊運河水系金海湖浮游細菌數量分布

2.2 北京市五大水系理化指標的時間動態

五大水系水環境理化指標的時間動態見表6。由于水樣采集在6月和9月進行，集中在夏秋季節，測得水溫各水系均較高，平均水溫最高的永定河水系達到(26.38±1.61) ℃，最低的潮白河水系也有(25.03±1.85) ℃；各水系pH均穩定在弱堿性狀態，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、永定河水系和薊運河水系DO峰值均出現在2018年6月，大清河水系2017年9月達到峰值，而北運河水系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，總體達到地表水環境質量標準的Ⅰ～Ⅱ類水質標準[13]；潮白河水系、永定河水系和北運河水系COD變化趨勢一致，從2017年6月降至9月的最低值，并在2018年6月轉為最高值后再次下降，各水系COD均值均符合Ⅰ類水質標準[13]；Chl-a大清河水系在2018年6月達到峰值，其余水系峰值均出現在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類水質[13]；各水系TAN差異較大，但在2018年均符合低于0.15 mg/L的Ⅰ類水質標準限制水平；TP含量2018年除薊運河水系外均呈現6月<9月的趨勢，平均值最大的潮白河水系達(0.48±0.97) mg/L，與最低的薊運河水系(0.05±0.03) mg/L間相差近九倍；大清河水系、永定河水系和北運河水系ADP均呈現出先降低再升高的趨勢，薊運河水系則較穩定地維持在0.01 mg/L，潮白河水系處于波動狀態。

表6 北京市五大水系總體理化指標的時間動態

續表6

2.3 浮游細菌密度與理化因子的相關性分析

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

表7 五大水系水體浮游細菌密度與環境因子相關性分析

3 討 論

經調查統計發現，各水系浮游細菌的數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，北運河水系(0.24～64.00)×104cell/mL，薊運河水系(0.80～112.00)×104cell/mL。浮游細菌數量均值最高的薊運河水系達到11.91×104cell/mL，最低的潮白河水系為2.78×104cell/mL。王曉丹等[14]曾對密云水庫水體細菌密度進行過調查研究，結果顯示其每毫升細菌數量基本在104數量級，與本次調查結果較接近。近年來不少學者對水體浮游細菌做過相關調查，如新疆博斯騰湖的細菌密度為(1.41～4.57)×106cell/mL[15]，遼寧碧流河水庫為(1.01～8.50)×1010cell/mL[16]，對比結果表明北京市五大水系浮游細菌數量總體上呈較低水平。

浮游細菌常被用作反映水體污染情況的生物指標，其數量受水環境中諸多理化因子及生物群落的影響[11,17]。氨態氮是水質狀況評價中最常用的重要指標[18]，其可作為水體中重要氮源促進浮游細菌的生長[19]。分析結果表明，與其他水系不同的是永定河水系浮游細菌密度同TAN間表現出顯著正相關性，氨氮與細菌豐度間的關系同多種理化因子水平密切相關，浮游細菌在未受其他限制因素影響時，氮磷才能對細菌數量產生顯著影響，若理化指標受到影響時，細菌同營養鹽間的關系也會發生變化[20]。水體富營養化的主要原因之一是氮、磷等營養鹽的過量輸入[21]，而浮游細菌的生長和繁殖有賴于對水體中氮、磷元素的吸收，氮磷在營養鹽物質循環中發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]發現浮游細菌數量同水體總氮、總磷間存在相關性，而結果顯示本研究北京市五大水系中與TN或TP具有顯著相關關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，在相關性上存在較大差異。水體中活性磷被認為是藻類生長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境因素之一[24]，本次調查發現，永定河水系浮游細菌數量與活性磷呈顯著正相關性。作為浮游藻類的共有色素，Chl-a水平通常能夠反映水體浮游植物的含量[25-26]，因而常被用來評價水體富營養化狀況。有學者提出細菌的生長代謝依賴于浮游動植物在水中的溶出有機質[27]，同時細菌本身又可在特定條件下對浮游植物的生長存活產生影響，表明細菌與浮游植物關系密不可分。胡明明等[6]發現云南高原湖庫中浮游細菌豐度與Chl-a間存在極顯著正相關性，Zhou等[28]對南海北部海域浮游細菌的調查結果也反映了這一狀況，調查各水系發現僅薊運河水系存在這種相關關系，其他水系Chl-a并非是浮游細菌生長的制約條件。

對比分析五大水系浮游細菌數量特征后發現各水系水質狀況均較好，其中以永定河水系最優。各水系浮游細菌數量及變化趨勢均不相同，浮游細菌數量與特定理化因子間的關系受到理化條件和水環境狀況等一系列因素的影響，導致最終相關性分析結果差異較大。水域環境復雜多樣，且不同浮游細菌種群受環境因子的影響同樣存在差異，需要對細菌群落結構作進一步研究。