基于指示細菌動態分布評價遼河口水質污染狀況

黃慧玲,明紅霞,李夢飛,戴媛媛,蘇 潔,石婷婷,金 媛,王 斌,樊景鳳

(1. 國家海洋環境監測中心 國家生態環境保護近岸海域生態環境重點實驗室,遼寧 大連 116023; 2. 大連海洋大學 水產與生命學院,遼寧 大連 116023; 3. 天津市水產研究所,天津 300221)

引 言

遼河口位于遼河三角洲的最南端,盤錦市境內雙臺子河的入?？谔?是由遼河、雙臺子河、大凌河等一系列河流作用形成的沖海積平原,總面積8萬公頃。近年來,隨著遼河流域工農業的飛速發展,河口的環境問題越來越突出。據統計,每年進入海洋的陸源物質約有85%通過河流進入海洋[1]。河口是陸源淡水進入海洋的重要區域,進入海洋的陸源淡水不僅帶來大量的陸地有機物和無機營養物質,同時伴隨著各種病原微生物,給海產品安全及娛樂用水的安全帶來了巨大的潛在風險[2]。水體中微生物種類日益多樣化,檢測水體中所有病原微生物工作量大且成本高,因此,國內外普遍采用檢測水體中的典型指示病原微生物來評價水體質量[3-4],反映遼河口水環境質量的真實情況進而做出相關治理方案[5]。

自20世紀80年代以來,腸球菌(Enterococcus,ENT)作為與人類健康密切相關的一種病原菌,被廣泛應用于監測海洋環境和娛樂水體的健康風險[6-9]。2010年腸球菌被列入海水浴場微生物水質評價指示菌[10],2013年被納入海洋生態調查指標之列[11]?；【鳛楹Ｑ笾幸活愡m應能力最強的革蘭氏陰性菌,也是重要的病原體,可廣泛引起海水養殖魚、蝦、貝類等生物的細菌學疾病,同時這類細菌還可以通過海產品介質傳播,引起人體霍亂、腸炎等疾病[12-14]。異養細菌在海水養殖生態系統中起著非常重要的作用,能對有機物及一些無機物進行分解、轉化和利用,促進水體的物質循環,所以其細菌數量和種類組成的變化與海水污染程度有密切的關系[15],可直接或間接反映某海區的營養水平、污染程度和底質狀況等[16]。

本文以遼河口為研究區域,采用多指標綜合評價河口水質,以腸球菌作為糞便指示細菌、弧菌作為水產養殖致病菌、異養細菌作為海洋生態系統健康重要指示細菌,通過對三種指示菌進行時間和空間上的動態分布并分析其與環境因素之間的相關性,綜合評估遼河口水質狀態,為河口生態環境保護提供重要參考依據,也為海洋污染防治和生態環境保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

分別在2018年降雨較少的6月和降雨頻繁的9月對遼河口區域進行實驗樣品采集。依據鹽度梯度變化設置12個站位(如圖1所示)。用卡蓋式采水器采集每個站位表層水樣,將水樣裝入對應的滅菌瓶中,低溫4℃保存,并于12 h內帶回實驗室用于細菌學指標的分析,同時現場測定了表層海水鹽度(S)、溫度(T)、酸堿度(pH)、溶解氧(DO)、懸浮物(SS)和化學需氧量(COD)6種環境要素指標。遼河口表層海水環境影響因子水樣的采集、保存和運輸嚴格按照(GB 17378-2007)《海洋監測規范》[17]中的規定進行。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品中細菌學指標及環境要素的測定方法

1.2.2 數據分析

本文采用Origin2021軟件進行數據結果展示和相關性系數圖繪制,站位圖和指示細菌豐度分布圖采用Surfer12.0軟件進行繪制,Canoco5進行冗余度分析和RDA圖繪制,SPSS22.0進行斯皮爾曼相關性分析和數據統計。

2 結果

本研究主要在2018年6月及9月對遼河口海水中腸球菌、弧菌、異養細菌數量進行了檢測,其時間上動態分布變化情況如圖2所示,2018年6月遼河口腸球菌檢出率最高值為4.0×101CFU·L-1,最低值低于檢測限;弧菌數量最大值為3.4×106CFU·L-1,最低值低于檢測限;異養細菌數量在6.93×106～8.78×107CFU·L-1之間;2018年9月河口腸球菌數量在1.0×101～1.5×103CFU·L-1;弧菌數量最大值為3.7×107CFU·L-1,最低值低于檢測限;異養細菌數量在5.67×106～6.54×108CFU·L-1之間?？臻g動態分布顯示,近岸海水站位指示細菌豐度高于遠海,且整體變化趨勢相同。同時受水動力的影響,河口正南方向(BY-5)指示細菌豐度也較高。

圖3 遼河口水化學指標和環境指標檢測結果(6月和9月)

對兩次采樣海水環境指標進行比較,結果表明(圖3):6月遼河口海水鹽度變化在24.23～29.12;溫度變化范圍在19.8～23.2°C;pH變化范圍為8.03～8.16;DO變化范圍在5.12～9.96 mg·L-1。其中DO值靠近近岸3個站位變化不大,與近岸站位相比較外部站位DO值略有升高,但差異不大;鹽度由近岸到遠海呈增長趨勢;水溫則由近岸向遠海逐漸降低,pH值變化不明顯。9月遼河口海水鹽度差異較大,在9.88～32.84,溫度變化范圍在21.3～23.4°C,pH變化范圍為7.92～7.97,DO變化范圍在6.53～7.76 mg·L-1。其中鹽度和溫度由近岸向遠海數值逐漸增大;DO值靠近近岸和東側站位變化不大,其他站位與其相比略有升高; pH變化不明顯。

3 討論

3.1 遼河口海水中腸球菌、弧菌和異養細菌的動態分布

6月份和9月份遼河口腸球菌、弧菌及異養細菌的數量變化區別在于:一是整體而言,三項指標的檢測結果均為9月高于6月。這是因為9月較6月氣溫高細菌繁殖快,同時雨水較多并攜帶陸地上大量污染物進入河流,腸球菌作為常見的糞便污染指示菌其檢出量在氣溫升高降水增多的月份增多,郭建麗等[21]研究也發現海水糞便污染在溫度升高降雨增加的季節會有加重的情況?；【呛Ｑ蟓h境中的土著菌,也是養殖生物和人體重要的病原菌?；【?月檢出量最多,近岸檢出量明顯多于遠海檢出量,說明生活污水及養殖污水對海域近岸的污染影響更大[22]。此外,本研究中異養細菌在兩次采樣結果中的檢出量在5.67×106～6.54×108CFU·L-1之間,該數值顯示遼河口海水呈嚴重污染[23]。二是腸球菌、弧菌和異養細菌數量在近岸海水中均高于遠海,整體變化趨勢相同。這是由于河口排放污水、人畜糞便等攜帶了如糞便污染指示菌腸球菌、養殖常見病原菌弧菌及各種細菌進入河口近海,而隨著海水稀釋作用外海海水中數量降低所致。

3.2 遼河口海水中腸球菌、弧菌和異養細菌在不同鹽度梯度下的差異比較

如圖1所示,根據不同鹽度梯度劃分的三個區域,S1區到S3區近岸到遠海鹽度呈增長趨勢。對6、9月三種指示細菌進行統計分析,如圖4所示,6月和9月腸球菌數目從近岸到遠海呈先減少后增加的趨勢,且9月數目高于6月;6月和9月份弧菌在S2區域數目相差較大,S1和S3區域數目相差不多,6月弧菌數目從近岸到遠海呈先減少后增加的趨勢,9月則是數目逐漸減少;6月異養細菌數目呈先降低后升高趨勢,9月異養細菌數目則逐漸降低,與弧菌類似6月和9月異養細菌S2區域數目相差較大。分析結果表明三個區域的同種指示細菌間差異不明顯。

圖4 遼河口三種指示細菌在三個區域之間的差異性結果(6月和9月)

3.3 遼河口海水化學指標和環境因子時空分布特征和相關性分析

對2018年6月和9月的遼河口海水的化學因子和環境因子進行檢測后比較分析發現,6月和9月兩次采樣中海水化學因子含量和環境因子存在明顯差異。

在淡海水相互作用下9月遼河口鹽度變化較6月更為顯著,且鹽度值更高,其主要原因是受降雨及上游來水量的影響,9月降雨增多的同時伴隨上游來水量增多使得河口鹽度降低,且向遠海明顯升高。DO的含量是衡量初級生產力高低的一個重要標志,它可以直接反映水體污染的程度。結合三種指示細菌在6月和9月份的數量變化來看,可以看出,9月指示細菌的數量要高于6月,即指示細菌數量升高,對應了環境指標DO濃度降低、海水溫度升高和pH降低;這與昝帥君等[5]研究相一致。同時溫度升高導致指示細菌活性和生長速率升高,指示細菌消耗水體中大量的溶氧,造成海水溶氧濃度降低,同時陸源污染物的增加引起水體化學需氧量的增加;另外6月和9月兩次采樣腸球菌和異養細菌的數量由近岸向遠海逐漸降低與站位鹽度逐漸升高相對應,這可能是由于降雨使得河口處鹽度較低適于生長,但遠海鹽度較高同時帶入了陸源污染導致其數量降低。

3.4 遼河口海水中的細菌學指標與水化學指標相關性分析

對6月和9月兩次采樣的總異養細菌,弧菌及腸球菌和COD、懸浮物、磷酸鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽、銨鹽6項水化學指標進行冗余分析和SPSS進行斯皮爾曼相關性分析,結果如圖5和表1所示。用不同箭頭表示細菌和環境指標,箭頭連線的長度表示細菌數量與該環境指標相關系數的大小,箭頭連線與排序軸的角度表示該環境指標與排序軸相關系數的大小,箭頭所處的象限則表示該環境指標與排序軸相關系數的正負。

表1 海水中三種病原指示細菌指標與水化學指標相關性分析

圖5 冗余度(RDA)分析水化學指標與病原指示細菌的相關性

結合RDA排序圖(圖5)、斯皮爾曼相關性分析(表1)和相關系數圖(圖6)的結果分別得到遼河口中對三種病原指示細菌有顯著影響的理化因子,可見遼河口中氮磷的含量的增加會促進腸球菌、弧菌和總異養細菌的繁殖。

圖6 6月、9月三種指示細菌與水化學指標和海水環境因子相關系數圖

有研究表明在城市區和集約農業區,污染物產生量大、隨地表徑流遷移路徑短,造成水體磷濃度高,而城市區和集約農業區工業廢水和生活污水直接排放入河也會導致水體磷含量高[28]。本研究中腸球菌豐度與磷酸鹽呈極顯著正相關,表明陸源污染物進入河流的同時帶入了大量含磷污染物,腸球菌也隨陸源污染物的進入增多。

3.5 遼河口海水中的細菌學指標與環境因子的相關性分析

由相關系數圖(圖6)、斯皮爾曼相關性分析(表2)和RDA排序圖(圖7)得到的結果,可知6月和9月三種病原指示細菌與DO均呈現負相關,且與6月異養細菌和弧菌呈顯著相關性,這與黃秀清等[29]調查發現異養細菌與DO呈負相關,林曉濤等[30]調查發現細菌數量與DO呈顯著負相關的結果相同。水體中氮、磷化合物過多,浮游生物、細菌的大量增加導致水中的懸浮物增加,透明度降低,同時影響水體的溶解氧,造成水體缺氧或無氧。其中異養細菌作為最常用來指示有機污染的一個指標,適用于富營養化研究中營養細菌濃度較高、細菌數量急劇增加的情況[31]。根據GB 17378.7-2007《海洋監測規范》可知[19],按照異養細菌數量評價,遼河口屬重污染區。許多研究表明弧菌的數量與水溫和鹽度相關,但本次調查研究中這種相關性并不明顯。其他細菌指標與各理化因子也存在一定的相關性,但不顯著。

表2 海水中細菌學指標與海水環境因子的相關性

圖7 冗余度(RDA)分析環境指標與三種病原指示細菌的相關性

4 結論與展望

當前,人類活動對河口環境造成干擾,河口環境污染嚴重,在此背景下,以遼河口作為研究區域,選擇腸球菌、弧菌和異養細菌作為環境指示細菌,測定分析了它們的時空分布情況及它們與重要環境因子之間的相關性,探討了遼河口的水質污染狀態?？稍诮窈蟮难芯恐刑接戇|河口環境因子等相關性指標對細菌群落的影響,更有助于為河口生態環境保護提供重要參考依據。