東錢湖水體異養(yǎng)細(xì)菌的時空分布及其與環(huán)境影響因素和有機(jī)質(zhì)的關(guān)系

王海麗，刁俊睿，錢文杰，邢雅麗，謝煜，金茅，沈鈞亮

浙江萬里學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院，寧波 315100

0 前言

東錢湖是浙江省最大的天然淡水湖，是寧波市重要的水利工程，其功能以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧水產(chǎn)養(yǎng)殖、城市供水、風(fēng)光旅游、航運(yùn)交通等。但是隨著開發(fā)力度的不斷加大，湖區(qū)水體和底泥中的污染物不斷累積，部分監(jiān)測結(jié)果表明東錢湖水體已不能滿足III類水的水功能區(qū)劃要求，東錢湖的水環(huán)境保護(hù)問題已十分迫切[1-4]。異養(yǎng)細(xì)菌是湖泊等水生生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，是湖泊中有機(jī)質(zhì)降解和轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動者，在湖泊水體微食物網(wǎng)中扮演重要角色，其豐度能較為直觀地指示水體質(zhì)量的高低[5-10]。水體中的可溶性有機(jī)質(zhì)(the dissolved organic matter，DOM) 是碳水化合物、蛋白質(zhì)、游離氨基酸、腐殖質(zhì)等有機(jī)分子的混合物，在水生系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)與生態(tài)環(huán)境中起著重要作用，水體中有機(jī)質(zhì)的降解與轉(zhuǎn)化機(jī)制是近年來研究的熱點[7-10]。本文首次對東錢湖水體中異養(yǎng)細(xì)菌豐度的時空分布特征和溶解性有機(jī)質(zhì)進(jìn)行調(diào)查，并結(jié)合多元統(tǒng)計分析方法，分析了東錢湖表層水體中異養(yǎng)細(xì)菌的豐度及其環(huán)境影響因素與DOM的關(guān)系，以期為東錢湖自然環(huán)境保護(hù)及其生源要素有機(jī)質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)簡介及站位設(shè)置

東錢湖(29°52'N，121°34'E)位于寧波市區(qū)東南約15 km處，由谷子湖、北湖和南湖3個部分組成，東西寬約 6.5 km，南北長約 8.5 km，湖面面積 19.9 km2，湖容4.4×107m3，平均水深2.0 m，換水周期約為280 d，是典型的盆狀淺水湖泊[11]。因湖泊水體中大部分污染物來源于陸地，為進(jìn)一步研究人類活動對寧波東錢湖水體中異養(yǎng)細(xì)菌豐度的影響，在河流入口及碼頭等人類活動密集區(qū)集中設(shè)置17個站點，分別命名為 L1—L17，其中 L1—L2、L16、L17 站點位于谷子湖，L3—L11位于南湖，L12—15位于北湖。具體站點如圖1所示。

圖1 監(jiān)測站位示意Figure 1 Map of station

1.2 樣品的采集及分析方法

根據(jù)湖泊及水質(zhì)調(diào)查規(guī)范，分別于2015年冬(1月22日)、春(5月 10日)以及夏季(7月19日)，采用直立式有機(jī)玻璃采水器采集17個站點的水面下0.5 m處表層水體，避光冷藏迅速帶回實驗室進(jìn)行分析[12-13]。

采用平板菌落計數(shù)法檢測異養(yǎng)細(xì)菌豐度，異養(yǎng)細(xì)菌培養(yǎng)采用營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基[14]。根據(jù)水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范，同期測定以下水質(zhì)指標(biāo):采用重鉻酸鹽法測定COD，采用分光光度法測定Chla。樣品采集時采用便攜式水質(zhì)測定儀實時測定DO、 pH、 ST的值[13]。水體的DOM采用三維熒光光譜法測定[15]。以滅菌超純水為空白對照，水樣測定前用0.70 μm的濾膜過濾，DOM的測定采用日立熒光分光光度計(F-4500)進(jìn)行三維熒光光譜掃描。測量參數(shù)設(shè)置如下:光源為150 W氙燈；PTM電壓為700 v；激發(fā)波長為200—650 nm，發(fā)射波長為250—700 nm；狹縫寬度均為10 nm，間隔波長均為5 nm；掃描速度為30000 nm·min-1。采用FRI法進(jìn)行熒光光譜數(shù)據(jù)分析[16]，同時計算水體的熒光指數(shù)FI、生物源指數(shù)(BIX)和新鮮度指數(shù)(β:α)[17]。FI是370 nm處激發(fā)，發(fā)射波長為450 nm與500 nm熒光強(qiáng)度的比值；BIX是310 nm激發(fā)，380 nm發(fā)射波長處熒光強(qiáng)度與420 nm—435 nm區(qū)間最大熒光強(qiáng)度的比值；新鮮度指數(shù)(β:α)是 310 nm 激發(fā)，380 nm 發(fā)射處的熒光強(qiáng)度與420 nm—435 nm 發(fā)射區(qū)間最大熒光強(qiáng)度的比值[17]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均為實測數(shù)據(jù)，采用SPSS19.0軟件分析研究影響異養(yǎng)細(xì)菌時空分布的環(huán)境因素與DOM的關(guān)系[18]。同時采用 sufer8.0軟件繪制異養(yǎng)細(xì)菌豐度的水平空間分布圖；采用Origin8.5軟件繪制水體DOM的三維熒光光譜圖

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)查期間東錢湖表層水體的異養(yǎng)細(xì)菌豐度的季節(jié)分布

由表1可知，調(diào)查期間東錢湖表層水體的異養(yǎng)細(xì)菌豐度分別在 1.9×102—1.5×103CFU·mL-1、1.7×103—9.2×105CFU·mL-1、1.2×104—4.1×106CFU·mL-1。這與已報道的武漢東湖異養(yǎng)細(xì)菌豐度研究結(jié)果相近[19-20]。調(diào)查期間寧波東錢湖表層水體的異養(yǎng)細(xì)菌豐度在不同季節(jié)間差異顯著(P＜0.05)，其中春季的異養(yǎng)細(xì)菌豐度顯著高于冬季；除 L7號站點外，夏季的異養(yǎng)細(xì)菌豐度顯著高于春季，即寧波東錢湖表層水體的異養(yǎng)細(xì)菌豐度的基本變化規(guī)律為夏季＞春季＞冬季，這與已有報道湖泊水體異養(yǎng)細(xì)菌豐度的季節(jié)變化規(guī)律一致[19-20]。

2.2 調(diào)查期間東錢湖表層水體的異養(yǎng)細(xì)菌豐度的空間分布

調(diào)查期間東錢湖表層水體中異養(yǎng)細(xì)菌豐度空間分布如圖2所示。

冬季東錢湖各站點間水體中異養(yǎng)細(xì)菌豐度無顯著差異(p＞ 0.05)，但北湖支流匯入口處水體中異養(yǎng)細(xì)菌豐度隨離岸越遠(yuǎn)，數(shù)值越低；位于游船碼頭附近的L3、L4站點及谷子湖的支流匯入口處L16站點水體中異養(yǎng)細(xì)菌豐度相對較高，這與人類活動帶來的陸源污染密切相關(guān)。春季東錢湖表層水體的異養(yǎng)細(xì)菌豐度在各站點間差異顯著(p＜ 0.05)；谷子湖和北湖支流匯入口處的L7、L16、L12—L14水體中異養(yǎng)細(xì)菌的豐度顯著高于其他站點(P＜ 0.05)，而其他站點間無顯著差異，說明陸源輸入的污染增加了水體中異養(yǎng)細(xì)菌豐度；春季異養(yǎng)細(xì)菌豐度的峰值出現(xiàn)于東錢湖支流的橋上的L7站點(p＜ 0.05)，這與當(dāng)時L7站點附近施工改造等人類活動較多密切相關(guān)。夏季東錢湖表層水體的異養(yǎng)細(xì)菌豐度在各站點間差異顯著(p＜ 0.05)；北湖支流匯入口處異養(yǎng)細(xì)菌豐度隨離岸越遠(yuǎn)，數(shù)值越低，位于游船碼頭附近的L3站點水體中異養(yǎng)細(xì)菌豐度出現(xiàn)較高值，這與人類活動帶來的陸源污染輸入及游船活動帶來的污染均密切相關(guān)。異養(yǎng)細(xì)菌豐度的峰值是位于漁船碼頭附近的L8站點，該站點水體交換不暢，厭氧菌大量繁殖，導(dǎo)致水質(zhì)狀況不佳；另外，該處位于東錢湖水上樂園附近，夏季人類大量的戲水、乘游船游玩等活動也是造成此處異養(yǎng)細(xì)菌豐度較高的直接原因。

綜合以上，調(diào)查期間東錢湖水體異養(yǎng)細(xì)菌豐度峰值基本上位于人類活動較多的區(qū)域——支流匯入口、碼頭或水上樂園，陸源污染是造成此分布的主要原因。

表1 調(diào)查期間東錢湖表層水體異養(yǎng)細(xì)菌豐度檢測結(jié)果(×103 CFU·mL-1)Table 2 The abundance of heterotrophic bacteria in surface water from Dongqian Lake in Ningbo during investigation(×103 CFU·mL-1)

2.3 影響異養(yǎng)細(xì)菌分布的環(huán)境因素與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系

2.3.1 調(diào)查期間東錢湖表層水體的理化指標(biāo)調(diào)查結(jié)果

調(diào)查期間東錢湖水體中的理化因子監(jiān)測結(jié)果如表2所示。水質(zhì)調(diào)查部分結(jié)果已與另文發(fā)表[4]。

圖2 調(diào)查期間東錢湖表層水體異養(yǎng)細(xì)菌豐度的空間分布(×103 CFU·mL-1)Figure 2 Distribution of heterotrophic bacteria in the surface water from Dongqian Lake(×103 CFU·mL-1)

調(diào)查期間東錢湖表層水體中的ST、COD、Chla的含量以在不同季節(jié)間差異顯著(P＜ 0.05)，基本變化規(guī)律為夏季顯著高于春季，春季顯著高于冬季，且COD、Chla含量以及異養(yǎng)細(xì)菌豐度在不同站點間差異顯著(p＜ 0.05)；相關(guān)性分析表明DO與其他指標(biāo)均呈極顯著負(fù)相關(guān)性(P＜ 0.01)，Chla與其余指標(biāo)均呈顯著正相關(guān)性(p＜ 0.01)；根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)查期間東錢湖表層水體的水質(zhì)在1月(冬季)和5月(春季)均符合III級標(biāo)準(zhǔn)，在7月(夏季)部分站點符合V級標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步說明了水溫以及人為活動顯著影響東錢湖表層水體水質(zhì)[4]。

表2 調(diào)查期間東錢湖表層水體理化指標(biāo)調(diào)查結(jié)果Table 2 The physicochemical parameters in surface water from Dongqian Lake during investigation

2.3.2 調(diào)查期間東錢湖表層水體的DOM分布

調(diào)查期間東錢湖表層水體的DOM三維熒光光譜圖如圖3所示。

由圖3可知，調(diào)查期間東錢湖表層水體的DOM三維熒光光譜主要存在Ⅰ—Ⅴ五個熒光峰的區(qū)域，這五個熒光峰區(qū)域的中心位置分別位于:Ⅰ區(qū)，λEx/λEm= 220 — 250 nm / 280 —330 nm；Ⅱ區(qū)，λEx/λEm= 220 — 250 nm / 330 — 380 nm；Ⅲ區(qū)，λEx/ λEm=220 —250 nm / 380 — 500 nm；Ⅳ區(qū)，λEx/ λEm=250—280 nm / 280 — 380 nm；Ⅴ區(qū)，λEx/ λEm= 250— 400 nm / 380 — 500 nm；對應(yīng)的主要熒光性有機(jī)物分別為類芳香族蛋白質(zhì)Ⅰ類、類芳香族蛋白質(zhì)Ⅱ類、類富里酸物質(zhì)III類、類溶解性微生物代謝產(chǎn)物IV及類腐殖酸物質(zhì) V。這與已有報道類似相似[15，16，21-24]。

調(diào)查期間東錢湖表層水體的DOM熒光區(qū)域積分體積如表3所示。由圖3和表3可知，調(diào)查期間東錢湖表層水體中類芳香族蛋白質(zhì)(類芳香族蛋白質(zhì)Ⅰ、Ⅱ)含量最高，其次為類富里酸濃度，二者含量之和占總DOM的65%—80%之間，類溶解性微生物代謝產(chǎn)物IV、類腐殖酸物質(zhì)V含量相對較低，這與已有報道類似[16，23，24]。因類蛋白熒光很少在潔凈水體中出現(xiàn)，可用類蛋白熒光來指示水體的有機(jī)質(zhì)的污染程度[25]。由表3可知，調(diào)查期間東錢湖表層水體有不同程度的污染，而DOM具體的來源解析另文報道。調(diào)查期間東錢湖表層水體DOM的熒光特征參數(shù)如表4。

圖3 調(diào)查期間東錢湖表層水體冬、春、夏三季的DOM三維熒光光譜特征圖Figure 3 Three-dimensional excitation-emission matrix fluorescence spectra for five DOM fractions in the surface water samples collected from the Dongqian Lake in winter, spring and summer, respectively

FI常用來表征DOM來源:FI＞1.9時DOM主要來源于水體自身微生物活動，自生源特征明顯；FI＜1.3時DOM以外源輸入為主，水體自身生產(chǎn)力貢獻(xiàn)點對較低[17，23，26]。調(diào)查期間東錢湖水體DOM的FI均值 1.45，更接近 1.3，說明東錢湖水體中DOM由內(nèi)源(微生物活動產(chǎn)生)與外源(陸源產(chǎn)生)兩個來源，陸源輸入為主。自生源指標(biāo)BIX值反映了水體中DOM自生來源的相對貢獻(xiàn):BIX在 0.8～1.0 之間，表示樣本中存在新生的自生源DOM較多；而0.6～0.8 之間表示自生源貢獻(xiàn)較少[17，23，27]。調(diào)查期間東錢湖水體DOM的熒光指數(shù)BIX均值為0.78，說明寧波東錢湖水體DOM有中等新近自生源特征，存在微生物活動的內(nèi)源輸入和陸源的外源兩種輸入，且自生源貢獻(xiàn)少。新鮮度指數(shù)(β:α)反映了新產(chǎn)生的DOM在整體DOM中所占的比例[17，23，27]。調(diào)查期間東錢湖水體DOM的β:α值均值為 0.55，說明水體DOM中新生的DOM高于50%。以上熒光參數(shù)的分析結(jié)果進(jìn)一步闡明東錢湖水體中有機(jī)質(zhì)的污染越來越多地受到陸源輸入的影響，而周邊不斷增加的人為土地利用率，可能提高了水體中DOM的生物可利用性，增強(qiáng)了水體微生物的活性[23]。

表3 調(diào)查期間東錢湖表層水體的DOM熒光區(qū)域積分體積Table 3 The fluorescence excitation-emission matrix regional integration of the five DOM fractions in the surface water samples collected from the Dongqian Lake during the investigation

表4 DOM的熒光特征參數(shù)統(tǒng)計Table 4 Statistics of parameters characterized DOM fluorescence

2.4 影響東錢湖水體異養(yǎng)細(xì)菌豐度的環(huán)境因素與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系

2.4.1 異養(yǎng)細(xì)菌豐度與環(huán)境因素的關(guān)系

采用主成分分析及多元線性逐步回歸法分析異養(yǎng)細(xì)菌豐度與環(huán)境因素的關(guān)系，經(jīng)方差極大反轉(zhuǎn)后得出的東錢湖表層水體中3個主成分的因子載荷及各因子與主成分的相關(guān)性如表5所示，東錢湖表層水體異養(yǎng)細(xì)菌豐度(HBA)與PCAs進(jìn)行多元逐步回歸分析結(jié)果如表6所示。

表5 寧波東錢湖表層水體環(huán)境因子主成分分析結(jié)果——因子載荷和解釋方差Table 5 Results of principal component analysis of environmental factors-various factors loading and explained variance

表6 東錢湖表層水體異養(yǎng)細(xì)菌豐度與主成分逐步回歸分析結(jié)果Table 6 Result of stepwise regression between the heterotrophic bacteria abundance of surface water and PCAs

表5為利用SPSS進(jìn)行方差極大反轉(zhuǎn)后得出的東錢湖湖水的3個主成分的因子載荷、各因子與主成分的相關(guān)性。東錢湖湖水的11個因子中提取出的3個主成分(PCAs)的方差貢獻(xiàn)率能達(dá)到82.328%，能較全面的反映出11個因子所包含的信息。其中第1主成分(PCA1)的方差貢獻(xiàn)率最高，達(dá)到了47.911%。從各因子的載荷矩陣中可以看出，ST、DO、COD、Chla、類芳香族蛋白質(zhì)熒光Ⅰ、類溶解性微生物代謝產(chǎn)物熒光IV在第1主成分(PCA1)內(nèi)載荷較高(0.949、—0.870、0.712、0.713、0.788、0.714)，相關(guān)系數(shù)均高于 0.700，其中水溫相關(guān)系數(shù)高達(dá) 0.949；類芳香族蛋白質(zhì)熒光Ⅱ、類富里酸物質(zhì)熒光III、類腐殖酸物質(zhì)熒光V、總DOM在第2主成分(PCA2)內(nèi)載荷較高(0.953、0.961、0.799、0.804)，相關(guān)系數(shù)高于 0.790；類芳香族蛋白質(zhì)熒光Ⅱ高達(dá)0.953；pH在第3主成分(PCA3)內(nèi)載荷較高(0.965)。

東錢湖表層水體異養(yǎng)細(xì)菌豐度(log10)與PCAs進(jìn)行多元逐步回歸分析，結(jié)果見表6，經(jīng)逐步回歸分析后1個主成分PCA1進(jìn)入回歸模型，線性關(guān)系極顯著(p＜ 0.000)。回歸方程為HBA(log10)= 3.765 +0.902 ×PCA1(p＜ 0.000)，其中PCA1 與該方程有極顯著相關(guān)性(P＜0.000)，該模型的決定系數(shù)為 0.823。通過該回歸方程和 PCA1的環(huán)境因子載荷量(ST，0.949；DO，—0.870；COD，0.712；Chla，0.713；類芳香族蛋白質(zhì)熒光Ⅰ，0.788；類溶解性微生物代謝產(chǎn)物熒光 IV，0.714)分析表明:調(diào)查期間東錢湖表層水體中異養(yǎng)細(xì)菌豐度與 PCA1呈極顯著正相關(guān)，與PCA2、PCA3呈正相關(guān)。ST、DO、COD、Chla、DOM中的類芳香族蛋白質(zhì)Ⅰ及類溶解性微生物代謝產(chǎn)物IV是影響東錢湖表層水體中異養(yǎng)細(xì)菌豐度的主要因素；且COD與異養(yǎng)細(xì)菌豐度呈顯著正相關(guān)(P＜ 0.05)；ST、pH、Chla、DOM中的類芳香族蛋白質(zhì)Ⅰ及類溶解性微生物代謝產(chǎn)物 IV與異養(yǎng)細(xì)菌豐度呈極顯著正相關(guān)(P＜ 0.01)；DO與異養(yǎng)細(xì)菌豐度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜ 0.01)。

2.4.2 調(diào)查期間東錢湖水體異養(yǎng)細(xì)菌豐度及環(huán)境因素與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性

調(diào)查期間東錢湖水體中異養(yǎng)細(xì)菌豐度及環(huán)境因素與DOM的相關(guān)性如表7所示。

表7 異養(yǎng)細(xì)菌豐度及環(huán)境因子與可溶性有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果Table 7 Result of the correlation analysis of the abundance of the heterotrophic bacteria and environmental factors with DOM

3 討論

通過回歸方程HBAlog10 = 3.765 + 0.902 ×PCA1(P＜ 0.000)及PCA1(ST，0.949；DO，-0.870；COD，0.712；Chla，0.713；類芳香族蛋白質(zhì)熒光Ⅰ，0.788；類溶解性微生物代謝產(chǎn)物熒光 IV，0.714；總DOM，0.558；類腐殖酸物質(zhì) V，0.379)環(huán)境因子的載荷量及表7可知，DOM中的類芳香族蛋白質(zhì)Ⅰ及類溶解性微生物代謝產(chǎn)物 IV與異養(yǎng)細(xì)菌豐度呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，總DOM因為包括類芳香族蛋白質(zhì)Ⅱ及類溶解性微生物代謝產(chǎn)物 IV，也與異養(yǎng)細(xì)菌豐度呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)；而類腐殖酸物質(zhì) V 雖然也呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)不是很高；以上結(jié)果說明東錢湖水體中的異養(yǎng)細(xì)菌豐度是溶解性有機(jī)質(zhì)的顯著影響因素。

葉綠素濃度的高低反映著水體中浮游植物現(xiàn)存量的高低，初級生產(chǎn)者如藻類及浮游植物是水體內(nèi)DOM的主要內(nèi)源貢獻(xiàn)者[28]。東錢湖表層水體DOM中的類芳香族蛋白質(zhì)Ⅰ及類溶解性微生物代謝產(chǎn)物 IV與Chla含量呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)的結(jié)果表明，調(diào)查期間東錢湖水體中水生植物產(chǎn)生的DOM可能是東錢湖水體可溶性有機(jī)質(zhì)的主要來源之一。

COD是衡量水體中有機(jī)質(zhì)含量的重要指標(biāo)，一定程度上指示水體中所有的有機(jī)質(zhì)(顆粒有機(jī)質(zhì)和溶解性有機(jī)質(zhì))的含量。異養(yǎng)細(xì)菌豐度與COD、DOM均呈顯著正相關(guān)的結(jié)果共同佐證東錢湖水體異養(yǎng)細(xì)菌在利用有機(jī)質(zhì)生長繁殖的同時，與有機(jī)質(zhì)相互作用，其豐度極顯著影響水體中DOM的賦存量，這與已有結(jié)果類似[5-6]。異養(yǎng)細(xì)菌將DOM轉(zhuǎn)化為顆粒有機(jī)物(即細(xì)菌自身生物量)，進(jìn)入水體微食物環(huán)[8-10]，從而影響DOM在水體中的賦存量。

異養(yǎng)細(xì)菌對DOM的利用主要基于生理需求，但也受到環(huán)境因子的影響[29-33]。與此類似，調(diào)查期間除異養(yǎng)細(xì)菌外，ST、DO、pH、Chla、COD等環(huán)境因子與DOM也顯著相關(guān)性(見表7)，進(jìn)一步佐證了異養(yǎng)細(xì)菌與環(huán)境因子共同影響水體中DOM的降解與轉(zhuǎn)化，從而影響DOM在水體中的含量和賦存形態(tài)。

一般認(rèn)為腐殖質(zhì)類物質(zhì)不容易被細(xì)菌分解利用[29]，而異養(yǎng)細(xì)菌降解與轉(zhuǎn)化的組分主要為生物可利用性高的DOM組分[29-34]。結(jié)合調(diào)查期間東錢湖水體DOM中類腐殖酸物質(zhì)V含量最低、異養(yǎng)細(xì)菌豐度與DOM中的類芳香族蛋白質(zhì)Ⅰ及類溶解性微生物代謝產(chǎn)物IV呈極顯著正相關(guān)以及DOM熒光參數(shù)的分析結(jié)果可知，異養(yǎng)細(xì)菌等微生物的代謝轉(zhuǎn)化活動和陸源輸入共同決定DOM的來源與特性，周邊不斷增加的陸源輸入是水體中DOM生物可利用性提高的可能原因，但異養(yǎng)細(xì)菌驅(qū)動下東錢湖水體DOM的轉(zhuǎn)化過程中，微生物的群落結(jié)構(gòu)變化與DOM轉(zhuǎn)化的具體激發(fā)響應(yīng)機(jī)制有待于進(jìn)一步的研究。