基于指示细菌动态分布评价辽河口水质污染状况

黄慧玲,明红霞,李梦飞,戴媛媛,苏 洁,石婷婷,金 媛,王 斌,樊景凤

(1. 国家海洋环境监测中心 国家生态环境保护近岸海域生态环境重点实验室,辽宁 大连 116023; 2. 大连海洋大学 水产与生命学院,辽宁 大连 116023; 3. 天津市水产研究所,天津 300221)

引 言

辽河口位于辽河三角洲的最南端,盘锦市境内双台子河的入海口处,是由辽河、双台子河、大凌河等一系列河流作用形成的冲海积平原,总面积8万公顷。近年来,随着辽河流域工农业的飞速发展,河口的环境问题越来越突出。据统计,每年进入海洋的陆源物质约有85%通过河流进入海洋[1]。河口是陆源淡水进入海洋的重要区域,进入海洋的陆源淡水不仅带来大量的陆地有机物和无机营养物质,同时伴随着各种病原微生物,给海产品安全及娱乐用水的安全带来了巨大的潜在风险[2]。水体中微生物种类日益多样化,检测水体中所有病原微生物工作量大且成本高,因此,国内外普遍采用检测水体中的典型指示病原微生物来评价水体质量[3-4],反映辽河口水环境质量的真实情况进而做出相关治理方案[5]。

自20世纪80年代以来,肠球菌(Enterococcus,ENT)作为与人类健康密切相关的一种病原菌,被广泛应用于监测海洋环境和娱乐水体的健康风险[6-9]。2010年肠球菌被列入海水浴场微生物水质评价指示菌[10],2013年被纳入海洋生态调查指标之列[11]。弧菌作为海洋中一类适应能力最强的革兰氏阴性菌,也是重要的病原体,可广泛引起海水养殖鱼、虾、贝类等生物的细菌学疾病,同时这类细菌还可以通过海产品介质传播,引起人体霍乱、肠炎等疾病[12-14]。异养细菌在海水养殖生态系统中起着非常重要的作用,能对有机物及一些无机物进行分解、转化和利用,促进水体的物质循环,所以其细菌数量和种类组成的变化与海水污染程度有密切的关系[15],可直接或间接反映某海区的营养水平、污染程度和底质状况等[16]。

本文以辽河口为研究区域,采用多指标综合评价河口水质,以肠球菌作为粪便指示细菌、弧菌作为水产养殖致病菌、异养细菌作为海洋生态系统健康重要指示细菌,通过对三种指示菌进行时间和空间上的动态分布并分析其与环境因素之间的相关性,综合评估辽河口水质状态,为河口生态环境保护提供重要参考依据,也为海洋污染防治和生态环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

分别在2018年降雨较少的6月和降雨频繁的9月对辽河口区域进行实验样品采集。依据盐度梯度变化设置12个站位(如图1所示)。用卡盖式采水器采集每个站位表层水样,将水样装入对应的灭菌瓶中,低温4℃保存,并于12 h内带回实验室用于细菌学指标的分析,同时现场测定了表层海水盐度(S)、温度(T)、酸碱度(pH)、溶解氧(DO)、悬浮物(SS)和化学需氧量(COD)6种环境要素指标。辽河口表层海水环境影响因子水样的采集、保存和运输严格按照(GB 17378-2007)《海洋监测规范》[17]中的规定进行。

1.2 实验方法

1.2.1 样品中细菌学指标及环境要素的测定方法

1.2.2 数据分析

本文采用Origin2021软件进行数据结果展示和相关性系数图绘制,站位图和指示细菌丰度分布图采用Surfer12.0软件进行绘制,Canoco5进行冗余度分析和RDA图绘制,SPSS22.0进行斯皮尔曼相关性分析和数据统计。

2 结果

本研究主要在2018年6月及9月对辽河口海水中肠球菌、弧菌、异养细菌数量进行了检测,其时间上动态分布变化情况如图2所示,2018年6月辽河口肠球菌检出率最高值为4.0×101CFU·L-1,最低值低于检测限;弧菌数量最大值为3.4×106CFU·L-1,最低值低于检测限;异养细菌数量在6.93×106～8.78×107CFU·L-1之间;2018年9月河口肠球菌数量在1.0×101～1.5×103CFU·L-1;弧菌数量最大值为3.7×107CFU·L-1,最低值低于检测限;异养细菌数量在5.67×106～6.54×108CFU·L-1之间。空间动态分布显示,近岸海水站位指示细菌丰度高于远海,且整体变化趋势相同。同时受水动力的影响,河口正南方向(BY-5)指示细菌丰度也较高。

图3 辽河口水化学指标和环境指标检测结果(6月和9月)

对两次采样海水环境指标进行比较,结果表明(图3):6月辽河口海水盐度变化在24.23～29.12;温度变化范围在19.8～23.2°C;pH变化范围为8.03～8.16;DO变化范围在5.12～9.96 mg·L-1。其中DO值靠近近岸3个站位变化不大,与近岸站位相比较外部站位DO值略有升高,但差异不大;盐度由近岸到远海呈增长趋势;水温则由近岸向远海逐渐降低,pH值变化不明显。9月辽河口海水盐度差异较大,在9.88～32.84,温度变化范围在21.3～23.4°C,pH变化范围为7.92～7.97,DO变化范围在6.53～7.76 mg·L-1。其中盐度和温度由近岸向远海数值逐渐增大;DO值靠近近岸和东侧站位变化不大,其他站位与其相比略有升高; pH变化不明显。

3 讨论

3.1 辽河口海水中肠球菌、弧菌和异养细菌的动态分布

6月份和9月份辽河口肠球菌、弧菌及异养细菌的数量变化区别在于:一是整体而言,三项指标的检测结果均为9月高于6月。这是因为9月较6月气温高细菌繁殖快,同时雨水较多并携带陆地上大量污染物进入河流,肠球菌作为常见的粪便污染指示菌其检出量在气温升高降水增多的月份增多,郭建丽等[21]研究也发现海水粪便污染在温度升高降雨增加的季节会有加重的情况。弧菌是海洋环境中的土著菌,也是养殖生物和人体重要的病原菌。弧菌在9月检出量最多,近岸检出量明显多于远海检出量,说明生活污水及养殖污水对海域近岸的污染影响更大[22]。此外,本研究中异养细菌在两次采样结果中的检出量在5.67×106～6.54×108CFU·L-1之间,该数值显示辽河口海水呈严重污染[23]。二是肠球菌、弧菌和异养细菌数量在近岸海水中均高于远海,整体变化趋势相同。这是由于河口排放污水、人畜粪便等携带了如粪便污染指示菌肠球菌、养殖常见病原菌弧菌及各种细菌进入河口近海,而随着海水稀释作用外海海水中数量降低所致。

3.2 辽河口海水中肠球菌、弧菌和异养细菌在不同盐度梯度下的差异比较

如图1所示,根据不同盐度梯度划分的三个区域,S1区到S3区近岸到远海盐度呈增长趋势。对6、9月三种指示细菌进行统计分析,如图4所示,6月和9月肠球菌数目从近岸到远海呈先减少后增加的趋势,且9月数目高于6月;6月和9月份弧菌在S2区域数目相差较大,S1和S3区域数目相差不多,6月弧菌数目从近岸到远海呈先减少后增加的趋势,9月则是数目逐渐减少;6月异养细菌数目呈先降低后升高趋势,9月异养细菌数目则逐渐降低,与弧菌类似6月和9月异养细菌S2区域数目相差较大。分析结果表明三个区域的同种指示细菌间差异不明显。

图4 辽河口三种指示细菌在三个区域之间的差异性结果(6月和9月)

3.3 辽河口海水化学指标和环境因子时空分布特征和相关性分析

对2018年6月和9月的辽河口海水的化学因子和环境因子进行检测后比较分析发现,6月和9月两次采样中海水化学因子含量和环境因子存在明显差异。

在淡海水相互作用下9月辽河口盐度变化较6月更为显著,且盐度值更高,其主要原因是受降雨及上游来水量的影响,9月降雨增多的同时伴随上游来水量增多使得河口盐度降低,且向远海明显升高。DO的含量是衡量初级生产力高低的一个重要标志,它可以直接反映水体污染的程度。结合三种指示细菌在6月和9月份的数量变化来看,可以看出,9月指示细菌的数量要高于6月,即指示细菌数量升高,对应了环境指标DO浓度降低、海水温度升高和pH降低;这与昝帅君等[5]研究相一致。同时温度升高导致指示细菌活性和生长速率升高,指示细菌消耗水体中大量的溶氧,造成海水溶氧浓度降低,同时陆源污染物的增加引起水体化学需氧量的增加;另外6月和9月两次采样肠球菌和异养细菌的数量由近岸向远海逐渐降低与站位盐度逐渐升高相对应,这可能是由于降雨使得河口处盐度较低适于生长,但远海盐度较高同时带入了陆源污染导致其数量降低。

3.4 辽河口海水中的细菌学指标与水化学指标相关性分析

对6月和9月两次采样的总异养细菌,弧菌及肠球菌和COD、悬浮物、磷酸盐、亚硝酸盐、硝酸盐、铵盐6项水化学指标进行冗余分析和SPSS进行斯皮尔曼相关性分析,结果如图5和表1所示。用不同箭头表示细菌和环境指标,箭头连线的长度表示细菌数量与该环境指标相关系数的大小,箭头连线与排序轴的角度表示该环境指标与排序轴相关系数的大小,箭头所处的象限则表示该环境指标与排序轴相关系数的正负。

表1 海水中三种病原指示细菌指标与水化学指标相关性分析

图5 冗余度(RDA)分析水化学指标与病原指示细菌的相关性

结合RDA排序图(图5)、斯皮尔曼相关性分析(表1)和相关系数图(图6)的结果分别得到辽河口中对三种病原指示细菌有显著影响的理化因子,可见辽河口中氮磷的含量的增加会促进肠球菌、弧菌和总异养细菌的繁殖。

图6 6月、9月三种指示细菌与水化学指标和海水环境因子相关系数图

有研究表明在城市区和集约农业区,污染物产生量大、随地表径流迁移路径短,造成水体磷浓度高,而城市区和集约农业区工业废水和生活污水直接排放入河也会导致水体磷含量高[28]。本研究中肠球菌丰度与磷酸盐呈极显著正相关,表明陆源污染物进入河流的同时带入了大量含磷污染物,肠球菌也随陆源污染物的进入增多。

3.5 辽河口海水中的细菌学指标与环境因子的相关性分析

由相关系数图(图6)、斯皮尔曼相关性分析(表2)和RDA排序图(图7)得到的结果,可知6月和9月三种病原指示细菌与DO均呈现负相关,且与6月异养细菌和弧菌呈显著相关性,这与黄秀清等[29]调查发现异养细菌与DO呈负相关,林晓涛等[30]调查发现细菌数量与DO呈显著负相关的结果相同。水体中氮、磷化合物过多,浮游生物、细菌的大量增加导致水中的悬浮物增加,透明度降低,同时影响水体的溶解氧,造成水体缺氧或无氧。其中异养细菌作为最常用来指示有机污染的一个指标,适用于富营养化研究中营养细菌浓度较高、细菌数量急剧增加的情况[31]。根据GB 17378.7-2007《海洋监测规范》可知[19],按照异养细菌数量评价,辽河口属重污染区。许多研究表明弧菌的数量与水温和盐度相关,但本次调查研究中这种相关性并不明显。其他细菌指标与各理化因子也存在一定的相关性,但不显著。

表2 海水中细菌学指标与海水环境因子的相关性

图7 冗余度(RDA)分析环境指标与三种病原指示细菌的相关性

4 结论与展望

当前,人类活动对河口环境造成干扰,河口环境污染严重,在此背景下,以辽河口作为研究区域,选择肠球菌、弧菌和异养细菌作为环境指示细菌,测定分析了它们的时空分布情况及它们与重要环境因子之间的相关性,探讨了辽河口的水质污染状态。可在今后的研究中探讨辽河口环境因子等相关性指标对细菌群落的影响,更有助于为河口生态环境保护提供重要参考依据。