我国地表水体粪大肠菌群污染现状分析

江 磊,朱德军,陈永灿,赵恒光

(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084)

我国地表水体粪大肠菌群污染现状分析

江 磊,朱德军,陈永灿,赵恒光

(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084)

基于20世纪80年代以来公开发表的文献,调研了我国地表水体(河流、湖泊、水库、近海海域)粪大肠菌群的含量,对粪大肠菌群含量的时空分布及变化进行了分析,并对影响这种分布特性的因素进行了系统的分析和讨论。结果表明:我国地表水体粪大肠菌群含量普遍较高,受到较为严重的粪便污染,其中河流水系含量最高,湖泊、海域次之,水库最低;粪大肠菌群含量的年际和年内波动都较大,年内丰水期含量高于枯水期含量;粪大肠菌群含量的空间分布特性为南北无明显差异,东部水域含量高于西部水域含量,下游水体含量高于上游水体含量,近岸水体含量高于远岸水体含量,人为干扰严重的水体含量高于干扰轻的水体含量。降雨径流对粪大肠菌群含量的时空变化存在非常显著的影响,同时水体有机物含量、富营养化程度、盐度及温度等物理化学特性也影响着粪大肠菌群在水体中的分布。

地表水体;粪大肠菌群;病原微生物;含量分布;污染特性

水体受到病原微生物污染后,可能导致霍乱、伤寒等多种肠道传染病,并造成大范围的爆发[1-2],据调查我国广西、贵州、江苏等省(自治区)的伤寒、副伤寒以水传播为主,如贵州50年间577起伤寒、副伤寒的爆发中水型爆发占到64.82%[3-5]。病原微生物主要来源于人和动物等的粪便[6],水体中病原微生物种类多、含量较少并且生存周期短,检测困难,通常采用检测与病原微生物具有密切相关性的指示微生物来指示和估计病原污染[7]。粪大肠菌群(Faecal Coliforms)由于其直接来源于粪便且检测方法相对容易而被广泛应用为衡量水体粪便污染的指示微生物,水体存在粪大肠菌群表明已被粪便污染[8]。

表1 河流水系粪大肠菌群含量

GB 5749—1985《生活饮用水卫生标准》中特别增加了粪大肠菌群指标,规定100mL水样中不得检出。而在最新颁布的GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中,规定Ⅰ、Ⅱ、III、Ⅳ及Ⅴ类水粪大肠菌群的含量依次为小于或等于200、200～2 000、2 000～1万、1万～2万及2万～4万个/L。GB 3097—1997《中华人民共和国海水水质标准》规定的第一、二、三类海水的粪大肠菌群含量为小于或等于2 000 个/L。我国地表水体粪大肠菌群含量普遍较高,部分水域含量甚至超过V类水质标准数万倍。目前我国粪便微生物指标的评价还处于起步阶段,水质评价多以常规理化指标为主,水质等级的评定也多以常规理化指标的评价结果为基础。各机构颁布的水资源公报和环境状况公报中只公布了水质等级的评定结果,缺少粪大肠菌群含量的具体数据。虽然部分研究人员对我国水体粪大肠菌群的含量和分布特性开展了研究,但一般只针对某一特定水域,还缺少对我国水体受粪大肠菌群污染的整体状况和分布特性的研究。

本研究主要基于20世纪80年代以来公开发表的文献资料,系统调研我国河流、湖泊、水库和近海海域中的粪大肠菌群含量,分析其在不同水域中的时空分布特征,并结合国内外的研究成果,对影响我国地表水体中粪大肠菌群分布特性的因素进行分析和讨论。

1 水域总体污染情况

1.1 河流水系

我国主要河流水系粪大肠菌群含量见表1,可以看出河流粪大肠菌群含量变化范围较大。

a. 长江水系。长江水系流域范围较大,面积约180万km2。全流域内多年粪大肠菌群含量变化范围为20～108个/L,河段内自上而下粪大肠菌群污染情况为:三江源地区生态环境较好,人为干扰较少,整体水质较好[9];宜宾段2001年粪大肠菌群含量处于103～105个/L量级,年内丰水期含量最高、平水期次之、枯水期最低,三大河流岷江含量最高、长江次之、金沙江最低[10];重庆段1999和2005年均存在粪大肠菌群超标的情况,其中2005年城区排污口附近粪大肠菌群含量超标最为严重[11-12];三峡库区巴东段2002年和2004年粪大肠菌群含量平均值多在104个/L左右[13];长江口水体粪大肠菌群含量基本在103个/L以上,局部排污口附近达109个/L以上[14]。

表2 湖泊水库粪大肠菌群含量

b. 黄河水系。黄河近年来水量偏少,水体自净能力相对较差。黄河流域多年粪大肠菌群含量变化范围为1.79×104～1.2×107个/L,如兰州段2001—2006年粪大肠菌群浓度均在104个/L以上,超标情况比较严重[15-16];而渭河及其支流的粪大肠菌群含量变化范围为103～106个/L,局部高达107个/L以上[17]。

c. 珠江水系。珠江水系水质相对较好,但城市河段的粪大肠菌群污染情况依然严重,如广州段2004—2006年间珠江前航道粪大肠菌群含量均值变化范围为1.007×106～1.227×106个/L[18];广州河段2008—2009年中大码头和鱼珠码头微表层、表层粪大肠菌群含量年均值范围为(2.45±0.73)×106～(7.01±2.43)×106个/L[19]。

d. 海河水系。海河水系污染较为严重,城市生活污水的排入是导致粪大肠菌群含量偏高的主要原因,海河天津段1997年入境时粪大肠菌群含量约为103个/L,出境时粪大肠菌群含量约为105个/L,表明城市生活污水大量排入[20-21]。北京温榆河上游粪大肠菌群含量明显低于下游粪大肠菌群含量[22]。

e. 松辽水系。松辽水系粪大肠菌群含量变化范围较大,辽河流域含量明显高于松花江流域含量。松花江吉林段2001—2005年粪大肠菌群含量范围为580～4 760 个/L[23],辽河流域辽南少水区及辽东多水区粪大肠菌群含量变化范围为10～5.4×106个/L[24],浑河(抚顺段)2005年粪大肠菌群含量为4.0×104～ 2.6×107个/L[25]。

f. 其他水系。除前述几大水系外,其他水系粪大肠菌群含量亦较高,水体受到较为严重的粪便污染,如京杭大运河扬州段和杭州段2004年和2006年粪大肠菌群含量为281～1.16×105个/L[26-27]。

1.2 湖泊水库

我国部分湖泊水库的粪大肠菌群含量见表2,可知湖泊粪大肠菌含量普遍高,污染较严重,而水库由于受到较好的保护,粪大肠菌群含量低,污染较轻。

a. 湖泊。杭州西湖1999年3条入溪河流粪大肠菌群含量均在105个/L以上,其中1999年6月暴雨后湖内粪大肠菌群含量1.6×104个/L[29]。武昌东湖1988—1989年粪大肠菌群含量变化范围为700～4.4×107个/L,其中水果湖污染最为严重[30]。洞庭湖1993年大肠菌群含量平均值为7 834 个/L[2]。洱海部分水域的粪大肠菌群含量超过国家Ⅱ类水质标准值(2 000 个/L)近26倍,但枯水期时粪大肠菌群含量较低,均达到Ⅱ类水质标准[31]。

b. 水库。辽阳汤河水库2009年各时期各测点的粪大肠菌群含量均小于90 个/L,枯水期和平水期为清洁水，丰水期则轻污染;参窝水库各时期各测点均小于260 个/L,水质都比较好,枯、平、丰水期均为轻污染[32]。海南沙河水库2003年6月粪大肠菌群含量略高，达1 000 个/L[33]。

1.3 海域

我国四大海域粪大肠菌群含量见表3,可知粪大肠菌群含量变化范围为20～106个/L,不同海域之间污染状况无明显的趋势性变化,渤海各海域多年粪大肠菌群含量变化范围为20～4.8×104个/L,粪大肠菌群含量与降雨量及季节变化存在明显的关系[34-36];黄海各海域多年粪大肠菌群含量略低,变化范围为20～2.4×104个/L[37];东海沿岸多为经济发达地区,城市生活污水大量排入导致水体受到较为严重的污染,多年粪大肠菌群含量范围为20～2.238×105个/L[38-42];南海各海域除红沙港受到较为严重的人为干扰而导致粪大肠菌群含量较高外,其余各海域多年粪大肠菌群含量较低,范围为20～1.6×104个/L[43]。

表3 主要海域粪大肠菌群含量

2 污染变化特性

2.1 时间变化特性

粪大肠菌群含量年际年内波动范围较大,年际之间无明显的趋势性变化规律,长江口毗邻海域1996—2005年粪大肠菌群含量在1999年达到最高值,此后呈波状变化,整体虽有略微下降,但趋势性并不明显[12]。厦门海滨浴场2003—2010年粪大肠菌群含量在2005年达到最大值,其后存在逐渐减小的趋势[2]。松花江2001—2005年粪大肠菌群含量逐年增加,并于2005年达到最大值[23]。黄河兰州段2001—2006年粪大肠菌群含量在2003年达到最大值,其余无明显的规律性变化[15-16]。年内变化则表现出明显的规律性,众多研究均表明其丰水期含量最高、平水期次之、枯水期最低[10,20,29-30,33,41]。

2.2 空间分布特性

a. 粪大肠菌群含量南北向无明显差异,东部水域高于西部水域。总体而言,我国地表水粪大肠菌群含量南北向差异性不明显,河流粪大肠菌群含量多在104～106个/L之间,局部有所偏高;东西向呈现一定的规律性变化,主要表现为东部水域粪大肠菌群含量明显高于西部水域[2],这主要是由于西部多为河流水系发源地,水体受到人为的干扰较少,粪大肠菌群含量较低,而东部水域多位于河流下游或是入海口,流经沿途工农业较为发达的地区或城市,大量的工农业废水、生活污水排入或是受降雨冲刷进入水体,导致粪大肠菌群含量偏高。

b. 流域上游粪大肠菌群含量低于下游。流域内上游粪大肠菌群含量低于下游,长江三江源水体粪大肠菌群含量小于20 个/L[9],宜宾段为5 400～2.4×104个/L[10],重庆段为106～107个/L[12],而长江口为3 300～2.4×107个/L[14]。京杭大运河扬州段粪大肠菌群含量为281～5.018×104个/L[27],杭州段为1.16×105个/L[26]。北京温榆河上游粪大肠菌群含量变化范围为501～5.37×106个/L,而下游均值在6.3×106个/L以上[22]。

c. 横向分布近岸区粪大肠菌群含量高于远岸区。对于某一特定位置,粪大肠菌群含量随岸边距离的增加而减小,长江口水域附近粪大肠菌群自排污口至江中央数量急剧下降,由于江水的纵向稀释扩散作用,呈平行于岸边的带状分布特点[14]。秦皇岛海域粪大肠菌群随远离海岸的距离浓度基本呈线性减小[36]。大连海域粪大肠菌群含量随距离增加表现出相似的规律[2]。

d. 人为干扰大的水体粪大肠菌群含量高于干扰小的水体。城市地区由于人口密度大,工业集中,大量生活污水和工业废水的排放导致河流城市段的粪大肠菌群含量高于非城市段,城市湖泊的粪大肠菌群含量高于非城市湖泊。津河入境时粪大肠菌群含量为3 350 个/L,而出境时则高达1.476×105个/L,后者远高于前者[21]。位于武汉市区内的东湖粪大肠菌群含量最高达107个/L[30],而非城市湖泊的洞庭湖粪大肠菌群含量最高只有105个/L[2]。黄河流域渭河粪大肠菌群含量为3.4×105～1.2×106个/L,其支流某断面高达1.2×107个/L,而黄河干流粪大肠菌群含量多为105个/L左右[15-16]。

e. 粪大肠菌群含量垂向分布相对较为复杂。粪大肠菌群含量沿垂向分布比较复杂,受诸多因素的影响,包括温度、盐度、悬浮物、光照等,一般深水底部低温黑暗的环境更适合粪大肠菌群的存活[6]。珠江广州段中大码头微表层、表层粪大肠菌群含量的年均值分别为(7.01±2.43)×106个/L和(2.75±0.73)×106个/L,鱼珠码头为(4.81±1.84)×106个/L和(2.45±0.73)×106个/L,微表层浓度高于表层[18]。罗源湾2002—2005年粪大肠菌群含量为表层海水大于底层海水[38]。浙江近岸海域第一次航行表层和底层水类大肠菌群含量均值分别为460 个/L和1 150 个/L;第二次航行分别为750 个/L和370 个/L[42]。

2.3 水域类型差异特性

a. 内陆水域河流水系粪大肠菌群含量明显高于湖泊水库。河流由于承受了较多的人为干扰,粪大肠菌群含量要明显高于其他水域,河流粪大肠菌群含量多为104～106个/L量级,局部可高达107～108个/L。湖泊粪大肠菌群含量多为103～104个/L量级,水库粪大肠菌群含量多为102～103个/L量级。

b. 内陆水域水库粪大肠菌群含量低于湖泊。水库由于受到了较好的保护水质好于湖泊,水库水体中粪大肠菌群含量在102～103个/L量级(50～2.8×103个/L),而湖泊水体中粪大肠菌群含量多在103～104个/L量级,部分地区如武昌东湖水果湖污染严重,可达3.68×104～4.4×107个/L。

c. 海域粪大肠菌群含量相比于内陆水域较低。海域粪大肠菌群含量在102～103个/L量级,而内陆水域则在102～106个/L量级,以104个/L以上的量级较为常见。不同水域的水体物理化学特性的不同导致其粪大肠菌群含量的不同,高盐度的海水由于具有抑菌作用,会加剧粪大肠菌群的衰亡,因此其粪大肠菌群含量低于内陆河流湖泊。

3 污染影响因素

3.1 降雨径流影响

粪大肠菌群含量年际年内的波动主要受降雨冲刷的影响,降雨导致地表径流携带大量的工农业生活污水进入水体,增大水体粪大肠菌群含量,松花江吉林段2005年粪大肠菌群含量的升高与2005年的降雨存在密切的关系[23],辽东湾2002年夏季粪大肠菌群含量较高也与夏季降雨量较大、陆源污水大量入海有关[35],海口某浴场2000年7月某日粪大肠菌群检出量就与当日降雨量存在明显的正相关关系[2],洱海2007—2008年丰水期粪大肠菌群含量的严重超标系季节性的雨水冲刷带来的生活污染物大量流入所致[31]。

3.2 水体物理化学特性影响

a. 水体粪大肠菌群含量与有机物含量正相关。在河流湖泊等水体中,微生物数量往往和有机物的含量成正比,COD和BOD指标可反映水体中有机物含量的高低,宜宾三江水体中粪大肠菌群含量与CODMn指数变化趋势相同,二者呈正相关关系[10]。浑河(抚顺段)2005年水体中粪大肠菌群含量与COD含量存在明显的相关关系,COD含量高的水体,粪大肠菌群含量也高,且两者变化趋势相同[25]。杭州湾水体中粪大肠菌群含量与水体中COD含量呈正相关关系[41]。长江尚山断面2002—2005年水体粪大肠菌群含量与BOD5或COD之间的相关分析表明,粪大肠菌群含量与BOD5的相关性好于COD[2]。松花江吉林段水体粪大肠菌群含量与CODMn指数变化趋势相同,二者正相关[23]。

b. 水体粪大肠菌群含量与富营养化程度正相关。水体粪大肠菌群含量与水体富营养化程度呈正相关关系,黄河兰州段的研究则表明粪大肠菌群含量与总磷有较强的相关性[15-16]。杭州湾粪大肠菌群含量与无机磷等环境因子的相关性较高[41]。杭州西湖粪大肠菌群含量与水体富营养化程度正相关[29]。长江口水域粪大肠菌群含量与富营养化程度成正比[40]。

c. 水体粪大肠菌群含量与盐度负相关。高盐度的海水具有抑菌作用,会加剧粪大肠菌群的衰亡,海域粪大肠菌群含量低于内陆水域在一定程度上与海水的高盐度有关。焦俊鹏等[41]在1999年5—6月对杭州湾的调查结果显示,粪大肠菌群含量与盐度负相关,而蔡雷鸣等[38]在罗源湾也得到相似的结论。长江口粪大肠菌群含量的空间分布与盐度负相关[14]。

d. 水体粪大肠菌群含量与温度正相关。大多数微生物对水体温度都极其敏感,粪大肠菌群最适宜的生存温度为37℃左右,夏季水温较适合粪大肠菌群的生存。黄秀清等[14]在长江口水域的调查研究结果表明,粪大肠菌群的含量与水温的相关系数R2=0.601,含量与水温正相关。杭州湾粪大肠菌群含量与水温相关系数R2=0.622,含量与水温正相关[41]。

4 结 论

a. 我国地表水体粪大肠菌群含量较高,范围为20～108个/L,水体受到较为严重的粪便污染。河流粪大肠菌群含量最高,湖泊次之,近岸海域和水库最低。

b. 粪大肠菌群含量年际之间波动较大,无明显的规律性变化,年内丰水期含量高于枯水期含量;空间分布南北向无明显的特点,东西向东部水域含量明显高于西部;流域上游含量低于下游,局部近岸区含量则高于远岸区,表明人为干扰严重的水体粪大肠菌群含量高于干扰轻的水体;而粪大肠菌群含量在水体表底的分布则较为复杂。

c. 粪大肠菌群含量时间分布特性主要与降雨径流有关,降雨量大则相应水体粪大肠菌群含量较高;空间分布特性受众多因素影响,包括有机物含量、富营养程度、盐度、温度等,有机物含量、富营养程度、温度高则粪大肠菌群含量高,盐度高则粪大肠菌群含量低。

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·简讯·

Analysis on Fecal Coliform pollution in surface waters of China//

JIANG Lei, ZHU Dejun, CHEN Yongcan, ZHAO Hengguang

(StateKeyLaboratoryofHydroscienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Fecal Coliform (FC) concentration in surface waters, such as, rivers, lakes, reservoirs and coastal areas, of China was surveyed based on literatures published since 1980s. From the survey, the temporal variation and the spatial distribution of FC concentration is analyzed, and then influencing factors on distribution characteristics of FC are systematically discussed. The results demonstrate that FC concentration is generally high throughout the surface waters in China, which indicates that the waters suffer a severe microbial contamination. Rivers are most severely contaminated among different water bodies while reservoirs are cleanest. The concentration of FC shows significant inter-annual and intra-annual fluctuations, with the concentration in wet seasons being much greater than that in dry seasons. There is no obvious distribution pattern of FC concentration between southern and northern waters, while the FC concentration in eastern areas is obviously greater than that in western areas. The FC concentration in lower reaches of rivers is greater than that in the upper reaches, and the FC concentration near shore is greater than offshore. These indicate that human actions significantly increase the concentration of FC. Rainfall-runoff has a significant impact on the temporal variation and spatial distribution of FC. Besides, many other physical-chemical factors, including organic content, trophic level, salinity, and temperature of water are also responsible for the spatial distribution and temporal variation of concentration of FC.

surface water; Fecal Coliform; pathogenic microorganism; concentration distribution; pollution characteristic

清华大学自主科研计划(20121088082); 国家自然科学基金(51039002)

江磊(1987—),男,湖北公安人,博士研究生,主要从事水-沙-污染物输移过程研究。E-mail:beiai-qq25@163.com

朱德军(1980—),男,江苏建湖人,副教授,博士,主要从事河湖水动力-物质输移过程研究。E-mail: zhudejun@mail.tsinghua.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.03.003

TV 211.1

A

1006-7647(2015)03-0011-08

2014-01-19 编辑：熊水斌)