辽宁省三座大型水源水库细菌数量的时空分布特征

王 欢， 李宇轩， 赵 文*， 杨凤山， 谢在刚， 王安璞, 徐 锋

(1.大连海洋大学 辽宁省水生生物学重点实验室, 辽宁 大连 116023; 2.辽宁省大伙房供水有限公司，辽宁 抚顺 113004；3.大连市碧流河水库管理局，辽宁 大连 116221； 4.辽宁震翰渔业集团有限公司，辽宁 桓仁 117200)

淡水生态系统中细菌数量庞大且种类丰富，是水域生态系统食物链与食物网的重要组成部分，在物质循环、能量流动和信息联系中起着非常重要的作用。细菌数量常作为判断水体污染程度的指标之一，直接影响水环境质量。国外对水域细菌的研究有大量报道[1-3]，国内也有一些相关研究，如毛玉梅等[4]对兴凯湖细菌的时空分布研究，冯胜等[5]对太湖北部湖区水体细菌动态变化研究，曲艳娇等[6]对海浪河流域河夹村段细菌群落数量时空分布进行了研究等,但对河流和饮用水源水库的研究相对较少。近年来，对大伙房水库、桓仁水库和碧流河水库分析多集中在浮游生物群落结构分析、沉积物重金属、河流物理生境评价研究上，而对细菌数量与理化因子关系的研究较少。本文报道北方三座大型饮用水源水库细菌数量及其时空分布特征，旨在为保障水质安全和优化水质提供参考，有效改善水源水库生态环境，保证水体正常功能，从而改善水体质量。

1 材料与方法

1.1 材料

实验样品来自大伙房水库、碧流河水库、桓仁水库现场采样。计数使用蔡司荧光显微镜(Zess, HBO 50/AC,德国)。

1.2 方法

1.2.1 采样点设置 ①大伙房水库采样点设置：2016年5月至2017年1月对大伙房水库按4个季度进行水样采集，采样点设置如图1所示。共设置16个采样点，分别为上游浑河入口的A1、A2，位于苏子河入库口的B1、B2，位于中游的C1、C2、C3，位于中下游的D1、D2、D3，位于下游坝前的E1、E2、E3和位于社河入口-大沟的F1、F2、F3，其中C2、D2、E3、F2点采集表、中、底3层，E1点分别采集表、中上、中、中下和底5层，其余各点采集混合样。②碧流河水库采样点设置：2016年10月至2017年6月对碧流河水库进行水样采集，选取9个采样点，分别是下游的坝前1(Db1)、坝前2(Db2) 和坝前3(Db3)，中游的刘店1(ML1)、刘店2(ML2) 和刘店3(ML3)，上游八家河河口附近的钟岭(Uz)、蛤蜊河河口的桂云花(Ug)和碧流河河口的大堡(Ud)，坝前2和刘店2采集表、中、底3层。见图2。③桓仁水库采样点设置：2015年1月至2015年9月对桓仁水库进行水样采集，设置9个采样点：上游的A1、A2，中游的B1、B2、B3、B4，下游的C1、C2、C3，其中A2和B1采集表、底两层，B2和C1采集表、中、底3层，其余各点采集混合样。见图3。

图1 大伙房水库采样点设置Fig.1 The setting of the sampling point of the Dahuofang Reservoir

图2 碧流河水库采样点设置Fig.2 Sampling point of Biliuhe Reservoir

图3 桓仁水库采样点设置Fig.3 Sampling point setting of Huanren reservoir

1.2.2 水样的采集与处理 用水生80型采水器采集水样后，立即用3%(体积分数)无颗粒甲醛固定，冰桶保存，带回后存于4 ℃冰箱，半个月内采用表面荧光技术(AODC法)测定细菌总数。

其中：Na：每个视野平均菌数；X：样品稀释倍数；S：滤膜滤水面积(cm2)；St：视野面积(cm2)；V：过滤水的体积(mL)。

1.2.4 统计分析 采用SPSS 17.0对细菌密度及各种理化因子进行相关性分析, 利用Canoco 4.5软件进行典范对应分析(CCA)。

2 结果与分析

2.1 水体细菌数量的时空分布

2.1.1 大伙房水库水体细菌数量的时空分布 调查期间大伙房水库细菌密度总结见表1。 由表1可见，大伙房水库细菌密度平均值为(66.94±51.22)×107cell/mL，变化在(0.64～867.52)×107cell/mL之间。大伙房水库细菌密度10月份最高，5月份最低，最高值出现在1月份下游F2点位中层(867.52×107cell/mL)，10月份上游浑河入河口处A2点(663.68×107cell/mL)、中游C2点中层(669.44×107cell/mL)、下游坝前E3表层(788.8×107cell/mL)细菌量非常多，是其他点位的7～30倍。细菌空间分布特征从水平分布看，中游细菌数量最高，中下游最低(图4a)；从垂直分布上看，中层水体细菌数量最高，中上层最低(图4b)。

表1 2016年5月至2017年1月大伙房水库细菌密度的时空分布

注：a、b、c、d、e分别表示表层水体、中层水体、底层水体、中上层水体和中下层水体，下表同

图4 大伙房水库细菌密度的水平(a)与垂直(b)分布Fig.4 The horizontal (a) and vertical (b) distribution of bacteria density in Dahuofang reservoir

2.1.2 碧流河水库水体细菌数量的时空分布 调查期间碧流河水库细菌密度总结见表2。由表2可见，碧流河水库细菌密度平均值为8.78×107cell/mL, 变化于(1.04～98.4)×107cell/mL之间，其中6月份最高，1月份最低，细菌密度最高值出现在4月份中游的刘店3(98.4×107cell/mL)。从水平分布来看，上游细菌密度最高，其次是中游，最低是下游(图5a)。细菌密度从垂直分布上看，中层水层>底层水层>表层水层(图5b)。

表2 2016年10月至2017年6月碧流河水库细菌密度分布

注：“-”代表未测定，下表同

图5 碧流河水库细菌密度的水平(a)与垂直(b)分布Fig.5 The horizontal (a) and vertical (b) distribution of bacteria density in Biliuhe reservoir

2.1.3 桓仁水库水体细菌数量的时空分布 桓仁水库细菌密度的时空分布总结见表3。由表3可见，桓仁水库细菌密度平均值为1 419.5 cell/mL，变化于606.1～2 355.3 cell/mL之间，夏季>春季>秋季>冬季，总细菌空间分布特征从水平分布来看，C3最高，细菌密度平均值为2 439.6 cell/mL(图6a)，垂直分布显示中层水体最高，表层其次，底层最低(图6b)。

表3 2015年1月至2015年9月桓仁水库细菌密度的时空分布

图6 桓仁水库细菌密度的水平(a)与垂直(b)分布Fig.6 The horizontal(a) and vertical(b) distribution of bacterial density in Huanren reservoir

2.2 水体理化指标动态

三座大型水库的水环境理化指标见表4。由表4可见，大伙房水库水温季节变化显著，夏季最高，8月份水温可达28.64 ℃，冬季水温最低，1月份水温达2.54 ℃，月平均值为(16.4±11.1) ℃；pH值各月份变化不显著，pH月变化范围在7.74～8.71之间，平均值为8.26±0.45，符合地表水环境质量标准[11]；总氮的平均值在夏季最高，平均值为(2.13±1.47) mg/L；总磷季节变化差异不大，总磷月变化范围为0.07～0.08 mg/L，平均值为(0.07±0.01) mg/L；代表浮游植物的叶绿素a的含量各季节差异不显著，平均值为(5.32±0.87) μg/L; COD各月份变化不明显，平均值在(15.28±2.49) mg/L之间；8月氮磷比最大，为58.73，最低在5月为11.78，全库平均值为29.94±20.99。

碧流河水库冬季水温低，夏季水温高，平均值为(14.3±8.0) ℃，pH值变化不显著，平均值为8.22±0.79；总氮有明显季节变化趋势，夏季>春季>冬季>秋季，平均值为(4.72±2.08) mg/L；总磷变化不明显，平均值为(0.070±0.010)mg/L，叶绿素a含量夏季最高为15.66 μg/L，冬季最低为1.58 μg/L，平均值为(5.40±5.24)μg/L；COD平均值为(11.65±1.16) mg/L，氮磷比平均值为74.87±50.15。

桓仁水库平均水温为14.9 ℃，变化于1.5～25.8 ℃之间。在不同季节， pH值无明显变化，平均值为8.43±0.28；总氮含量变化较大，平均值为(5.59±4.75) mg/L；总磷有显著变化，平均值为(0.12±0.09) mg/L；叶绿素a月变化范围在(4.39～6.58) μg/L，平均值为(5.56±0.96) μg/L；COD月变化范围在(4.39～6.58) mg/L，平均值为(5.79±0.96) mg/L；氮磷比平均值为43.52±4.17。

表4 三座水库7种理化指标的季节动态

2.3 细菌数量的驱动因子

2.3.1 大伙房水库细菌数量的驱动因子 SPSS相关分析表明，大伙房水库细菌数量与水温(r=0.010，n=64)、pH(r=0.062，n=64)、TN(r=0.085，n=64)、氮磷比(r=0.089，n=64)呈正相关，与TP(r=-0.147，n=64)、COD(r=-0.029，n=64)、Chl-a(r=-0.064，n=64)呈负相关。P值均大于0.05，表明大伙房水库细菌数量与测定的各类生态因子均无显著相关性。大伙房水库各样站细菌数量与环境因子的CCA分析表明(图7), 样站B2、C3、F2细菌数量与TP呈正相关，其中F2与TP的相关性更大；C1、D1与叶绿素a呈正相关，C1点细菌数量与叶绿素a相关性更显著；B1和E1与COD、TN、氮磷比呈正相关，其中B1点的细菌数量与COD 的相关性大，E1与氮磷比的相关性更大；D2点细菌数量与pH呈显著正相关，与Chl-a呈负相关；F3点细菌数量与T呈正相关，与Chl-a呈负相关；E2、A2和E3点细菌数量与COD、TN和氮磷比呈负相关。

图7 大伙房水库细菌密度与环境因子的CCA分析Fig.7 CCA analysis of bacterial density and environmental factors in Dahuofang reservoir

2.3.2 碧流河水库细菌数量的驱动因子 SPSS相关分析表明，碧流河水库细菌数量与温度(r=0.215，n=35)、pH(r=0.248，n=35)、Chl-a(r=0.259，n=35)呈正相关；与TN(r=-0.261，n=35)、TP(r=-0.255，n=35)、COD(r=-0.08,n=35)、氮磷比(r=-0.065，n=35)呈负相关。P值均大于0.05，表明碧流河水库细菌数量与测定的各类生态因子均无显著相关性。碧流河水库各样站细菌数量与理化因子的CCA分析见图8。

图8 碧流河水库细菌密度与环境因子的CCA分析Fig.8 CCA analysis of bacterial density and environmental factors in Biliu river reservoir

由图8可见，刘店3细菌数量与COD 呈负相关；刘店1、坝前1、坝前2、坝前3、桂云花和刘店2的细菌数量与TP呈正相关，其中刘店1的细菌数量与总磷的相关性较大，与TN、氮磷比、叶绿素a、pH和温度呈负相关；钟岭的细菌数量与COD呈正相关；大堡样站的细菌数量与TN、氮磷比、叶绿素a、pH和温度呈正相关，其中与温度和叶绿素a的相关性最大。

2.3.3 桓仁水库细菌数量的驱动因子 SPSS相关分析表明，桓仁水库细菌数量与温度(r=0.424，P=0.01，n=36)、TN(r=0.875，P=0，n=27)、TP(r=0.836，P=0，n=27)呈显著正相关，与Chl-a呈正相关(r=0.239，n=36)。与pH(r=-0.379，P=0.023，n=36)、COD(r=-0.489，P=0.002，n=36)呈显著负相关，与TN/TP呈负相关(r=-0.424，n=27)。桓仁水库各样站细菌数量与理化因子的CCA分析结果见图9。由图9可见，B2和B4的细菌数量与T、TN、TP、Chl-a和氮磷比值呈正相关，与pH呈负相关，B2点细菌数量与总氮和总磷的相关性显著，B4与温度的相关性较显著。C1与C2点细菌数量与COD呈负相关。A1、A2、B1和B2细菌数量与COD呈正相关，其中A1和B3细菌数量与COD的相关性显著。C3细菌数量与pH呈正相关。

总之，CCA分析结果显示，三座水库细菌总数的驱动因素有明显的水平差异。

图9 桓仁水库细菌密度与环境因子的CCA分析Fig.9 CCA analysis of bacterial density and environmental factors in Huanren reservoir

3 讨 论

本研究中大伙房水库细菌密度变化范围在(0.64～867.52)×107cell/mL之间，碧流河水库细菌密度变化范围在(1.04～98.4)×107cell/mL之间，与之前碧流河水库细菌密度在(6.09～13.9)×107cell/mL之间的范围[8]处于一个数量级单位，单就细菌数量而言，碧流河水库水质状况近年来没有大的改变。一些研究者对英那河水库[9]、吐尔吉山水库[10]的调查结果显示的细菌数量低于碧流河水库与大伙房水库，桓仁水库细菌密度变化在(606.1～2 355.3) cell/mL之间，桓仁水库的细菌数量与马徐发等[11]对道观河水库细菌数量研究的结果处于一个数量级单位，仍比水质较清的辽宁汤河水库[12]细菌数量略多。细菌数量常用来作为判断水体的污染程度，细菌总数越多水体受污染的程度越大[13-14]。细菌数量较高可能是因为采样区域受到人为活动干扰较大，水库中水的滞留时间过长，水库中丰富的营养物质带来大量浮游细菌。

细菌数量是水域中各种理化因子及生物因子综合作用的结果，不同水库细菌数量与时空分布的影响因素较复杂，但其驱动因子也有共性。水温对细菌数量的影响较大，水温主要受气温的影响[15]。一般情况下，在适宜的水温范围里细菌生长和繁殖的速度很快，本研究的细菌数量在夏秋季较高，冬春季较低，与马溪平等[12]的研究结果相同，年周期显示细菌数量夏季多，冬季少。李勤生等[16]的研究表明，细菌数量在冬季时数量最多，在夏秋季反而较少，这与本研究的结果相反。本研究中三座水库细菌总数与温度呈正相关，但差异不显著。pH是水体的酸碱度，是水域中化学作用和生物作用的综合结果，本研究中三座水库细菌数量与pH的相关性不一致，大伙房和碧流河水库细菌总数与pH正相关，而桓仁水库是负相关；CCA分析仅个别站位与之相关，并且pH值处在适宜细菌生长所需求的范围内，说明pH不是限制细菌生长的主要因子[17]。Chl-a含量在一定程度上代表了浮游植物生物量，浮游植物与异养细菌的代谢密切相关，浮游生物的分泌物、代谢产物及浮游动物的滤食作用会刺激细菌的增长，Chl-a的含量间接影响水体中浮游细菌的密度变化[18-20]。本研究中大伙房水库细菌总数与Chl-a呈负相关，而碧流河水库和桓仁水库细菌数量与Chl-a含量呈相反趋势，尽管相关均不显著，也表明细菌总数与Chl-a含量之间关系比较复杂，不能一概而论。氮磷等物质是细菌生长繁殖的主要营养成分，其含量增加是导致水体富营养化的主要原因[21]，有研究表明，在贫营养型湖泊中，氮、磷等物质能共同成为浮游细菌增殖的限制因素[22-23]，中营养型湖泊显示碳、氮、磷的变化在不同季节表现不同的限制作用[24]。本研究中总氮、总磷和氮磷比与细菌总数的关系并不一致，也说明水库由于水交换量大、养殖鱼类差异及其他因素，细菌数量与营养盐之间的关系较复杂。桓仁水库四季TN、TP与细菌密度的相关分析表明，细菌密度与总氮、总磷呈显著正相关，表现桓仁水库水体中营养盐对细菌数量可能不仅仅是磷限制。总之，三座水库的氮磷比均高于17∶1，表明对浮游植物初级生产力而言表现出明显的磷限制，碧流河水库限制最大，桓仁水库次之，而大伙房水库较小。总体而言，三座水库的浮游细菌总数与COD均呈负相关，且桓仁水库呈显著负相关，这也说明浮游细菌总数与COD关系的影响因素较复杂。至于上述原因有待进一步研究。