渤海湾浮游细菌分布特征及环境影响因素

赵海萍，李清雪，陶建华

(1.天津大学环境科学与工程学院，天津 300354； 2. 河北工程大学能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038)

海洋细菌在海洋生态系统中既是生产者又是消费者，能直接吸收利用主食物链的代谢“废物”——溶解有机物，而增长自身的生物量，随后进入经典食物链，同时也参与颗粒有机物的矿化、分解过程，从中获得能源和营养物质，充当分解者角色[1]。海洋细菌在海洋生态系统的物质和能流循环中起着不可替代的作用。国内外学者对海洋细菌的生态特征、群落结构和营养响应机理进行了大量研究[2-5]，对海洋细菌与环境影响因素的关系也进行了大量研究，如白洁等[6]在南海南部海域、张喆等[7]南海北部海域、沈烽等[8]在南京玄武湖、李建洋等[9]在深圳近海表层海域、陈淑文等[10]在深圳湾海域分别进行了浮游细菌与环境影响因素之间关系的研究。

渤海湾位于渤海的最西边，是一个半封闭的淤泥质浅水海湾。渤海湾地处环渤海经济圈的中心位置，沿岸大量的工业、农业、生活废水输入，加上该海域水体自净能力比较差，致使水体富营养化和赤潮等水质灾害频繁发生[11-12]，成为中国最受威胁的海洋生态环境之一，受到了广泛关注[12-13]。

李清雪等[14-15]调查研究了渤海湾近岸海域表层水体中的自养、异养浮游细菌和总浮游细菌的生态分布及影响因素,乔旭东等[16]对渤海湾南部近岸海域10个站位的总浮游细菌、活菌、可培养异养细菌、总大肠菌群的数量进行了调查研究。但已有报道的研究时间相对比较早，研究范围也相对较小，为更好地了解渤海湾浮游细菌的生态环境状况，有必要对渤海湾进行大面积的实地调查研究。本研究分别于2011年5月、2012年5月、2012年11月对渤海湾海域33个站位表层海水中浮游细菌丰度进行了3个航次的调查研究，旨在探求浮游细菌的分布特征及其与环境影响因素之间的关系。

1 调查区域和站位设定

本研究在渤海湾117°30′E～119°E、38°N～39°N的范围内共设33个站位，见图1。

图1 渤海湾研究区域及采样站位

2 样品采集和测定

2.1 水样的采集

于2011年5月、2012年5月和2012年11月分别采集了14、33和33个站位的水样用于浮游细菌总数和环境因子测定。使用卡盖式采水器(型号QCC15，北京普雷德仪器设备有限公司)采集各站位的表层海水(水面下0.5 m左右处)，分装到500 mL无菌采样瓶中，并立即加入无菌无颗粒甲醛(事先经0.2 μm的无菌滤膜过滤)固定水样(无菌甲醛的质量分数为2%)，用于浮游细菌总数的测定。整个采样过程要迅速，避免外界微生物污染。然后将水样置于4℃避光保存，带回实验室，并于一周内分析完毕。渤海湾海域表层海水环境影响因子水样的采集、保存和运输严格按照GB17378—2007《海洋监测规范》中的规定进行。

2.2 浮游细菌的测定

本研究渤海湾浮游细菌的计数采用吖啶橙染色-荧光显微直接计数法(即吖啶橙落射荧光显微镜直接计数法)[17]。取1 mL待测样品于无荧光黑色滤膜(WHATMAN聚碳酸酯滤膜)上，在负压(50 kPa)条件下，把样品慢慢抽滤至滤膜刚刚呈湿润状态，释放真空；加入吖啶橙染色液(0.2 μm的无菌滤膜过滤液)3或4滴，染色5～10 min，然后在同样负压下抽滤至干；在载玻片上贴上滤膜(载菌一面朝上)，并在盖玻片上加一小滴无荧光镜油，具油面朝下盖紧滤膜(滤膜上下两面均不能有气泡)；在落射荧光显微镜(Leica DM 5000B)的油镜(100倍)条件下，随机取20个视野，计算具有细菌形态的、呈亮绿色或红色荧光的细胞数。计算公式为

(1)

式中：BN为样品含菌数， L-1；Na为各视野平均菌数；S为滤膜实际过滤面积，mm2；Sf为显微镜视野面积，mm2；0.05为加入37%～40%甲醛固定样品总体积的比例；V为过滤样品量， L。

测定水样时，应同时测无菌水作为空白对照，且每个视野的细菌数量不得出现1个以上。检测过程按照无菌操作进行，啶橙染色剂现用现配。

2.3 环境因子的测定

3 结果与讨论

3.1 浮游细菌丰度的分布

在渤海湾表层水体中，2011年5月的海洋浮游细菌丰度在(2.51～28.39)×108L-1之间，平均值为8.95×108L-1；浮游细菌丰度最高值出现在E1站位，在D5站位附近出现了最低值，在E2站位出现次高值26.72×108L-1，D7、D8站位及其附近海域也出现浮游细菌丰度的高值区(10.19×108L-1)。2011年5月浮游细菌在研究海域的空间分布特征是近岸海域细菌丰度比较高，远岸相对比较低，见图2。

2012年5月的海洋浮游细菌丰度在(2.62～87.26)×108L-1，平均值为18.44×108L-1；分别在C2站位和D8站位及其附近海域出现了最高值和最低值；在C2、C3、C6、D1、D2、D4、D5、D6、E2、E3等站位及其附近海域出现高值区，在A2、A5、A6、A7、B4、C7、D3、D7、D8、E1、E5等站位及其附近海域出现稍高于最低值的低值区；整体空间趋势是海湾北部、中部海域的水体中浮游细菌丰度高于南部的，近岸海域的浮游细菌丰度明显高于外海海域，曹妃甸附近海域浮游细菌丰度出现一个高值区，海河口附近及其辐射海区内的浮游细菌丰度很高，D7站位附近海域却出现相对较低的浮游细菌丰度，见图2。

2012年11月海洋浮游细菌丰度在(2.18～18.15)×108L-1，平均值为8.76×108L-1；分别在B5站位和A1站位及其附近海域出现了最高值和最低值；在A4、A5、A7、B1、B2、B5、C2、C3、D4、D5、D6、E1、E4、E5站位及其附近海域出现高值区，在B6、C5、D1、D2、D7站位及其附近海域出现低值区；湾内南部海域浮游细菌丰度较北部的高，南部海域浮游细菌丰度的空间变化趋势是近岸的较外海的高；海湾北部近岸海域(D1、D2站位附近)浮游细菌丰度出现一个低值区，由南堡到曹妃甸附近海域浮游细菌丰度逐渐增大，并在B1站位附近海域出现高值区，见图2。

3个航次的调查结果显示，2012年5月渤海湾海域浮游细菌丰度无论最高值或是平均值都明显高于2011年5月的和2012年11月的，2012年11月的浮游细菌丰度相对最低。3个航次的浮游细菌丰度的空间分布显示：总体都表现为近岸海域高于远岸海域；2011年5月和2012年11月的分布都是海湾南部高于北部，而2012年5月的分布是海湾北部、中部海域高于南部。

(a) 2011年5月

(b) 2012年5月

(c) 2012年11月

3.2 渤海湾浮游细菌分布特征讨论

本研究结果与国内其他海域的浮游细菌丰度范围基本相当(表1)。

2011年5月，海洋浮游细菌最高值出现在E1站位及其附近海域，在E2站位及其附近海域出现次高值，主要是由于站位E1和E2位于海河口附近的陆海混合区，水体中含有丰富的陆源有机物和营养盐，浮游细菌可以充分利用这些物质进行繁殖生长[23-25]。渤海湾湾口海域的水体与渤海水体交换能力相对较强，渤海水体携带相对多的营养物质，可能是造成A4站位及其附近海域也出现浮游细菌高值区的原因[23]。

表1 国内其他海区的总细菌丰度 108L-1

2012年5月，海洋浮游细菌丰度呈现渤海湾北部、中部海域高于南部海域，及近岸海域明显高于外海海域的趋势。浮游细菌丰度在曹妃甸附近海域形成一个高值区，在海河口附近及其辐射海区内也很高，D7站位附近海域却出现相对较低的浮游细菌丰度。本结果与乔旭东等[16]相关研究相比较，共同点是海河口附近海域浮游细菌丰度都比较高，近岸海域高于远岸海域，均体现了渤海湾海域浮游细菌丰度受到海河陆源输入的影响比较大。渤海湾处于环渤海经济圈的中心位置，沿岸大量的工业、农业、生活废水通过海河等直接输入渤海湾，加上该海域水体封闭性强、水体交换和自净能力都比较差，污染物在海域内长期滞留，为海洋细菌的生长繁殖提供了丰富的有机物和营养盐，这是造成海河口辐射海区内浮游细菌丰度高的原因。渤海湾北部近岸海域、曹妃甸附近海域浮游细菌丰度比较高的原因都与海河口海域高值区的原因相似；不同点是，本研究中渤海湾北部、中部海域的浮游细菌丰度高于南部，而乔东旭等[16]研究显示渤海湾中部海域的浮游细菌丰度较低。二者研究时间和区域点位不同，可能是研究结果有差异的主要原因。本研究站位覆盖整个渤海湾，采样时间为2011年和2012年，而乔东旭等[16]的研究站位是渤海湾近岸海域且主要分布在海湾的南半部分，研究时间为2004年。2011年5月和2012年5月浮游细菌的调查结果稍有差别，产生这一结果的主要原因可能有二：一是2011年5月因故仅调查了14个站位的水样，2012年5月是全站位(33个站位)的调查；二是采样过程的天气条件，2011年5月采样期间相对风浪较多，2012年5月采样期间风和日丽的天气条件较多。

2012年11月渤海湾内南部海域的浮游细菌丰度较北部的高，由南堡向曹妃甸附近海域的浮游细菌丰度逐渐增大。渤海湾南部海域相对比较开阔、近岸水深相对比较浅，且南部海域养殖业相对较发达，再加上11月海水与底质的物质交换比较明显，大量底质营养物质被传递到上覆水体中，这可能是导致该时期渤海湾南部海域浮游细菌丰度较北部高的原因。

3.3 渤海湾浮游细菌与环境因子的关系

采用R语言(版本3.1.0)对渤海湾表层浮游细菌、浮游植物与环境因子[26]之间的关系进行相关性和主成分分析，结果见图3～5。

图3 2011年5月浮游细菌与环境因子在主成分1、2下的得分

图4 2012年5月浮游细菌与环境因子在主成分1、2下的得分

图5 2012年11月浮游细菌与环境因子在主成分1、2下的得分

2011年5月，浮游细菌和浮游植物有极显著的正相关关系。浮游植物与浮游细菌之间的关系相当密切和复杂，一方面，浮游植物能胞外分泌大量溶解有机碳供浮游细菌进行二次生产[25]；另一方面，通过生物竞争、分泌特殊物质等途径，浮游细菌可以抑制浮游植物的生长繁殖，甚至裂解其细胞[27]。2011年5月渤海湾表层水体中浮游细菌和浮游植物的高度正相关性进一步验证了浮游植物和浮游细菌的密切关系。该时期浮游细菌与TOC呈弱正相关关系，与COD呈负相关关系，综合体现了2011年5月渤海湾浮游细菌生长繁殖所需的有机碳主要来源于浮游植物胞外分泌的溶解有机碳，该时期浮游细菌的数量、生物量受浮游植物现存量的影响比较大。

2011年5月浮游植物生物量和浮游细菌生物量与氨氮呈显著负相关关系，与亚硝酸盐氮、硝酸盐氮呈正相关关系，且浮游细菌生物量与氨氮呈现的负相关关系更明显。这些说明该时期渤海湾表层海域浮游植物和浮游细菌的生长繁殖受营养盐含量的调节，浮游植物和浮游细菌更优先利用氨氮[28]，并且二者对氨氮的吸收存在竞争机制[29]，造成水体中氨氮含量的锐减而呈现出显著负相关关系。由于浮游植物和浮游细菌在自身生长繁殖过程中对碳、氮、磷是各按一定比例吸收利用的，所以大量氨氮消耗的同时也有大量磷的消耗，这可能是造成水体中磷酸盐与浮游植物生物量和浮游细菌生物量呈显著负相关关系的原因。另外，浮游细菌生物量和浮游植物生物量均与TOC呈现正相关关系，说明陆源有机碳在一定程度上会刺激浮游植物和浮游细菌的生长繁殖[30]。浮游细菌生物量和浮游植物生物量与溶解有机碳、硅酸盐在同一方向上(图3)，即浮游细菌生物量和浮游植物生物量会随着溶解有机碳、硅酸盐的增加而增加。

2012年5月，浮游细菌与浮游植物没有明显的相关关系，二者都与COD呈现正相关关系，说明该时期浮游细菌生长繁殖需要的有机碳源主要是陆源输入有机物，浮游植物胞外分泌的溶解有机碳对浮游细菌的生长贡献相对不明显。该时期渤海湾浮游细菌与BOD呈现负相关关系，说明该时期由陆源输入的有机物促进浮游细菌的大量、快速繁殖，造成水体中可降解有机物迅速减少。2012年5月，浮游细菌生物量与氨氮呈现极显著的正相关系，与亚硝酸盐氮和硝酸盐氮呈正相关系，而与活性磷酸盐呈现极显著的负相关系。由于海洋细菌吸收营养物质进行自身生长时，依据自身C、N、P比值来建立其生理状态所调节的化学平衡[31]，造成海洋浮游细菌生物量与活性磷酸盐呈极显著负相关系，这一结果与2011年5月的研究结果相同。

2012年11月，渤海湾浮游细菌生物量除了与亚硝酸盐氮、水温呈现正相关关系外，与其他环境因子都呈负相关，不同于无机营养盐促进浮游细菌生长繁殖的规律。出现这一结果的原因可能是，海洋细菌吸收无机营养盐进行生物合成时，该生物合成是建立在自身生理状态的化学平衡上[32]。一般而言，浮游细菌的生长增殖离不开营养盐的供给，在一定条件下，无机营养盐的种类、形态和浓度含量对细菌的生长具有正向促进作用[33-36]。但当海水中某元素的可利用量满足不了细菌维持这种平衡时，该元素就成为细菌生长的限制因子，进而影响细菌对其他元素的吸收利用。而且，细菌的生长繁殖只有在不受碳源影响的前提下，无机氮、活性磷的作用才会显现出来，当三大营养源的比例不符合浮游细菌生长繁殖所需的比例时，无机营养盐与浮游细菌的相关关系就会发生变化。3个航次的主因子分析结果显示：2011年5月，浮游细菌与浮游植物密切相关，都在被提取的第一主成分中，对海洋水环境指示作用的贡献率达到33.98%；2012年5月和2012年11月浮游细菌作用项分别处于第二、第三主成分中，其对海洋水环境指示作用的贡献率分别为20.312%、13.615%。

4 结 论

在渤海湾表层水体中，海洋浮游细菌丰度在(2.18～87.26)×108L-1之间。2011年5月、2012年5月和2012年11月3个航次浮游细菌丰度的空间分布都是近岸高于远岸。2011年5月和2012年11月的浮游细菌丰度均是海湾南部海域的高于北部海域的，而2012年5月是海湾北部、中部海域的高于南部海域的。陆源输入有机碳和浮游植物胞外分泌有机碳对浮游细菌的生长繁殖在不同时期的贡献程度不同。

渤海湾表层水体中，2011年5月，浮游细菌生长繁殖所需碳源主要是浮游植物胞外分泌的溶解有机碳，浮游细菌生物量与氨氮呈显著负相关关系，与亚硝酸盐氮、硝酸盐氮呈现正相关关系，与磷酸盐呈显著负相关关系；2012年5月，浮游细菌生长繁殖所需碳源主要是陆源输入有机物，浮游细菌生物量与氨氮呈极显著的正相关关系，与亚硝酸盐氮和硝酸盐氮呈正相关关系，而与活性磷酸盐呈极显著的负相关关系；2012年11月，渤海湾浮游细菌生物量除了与亚硝酸盐氮、水温呈正相关关系外，与其他环境因子都呈负相关关系。