三角帆蚌生物扰动对白洋淀湿地水环境影响探究

孙家君，李乾岗，魏 婷，王洪杰，张光明，曹宏斌

（1.中国科学院过程工程研究所，北京 100190 ；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国人民大学环境学院，北京 100872；4.河北大学生态与环境治理研究所，河北大学生命科学学院，河北 保定 071002；5.中国雄安集团生态建设投资有限公司，河北 雄安 071000）

0 引言

白洋淀是雄安新区重要的生态水域，对华北地区生态环境保护及经济社会发展具有重要意义，但长期以来污染问题严重，制约了雄安新区发展。修复白洋淀湿地，恢复白洋淀生态健康势在必行。底栖生物修复是湿地修复的重要组成部分，有助于完善湿地生态系统服务功能[1]。生物扰动是指底栖生物通过自身活动产生搅动作用, 促进沉积物与水体之间物质交换[2]，生物扰动会影响微生物和植物的生长，对湿地生物地球化学循环十分重要[3]。但生物扰动还会增加内源污染释放，对水质影响不容忽视，并且生物量密度是影响这一过程的关键因素[4]。 因此，充分探究底栖生物扰动作用对湿地水质、微生物以及植物的作用，对湿地生物修复及湿地物质循环研究具有重要意义。

三角帆蚌(Hyriopsis cumingii)是白洋淀具有代表性的底栖生物，能够有效抑制蓝藻等有害藻类生长，广泛运用于湿地修复当中[5]。 但现阶段的研究都过分关注于三角帆蚌的控藻效果，忽视其生物扰动作用对湿地水质、植物和微生物产生的影响[6]。 本研究以三角帆蚌为试验对象，以白洋淀水和泥为试验材料，通过室内模拟试验，研究三角帆蚌的生物扰动作用对水体水质COD，N，P 及沉水植物色素积累的影响，并结合16S rRNA 高通量测序技术，研究水中微生物群落结构的变化，以期为白洋淀湿地修复和湿地生态系统重建提供依据。

1 材料方法

1.1 试验材料与装置

试验用三角帆蚌来自白洋淀某淡水蚌养殖场，选取活力较好的蚌体进行试验，蚌质量为252.2 ±16.3 g。 试验前将其清洗并净水驯养1 W。

试验优选金鱼藻、轮叶黑藻和穗花狐尾藻3 种沉水植物。 试验用水、泥及沉水植物均取自白洋淀，试验前净水预培养1 W。 根据试验需要通过添加葡萄糖，KNO3和KH2PO4调节COD，N，P。

单个装置容积100 L，上内径49 cm，下内径41 cm，高63 cm；装置内底泥采用白洋淀底泥，厚10 cm；水深40 cm，采用蠕动泵调节进出水，保持水力停留时间为5 d；水温保持在25 ℃左右；水体pH 值为7 ～8；采用恒功率曝气，依据往年同期监测数据保持水体DO 质量浓度在4 ～6 mg/L。

1.2 试验方法

三角帆蚌的生物量分为低(4 g/L)、中(12 g/L)、高(20 g/L)3 个密度，每2 d 固定时间出水口取样检测水质。设置无蚌对照组和平行组，共计运行42 d。进水变化情况见表1。 试验期分为高污染进水和低污染进水2 个阶段，高污染进水阶段人为添加了COD，N，P；低污染进水阶段采用淀区来水。 水质调节均源于前期监测工作。

表1 进水变化情况 mg·L-1

试验水质每隔2 d 进行1 次检测，包括COD，TN，NH3-N，NO3--N，NO2--N 和TP，检测试验期20 d和42 d 时的各处理组植物色素(叶绿素a，b 以及类胡萝卜素)含量，试验结束时对水体微生物群落进行分析。

1.3 检测和分析方法

1.3.1 水质指标及植物色素检测方法

TN 采用HJ 636―2012 碱性过硫酸钾紫外分光光度法；NH3-N 采用HJ 535―2009 纳氏试剂分光光度法；TP 采用GB 11893―89 钼酸铵分光光度法；NO3--N 采用HJ/T346―2007 硝酸盐氮的测定紫外分光光度法；NO2--N 采用GB/T 7493―1987 分光光度法。 植物色素采用95%乙醇提取法。 底泥中全氮采用HJ 717―2014《土壤质量全氮的测定凯氏法》；底泥中全磷采用HJ 632―2011 《碱熔-钼锑抗分光光度法》。

1.3.2 微生物群落结构分析

利用注射器采集距液面10，20，30 cm 处的水样共150 mL，过0.22 μm 滤膜后，将样品- 20 ℃保存。对预处理样品进行微生物群落高通量测序分析。 基于二代高通量测序，测定16SrRNAV4 区PCR 产物，对各样品中微生群落结构进行分析 （引物为338F：5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3',806R：5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'）。 DNA 的提取、PCR、建库和测序交由北京美吉桑格生物医药科技有限公司完成，测序使用平台为IlluminaMiseqplatform（Illumina，USA）。

1.4 数据处理

使用SPSS26.0 进行相关性分析，使用Origin9.0进行作图。 采用P 值来判断数据的显著性，当P ＜0.05 认为所得数据具有统计学的显著差异性。

2 结果与讨论

2.1 水体COD 变化

试验期间COD 浓度变化情况见图1。 白洋淀整体COD 浓度偏低，各处理组平均削减率在40% ～50%。出水COD 质量浓度为3.54 ～36.12 mg/L。由于三角帆蚌生物扰动，中、高密度组COD 质量浓度均值比对照组有一定的提升（＜4.5 mg/L），各组别间没有显著差异（P ＞0.05）。 刘昌伟等[7]采用人工湿地进行生活污水深度处理，COD 出水质量浓度在21.98～25.08 mg/L，削减23.2%。 本研究中模拟湿地对水体COD 浓度削减效果较好，且三角帆蚌对COD 浓度削减并无显著影响。

图1 各处理组COD 质量浓度变化情况

2.2 水体不同形态氮浓度的变化

试验水体TN，NH3-N，NO3--N 以及NO2--N 质量浓度变化情况见图2。由图2（a）可以看出，试验阶段各处理组TN 平均质量浓度分别为5.60，5.52，5.88 和6.02 mg/L。 可见中、高密度组的三角帆蚌的生物扰动将水体TN 质量浓度提高了5.4% ~ 7.5%。对照组与低密度组变化没有差异（P > 0.05）。白洋淀水体长期的富营养化问题导致湿地沉积物中蕴含了大量的N，P 污染物，造成了较大的内源污染风险[8]。上覆水理化性质、沉积物性质以及扰动强度和时间是影响沉积物内源释放的主要因素，在白洋淀等缓流水体中，生物扰动作用就成为促进沉积物内源释放的主要动力[9]。三角帆蚌的生物扰动促进沉积物中氮的释放，是水体TN 质量浓度升高的主要原因，并且本研究发现三角帆蚌的生物量密度是影响沉积物中氮释放速率的重要因素。CHENG H M 等[10]研究发现，Chironomid 幼虫和Limnodrilushoffmeisteri活动增加了沉积物的孔隙度，提高了间歇水和上覆水中Cr 的浓度，将Cr 的释放通量提高约90 μg/（m-2·d）。

图2 水中各形态氮质量浓度变化情况

由图2（b）可以看出，试验阶段各处理组出水NH3-N 平均质量浓度分别为0.25，0.33，0.43 和0.45 mg/L，可见三角帆蚌提高了水体中NH3-N 浓度，但各组别之间差异不大(P ＞0.05)。 随时间延长，贝类扰动产生的NH3-N 释放量会逐渐降低为0，这是组间差异较小的原因之一[11]。 在本研究中，水体处于富氧状态，促使水体氨氧化过程，抑制反硝化，使NH3-N 浓度下降，TN 浓度上升。 试验装置运行全阶段，NH3-N出水浓度稳定达到地表水IV 类(GB 3838―2002)，表明模拟湿地对NH3-N 具有较好的处理效果。

由图2（c）可以看出，试验期NO3--N 含量与TN变化具有一致性，表明水体NO3--N 浓度变化是TN浓度变化的主要原因。 由图2（d）可以看出，三角帆蚌密度越高，NO2--N 浓度越高(P ＜0.05)，试验期内低、中、高3 个组的NO2--N 平均质量浓度较对照组分别高出0.09，0.25 和0.34 mg/L。三角帆蚌会为反硝化微生物活动提供更多空间。 底栖生物通过自身呼吸耗氧创造出更多缺氧环境，很多动物体内肠道等环境也能成为缺氧微生物反应场所，从而提高湿地中反硝化细菌的活性和数量，并提高湿地的脱氮效率[12]。 KANG Y 等[13]发现，蚯蚓活动将沉积物与水体之间的氧通量降低了约1.25 mg/L，促使沉积物NO3--N 还原率提高了28.4%，因此，三角帆蚌有助于NO2--N 积累。 但在本研究中，三角帆蚌造成的沉积物中氮释放作用更加明显，为避免生物扰动造成的水质恶化，低密度的三角帆蚌可能更适合白洋淀底栖修复。

2.3 水体TP 变化

各处理组TP 质量浓度变化情况见图3。

图3 各处理组TP 质量浓度变化情况

由图3 可以看出，试验期对照组与低密度组基本一致（P ＞0.05），中、高密度组TP 显著高于这2组（P ＜0.05）。 中、高密度组平均质量浓度分别为0.337 和0.349 mg/L，高出对照组120.8%和127.8%，显然三角帆蚌对磷质量浓度影响更明显。JI MD等[14]研究发现，湿地水体中的磷有36.2% ~ 49.7%依靠沉积物的吸附作用得以去除，远大于植物和微生物的作用。 因此生物扰动作用对磷释放效果影响更为显著。 NIZZOLI D 等[15]发现生物扰动促进磷的释放通量约为氮的3 倍，与本研究结果类似。三角帆蚌的扰动降低了沉积物的稳定性，抑制了沉积物对磷的吸附过程，同时极大促进了沉积物中磷的释放，因此三角帆蚌对水体磷浓度影响更大。 高污染进水段能促使三角帆蚌代谢增强[15]，导致生物扰动增强，提高了中、高密度组上覆水中TP 质量浓度，可见低密度对水质变化并不敏感，更有利于维护水质。

2.4 水体微生物群落分析

各处理组水体中微生物群落丰度在门水平上的占比（比例≥1%）见图4。 本研究共检测出7 个微生物类群，分别为变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放 线 菌 门（Actinobacteria）、疣 微菌 门 （Verrucomicrobia）、蓝 细 菌（Cyanobacteria）、Patescibacteria、螺旋体门（Spirochaetes）。各组中的优势菌种均为变形菌门、拟杆菌门和放线菌门微生物。中密度组变形菌门相对丰度最高（74.01%），较对照增加了33.89%，拟杆菌门和放线菌门分别下降了15.46%和13.27%。 表明一定密度范围，三角帆蚌生物会增加水体中变形菌门丰度。

图4 各处理组水体中微生物群落分析.

变形菌门是自然水体中最常见的微生物类群，分布十分广泛，是大部分湿地中的优势菌门[16]。 变形菌门包含了湿地中绝大多数的脱氮除磷及有机物降解微生物，例如亚硝化球菌属(Nitrosococcus)、硝化螺菌属(Nitrospira)等微生物是重要的硝化细菌，假单胞菌属微生物又是一类溶磷能力较强的细菌，能促进湿地中的有机磷向可溶性磷转化[17]。 拟杆菌门是湿地中一类重要的有机物降解微生物，对水体中的氨化合物及蛋白质的降解效果更好。 放线菌多为好氧细菌，能促进沉积物中的有机物分解[18]。 在本研究中，三角帆蚌活动提高了湿地中变形菌门的丰度，增加了湿地硝化细菌和磷细菌的数量。 加之水体始终处于富氧状态，三角帆蚌又促使水体中N，P 浓度升高，有助于植物对磷的吸收和利用，促进植物生长。三角帆蚌增加了功能微生物丰度，并为微生物反应提供了更优环境，有助于强化湿地微生物的作用。

2.5 沉水植物色素含量变化

绿色植物的植物色素是其有机物生产能力的代表，其色素浓度的高低直接代表了植物生长水平的高低，色素含量越高，其生产能力则越强[19]。 本研究探究了金鱼藻、穗花狐尾藻以及轮叶黑藻在三角帆蚌的影响下植物色素含量变化。 其中，金鱼藻无根，穗花狐尾藻有茎状根，仅有轮叶黑藻具有完整的根部结构，它们对水体中N，P 的吸收能力依次增强，因此可以依据色素积累判断出水体N，P 含量变化与植物生长之间的相关性。

3 种沉水植物色素含量变化情况见图5。 由图5可以看出，三角帆蚌极大促进了轮叶黑藻各类色素的积累，各实验组数据之间差异显著(P ＜0.05)，表明中密度组的促进作用更加明显，第42 d 时，其叶绿素a，叶绿素b 和类胡萝卜素质量分数分别高出对照组176.1%，190.9%和190.8%(P ＜0.05)。结合图4 可知，各处理组轮叶黑藻色素含量与变形菌门丰度变化具有一致性，中密度组变形菌门丰度最高，其各种植物色素含量也最高，可见三角帆蚌引起的微生物与植物变化之间密切相关。 因此湿地功能微生物和营养含量增加，是有根植物色素积累的主要原因。同时本研究发现，三角帆蚌抑制了穗花狐尾藻与金鱼藻的生长，可见低密度的三角帆蚌更有利于湿地植被系统的构建。

图5 3 种沉水植物色素含量变化情况

3 结论

（1）中、高密度的三角帆蚌会促进沉积物中污染物释放，将水体中的COD，TN，NH3-N 和TP 浓度分别提高13.7% ～20.6%，5.4% ～7.5%，73.7% ～81.5%和120.8% ～127.8%，而低密度组对水质变化并无明显影响(P ＞0.05)。

（2）低、中三角帆蚌促使水体中变形菌门丰度增加10.81%和33.89%，提高了水体的硝化细菌和磷细菌丰度，促进NO3--N 和可溶性磷酸盐的积累。 三角帆蚌提供的缺氧环境促进了反硝化，提高了水体中NO2--N 浓度，且三角帆蚌密度越高NO2--N 浓度越高。

（3）低、中密度三角帆蚌生物扰动促进了轮叶黑藻的光合色素积累。 微生物群落变化与有根植物色素积累密切相关。 三角帆蚌抑制金鱼藻和穗花狐尾藻的生长。