任春曉，隋海潮，王繼華，劉晨宇，車 琦

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

水作為人類生存發(fā)展不能缺少的資源，在人類生活的各個領(lǐng)域起著十分重要的作用，是維持人類生存的基本條件[1].由于世界人口數(shù)量的持續(xù)上漲和經(jīng)濟的飛速前進(jìn)，水資源不足及水體污染已發(fā)展成全世界學(xué)者們關(guān)注的焦點[2].中國也是眾多水資源不足的國家之一，不同區(qū)域水資源量差異很大，水資源已經(jīng)變成影響中國可持續(xù)發(fā)展的不容忽視的因素[3].人們對于水體的污染和過度使用更加加劇了資源不足問題[4].江蘇省屬于長江中下游地區(qū)，水資源總量為399億m3，占整個長江水域總量的3.9%，其中地表水資源量為196.4億m3，地下水資源量為118.9億m3，而江蘇省用水總量為591.3億m3[5].數(shù)據(jù)顯示，該地區(qū)水的使用量已經(jīng)遠(yuǎn)超其原有水資源量.為了解決和緩解資源短缺現(xiàn)狀，加大水環(huán)境監(jiān)測及相關(guān)研究就成為學(xué)者們研究的重中之重[6].

水環(huán)境中存在大量的微生物，它們體積微小、表面積大、存在較廣，其生長繁殖過程中代謝速率極高，并且速率反應(yīng)性極為靈敏，有較強的遺傳適應(yīng)性，可利用多種營養(yǎng)物質(zhì)，在適宜的環(huán)境條件下能夠快速生長[7]，這使其成為促進(jìn)自然界發(fā)生一系列化學(xué)變化的動力因子.水體微生物可以加速能量從一級流向下一級的過程并且能夠促進(jìn)水生生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮等元素的循環(huán)[8]，其數(shù)目大小和豐富度的高低可以在一定程度上反映水質(zhì)狀況[9]，而細(xì)菌總數(shù)作為評價水體受污染程度指標(biāo)被廣泛使用[10].該研究為了探究地表水和地下水細(xì)菌數(shù)量的動態(tài)變化，以江蘇省常州市深水城北污水處理廠內(nèi)地下水及其納污的地表水為研究對象，在2015年12月～2016年12月期間采集地表水和地下水水樣展開研究，解析不同月份下地表水和地下水中細(xì)菌總數(shù)，從而為地表水和地下水的后續(xù)研究提供一定的理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

常州市位于江蘇省境南部，地理坐標(biāo)為(119°08'E-120°12'E，31°09'N-32°04'N)[11].地處太湖流域、長江流域及京杭大運河的交匯地帶.常州城市河流分布密集，有46條河道流經(jīng)市區(qū)，其中21條為主干河道[12].該地區(qū)屬于北亞熱帶海洋性氣候，常年溫度適宜、空氣濕潤、四季分明.常州市夏季氣溫高降雨量大，冬季空氣濕度較高，氣候陰冷[13].年平均氣溫16.5℃，最高氣溫常達(dá)36℃以上，平均無霜期日數(shù)248d，年總降水量889.6 mm.研究于2015年12月-2016年12月選取江蘇省常州市深水城北污水處理廠有限公司內(nèi)地下水及尾水納污的地表水，每個月采集一次，一共12次.地下水采樣點井深30 m，取8～12 m混合水樣；地表水取水面下0～0.5 m混合水樣.采集后裝入無菌采樣瓶中并進(jìn)行編號，一部分在24 h內(nèi)測定水質(zhì)指標(biāo)，另一部分帶回實驗室置于4℃的冰箱保存，用于細(xì)菌總數(shù)的測定.

1.2 實驗方法

1.2.1 細(xì)菌總數(shù)測定方法

細(xì)菌總數(shù)測定方法采用抽濾法，使用濾膜抽濾，將水中微生物過濾到濾膜上，再將濾膜接種到LB固體培養(yǎng)基中，進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng).LB固體培養(yǎng)基：酵母膏5 g，蛋白胨10 g，NaCl 10 g，瓊脂粉15 g，蒸餾水1000 mL，pH 7，121℃滅菌20 min.細(xì)菌計數(shù)采用平板計數(shù)法.

1.2.2 水質(zhì)指標(biāo)測定方法

水質(zhì)指標(biāo)測定方法主要參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》見表1.

表1 水質(zhì)指標(biāo)測定方法

1.3 主要儀器

電熱式壓力蒸汽滅菌器(XFH-40CA)，無菌操作臺(SW-CJ-2FD)，電熱恒溫培養(yǎng)箱(DH6000BⅡ)，電子天平(FA1104)，細(xì)菌抽濾器，分光光度計，比色皿，電熱鼓風(fēng)干燥箱.

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用軟件EXCEL 2003對2個采樣點的細(xì)菌總數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計并記錄，應(yīng)用Origin 8和SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、繪圖及分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水和地下水中細(xì)菌總數(shù)動態(tài)變化

研究選取地表水和地下水兩個采樣點，于2015年12月到2016年12月采集水樣，進(jìn)行細(xì)菌總數(shù)的測定，如圖1和圖2分別為不同月份下地下水和地表水細(xì)菌總數(shù)的動態(tài)變化情況.由圖1可知，地下水細(xì)菌總數(shù)的變化趨勢是先上升后下降，細(xì)菌總數(shù)的最小值出現(xiàn)在2015年12月，為13.9×104CFU/mL；最大值出現(xiàn)在2016年9月，為33.6×104CFU/mL.2015年12月到2016年4月持續(xù)增加，增加量均大于3.0×104CFU/mL；4～7月變化不明顯；8月細(xì)菌總數(shù)較7月有明顯增加，增加量約3.0×104CFU/mL；8～10月變化不明顯，但總體處于較高水平，細(xì)菌總數(shù)在9月達(dá)到最大值；10～12月呈大幅度下降狀態(tài)，下降量均在6.0×104CFU/mL以上.

圖1 地下水中細(xì)菌總數(shù)動態(tài)變化

由圖2可知地表水細(xì)菌總數(shù)總體呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，2015年12月細(xì)菌最少，為9.7×104CFU/mL；2016年8月是最大值所在月份，為32.9×104CFU/mL；2015年12～2016年1月，細(xì)菌總數(shù)出現(xiàn)小幅度上升，上升值為1.0×104CFU/mL；1～3月出現(xiàn)大幅度上升，上升值為10.6×104CFU/mL；3～5月出現(xiàn)小幅度下降，下降值分別為0.6×104CFU/mL和0.8×104CFU/mL；5～6月有大幅度上升，上升值為6.8×104CFU/mL；6～7月又有小幅度下降，下降值為0.6×104CFU/mL；7～8月有大幅度上升，上升值為6.8×104CFU/mL；8～10月出現(xiàn)中等幅度下降，下降值分別為2.8×104CFU/mL和1.8×104CFU/mL；10～12月出現(xiàn)較大程度降低，降低程度均大于6.0×104CFU/mL.

圖2 地表水中細(xì)菌總數(shù)動態(tài)變化

2.2 地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)的關(guān)系

不同采樣點之間細(xì)菌總數(shù)檢測結(jié)果存在差異，如圖3所示，將每個月份的細(xì)菌總數(shù)進(jìn)行比較得出：除8月外，地下水細(xì)菌總數(shù)均明顯大于地表水細(xì)菌總數(shù).將從兩樣點細(xì)菌總數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較結(jié)果顯示地表水>地下水，得出地表水?dāng)?shù)據(jù)的離散程度大于地下水，說明地表水細(xì)菌總數(shù)波動較地下水大.不同時間段內(nèi)，兩采樣點間細(xì)菌總數(shù)的變化趨勢不同，如圖3所示3～5月、8～9月地下水細(xì)菌總數(shù)呈上升趨勢而地表水細(xì)菌總數(shù)呈小幅度下降，這可能與水質(zhì)改善工程有關(guān).

圖3 地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)的變化

將細(xì)菌總數(shù)的結(jié)果進(jìn)行季節(jié)性分析，如圖4所示分析不同季節(jié)下細(xì)菌總數(shù)的變化情況，結(jié)果顯示：地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)隨季節(jié)變化先增長后下降，在冬季時細(xì)菌總數(shù)低，盛夏細(xì)菌總數(shù)高.表現(xiàn)出明顯的與季節(jié)相關(guān)的特點.另外將地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2顯示，地表水與地下水細(xì)菌總數(shù)表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系，在0.01水平上相關(guān)性指數(shù)為0.945.表明地表水與地下水細(xì)菌總數(shù)存在明顯的相互作用，且影響細(xì)菌總數(shù)變化的主要因素可能是不同季節(jié)導(dǎo)致的.

圖4 細(xì)菌總數(shù)隨季節(jié)變化關(guān)系

表2 地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)相關(guān)性

注：**在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

2.3 地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系

研究檢測了地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)在12個月的動態(tài)變化的同時還測定了水質(zhì)指標(biāo)，主要測定的水質(zhì)指標(biāo)有：氨氮、硝氮、亞硝氮.如表3所示，將地表水和地下水細(xì)菌總數(shù)與各水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析.

結(jié)果表明：地表水細(xì)菌總數(shù)與氨氮呈正相關(guān)，與亞硝氮呈正相關(guān)，與硝氮呈顯著負(fù)相關(guān)，在0.05水平上相關(guān)系數(shù)為-0.659.地表水水質(zhì)指標(biāo)之間均存在極顯著相關(guān)關(guān)系，地表水氨氮與亞硝氮呈極顯著正相關(guān)，與硝氮呈極顯著負(fù)相關(guān)，硝氮與亞硝氮呈顯著負(fù)相關(guān)，表明地表水細(xì)菌總數(shù)上升時，氨氮和亞硝氮含量上升，硝氮含量下降，不考慮細(xì)菌總數(shù)的變化時，當(dāng)氨氮含量升高時，亞硝氮含量也隨之升高，而硝氮含量則呈現(xiàn)下降趨勢，此變化規(guī)律與細(xì)菌數(shù)量改變所引起的變化規(guī)律相同，說明地表水細(xì)菌總數(shù)的變化可以反映各水質(zhì)指標(biāo)的含量，因此可以通過監(jiān)測細(xì)菌總數(shù)的升降來間接反映水體受污染程度.地下水細(xì)菌總數(shù)與各水質(zhì)指標(biāo)之間及各水質(zhì)指標(biāo)之間均不存在顯著相關(guān)性.說明不能僅僅通過監(jiān)測地下水細(xì)菌總數(shù)的變化來間接反映水質(zhì)的變化情況.由于影響地下水細(xì)菌及無機鹽含量的因素很多，也很復(fù)雜，地層中往往含有大量無機鹽類，而地層中的無機鹽與細(xì)菌總數(shù)沒有直接的因果關(guān)系，這可能是造成地下水細(xì)菌總數(shù)與上述水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性不顯著的原因.

表3 細(xì)菌總數(shù)與各水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性

注：*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

3 討論

細(xì)菌學(xué)指標(biāo)可作為評價水受污染嚴(yán)重與否的重要指標(biāo)[14].水體中微生物群落結(jié)構(gòu)組成與其生存的水環(huán)境緊密相關(guān)，微生物的數(shù)量和種類變化在一定程度上可以反映水體的生態(tài)環(huán)境及污染狀況[15].馮勝等[16]表明細(xì)菌總數(shù)的上升與水體營養(yǎng)水平的上升表現(xiàn)出相同的走勢，富營養(yǎng)化程度的高低直接影響細(xì)菌總數(shù)的大小.這表明細(xì)菌總數(shù)的變化趨勢可以反映水體中富營養(yǎng)化水平，而水體富營養(yǎng)化水平與氮、磷含量也存在相關(guān)性.另外水體中細(xì)菌總數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)也存在良好的響應(yīng)關(guān)系，楊雪辰等[17]研究利用DNA濃度與水質(zhì)指標(biāo)的響應(yīng)來反映微生物總量與水質(zhì)的響應(yīng)，結(jié)果表明當(dāng)DNA濃度升高時，氨氮及總氮的含量也隨之升高，反之下降，各污染物變化趨勢和DNA濃度趨勢大致相同.劉建琪等[15]研究結(jié)果表明，水體受污染后，細(xì)菌總數(shù)會急劇增加，且與氨氮、亞硝氮等具有響應(yīng)關(guān)系.因此可以說明細(xì)菌總數(shù)的變化可以反映水體中污染物含量情況進(jìn)而反映水質(zhì)的變化情況.

根據(jù)實驗結(jié)果，兩采樣點細(xì)菌總數(shù)在2015年12月到2016年8月或9月呈上升狀態(tài)，之后下降，表現(xiàn)出明顯與季節(jié)相關(guān)的特點.張芝勍等[18]研究結(jié)果表明，對北京市官廳水庫進(jìn)行的異養(yǎng)細(xì)菌和大腸菌群監(jiān)測，結(jié)果是夏季細(xì)菌總數(shù)值高，冬季值低，且水庫各部分已經(jīng)不同程度遭受細(xì)菌污染.對沉積物的調(diào)查中，池塘底泥中的細(xì)菌由于受溫度等影響數(shù)量呈現(xiàn)較大波動，冬季總數(shù)低，夏季細(xì)菌大量繁殖，總數(shù)急劇增加，這與該研究得出的細(xì)菌總數(shù)變化與季節(jié)相關(guān)的結(jié)果較為一致.根據(jù)細(xì)菌總數(shù)的差異分析結(jié)果得出地表水<地下水，通常情況下，地下水環(huán)境較封閉，受人類活動影響較小[19]，有機污染物不易進(jìn)入水體，細(xì)菌總數(shù)較低，水較清潔.該次研究結(jié)果卻呈現(xiàn)地表水細(xì)菌總數(shù)少的情況.該現(xiàn)象出現(xiàn)可能與采樣點位置有關(guān).地表水采樣點位于污水處理廠尾水排管渠，水渠中的水一部分來源于上游，一部分來源于處理后較清潔的尾水，尾水與上游水混合使上游水中的細(xì)菌濃度降低，導(dǎo)致每毫升檢出細(xì)菌總數(shù)少.另外，地表水具有陽光充足、溫度變化大等特點，而地下水長期處于較低溫度水平，使地下水微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的利用和轉(zhuǎn)化速率較地表水緩慢數(shù)十倍[20]，應(yīng)對環(huán)境變化較遲緩，所以地表水細(xì)菌總數(shù)與地下水細(xì)菌總數(shù)變化呈現(xiàn)出不同的特點，表現(xiàn)為地表水細(xì)菌總數(shù)波動程度較地下水大.

4 結(jié)論

(1)地下水細(xì)菌總數(shù)動態(tài)變化規(guī)律：細(xì)菌總數(shù)在2015年12月出現(xiàn)最小值，為13.9×104CFU/mL；在2016年9月出現(xiàn)最大值，為33.6×104CFU/mL，總體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；2015年12月～2016年4月細(xì)菌總數(shù)持續(xù)增加，4月到7月變化不明顯，8月細(xì)菌總數(shù)較7月有明顯增加，8～10月波動較小，10～12月呈大幅度減少.

(2)地表水細(xì)菌總數(shù)動態(tài)變化規(guī)律：細(xì)菌總數(shù)在2015年12月出現(xiàn)最小值，為9.7×104CFU/mL；在2016年8月出現(xiàn)最大值，細(xì)菌總數(shù)為32.9×104CFU/mL，總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢.

(3)地下水和地表水細(xì)菌總數(shù)的關(guān)系為地表水<地下水，地下水的波動程度較地表水小，且動態(tài)變化與季節(jié)相關(guān)；二者呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01，r=0.945，n=12)，夏季總數(shù)高，冬季總數(shù)低.

(4)分析細(xì)菌總數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性，結(jié)果表明：地表水細(xì)菌總數(shù)與總氮呈負(fù)相關(guān)，與氨氮呈正相關(guān)，與硝氮呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05，r=- 0.659，n= 12)，說明地表水細(xì)菌總數(shù)可以反映水質(zhì)指標(biāo)的變化情況；地下水細(xì)菌總數(shù)與各水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性不明顯.