宋高飛，朱宇軒,2，米武娟，Anila P. Ajayan，畢永紅

(1.中國科學(xué)院 淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;水生生物研究所，武漢 430072；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

武漢市在新冠肺炎疫情期間對居民社區(qū)、公共環(huán)境及飲用水采取或加強(qiáng)了消毒措施[1].據(jù)相關(guān)資料，截至2020年2月18日，全市累計投放消毒劑1 963.58 t，其中，以含氯消毒劑為主.全市26座污水處理廠均采用次氯酸鈉24 h連續(xù)消毒，累計強(qiáng)化消毒劑用量共計1 777.36 t，污泥消毒劑用量共計33.69 t[2-3].大量消毒劑的使用在防控疫情傳播方面發(fā)揮了重要作用，但水體是消毒劑的重要受納場所和最終歸趨，含氯消毒劑會與水中的多種有機(jī)與無機(jī)物成分反應(yīng)，生成毒性強(qiáng)、危害生物健康的消毒副產(chǎn)物(disinfection by-products,DBPs)[4].同時，由于次氯酸具有很強(qiáng)的氧化性，水體環(huán)境中原有的氧化還原平衡可能被打破，氮、磷、有機(jī)物等降解和歸趨途徑相應(yīng)地被改變[5].而氮、磷等營養(yǎng)鹽含量及水體營養(yǎng)狀態(tài)是影響水體浮游生物群落和湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的主要因子[4-7].浮游動物在湖泊生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)中占據(jù)著重要的基礎(chǔ)生態(tài)位.一方面是魚類等上層營養(yǎng)級的食物來源，另一方面又制約著初級生產(chǎn)者浮游植物及其他微生物的種群組成及豐度變化.浮游動物的群落組成、種類豐富度、個體密度、優(yōu)勢種等群落結(jié)構(gòu)特征與水體環(huán)境狀況密切相關(guān)，對水體生態(tài)系統(tǒng)中的理化因子和生物因子的變化具有直接且敏感的反應(yīng)[6,12-13].

消毒劑的大量使用對武漢市湖泊水生生物和水生態(tài)系統(tǒng)是否存在影響以及具體影響效應(yīng)是一個迫切需要回答的問題，為此，本研究以浮游動物為切入點(diǎn)，在野外原位調(diào)查的基礎(chǔ)上運(yùn)用多元統(tǒng)計分析大量消毒劑的使用對湖泊浮游動物群落的影響，浮游動物與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系，探究常規(guī)理化因子與消毒副產(chǎn)物對浮游動物的影響權(quán)重，為認(rèn)識消毒劑使用的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

2020年4月27日至30日在武漢市共進(jìn)行了11個湖泊的樣品采集，分別為東湖(East Lake，DH)(DHS1 30°32′46.07″ N，114°21′55.62″ E；DHS2 30°32′4.27″ N，114°22′18.70″ E；DHS3 30°32′17.20″ N，114°22′21.83″ E；DHS4 30°33′50.08″ N， 114°20′50.08″ E),南湖(South Lake，NH)(NHS1 30°28′33.86″ N，114°22′0.25″ E；NHS2 30°29′9.91″ N，，114°22′43.43016″ E；NHS3 30°29′36.50″ N，114°21′47.01″ E；NHS4 30°29′33.93″ N，114°21′6.69″ E；NHS5 30°29′16.29″ N，114°20′44.38″ E；NHS6 30°29′51.19″ N，114°20′19.03″ E；NHS7 30°30′6.55″ N，114°20′54.32″ E),北湖(North Lake，BH)(BHS1 30°35′59.25″ N，114°30′52.92″ E；BHS2 30°36′9.62″ N，114°30′47.61″ E；BHS3 30°36′17.16″ N，114°30′51.77″ E；BHS4 30°36′50.09″ N，114°30′43.87″ E；BHS5 30°37′13.51″ N，114°30′16.63″ E),墨水湖(Moshui Lake，MSH)(MSHS1 30°32′35.07″ N，114°12′25.33″ E；MSHS2 30°32′57.57″ N，114°12′45.11″ E；MSHS3 30°32′38.36″ N， 114°13′0.16″ E；MSHS4 30°32′41.23″ N，114°13′35.46″ E；MSHS5 30°32′52.12″ N，114°13′27.77″ E；MSHS6 30°32′16.10″ N，114°13′56.26″ E),西北湖(Northwest Lake，XBH)(XBHS1 30°36′2.13″N，114°15′46.19″ E；XBHS2 30°35′59.95″ N，114°15′44.30″ E；XBHS3 30°35′54.85″ N，114°15′54.85″ E),沙湖(Sha Lake，SH)(SHS1 30°34′21.26″ N， 114°20′33.68″ E；SHS2 30°34′21.22″ N，114°20′32.91″ E；SHS3 30°34′25.93 ″N，114°20′2.51″ E),月湖(Yue Lake，YH)(YHS1 30°33′26.82″ N，114°15′27.756″ E；YHS2 30°33′26.78″ N，114°15′27.58″ E；YHS3 30°33′24.34″ N，114.26 E),蓮花湖(Lianhua Lake，LHH)(LHHS1 30°33′11.56″ N，114°16′21.14″ E；LHHS2 30°33′13.86″ N， 114°16′16.22″ E；LHHS3 30°33′8.30″ N，114°16′27.40″ E),鯇子湖(Huanzi Lake，HZH)(HZHS1 30°35′55.82″ N，114°16′38.53″ E；HZHS2 30°35′54.48″ N，114°16′47.62″ E；HZHS3 30°35′53.81″ N，114°16′47.39″ E),梁子湖(Liangzi Lake，LZH)(LZHS1 30°14′44.42″ N，114°27′1.69″ E；LZHS2 30°14′22.21″ N，114°27′23.74″ E；LZHS3 30°14′40.2″ N，114°27′1.66″ E),沉湖(Chen Lake，CH)(CHS1 30°19′13.35″ N，113°49′4.16″ E；CHS2 30°18′54.24″ N，113°49′0.75″ E；CHS3 30°18′45.85″ N，113°49′12.45″ E).

1.2 水樣采集與分析

采用氣相色譜-三重四聯(lián)質(zhì)譜(GC/MS-TQ8050,Shimadzu,Japan)對17種鹵代脂肪族DBPs進(jìn)行分析，包括6種三鹵甲烷(THMs)、2種鹵代酮(HKs)、9種亞硝胺類物質(zhì)(NAs).采用高效液相色譜-三重四聯(lián)質(zhì)譜(HPLC/MS-TQ8060,Shimadzu,Japan)對21種哈斯芳香族鹵化DBPs分析，包括9種鹵乙酸(HAAs),12種芳香鹵化物(Armotics).具體方法詳見文獻(xiàn)[15].

1.3 浮游動物樣品采集與分析

現(xiàn)場用13#浮游生物網(wǎng)采集浮游動物定性樣品，4%甲醛溶液固定.采集1 L水樣用于原生動物和輪蟲的鑒定與定量計數(shù)，水樣用魯哥氏液進(jìn)行固定保存.用25#浮游生物網(wǎng)過濾20 L表層湖水，濾取物放入樣品瓶中，用甲醛溶液固定，為甲殼類(枝角類和橈足類)定量樣品.浮游動物定性及定量樣品用顯微鏡(Olympus CX21,Japan)鑒定并計數(shù)，鑒定依據(jù)《水生生物學(xué)》《中國淡水輪蟲志》《微型生物監(jiān)測新技術(shù)》《中國動物志節(jié)肢動物門甲殼綱淡水枝角類》[16-20].

1.4 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計

1.4.1多樣性指數(shù)計算

采用物種豐富度,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、物種均勻性指數(shù)(J)對浮游動物群落多樣性進(jìn)行分析評價，通過優(yōu)勢種優(yōu)勢度(Y)確定樣本優(yōu)勢種群.利用Past version 2.17[21]計算各樣本物種的多樣性指數(shù)[12].生物優(yōu)勢度Y≥0.02即為優(yōu)勢種[22].

1.4.2統(tǒng)計分析方法

在進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析前，除pH外其他環(huán)境因子及物種矩陣均經(jīng)過lg(x+1)轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化.在進(jìn)行環(huán)境因子與物種的相關(guān)系分析時，所有因子都進(jìn)行了共線性檢測.利用主坐標(biāo)分析(PCoA)對物種組成進(jìn)行聚類；利用相似性分析(ANOSIM)對不同類群浮游動物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)；利用方差分解(VPA)來劃分外界因子對浮游動物群落結(jié)構(gòu)變化的解釋比例；利用Mantel test分析了不同類型物種組成與環(huán)境因子的相關(guān)性.所有統(tǒng)計分析和作圖均在R軟件包(version 4.0.4,https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/CRAN/)環(huán)境下完成，用到的程序包有Vegan,reshape2,ggplot2,Rmisc,ggcor,corrplot.

2 結(jié) 果

2.1 水環(huán)境狀況

各湖泊常規(guī)理化因子及DBPs情況見表1，TN含量最高點(diǎn)出現(xiàn)在北湖(5.484 mg/L)，最低點(diǎn)出現(xiàn)在月湖(0.301 mg/L)；TP含量最高點(diǎn)出現(xiàn)在沉湖(0.797 mg/L)，最低點(diǎn)出現(xiàn)在鯇子湖(0.030 mg/L)；各湖泊常規(guī)理化因子含量差別較大，Oneway ANOVA結(jié)果顯示11個湖泊間理化因子間的差異極其顯著(P<0.01).

表1 武漢各湖泊常規(guī)理化因子及DBPs狀況

所測的5類DBPs中，THMs含量最高點(diǎn)出現(xiàn)在北湖(4.366 μg/L)，沉湖未檢出；HAAs含量最高點(diǎn)出現(xiàn)在南湖(14.533 μg/L)，最低點(diǎn)出現(xiàn)在墨水湖(3.070 μg/L)；HKs含量最高點(diǎn)出現(xiàn)在蓮花湖的S1位點(diǎn)(0.14 μg/L)，其他采樣點(diǎn)均未檢出；NAs含量最高點(diǎn)出現(xiàn)在北湖(0.024 ng/L)為，蓮花湖和南湖未檢出；Aarmotics含量最高點(diǎn)出現(xiàn)在南湖(0.054 ng/L)，最低點(diǎn)出現(xiàn)在沙湖(0.002 ng/L)；Oneway ANOVA結(jié)果顯示THMs,HAAs,NAs含量在11個湖泊間差異顯著(P<0.01)，而HKs,Aarmotics含量在11個湖泊間分布差異不顯著(P>0.05).

2.2 群落組成

共鑒定浮游動物133種，其中原生動物32屬種，占總種數(shù)的24.06%；輪蟲58屬種，占總種數(shù)的43.61%；枝角類28屬種，占總種數(shù)的21.05%；橈足類15屬種，占總種數(shù)的11.28%.不同采樣位點(diǎn)的密度為20.90 ind./L～23 108.50 ind./L，其中梁子湖的密度最低，墨水湖最高.圖1展示各湖泊樣點(diǎn)浮游動物的群落組成，不同采樣點(diǎn)4大類浮游動物相對豐度差異顯著(P<0.05).

基于Bray-Curtis距離對所有采樣位點(diǎn)浮游動物群落組成數(shù)據(jù)進(jìn)行PCoA分析，共聚為4大類群(圖2).LHH,LZH,HZH聚為A類群，DH,XBH,YH,NH,BH,SH聚為B類群， CH聚為C類群，MSH聚為D類群.前2軸分別解釋了27.86%和14.82%的群落組成變化.ANOSIM結(jié)果表明，4個類群的浮游動物組成具有顯著差異(P=0.001).

不同類群浮游動物群落特征各異(表2,表3).A類群以甲殼綱為主(55.13%)，其組成遠(yuǎn)高于其他3個類群湖泊，其中無節(jié)幼體優(yōu)勢度最高(0.30)；B類群以原生動物和輪蟲占主要優(yōu)勢；C,D類群均以長肢多肢輪蟲Polyarthradolichoptera為主，優(yōu)勢度分別為0.50和0.23.

表2 不同類群優(yōu)勢種與優(yōu)勢度

表3 不同類群浮游動物群落特征

2.3 浮游動物與環(huán)境因子的關(guān)系

3 討 論

3.1 浮游動物群落結(jié)構(gòu)

基于浮游動物群落組成對武漢11個湖泊所有采樣點(diǎn)的群落進(jìn)行聚類分析，共劃分為4種群落類型.A類群湖泊甲殼綱物種含量較為豐富，B,C,D 3個類群甲殼綱物種豐度急劇下降.這可能是因?yàn)榧讱ぞV動物喜生活在較清潔的水體，當(dāng)水體污染加劇時，其多樣性及豐度會急劇降低，因此常作為水體污染的指示生物.相反，隨著富營養(yǎng)化的加劇，原生動物和輪蟲的種類、豐度也隨水體富營養(yǎng)化程度的加劇而增加[16,23-24].而本研究中B類群以原生動物和輪蟲占主要優(yōu)勢，C和D類群以寡營養(yǎng)/β-中污型物種長肢多肢輪蟲Polyarthradolichoptera為主要優(yōu)勢種，說明4個類群浮游動物的群落組成與水體營養(yǎng)水平顯著相關(guān).

3.2 浮游動物群落與環(huán)境因子的關(guān)系

浮游動物群落組成分析發(fā)現(xiàn)其變化與水體營養(yǎng)水平有關(guān).VPA分析顯示，水體常規(guī)理化對浮游動物群落組成的解釋度為21.3%，在各湖泊中浮游動物的群落組成與氮,磷,CODMn,Chla具有較高的相關(guān)性，這是因?yàn)樗w營養(yǎng)狀態(tài)和營養(yǎng)鹽含量水平會通過影響浮游植物和細(xì)菌等其他浮游動物餌料生物的生長來對浮游動物造成影響[25-27].氮、磷營養(yǎng)鹽是浮游植物生長所必須的物質(zhì)，通過影響浮游植物的群落組成及豐度進(jìn)而直接影響浮游動物的群落組成[7,12].除營養(yǎng)鹽外，Chla和CODMn也是影響武漢各湖泊浮游動物群落組成的關(guān)鍵因素.Chla和CODMn分別代表了水體中浮游植物和有機(jī)碎屑的含量，作為浮游動物的主要食物來源，對浮游動物的細(xì)胞豐度具有較大的影響[28].隨有機(jī)質(zhì)含量的增加，武漢各湖泊原生動物及輪蟲的優(yōu)勢種類數(shù)量變多及豐度變大也證實(shí)了這點(diǎn).因此，營養(yǎng)鹽與Chla,CODMn一起對浮游動物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了決定性影響.

作為疫情期間水體重要組成部分DBPs對水體中浮游動物的群落組成也有一定影響.VPA分析顯示DBPs組成及含量及其與其他因子聯(lián)合對浮游動物群落組成的解釋度分別為2.5%和6.7%.消毒劑具有很強(qiáng)的氧化性，當(dāng)其達(dá)到一定濃度時可破壞水體的氧化還原平衡，也可改變氮、磷、有機(jī)物等的降解和歸趨途徑[3,29].水體有機(jī)質(zhì)組分也可為殘留的消毒劑生成DBPs提供環(huán)境底物[30]，因此其與常規(guī)理化的聯(lián)合解釋度較高.DBPs同樣危害水生生物的生長、發(fā)育和繁殖，打破水生生態(tài)系統(tǒng)的平衡，從而降低水體的自凈能力[31-32].但當(dāng)其濃度較低時，浮游生物生長反倒會出現(xiàn)“低促高抑”現(xiàn)象[33].Mantel test顯示浮游動物組成與HKs,Armotics具有負(fù)相關(guān)；原生動物和甲殼類動物群落組成與NAs具有一定的正相關(guān)關(guān)系，甲殼類動物與NAs的相關(guān)性更高.說明盡管武漢湖泊的消毒副產(chǎn)物濃度相對較低，但不同浮游動物類群對DBPs種類及濃度已經(jīng)呈現(xiàn)明顯的響應(yīng).

4 結(jié) 論

1)浮游動物群落隨著營養(yǎng)含量增加，甲殼綱物種豐度急劇下降，原生動物和輪蟲的種類、豐度則隨之增加.

2)疫情期間營養(yǎng)鹽含量與Chla,CODMn濃度是影響浮游動物群落組成的關(guān)鍵因素，但消毒副產(chǎn)物對浮游動物的群落組成的影響不可忽視.