武漢市湖泊浮游動物群落特征及其影響因素

宋高飛，朱宇軒,2，米武娟，Anila P. Ajayan，畢永紅

(1.中國科學院 淡水生態(tài)與生物技術國家重點實驗室;水生生物研究所，武漢 430072；2.中國科學院大學，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了消毒措施[1].據(jù)相關資料，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與無機物成分反應，生成毒性強、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、有機物等降解和歸趨途徑相應地被改變[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)構特征與水體環(huán)境狀況密切相關，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[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，在野外原位調(diào)查的基礎上運用多元統(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)境因子的相關關系，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重，為認識消毒劑使用的生態(tài)環(huán)境效應提供理論依據(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[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》《中國淡水輪蟲志》《微型生物監(jiān)測新技術》《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

在進行統(tǒng)計學分析前，除pH外其他環(huán)境因子及物種矩陣均經(jīng)過lg(x+1)轉(zhuǎn)換及標準化.在進行環(huán)境因子與物種的相關系分析時，所有因子都進行了共線性檢測.利用主坐標分析(PCoA)對物種組成進行聚類；利用相似性分析(ANOSIM)對不同類群浮游動物群落結(jié)構進行差異顯著性檢驗；利用方差分解(VPA)來劃分外界因子對浮游動物群落結(jié)構變化的解釋比例；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含量最高點出現(xiàn)在北湖(5.484 mg/L)，最低點出現(xiàn)在月湖(0.301 mg/L)；TP含量最高點出現(xiàn)在沉湖(0.797 mg/L)，最低點出現(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含量最高點出現(xiàn)在北湖(4.366 μg/L)，沉湖未檢出；HAAs含量最高點出現(xiàn)在南湖(14.533 μg/L)，最低點出現(xiàn)在墨水湖(3.070 μg/L)；HKs含量最高點出現(xiàn)在蓮花湖的S1位點(0.14 μg/L)，其他采樣點均未檢出；NAs含量最高點出現(xiàn)在北湖(0.024 ng/L)為，蓮花湖和南湖未檢出；Aarmotics含量最高點出現(xiàn)在南湖(0.054 ng/L)，最低點出現(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展示各湖泊樣點浮游動物的群落組成，不同采樣點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浮游動物群落組成數(shù)據(jù)進行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)境因子的關系

3 討 論

3.1 浮游動物群落結(jié)構

基于浮游動物群落組成對武漢11個湖泊所有采樣點的群落進行聚類分析，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.這可能是因為甲殼綱動物喜生活在較清潔的水體，當水體污染加劇時，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.

3.2 浮游動物群落與環(huán)境因子的關系

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.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具有較高的相關性，這是因為水體營養(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鍵因素.Chla和CODMn分別代表了水體中浮游植物和有機碎屑的含量，作為浮游動物的主要食物來源，對浮游動物的細胞豐度具有較大的影響[28].隨有機質(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了這點.因此，營養(yǎng)鹽與Chla,CODMn一起對浮游動物群落結(jié)構產(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%.消毒劑具有很強的氧化性，當其達到一定濃度時可破壞水體的氧化還原平衡，也可改變氮、磷、有機物等的降解和歸趨途徑[3,29].水體有機質(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具有負相關；原生動物和甲殼類動物群落組成與NAs具有一定的正相關關系，甲殼類動物與NAs的相關性更高.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.

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.