趙海萍，李清雪，陶建華

(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300354； 2. 河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

海洋細菌在海洋生態(tài)系統(tǒng)中既是生產(chǎn)者又是消費者，能直接吸收利用主食物鏈的代謝“廢物”——溶解有機物，而增長自身的生物量，隨后進入經(jīng)典食物鏈，同時也參與顆粒有機物的礦化、分解過程，從中獲得能源和營養(yǎng)物質(zhì)，充當分解者角色[1]。海洋細菌在海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能流循環(huán)中起著不可替代的作用。國內(nèi)外學(xué)者對海洋細菌的生態(tài)特征、群落結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)響應(yīng)機理進行了大量研究[2-5]，對海洋細菌與環(huán)境影響因素的關(guān)系也進行了大量研究，如白潔等[6]在南海南部海域、張喆等[7]南海北部海域、沈烽等[8]在南京玄武湖、李建洋等[9]在深圳近海表層海域、陳淑文等[10]在深圳灣海域分別進行了浮游細菌與環(huán)境影響因素之間關(guān)系的研究。

渤海灣位于渤海的最西邊，是一個半封閉的淤泥質(zhì)淺水海灣。渤海灣地處環(huán)渤海經(jīng)濟圈的中心位置，沿岸大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活廢水輸入，加上該海域水體自凈能力比較差，致使水體富營養(yǎng)化和赤潮等水質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生[11-12]，成為中國最受威脅的海洋生態(tài)環(huán)境之一，受到了廣泛關(guān)注[12-13]。

李清雪等[14-15]調(diào)查研究了渤海灣近岸海域表層水體中的自養(yǎng)、異養(yǎng)浮游細菌和總浮游細菌的生態(tài)分布及影響因素,喬旭東等[16]對渤海灣南部近岸海域10個站位的總浮游細菌、活菌、可培養(yǎng)異養(yǎng)細菌、總大腸菌群的數(shù)量進行了調(diào)查研究。但已有報道的研究時間相對比較早，研究范圍也相對較小，為更好地了解渤海灣浮游細菌的生態(tài)環(huán)境狀況，有必要對渤海灣進行大面積的實地調(diào)查研究。本研究分別于2011年5月、2012年5月、2012年11月對渤海灣海域33個站位表層海水中浮游細菌豐度進行了3個航次的調(diào)查研究，旨在探求浮游細菌的分布特征及其與環(huán)境影響因素之間的關(guān)系。

1 調(diào)查區(qū)域和站位設(shè)定

本研究在渤海灣117°30′E～119°E、38°N～39°N的范圍內(nèi)共設(shè)33個站位，見圖1。

圖1 渤海灣研究區(qū)域及采樣站位

2 樣品采集和測定

2.1 水樣的采集

于2011年5月、2012年5月和2012年11月分別采集了14、33和33個站位的水樣用于浮游細菌總數(shù)和環(huán)境因子測定。使用卡蓋式采水器(型號QCC15，北京普雷德儀器設(shè)備有限公司)采集各站位的表層海水(水面下0.5 m左右處)，分裝到500 mL無菌采樣瓶中，并立即加入無菌無顆粒甲醛(事先經(jīng)0.2 μm的無菌濾膜過濾)固定水樣(無菌甲醛的質(zhì)量分數(shù)為2%)，用于浮游細菌總數(shù)的測定。整個采樣過程要迅速，避免外界微生物污染。然后將水樣置于4℃避光保存，帶回實驗室，并于一周內(nèi)分析完畢。渤海灣海域表層海水環(huán)境影響因子水樣的采集、保存和運輸嚴格按照GB17378—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范》中的規(guī)定進行。

2.2 浮游細菌的測定

本研究渤海灣浮游細菌的計數(shù)采用吖啶橙染色-熒光顯微直接計數(shù)法(即吖啶橙落射熒光顯微鏡直接計數(shù)法)[17]。取1 mL待測樣品于無熒光黑色濾膜(WHATMAN聚碳酸酯濾膜)上，在負壓(50 kPa)條件下，把樣品慢慢抽濾至濾膜剛剛呈濕潤狀態(tài)，釋放真空；加入吖啶橙染色液(0.2 μm的無菌濾膜過濾液)3或4滴，染色5～10 min，然后在同樣負壓下抽濾至干；在載玻片上貼上濾膜(載菌一面朝上)，并在蓋玻片上加一小滴無熒光鏡油，具油面朝下蓋緊濾膜(濾膜上下兩面均不能有氣泡)；在落射熒光顯微鏡(Leica DM 5000B)的油鏡(100倍)條件下，隨機取20個視野，計算具有細菌形態(tài)的、呈亮綠色或紅色熒光的細胞數(shù)。計算公式為

(1)

式中：BN為樣品含菌數(shù)， L-1；Na為各視野平均菌數(shù)；S為濾膜實際過濾面積，mm2；Sf為顯微鏡視野面積，mm2；0.05為加入37%～40%甲醛固定樣品總體積的比例；V為過濾樣品量， L。

測定水樣時，應(yīng)同時測無菌水作為空白對照，且每個視野的細菌數(shù)量不得出現(xiàn)1個以上。檢測過程按照無菌操作進行，啶橙染色劑現(xiàn)用現(xiàn)配。

2.3 環(huán)境因子的測定

3 結(jié)果與討論

3.1 浮游細菌豐度的分布

在渤海灣表層水體中，2011年5月的海洋浮游細菌豐度在(2.51～28.39)×108L-1之間，平均值為8.95×108L-1；浮游細菌豐度最高值出現(xiàn)在E1站位，在D5站位附近出現(xiàn)了最低值，在E2站位出現(xiàn)次高值26.72×108L-1，D7、D8站位及其附近海域也出現(xiàn)浮游細菌豐度的高值區(qū)(10.19×108L-1)。2011年5月浮游細菌在研究海域的空間分布特征是近岸海域細菌豐度比較高，遠岸相對比較低，見圖2。

2012年5月的海洋浮游細菌豐度在(2.62～87.26)×108L-1，平均值為18.44×108L-1；分別在C2站位和D8站位及其附近海域出現(xiàn)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現(xiàn)高值區(qū)，在A2、A5、A6、A7、B4、C7、D3、D7、D8、E1、E5等站位及其附近海域出現(xiàn)稍高于最低值的低值區(qū)；整體空間趨勢是海灣北部、中部海域的水體中浮游細菌豐度高于南部的，近岸海域的浮游細菌豐度明顯高于外海海域，曹妃甸附近海域浮游細菌豐度出現(xiàn)一個高值區(qū)，海河口附近及其輻射海區(qū)內(nèi)的浮游細菌豐度很高，D7站位附近海域卻出現(xiàn)相對較低的浮游細菌豐度，見圖2。

2012年11月海洋浮游細菌豐度在(2.18～18.15)×108L-1，平均值為8.76×108L-1；分別在B5站位和A1站位及其附近海域出現(xiàn)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現(xiàn)高值區(qū)，在B6、C5、D1、D2、D7站位及其附近海域出現(xiàn)低值區(qū)；灣內(nèi)南部海域浮游細菌豐度較北部的高，南部海域浮游細菌豐度的空間變化趨勢是近岸的較外海的高；海灣北部近岸海域(D1、D2站位附近)浮游細菌豐度出現(xiàn)一個低值區(qū)，由南堡到曹妃甸附近海域浮游細菌豐度逐漸增大，并在B1站位附近海域出現(xiàn)高值區(qū)，見圖2。

3個航次的調(diào)查結(jié)果顯示，2012年5月渤海灣海域浮游細菌豐度無論最高值或是平均值都明顯高于2011年5月的和2012年11月的，2012年11月的浮游細菌豐度相對最低。3個航次的浮游細菌豐度的空間分布顯示：總體都表現(xiàn)為近岸海域高于遠岸海域；2011年5月和2012年11月的分布都是海灣南部高于北部，而2012年5月的分布是海灣北部、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 渤海灣浮游細菌分布特征討論

本研究結(jié)果與國內(nèi)其他海域的浮游細菌豐度范圍基本相當(表1)。

2011年5月，海洋浮游細菌最高值出現(xiàn)在E1站位及其附近海域，在E2站位及其附近海域出現(xiàn)次高值，主要是由于站位E1和E2位于海河口附近的陸?；旌蠀^(qū)，水體中含有豐富的陸源有機物和營養(yǎng)鹽，浮游細菌可以充分利用這些物質(zhì)進行繁殖生長[23-25]。渤海灣灣口海域的水體與渤海水體交換能力相對較強，渤海水體攜帶相對多的營養(yǎng)物質(zhì)，可能是造成A4站位及其附近海域也出現(xiàn)浮游細菌高值區(qū)的原因[23]。

表1 國內(nèi)其他海區(qū)的總細菌豐度 108L-1

2012年5月，海洋浮游細菌豐度呈現(xiàn)渤海灣北部、中部海域高于南部海域，及近岸海域明顯高于外海海域的趨勢。浮游細菌豐度在曹妃甸附近海域形成一個高值區(qū)，在海河口附近及其輻射海區(qū)內(nèi)也很高，D7站位附近海域卻出現(xiàn)相對較低的浮游細菌豐度。本結(jié)果與喬旭東等[16]相關(guān)研究相比較，共同點是海河口附近海域浮游細菌豐度都比較高，近岸海域高于遠岸海域，均體現(xiàn)了渤海灣海域浮游細菌豐度受到海河陸源輸入的影響比較大。渤海灣處于環(huán)渤海經(jīng)濟圈的中心位置，沿岸大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活廢水通過海河等直接輸入渤海灣，加上該海域水體封閉性強、水體交換和自凈能力都比較差，污染物在海域內(nèi)長期滯留，為海洋細菌的生長繁殖提供了豐富的有機物和營養(yǎng)鹽，這是造成海河口輻射海區(qū)內(nèi)浮游細菌豐度高的原因。渤海灣北部近岸海域、曹妃甸附近海域浮游細菌豐度比較高的原因都與海河口海域高值區(qū)的原因相似；不同點是，本研究中渤海灣北部、中部海域的浮游細菌豐度高于南部，而喬東旭等[16]研究顯示渤海灣中部海域的浮游細菌豐度較低。二者研究時間和區(qū)域點位不同，可能是研究結(jié)果有差異的主要原因。本研究站位覆蓋整個渤海灣，采樣時間為2011年和2012年，而喬東旭等[16]的研究站位是渤海灣近岸海域且主要分布在海灣的南半部分，研究時間為2004年。2011年5月和2012年5月浮游細菌的調(diào)查結(jié)果稍有差別，產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因可能有二：一是2011年5月因故僅調(diào)查了14個站位的水樣，2012年5月是全站位(33個站位)的調(diào)查；二是采樣過程的天氣條件，2011年5月采樣期間相對風浪較多，2012年5月采樣期間風和日麗的天氣條件較多。

2012年11月渤海灣內(nèi)南部海域的浮游細菌豐度較北部的高，由南堡向曹妃甸附近海域的浮游細菌豐度逐漸增大。渤海灣南部海域相對比較開闊、近岸水深相對比較淺，且南部海域養(yǎng)殖業(yè)相對較發(fā)達，再加上11月海水與底質(zhì)的物質(zhì)交換比較明顯，大量底質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)被傳遞到上覆水體中，這可能是導(dǎo)致該時期渤海灣南部海域浮游細菌豐度較北部高的原因。

3.3 渤海灣浮游細菌與環(huán)境因子的關(guān)系

采用R語言(版本3.1.0)對渤海灣表層浮游細菌、浮游植物與環(huán)境因子[26]之間的關(guān)系進行相關(guān)性和主成分分析，結(jié)果見圖3～5。

圖3 2011年5月浮游細菌與環(huán)境因子在主成分1、2下的得分

圖4 2012年5月浮游細菌與環(huán)境因子在主成分1、2下的得分

圖5 2012年11月浮游細菌與環(huán)境因子在主成分1、2下的得分

2011年5月，浮游細菌和浮游植物有極顯著的正相關(guān)關(guān)系。浮游植物與浮游細菌之間的關(guān)系相當密切和復(fù)雜，一方面，浮游植物能胞外分泌大量溶解有機碳供浮游細菌進行二次生產(chǎn)[25]；另一方面，通過生物競爭、分泌特殊物質(zhì)等途徑，浮游細菌可以抑制浮游植物的生長繁殖，甚至裂解其細胞[27]。2011年5月渤海灣表層水體中浮游細菌和浮游植物的高度正相關(guān)性進一步驗證了浮游植物和浮游細菌的密切關(guān)系。該時期浮游細菌與TOC呈弱正相關(guān)關(guān)系，與COD呈負相關(guān)關(guān)系，綜合體現(xiàn)了2011年5月渤海灣浮游細菌生長繁殖所需的有機碳主要來源于浮游植物胞外分泌的溶解有機碳，該時期浮游細菌的數(shù)量、生物量受浮游植物現(xiàn)存量的影響比較大。

2011年5月浮游植物生物量和浮游細菌生物量與氨氮呈顯著負相關(guān)關(guān)系，與亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮呈正相關(guān)關(guān)系，且浮游細菌生物量與氨氮呈現(xiàn)的負相關(guān)關(guān)系更明顯。這些說明該時期渤海灣表層海域浮游植物和浮游細菌的生長繁殖受營養(yǎng)鹽含量的調(diào)節(jié)，浮游植物和浮游細菌更優(yōu)先利用氨氮[28]，并且二者對氨氮的吸收存在競爭機制[29]，造成水體中氨氮含量的銳減而呈現(xiàn)出顯著負相關(guān)關(guān)系。由于浮游植物和浮游細菌在自身生長繁殖過程中對碳、氮、磷是各按一定比例吸收利用的，所以大量氨氮消耗的同時也有大量磷的消耗，這可能是造成水體中磷酸鹽與浮游植物生物量和浮游細菌生物量呈顯著負相關(guān)關(guān)系的原因。另外，浮游細菌生物量和浮游植物生物量均與TOC呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，說明陸源有機碳在一定程度上會刺激浮游植物和浮游細菌的生長繁殖[30]。浮游細菌生物量和浮游植物生物量與溶解有機碳、硅酸鹽在同一方向上(圖3)，即浮游細菌生物量和浮游植物生物量會隨著溶解有機碳、硅酸鹽的增加而增加。

2012年5月，浮游細菌與浮游植物沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，二者都與COD呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，說明該時期浮游細菌生長繁殖需要的有機碳源主要是陸源輸入有機物，浮游植物胞外分泌的溶解有機碳對浮游細菌的生長貢獻相對不明顯。該時期渤海灣浮游細菌與BOD呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，說明該時期由陸源輸入的有機物促進浮游細菌的大量、快速繁殖，造成水體中可降解有機物迅速減少。2012年5月，浮游細菌生物量與氨氮呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)系，與亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮呈正相關(guān)系，而與活性磷酸鹽呈現(xiàn)極顯著的負相關(guān)系。由于海洋細菌吸收營養(yǎng)物質(zhì)進行自身生長時，依據(jù)自身C、N、P比值來建立其生理狀態(tài)所調(diào)節(jié)的化學(xué)平衡[31]，造成海洋浮游細菌生物量與活性磷酸鹽呈極顯著負相關(guān)系，這一結(jié)果與2011年5月的研究結(jié)果相同。

2012年11月，渤海灣浮游細菌生物量除了與亞硝酸鹽氮、水溫呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系外，與其他環(huán)境因子都呈負相關(guān)，不同于無機營養(yǎng)鹽促進浮游細菌生長繁殖的規(guī)律。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因可能是，海洋細菌吸收無機營養(yǎng)鹽進行生物合成時，該生物合成是建立在自身生理狀態(tài)的化學(xué)平衡上[32]。一般而言，浮游細菌的生長增殖離不開營養(yǎng)鹽的供給，在一定條件下，無機營養(yǎng)鹽的種類、形態(tài)和濃度含量對細菌的生長具有正向促進作用[33-36]。但當海水中某元素的可利用量滿足不了細菌維持這種平衡時，該元素就成為細菌生長的限制因子，進而影響細菌對其他元素的吸收利用。而且，細菌的生長繁殖只有在不受碳源影響的前提下，無機氮、活性磷的作用才會顯現(xiàn)出來，當三大營養(yǎng)源的比例不符合浮游細菌生長繁殖所需的比例時，無機營養(yǎng)鹽與浮游細菌的相關(guān)關(guān)系就會發(fā)生變化。3個航次的主因子分析結(jié)果顯示：2011年5月，浮游細菌與浮游植物密切相關(guān)，都在被提取的第一主成分中，對海洋水環(huán)境指示作用的貢獻率達到33.98%；2012年5月和2012年11月浮游細菌作用項分別處于第二、第三主成分中，其對海洋水環(huán)境指示作用的貢獻率分別為20.312%、13.615%。

4 結(jié) 論

在渤海灣表層水體中，海洋浮游細菌豐度在(2.18～87.26)×108L-1之間。2011年5月、2012年5月和2012年11月3個航次浮游細菌豐度的空間分布都是近岸高于遠岸。2011年5月和2012年11月的浮游細菌豐度均是海灣南部海域的高于北部海域的，而2012年5月是海灣北部、中部海域的高于南部海域的。陸源輸入有機碳和浮游植物胞外分泌有機碳對浮游細菌的生長繁殖在不同時期的貢獻程度不同。

渤海灣表層水體中，2011年5月，浮游細菌生長繁殖所需碳源主要是浮游植物胞外分泌的溶解有機碳，浮游細菌生物量與氨氮呈顯著負相關(guān)關(guān)系，與亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與磷酸鹽呈顯著負相關(guān)關(guān)系；2012年5月，浮游細菌生長繁殖所需碳源主要是陸源輸入有機物，浮游細菌生物量與氨氮呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，與亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮呈正相關(guān)關(guān)系，而與活性磷酸鹽呈極顯著的負相關(guān)關(guān)系；2012年11月，渤海灣浮游細菌生物量除了與亞硝酸鹽氮、水溫呈正相關(guān)關(guān)系外，與其他環(huán)境因子都呈負相關(guān)關(guān)系。