地表水和地下水中细菌数量动态变化研究*

任春晓，隋海潮，王继华，刘晨宇，车 琦

(哈尔滨师范大学)

0 引言

水作为人类生存发展不能缺少的资源，在人类生活的各个领域起着十分重要的作用，是维持人类生存的基本条件[1].由于世界人口数量的持续上涨和经济的飞速前进，水资源不足及水体污染已发展成全世界学者们关注的焦点[2].中国也是众多水资源不足的国家之一，不同区域水资源量差异很大，水资源已经变成影响中国可持续发展的不容忽视的因素[3].人们对于水体的污染和过度使用更加加剧了资源不足问题[4].江苏省属于长江中下游地区，水资源总量为399亿m3，占整个长江水域总量的3.9%，其中地表水资源量为196.4亿m3，地下水资源量为118.9亿m3，而江苏省用水总量为591.3亿m3[5].数据显示，该地区水的使用量已经远超其原有水资源量.为了解决和缓解资源短缺现状，加大水环境监测及相关研究就成为学者们研究的重中之重[6].

水环境中存在大量的微生物，它们体积微小、表面积大、存在较广，其生长繁殖过程中代谢速率极高，并且速率反应性极为灵敏，有较强的遗传适应性，可利用多种营养物质，在适宜的环境条件下能够快速生长[7]，这使其成为促进自然界发生一系列化学变化的动力因子.水体微生物可以加速能量从一级流向下一级的过程并且能够促进水生生态系统中碳、氮等元素的循环[8]，其数目大小和丰富度的高低可以在一定程度上反映水质状况[9]，而细菌总数作为评价水体受污染程度指标被广泛使用[10].该研究为了探究地表水和地下水细菌数量的动态变化，以江苏省常州市深水城北污水处理厂内地下水及其纳污的地表水为研究对象，在2015年12月～2016年12月期间采集地表水和地下水水样展开研究，解析不同月份下地表水和地下水中细菌总数，从而为地表水和地下水的后续研究提供一定的理论基础.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

常州市位于江苏省境南部，地理坐标为(119°08'E-120°12'E，31°09'N-32°04'N)[11].地处太湖流域、长江流域及京杭大运河的交汇地带.常州城市河流分布密集，有46条河道流经市区，其中21条为主干河道[12].该地区属于北亚热带海洋性气候，常年温度适宜、空气湿润、四季分明.常州市夏季气温高降雨量大，冬季空气湿度较高，气候阴冷[13].年平均气温16.5℃，最高气温常达36℃以上，平均无霜期日数248d，年总降水量889.6 mm.研究于2015年12月-2016年12月选取江苏省常州市深水城北污水处理厂有限公司内地下水及尾水纳污的地表水，每个月采集一次，一共12次.地下水采样点井深30 m，取8～12 m混合水样；地表水取水面下0～0.5 m混合水样.采集后装入无菌采样瓶中并进行编号，一部分在24 h内测定水质指标，另一部分带回实验室置于4℃的冰箱保存，用于细菌总数的测定.

1.2 实验方法

1.2.1 细菌总数测定方法

细菌总数测定方法采用抽滤法，使用滤膜抽滤，将水中微生物过滤到滤膜上，再将滤膜接种到LB固体培养基中，进行细菌培养.LB固体培养基：酵母膏5 g，蛋白胨10 g，NaCl 10 g，琼脂粉15 g，蒸馏水1000 mL，pH 7，121℃灭菌20 min.细菌计数采用平板计数法.

1.2.2 水质指标测定方法

水质指标测定方法主要参照《水和废水监测分析方法(第四版)》见表1.

表1 水质指标测定方法

1.3 主要仪器

电热式压力蒸汽灭菌器(XFH-40CA)，无菌操作台(SW-CJ-2FD)，电热恒温培养箱(DH6000BⅡ)，电子天平(FA1104)，细菌抽滤器，分光光度计，比色皿，电热鼓风干燥箱.

1.4 数据处理

应用软件EXCEL 2003对2个采样点的细菌总数进行统计并记录，应用Origin 8和SPSS 20.0进行数据的处理、绘图及分析.

2 结果与分析

2.1 地下水和地下水中细菌总数动态变化

研究选取地表水和地下水两个采样点，于2015年12月到2016年12月采集水样，进行细菌总数的测定，如图1和图2分别为不同月份下地下水和地表水细菌总数的动态变化情况.由图1可知，地下水细菌总数的变化趋势是先上升后下降，细菌总数的最小值出现在2015年12月，为13.9×104CFU/mL；最大值出现在2016年9月，为33.6×104CFU/mL.2015年12月到2016年4月持续增加，增加量均大于3.0×104CFU/mL；4～7月变化不明显；8月细菌总数较7月有明显增加，增加量约3.0×104CFU/mL；8～10月变化不明显，但总体处于较高水平，细菌总数在9月达到最大值；10～12月呈大幅度下降状态，下降量均在6.0×104CFU/mL以上.

图1 地下水中细菌总数动态变化

由图2可知地表水细菌总数总体呈现先增长后下降的趋势，2015年12月细菌最少，为9.7×104CFU/mL；2016年8月是最大值所在月份，为32.9×104CFU/mL；2015年12～2016年1月，细菌总数出现小幅度上升，上升值为1.0×104CFU/mL；1～3月出现大幅度上升，上升值为10.6×104CFU/mL；3～5月出现小幅度下降，下降值分别为0.6×104CFU/mL和0.8×104CFU/mL；5～6月有大幅度上升，上升值为6.8×104CFU/mL；6～7月又有小幅度下降，下降值为0.6×104CFU/mL；7～8月有大幅度上升，上升值为6.8×104CFU/mL；8～10月出现中等幅度下降，下降值分别为2.8×104CFU/mL和1.8×104CFU/mL；10～12月出现较大程度降低，降低程度均大于6.0×104CFU/mL.

图2 地表水中细菌总数动态变化

2.2 地表水和地下水细菌总数的关系

不同采样点之间细菌总数检测结果存在差异，如图3所示，将每个月份的细菌总数进行比较得出：除8月外，地下水细菌总数均明显大于地表水细菌总数.将从两样点细菌总数的标准差进行比较结果显示地表水>地下水，得出地表水数据的离散程度大于地下水，说明地表水细菌总数波动较地下水大.不同时间段内，两采样点间细菌总数的变化趋势不同，如图3所示3～5月、8～9月地下水细菌总数呈上升趋势而地表水细菌总数呈小幅度下降，这可能与水质改善工程有关.

图3 地表水和地下水细菌总数的变化

将细菌总数的结果进行季节性分析，如图4所示分析不同季节下细菌总数的变化情况，结果显示：地表水和地下水细菌总数随季节变化先增长后下降，在冬季时细菌总数低，盛夏细菌总数高.表现出明显的与季节相关的特点.另外将地表水和地下水细菌总数进行相关性分析，结果如表2显示，地表水与地下水细菌总数表现出极显著正相关关系，在0.01水平上相关性指数为0.945.表明地表水与地下水细菌总数存在明显的相互作用，且影响细菌总数变化的主要因素可能是不同季节导致的.

图4 细菌总数随季节变化关系

表2 地表水和地下水细菌总数相关性

注：**在0.01水平(双侧)上显著相关.

2.3 地表水和地下水细菌总数与水质指标的关系

研究检测了地表水和地下水细菌总数在12个月的动态变化的同时还测定了水质指标，主要测定的水质指标有：氨氮、硝氮、亚硝氮.如表3所示，将地表水和地下水细菌总数与各水质指标进行相关性分析.

结果表明：地表水细菌总数与氨氮呈正相关，与亚硝氮呈正相关，与硝氮呈显著负相关，在0.05水平上相关系数为-0.659.地表水水质指标之间均存在极显著相关关系，地表水氨氮与亚硝氮呈极显著正相关，与硝氮呈极显著负相关，硝氮与亚硝氮呈显著负相关，表明地表水细菌总数上升时，氨氮和亚硝氮含量上升，硝氮含量下降，不考虑细菌总数的变化时，当氨氮含量升高时，亚硝氮含量也随之升高，而硝氮含量则呈现下降趋势，此变化规律与细菌数量改变所引起的变化规律相同，说明地表水细菌总数的变化可以反映各水质指标的含量，因此可以通过监测细菌总数的升降来间接反映水体受污染程度.地下水细菌总数与各水质指标之间及各水质指标之间均不存在显著相关性.说明不能仅仅通过监测地下水细菌总数的变化来间接反映水质的变化情况.由于影响地下水细菌及无机盐含量的因素很多，也很复杂，地层中往往含有大量无机盐类，而地层中的无机盐与细菌总数没有直接的因果关系，这可能是造成地下水细菌总数与上述水质指标相关性不显著的原因.

表3 细菌总数与各水质指标的相关性

注：*在0.05水平(双侧)上显著相关；**在0.01水平(双侧)上显著相关.

3 讨论

细菌学指标可作为评价水受污染严重与否的重要指标[14].水体中微生物群落结构组成与其生存的水环境紧密相关，微生物的数量和种类变化在一定程度上可以反映水体的生态环境及污染状况[15].冯胜等[16]表明细菌总数的上升与水体营养水平的上升表现出相同的走势，富营养化程度的高低直接影响细菌总数的大小.这表明细菌总数的变化趋势可以反映水体中富营养化水平，而水体富营养化水平与氮、磷含量也存在相关性.另外水体中细菌总数与水质指标也存在良好的响应关系，杨雪辰等[17]研究利用DNA浓度与水质指标的响应来反映微生物总量与水质的响应，结果表明当DNA浓度升高时，氨氮及总氮的含量也随之升高，反之下降，各污染物变化趋势和DNA浓度趋势大致相同.刘建琪等[15]研究结果表明，水体受污染后，细菌总数会急剧增加，且与氨氮、亚硝氮等具有响应关系.因此可以说明细菌总数的变化可以反映水体中污染物含量情况进而反映水质的变化情况.

根据实验结果，两采样点细菌总数在2015年12月到2016年8月或9月呈上升状态，之后下降，表现出明显与季节相关的特点.张芝勍等[18]研究结果表明，对北京市官厅水库进行的异养细菌和大肠菌群监测，结果是夏季细菌总数值高，冬季值低，且水库各部分已经不同程度遭受细菌污染.对沉积物的调查中，池塘底泥中的细菌由于受温度等影响数量呈现较大波动，冬季总数低，夏季细菌大量繁殖，总数急剧增加，这与该研究得出的细菌总数变化与季节相关的结果较为一致.根据细菌总数的差异分析结果得出地表水<地下水，通常情况下，地下水环境较封闭，受人类活动影响较小[19]，有机污染物不易进入水体，细菌总数较低，水较清洁.该次研究结果却呈现地表水细菌总数少的情况.该现象出现可能与采样点位置有关.地表水采样点位于污水处理厂尾水排管渠，水渠中的水一部分来源于上游，一部分来源于处理后较清洁的尾水，尾水与上游水混合使上游水中的细菌浓度降低，导致每毫升检出细菌总数少.另外，地表水具有阳光充足、温度变化大等特点，而地下水长期处于较低温度水平，使地下水微生物对营养物质的利用和转化速率较地表水缓慢数十倍[20]，应对环境变化较迟缓，所以地表水细菌总数与地下水细菌总数变化呈现出不同的特点，表现为地表水细菌总数波动程度较地下水大.

4 结论

(1)地下水细菌总数动态变化规律：细菌总数在2015年12月出现最小值，为13.9×104CFU/mL；在2016年9月出现最大值，为33.6×104CFU/mL，总体上呈现先上升后下降的趋势；2015年12月～2016年4月细菌总数持续增加，4月到7月变化不明显，8月细菌总数较7月有明显增加，8～10月波动较小，10～12月呈大幅度减少.

(2)地表水细菌总数动态变化规律：细菌总数在2015年12月出现最小值，为9.7×104CFU/mL；在2016年8月出现最大值，细菌总数为32.9×104CFU/mL，总体呈现先上升后下降的趋势.

(3)地下水和地表水细菌总数的关系为地表水<地下水，地下水的波动程度较地表水小，且动态变化与季节相关；二者呈极显著相关关系(P<0.01，r=0.945，n=12)，夏季总数高，冬季总数低.

(4)分析细菌总数与水质指标的相关性，结果表明：地表水细菌总数与总氮呈负相关，与氨氮呈正相关，与硝氮呈显著相关关系(P<0.05，r=- 0.659，n= 12)，说明地表水细菌总数可以反映水质指标的变化情况；地下水细菌总数与各水质指标相关性不明显.