桂林会仙典型岩溶湿地水化学特征和微生物现状

李 军，赵 一，蓝 芙 宁，周 长 松，林 永 生，邹 胜 章

(1.中国地质科学院岩溶地质研究所 自然资源部/广西岩溶动力学重点实验室，广西 桂林 541004； 2.河北建筑工程学院市政与环境工程系 河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室，河北 张家口 075000； 3.联合国教科文组织国际岩溶研究中心，广西 桂林 541004)

我国是湿地资源非常丰富的国家，面积达5 360.26万 hm2[1]，也是在亚洲拥有湿地最多的国家。丰富的湿地资源不仅具有涵养水源、调节气候、蓄洪抗旱和美化环境的功能，也在维持生物多样性、净化水质等方面发挥着重要的生态作用[2-4]。在全球变暖的大环境下，人口增长和工农业发展一方面导致部分湿地面临萎缩和退化风险[5]，另一方面致使湿地水体和土壤环境遭受污染[6]。特别是在岩溶湿地生态系统中，岩溶管道发育和集中排泄使得地下水流更快[7]，不仅导致岩溶湿地水位和水量年季变化大，而且污染物稀释的同时更易扩散，这对湿地生态系统和附加经济效益产生极其不利的影响。

会仙湿地是我国面积最大的低海拔岩溶湿地[8]，于2012年4月被列为试点建设国家湿地公园，是桂林山水的重要组成部分，也是中国地质科学院岩溶地质研究所、广西师范大学、桂林理工大学、桂林电子科技大学等科研单位的重要科研基地。近年来会仙岩溶湿地人类活动频繁，特别是农业活动的增加，导致会仙湿地面积由42 km2缩减至15 km2[8-9]，常年存水面积不足6 km2[2]，水土出现不同程度污染[6，8，10-12]。因此，有必要对会仙岩溶湿地开展水体污染和与污染转化相关的综合性研究和总结工作。

近年来，一些学者对会仙岩溶湿地植被、水土污染、元素循环、演变过程等进行了较全面研究[13-15]，也有部分学者关注会仙岩溶湿地微生物群落。微生物是岩溶湿地中数量最多、个体最小的活跃群体，驱动着地球化学元素循环和污染物迁移转化[16]，微生物群体响应特征也能间接反映岩溶湿地生态系统状况，是物质循环、能量转化和信息传递的重要参与者和执行者[17]。然而，会仙岩溶湿地的研究工作当前缺乏对水污染和微生物菌群的整体性认识。因此，有必要综合分析和归纳该湿地水化学变化和微生物群落整体特征，在此基础上发掘水化学污染与微生物菌群之间相互影响关系，为会仙岩溶湿地提供综合性基础数据。本文利用会仙岩溶湿地调查结果和水化学数据，结合近些年会仙岩溶湿地水土污染和微生物研究成果，在介绍会仙岩溶湿地概况基础上，分析近3 a水化学特征和污染变化趋势，总结湿地微生物群落组成及与污染物之间的相互作用关系，以期促进会仙岩溶湿地生态恢复和污染治理。

1 会仙岩溶湿地概况

1.1 区域概况

桂林会仙湿地是我国典型岩溶湿地，如图1所示，由桂林雁山区、临桂会仙镇和四塘乡部分地区组成，是桂江流域和柳江流域分水岭[2，18]。地理位置为北纬25°05′20″～25°06′45″，东经110°09′50″～110°14′30″，海拔多介于140～160 m，属中亚热带季风气候，是我国亚热带峰林地貌中心带，年平均气温为19.5 ℃，平均降水量为1 835.8 mm，蒸发量为1 569.7 mm，降水主要集中在4～8月，占年降水总量约50%[6]，具有雨季湿地水位高，旱季水位低的特点。

图1 会仙岩溶湿地地理位置与采样点分布Fig.1 The location of Huixian Karst wetland and sampling positions

会仙岩溶湿地补径排条件受到气象、水文、下垫面等综合控制，地下水补给来源主要有3种：大气降水直接入渗补给、沼泽水体入渗补给、外源水侧向补给。受地形和构造作用控制，地下水流向整体呈扇形，由南北两向向西部、中部和东部径流。排泄形式较多，主要为潜流、泉及伏流，枯水期或长时间未降雨时，排泄以潜流为主。

1.2 数据来源与分析

选取会仙典型岩溶湿地为研究区，于2019年5月采集水样共23组，地下水(民井和地下河)、地表水(地表河流和溶潭)分别为12组和11组。每组水样采用500 mL聚乙烯塑料瓶分装，用于无机组分测试，40 mL和1 L棕色玻璃瓶分装，用于挥发和半挥发有机组分测试，有机样品全程冰冻保存。采样期间均进行气温、水温、pH、EC、Eh、DO和TDS指标的现场测试。所有样品送往岩溶地质与资源环境测试中心进行水化学离子检测，通过对照、加标等方法实现质控。

收集会仙典型岩溶湿地近3 a水化学相关文献数据，通过比较不同时期水化学变化特征，揭示研究区水体污染演变规律。同时，收集研究区微生物菌群相关文献数据，在总结微生物菌群结构特征的基础上，进一步揭示微生物菌群与污染物之间的相关性。

1.3 生态特征

会仙岩溶湿地主要由岩溶湖泊、泉、沼泽、草地组成[19]，可划分为河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地和人工湿地，主要类型是人工湿地，各类型湿地分布详见表1[20]。

表1 会仙岩溶湿地类型概况Tab.1 The types of Huixian Karst wetland

会仙岩溶湿地具有丰富的生物多样性。据统计，该湿地具有维管束植物108科316种，陆生脊椎动67科234种，其中包括国家Ⅱ级保护植物野生稻1株，国家Ⅰ级保护动物东方白鹳，国家Ⅱ级保护动物18种，是湘桂走廊候鸟迁徙必经之路[20]。丰富的动植物资源对维持生物多样性、局部气候具有重要意义。微生物作为湿地生态系统中数量庞大的生命体，不仅与动植物保持着相克相生的平衡关系，也与湿地生态系统功能、平衡密切相关。在土地资源稀缺、石漠化严重、生态环境脆弱的岩溶地区[21]，丰富的生物资源极具生态价值。

然而，随着会仙地区人口压力增大，不合理围垦与开发导致会仙岩溶湿地呈退化趋势[21]，生态功能被严重削弱，主要表现在湿地面积缩减和生物多样性减少，特别是部分国家重点保护动植物，近于灭绝状态。大面积的人工鱼塘和耕种，不仅对水土造成一定污染，同时导致水体富营养化，特别是水葫芦大面积疯长，进一步恶化了水环境。生态环境恶化直接导致会仙岩溶湿地生态功能退化。

2 会仙岩溶湿地水化学与污染特征分析

2.1 现场测试分析

根据23组水样现场测试结果可知，会仙岩溶湿地pH介于6.46～8.17，平均值为7.28，多数水体pH>7，呈弱碱性。而2017年7月和10月的41组水样结果中pH介于7.4～9.4，平均值为8.0[11]，高于2019年，说明会仙岩溶湿地水体呈碱性至中性演化趋势。溶解氧(DO)不仅可反映水体氧化还原环境，值越大说明越接近氧化环境[22]，也能反映水体污染情况，值越小说明越趋于污染。会仙岩溶湿地2019年5月DO值介于0.56～7.39 mg/L，平均值为5.01 mg/L，而2017年DO值介于0.70～15.90 mg/L，平均值为4.30 mg/L[11]，说明会仙岩溶湿地2017年整体水质较2019年差，但局部存在较好水质。据湿地现场调查，多数河流表面生长大量水葫芦，水葫芦虽对重金属等污染物具有富集作用[23-25]，但在生长过程中需消耗大量氧气，促进厌氧微生物繁殖代谢，水葫芦腐烂也进一步加剧水体富营养化[26]。因此，水葫芦大量生长是导致DO值偏低的一个重要原因。

2.2 无机组分含量与污染分析

表2 不同类型湿地水体离子浓度特征Tab.2 Characteristic ion concentration of different wetland types of water mg/L

2.3 重金属含量与污染分析

会仙岩溶湿地2019年水样Al、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、Mn、As和Hg测试结果见表3。超标重金属包括Al、Mn和Hg，其中，溶潭水Al超标，上村南部溶潭水浓度高达300.00 μg/L；河水Mn超标，9组河水样Mn平均浓度为128.81 μg/L，超过GBT14848-2017《地下水质量标准》Ⅲ类水标准0.1 mg/L，睦洞河中游水样Mn浓度高达295.00 μg/L；仅一个测点Hg超过《地下水质量标准》Ⅲ类水标准0.001 mg/L，即莫家村民井井水Hg浓度为1.08 μg/L。因此，从超标样点占比来看，地下河水和井水水质优于溶潭水和地表河水。据不同类型水体重金属浓度平均值和最大值变化可知(见图2)，溶潭水中Al的平均值和最大值均明显高于其它3种类型水，地表河水中的Mn平均值和最大值均也明显高于其它3种类型水，而井水中Hg平均值和其它3种类型水相差并不大。湿地土壤重金属含量较高的地方集中在池塘和沟渠[29]，这可能是造成地表水较地下水污染严重的一个重要原因。

图2 湿地不同类型水体重金属浓度变化趋势Fig.2 Trends of heavy metal contents in different types water of wetland

表3 湿地不同类型水体重金属浓度特征Tab.3 Characteristic of heavy metal contents in different types water of wetland μg/L

3 微生物群落特征及相关性分析

微生物不仅是湿地生态系统的末端分解者[30]，也是环境污染的敏感指示者。因此，有必要了解湿地生态系统中主要菌群结构和功能指示菌群，为抵抗湿地环境污染压力，维持湿地生态平衡提供重要基础，特别是能提供不同基质内及相互间作用重要信息的过渡带微生物群落，如湿地生态系统0～10 cm沉积物和水生植物根系土壤微生物菌群。

3.1 沉积物微生物菌群特征分析

岩溶湖泊、河道表层沉积物是水体与沉积物的过渡带，微生物不仅受两者共同影响影响，也能反映两者环境状态。研究表明，会仙岩溶湿地睦洞河沉积物中主要菌门为Proteobacteria(变形菌门)(18.33%～41.42%)、Chloroflexi(绿弯菌门)(5.27%～32.56%)、Acidobacteria(酸杆菌门)，优势菌门是Proteobacteria[31]。这与我国其它湖泊湿地沉积物菌门结果基本一致[16]。属水平，主要菌属和优势菌属不明显，相对丰度较高的菌属包括H16、Spirochaeta_2(螺旋体属)、Desulfatiglans(脱硫酸盐橡菌属)、Anaeromyxobacter(厌氧粘细菌属)、Geobacter(地杆菌属)、Desulfobacca(脱硫杆菌属)、Stenotrophomonas(寡养单胞菌属)，而未分类菌属相对丰度达37.85%～84.67%[31]。

此外，阮楚晋等利用平板涂布法和16S rRNA高通量测序分析了会仙岩溶湿地低泥中可培养微生物[39]，可培养菌门共包括Firmicutes(厚壁菌门)、Actinobacteria(放线菌门)、Proteobacteria和Bacteroidetes(拟杆菌门)四类。属水平，Bacillus(芽孢杆菌属)是可培养微生物中的优势菌属，占分离菌株的53.85%。已有研究表明，Bacillus中的功能菌株对大分子含碳有机物具有代谢能力[40-41]，可在高浓度有机物中大量繁殖。Bacillus的大量存在反映出湿地有机污染状态，这与会仙地表水中水葫芦大量生长和腐烂相关。同时，从会仙岩溶湿地低泥中分离出的条件致病菌和有机砷耐受菌说明人类活动对湿地生态环境产生一定影响[39]。

3.2 根系土壤微生物菌群特征分析

土壤是湿地动植物生存的重要载体，也是植被营养的提供者，而会仙岩溶湿地土壤又有别于其它土壤，具有成土速率低、土层薄、土壤分布不连续等特点[42]，使得岩溶湿地土壤资源变得格外宝贵。近些年，受人类农牧业活动影响，土壤养分含量呈下降趋势，会仙岩溶湿地生态问题日益突出[43]。湿地生态系统自净功能是通过土壤-植物-微生物实现的，根系和微生物菌群可固定和降解污染物，特别是微生物，是吸附和降解污染物的作用主体[44-45]。

据2019年研究报道，会仙岩溶湿地根际土壤中微生物菌门主要为Proteobacteria(18.6%～49.5%)、Chloroflexi(2.8%～21.6%)、Acidobacteria(1.8%～12.4%)，优势菌门是Proteobacteria[46]，这与会仙岩溶湿地沉积物中菌门结果一致[31]。属水平，不同菌属在样品中分布差异较大，存在于多数样品中的主要菌属包括Thiobacillus(硫杆菌属)、Anaeromyxobacter、H16、Desulfatiglans、Geobacter、Candididatus_competibacter、Syntrophorhabdus、Bacillus等，同时也存在Nitropirae、Fimicutes门和Pseudomonas、Nitrospira属[46]。

4 结论与展望

4.1 结 论

4.2 展 望

会仙岩溶湿地是岩溶水文地质和湿地生态研究的理想模式样地，同时也面临着生态恢复和环境治理的艰巨任务。目前，有关会仙岩溶湿地微生物的研究报道多基于稀释平板计数法、培养法等传统微生物学技术和克隆文库、定量PCR、16S rRNA高通量测序等分子生物学方法，且研究内容集中在确定微生物菌群数量、活性、组成和结构上，以揭示环境因子与微生物群落结构间的相关性，但并不清楚化学元素循环过程和微生物驱动机制；同时，会仙岩溶湿地微生物多数研究呈单一时空规律得差异分析，如不同季节、不同土地类型等，而微生物生态平衡是综合作用的结果。因此，在今后的研究中，一方面积极引入多组学方法，从功能基因、转录过程、蛋白表达等方面揭示微生物驱动元素地球化学循环和污染降解的机理；另一方面，从采样设计到分析研究应兼顾环境因子综合作用结果和会仙岩溶湿地的整体性。