降雨過程中巖溶地下河微生物污染及其指示意義

賀秋芳，邱述蘭，張興波

（1.國土資源部、廣西壯族自治區巖溶動力學重點實驗室（中國地質科學院巖溶地質研究所），廣西 桂林 541004；2.西南大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，地理科學學院，西南大學，重慶 400715）

巖溶水資源是解決西南地區人民群眾飲水問題的重要來源，但近現代以來不合理的人類工農業活動帶來的污染對西南巖溶地區的生態環境造成了不可估量的破壞。如何將地下水的勘察與污染防治相結合，需要國家和眾多科學研究者共同努力，解決人類活動影響下的巖溶水系統演變規律，解決巖溶地下水勘查、試驗、監測以及地下水污染治理的新技術和新方法。國外研究者專注于巖溶地下水微生物的運移和示蹤研究，對地下水中的微生物群落進行選擇性培養計數，根據其時空變化規律分析外來污染物的來源［1－2］及其對地下水生態系統的影響［3］，并建立以微生物為指標的地下水生態評價體系［4－5］。原位或外來添加的微生物數量監測與高精度地下水化學示蹤相結合，可了解微生物在地下水中的運移特征［6－7］，從而推斷微生物和其他污染物在地下水中的傳播過 程［8］，并據此選用相應的防護措施［9－10］。 基于16Sr DNA的地下水微生物基因圖譜分析對比［11］和FISH［12］可以直接了解地下水水系之間的聯系，并確定污染物的來源。底物添加和相應的微生物活性監測可了解不同微生物在地下水中的活性，從而確定污染物對微生物和地下水生態系統的影響［13］，以及微生物對污染物的降解過程［14］。作為地下水污染物，地下水中有害或潛在有害微生物［15］和SIP微生物［16］的直接監測可以直接了解地下水中的微生物和污染物的運移／降解過程。但國內對巖溶地下水的微生物研究僅停留在衛生學普查的層面，缺乏系統研究。本文以重慶青木關為例，高密度檢測暴雨過程中地下河微生物的動態變化過程，結合地下水水化學指標和巖溶水系統運移特征，分析微生物在巖溶地下河中的污染和運移過程，了解巖溶地下水的微生物污染狀況及運移特征，為修復巖溶地下水環境提供科學依據。

1 研究區概況

青木關巖溶槽谷區為典型的巖溶槽谷區，區內巖溶管道和裂隙發育，地表水通過巖溶管道和裂隙進入青木關地下河，縱向穿過整個巖溶槽谷，從南端姜家泉排泄出來，匯入青木河。區內主要為農業污染、人類生活污水及牲畜糞便污染。最近幾年的監測表明，由于人類活動的加劇，地下水污染從以化肥污染為主向化肥和糞便復合污染轉變，地下水水質惡化加劇。按照青木關槽谷區的土地利用情況（圖1），水田和旱田中均使用化肥和農家肥，在巖溶水系統中通過落水洞和裂隙進入地下河造成地下河污染。2010年以后，地下河中游大木水窩洼地簡稱跑馬場，產生的糞便可能引起地下河中糞便污染。

2 取樣與檢測方法

本研究于2011年5月初在青木關暴雨期間對青木關地下河出口的水化學和微生物指標進行取樣。其中5月1日至5月6日每2 h取樣1次，其后每6 h取樣1次。

圖1 青木關地質簡圖

（1）野外監測：p H、電導率、水溫采用德國 WTW公司或美國HACH公司生產的全自動水質分析儀檢測采用野外便攜式試劑盒檢測，水位使用。

（3）金屬離子：Na＋、K＋、Mg2＋使用潔凈采樣瓶，潤洗2次后不留空氣，采集足量樣品，加適量1∶1 HNO3溶液，調水樣p H值＜2，以防止金屬離子吸附。所有金屬離子采用PE公司2100DV型號的ICP－OES檢測（精度0.001 mg／L）。

（4）微生物：微生物采樣使用專用微生物采樣袋（美國，Brand），采集樣品后4～8℃低溫保藏，24 h內使用濾膜法檢測微生物指標（濾膜為美國Millipore生產的滅菌一次性濾膜，0.45μm）。其中總細菌（Total coliform）數使用PCA培養基，總大腸菌群（Total e.coli）使用品紅亞硫酸鈉培養基，糞大腸菌群（Fecal coliform）使用 MFC培養基，所有培養基均使用青島日水生產的干粉培養基。

3 研究結果與分析

3.1 暴雨過程分析

本次監測暴雨在2011年5月1日晚21：00左右開始，至次日中午12：00左右結束，其中降雨量最大發生于凌晨4：00至5：00之間，總計降水量為35.4 mm。根據降雨開始和結束時間，地下河出口姜家泉流量必將與滯后4～5 h，流量從38 L／s上升至197 L／s，最后回落至39 L／s。青木關巖溶地下河為管道型地下含水介質，地下流體為紊流流態。在暴雨期間，由于地表水經落水洞迅速進入地下河，并從出口排泄，造成暴雨期間地下河出口處流量發生暴起暴落。降雨開始6 h左右，地下河流量開始迅速上升，經2 h左右流量從38 L／s上升至峰值197 L／s。隨后迅速衰減至138 L／s，而后緩慢回落，時間持續40 h以上，于5月4日凌晨回落至40 L／s左右。至5月8日，地下河出口流量維持于40 L／s左右不變。

3.2 離子動態變化過程

暴雨過程中，由于暴雨期間“活塞”效應、降雨稀釋作用及人類活動污染，地下河中離子含量發生變化（圖2、3）。5月1日至2日凌晨期間，首先由于“活塞”效應，從地表經落水洞進入地下河，將地下河中平水期儲存的“老水”推出地下河出口。由于地下河中“老水”循環時間較長，各種離子和污染物在地下河水中滯留，因此水中離子含量略偏高。隨著降雨量的增大，通過落水洞進入的地表水，帶來大量污染物，進入地下河致使水中彈道率及陰陽離子含量大幅增加，電導率及陰陽離子的反應時間略滯后于流量達到峰值的時間。而后，流量仍處于較高水平，由于降雨的稀釋效應，地下水中的離子含量出現下降，而后緩慢上升。但與以往研究中的降雨過程有所不同，本文監測中流量回落至40 L／s左右時，與降雨前基本一致，但地下水中的離子含量并持續增加，并超過暴雨過程中的最高含量。除Cl－、Na＋、SO42－以外，其他所有離子含量均高于降雨過程中的最高濃度。

圖2 地下河降雨期間相關水化學指標

3.3 微生物污染

圖3 地下河降雨期間離子含量

3種微生物指標的監測表明，青木關地下河微生物含量偏高，其含量遠高于WHO和《中國生活飲用水標準》中對飲用水源的規定。其中總細菌數的含量最高達到104cfu／m L，大腸菌群達到800 cfu／mL，糞大腸菌群含量也接近200 cfu／mL，見圖4。遠高于WHO和《中國生活飲用水標準》中規定的Ⅱ類水標準，即總細菌數不超過100 cfu／100 mL、大腸菌群和糞大腸菌群檢出的標準。按照微生物數量，青木關地下河中的微生物數量已經超過《中國地下水水質標準》中規定的Ⅴ類水，青木關地下河存在嚴重的微生物污染和動物糞便污染，不應作為飲用和生活用水水源，但當地仍作為生活用水使用。

圖4 地下河中微生物及相關指標含量變化

在降雨過程中，地下河中3種微生物數量都存在不同程度的增加，但不同階段增加幅度有所不同。降雨初期，地下水水位尚未發生變化，但水中糞大腸菌群和總大腸菌群出現顯著上升，達到100 cfu／m L以上，而總細菌數增加不多。而后隨著水位上升，3種微生物指標數量顯著增加，其中總細菌數含量增加甚至達10倍左右，而與其他水化學指標相比，微生物指標的上升變化早于其他陰陽離子，這與Laroche等［12］的研究結果一致，說明微生物指示因子對地下水污染的指示作用更及時。在降雨結束后，3種微生物指標都短暫地回復到較低水平。隨后，與地下水中多數離子濃度變化類似，糞大腸菌群和總大腸菌群又出現上升過程，且總量超過降雨過程中的最高含量，而總細菌數則基本不變。

此外，DO和TOC的變化，某種程度上也能體現地下河中的微生物水平。DO含量越低說明水中好氧微生物和有機污染物含量越高，TOC則代表地下水中的總有機物含量。降雨過程中，TOC的變化與離子變化一致，說明降雨導致的地下河流量將地下河中儲存和從落水洞進入地下的有機物沖出地下河出口。但DO變化不大，說明地下水流速較大，微生物在地下水中滯留時間較短，對水中的DO消耗較少。而降雨過后，因為微生物污染物仍然存在，而且微生物在地下水中停留時間較長，將水中DO消耗較多，由于大腸菌群對DO的消耗，使之出現明顯的先下降后上升。

3.4 微生物污染的來源分析

大腸菌群主要來自動物糞便，但不同來源的大腸菌群生長溫度不同，自然界中大腸菌群最適生長溫度為25℃，37℃時仍可生長，44℃時不會生長。而來自人類腸道的糞大腸菌群最適生長溫度37℃左右，如將培養溫度升高至44.5℃仍可繼續生長。在37℃培養生長的大腸菌群，包括在糞便內生長的大腸菌群稱為“總大腸菌群”（Total coliform）；在44.5℃仍能生長的大腸菌群稱為“糞大腸菌群”（Fecal coliform）。大腸菌群和糞大腸菌群被統稱為糞源微生物，通常作為糞便污染的微生物指示菌指示水體中糞便污染程度，結合其他相關數據指標可以指示水體中糞便污染的來源和途徑。

在本研究中，降雨開始時，地下水水位并未增長，但微生物尤其糞源微生物數量大量增加，而其他陰陽離子及p H、TOC、DO等都未出現明顯變化。結合地下河出口姜家泉附近居民有放養家禽的習慣，可推測此糞源微生物來自于周圍居民蓄養的家禽，動物糞便極有可能分布于出口附近，在降雨開始便進入姜家泉。隨后，降雨帶來的流量使姜家泉3種微生物數量大大增加。與此同時，除外，所有水化學指標都隨之發生較大變化。p H、溫度等指標的變化如前所述完全符合降雨稀釋效應帶來的變化。而伴隨地表水進入落水洞中的還有大量的污染物和土壤顆粒等，其中攜帶的各類細菌造成3種細菌數量都有大幅度提高。因此其主要來源為土壤微生物，總細菌數的增加遠高于糞源微生物，而且糞大腸菌的數量增加并不如大腸菌群那么明顯。

當流量恢復至降雨前的水平時，地下水糞源微生物及與微生物含量相關的DO、TOC都發生了改變，說明此時地下水中存在嚴重的糞便污染。同時，由于糞源污染物的數量在地下水總細菌所占比例極小，因此糞源微生物的增加未能對總細菌數量產生很大影響。Vanderhoff［17］研究發現，大腸桿菌進入土壤后在土壤中滯留休眠，并在一次較強的降雨過程下滲入洞穴和地下河中，且在土壤中滯留半年以上仍有活性。青木關大木水窩洼地于2011年初建成跑馬場，產生的馬糞集中填埋于當地土壤中，糞源微生物因此滯留于巖溶區土壤中。由于巖溶區土層薄對微生物及其他污染物的截留降解不充分，且青木關區域巖溶非常發育，存在大量管道裂隙，因此糞便污染物被雨水驅動進入地下河造成地下水污染。地下河中其他指標的變化也能印證這一分析。降雨結束后，來自于落水洞的流量減少，出口的大部分流量來自土壤滲透水，而且流速減緩，糞源微生物在土壤及地下河中的停留時間更長，因此地下水中DO消耗更多。糞便中K、P及有機物等含量豐富，因此地下水中TOC含量迅速增加。此外，糞源微生物生長分解有機物需要消耗N源，因此地下水中減少，而分解有機物產生的CO2有利于巖溶作用，因此地下水中Ca2＋和都有不同程度增加。

4 結論

由于當地農業生產和人類活動，青木關巖溶地下河水質惡化，大腸桿菌超過國家水質標準1 000以上，造成了嚴重的污染。降雨期間對巖溶地下河中的水化學與微生物指標監測相結合，可以分析不同階段地下水中微生物污染物的主要來源，對地下水污染的來源和過程進行示蹤。

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