桂林會仙典型巖溶濕地水化學特征和微生物現狀

李 軍，趙 一，藍 芙 寧，周 長 松，林 永 生，鄒 勝 章

(1.中國地質科學院巖溶地質研究所 自然資源部/廣西巖溶動力學重點實驗室，廣西 桂林 541004； 2.河北建筑工程學院市政與環境工程系 河北省水質工程與水資源綜合利用重點實驗室，河北 張家口 075000； 3.聯合國教科文組織國際巖溶研究中心，廣西 桂林 541004)

我國是濕地資源非常豐富的國家，面積達5 360.26萬 hm2[1]，也是在亞洲擁有濕地最多的國家。豐富的濕地資源不僅具有涵養水源、調節氣候、蓄洪抗旱和美化環境的功能，也在維持生物多樣性、凈化水質等方面發揮著重要的生態作用[2-4]。在全球變暖的大環境下，人口增長和工農業發展一方面導致部分濕地面臨萎縮和退化風險[5]，另一方面致使濕地水體和土壤環境遭受污染[6]。特別是在巖溶濕地生態系統中，巖溶管道發育和集中排泄使得地下水流更快[7]，不僅導致巖溶濕地水位和水量年季變化大，而且污染物稀釋的同時更易擴散，這對濕地生態系統和附加經濟效益產生極其不利的影響。

會仙濕地是我國面積最大的低海拔巖溶濕地[8]，于2012年4月被列為試點建設國家濕地公園，是桂林山水的重要組成部分，也是中國地質科學院巖溶地質研究所、廣西師范大學、桂林理工大學、桂林電子科技大學等科研單位的重要科研基地。近年來會仙巖溶濕地人類活動頻繁，特別是農業活動的增加，導致會仙濕地面積由42 km2縮減至15 km2[8-9]，常年存水面積不足6 km2[2]，水土出現不同程度污染[6，8，10-12]。因此，有必要對會仙巖溶濕地開展水體污染和與污染轉化相關的綜合性研究和總結工作。

近年來，一些學者對會仙巖溶濕地植被、水土污染、元素循環、演變過程等進行了較全面研究[13-15]，也有部分學者關注會仙巖溶濕地微生物群落。微生物是巖溶濕地中數量最多、個體最小的活躍群體，驅動著地球化學元素循環和污染物遷移轉化[16]，微生物群體響應特征也能間接反映巖溶濕地生態系統狀況，是物質循環、能量轉化和信息傳遞的重要參與者和執行者[17]。然而，會仙巖溶濕地的研究工作當前缺乏對水污染和微生物菌群的整體性認識。因此，有必要綜合分析和歸納該濕地水化學變化和微生物群落整體特征，在此基礎上發掘水化學污染與微生物菌群之間相互影響關系，為會仙巖溶濕地提供綜合性基礎數據。本文利用會仙巖溶濕地調查結果和水化學數據，結合近些年會仙巖溶濕地水土污染和微生物研究成果，在介紹會仙巖溶濕地概況基礎上，分析近3 a水化學特征和污染變化趨勢，總結濕地微生物群落組成及與污染物之間的相互作用關系，以期促進會仙巖溶濕地生態恢復和污染治理。

1 會仙巖溶濕地概況

1.1 區域概況

桂林會仙濕地是我國典型巖溶濕地，如圖1所示，由桂林雁山區、臨桂會仙鎮和四塘鄉部分地區組成，是桂江流域和柳江流域分水嶺[2，18]。地理位置為北緯25°05′20″～25°06′45″，東經110°09′50″～110°14′30″，海拔多介于140～160 m，屬中亞熱帶季風氣候，是我國亞熱帶峰林地貌中心帶，年平均氣溫為19.5 ℃，平均降水量為1 835.8 mm，蒸發量為1 569.7 mm，降水主要集中在4～8月，占年降水總量約50%[6]，具有雨季濕地水位高，旱季水位低的特點。

圖1 會仙巖溶濕地地理位置與采樣點分布Fig.1 The location of Huixian Karst wetland and sampling positions

會仙巖溶濕地補徑排條件受到氣象、水文、下墊面等綜合控制，地下水補給來源主要有3種：大氣降水直接入滲補給、沼澤水體入滲補給、外源水側向補給。受地形和構造作用控制，地下水流向整體呈扇形，由南北兩向向西部、中部和東部徑流。排泄形式較多，主要為潛流、泉及伏流，枯水期或長時間未降雨時，排泄以潛流為主。

1.2 數據來源與分析

選取會仙典型巖溶濕地為研究區，于2019年5月采集水樣共23組，地下水(民井和地下河)、地表水(地表河流和溶潭)分別為12組和11組。每組水樣采用500 mL聚乙烯塑料瓶分裝，用于無機組分測試，40 mL和1 L棕色玻璃瓶分裝，用于揮發和半揮發有機組分測試，有機樣品全程冰凍保存。采樣期間均進行氣溫、水溫、pH、EC、Eh、DO和TDS指標的現場測試。所有樣品送往巖溶地質與資源環境測試中心進行水化學離子檢測，通過對照、加標等方法實現質控。

收集會仙典型巖溶濕地近3 a水化學相關文獻數據，通過比較不同時期水化學變化特征，揭示研究區水體污染演變規律。同時，收集研究區微生物菌群相關文獻數據，在總結微生物菌群結構特征的基礎上，進一步揭示微生物菌群與污染物之間的相關性。

1.3 生態特征

會仙巖溶濕地主要由巖溶湖泊、泉、沼澤、草地組成[19]，可劃分為河流濕地、湖泊濕地、沼澤濕地和人工濕地，主要類型是人工濕地，各類型濕地分布詳見表1[20]。

表1 會仙巖溶濕地類型概況Tab.1 The types of Huixian Karst wetland

會仙巖溶濕地具有豐富的生物多樣性。據統計，該濕地具有維管束植物108科316種，陸生脊椎動67科234種，其中包括國家Ⅱ級保護植物野生稻1株，國家Ⅰ級保護動物東方白鸛，國家Ⅱ級保護動物18種，是湘桂走廊候鳥遷徙必經之路[20]。豐富的動植物資源對維持生物多樣性、局部氣候具有重要意義。微生物作為濕地生態系統中數量龐大的生命體，不僅與動植物保持著相克相生的平衡關系，也與濕地生態系統功能、平衡密切相關。在土地資源稀缺、石漠化嚴重、生態環境脆弱的巖溶地區[21]，豐富的生物資源極具生態價值。

然而，隨著會仙地區人口壓力增大，不合理圍墾與開發導致會仙巖溶濕地呈退化趨勢[21]，生態功能被嚴重削弱，主要表現在濕地面積縮減和生物多樣性減少，特別是部分國家重點保護動植物，近于滅絕狀態。大面積的人工魚塘和耕種，不僅對水土造成一定污染，同時導致水體富營養化，特別是水葫蘆大面積瘋長，進一步惡化了水環境。生態環境惡化直接導致會仙巖溶濕地生態功能退化。

2 會仙巖溶濕地水化學與污染特征分析

2.1 現場測試分析

根據23組水樣現場測試結果可知，會仙巖溶濕地pH介于6.46～8.17，平均值為7.28，多數水體pH>7，呈弱堿性。而2017年7月和10月的41組水樣結果中pH介于7.4～9.4，平均值為8.0[11]，高于2019年，說明會仙巖溶濕地水體呈堿性至中性演化趨勢。溶解氧(DO)不僅可反映水體氧化還原環境，值越大說明越接近氧化環境[22]，也能反映水體污染情況，值越小說明越趨于污染。會仙巖溶濕地2019年5月DO值介于0.56～7.39 mg/L，平均值為5.01 mg/L，而2017年DO值介于0.70～15.90 mg/L，平均值為4.30 mg/L[11]，說明會仙巖溶濕地2017年整體水質較2019年差，但局部存在較好水質。據濕地現場調查，多數河流表面生長大量水葫蘆，水葫蘆雖對重金屬等污染物具有富集作用[23-25]，但在生長過程中需消耗大量氧氣，促進厭氧微生物繁殖代謝，水葫蘆腐爛也進一步加劇水體富營養化[26]。因此，水葫蘆大量生長是導致DO值偏低的一個重要原因。

2.2 無機組分含量與污染分析

表2 不同類型濕地水體離子濃度特征Tab.2 Characteristic ion concentration of different wetland types of water mg/L

2.3 重金屬含量與污染分析

會仙巖溶濕地2019年水樣Al、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、Mn、As和Hg測試結果見表3。超標重金屬包括Al、Mn和Hg，其中，溶潭水Al超標，上村南部溶潭水濃度高達300.00 μg/L；河水Mn超標，9組河水樣Mn平均濃度為128.81 μg/L，超過GBT14848-2017《地下水質量標準》Ⅲ類水標準0.1 mg/L，睦洞河中游水樣Mn濃度高達295.00 μg/L；僅一個測點Hg超過《地下水質量標準》Ⅲ類水標準0.001 mg/L，即莫家村民井井水Hg濃度為1.08 μg/L。因此，從超標樣點占比來看，地下河水和井水水質優于溶潭水和地表河水。據不同類型水體重金屬濃度平均值和最大值變化可知(見圖2)，溶潭水中Al的平均值和最大值均明顯高于其它3種類型水，地表河水中的Mn平均值和最大值均也明顯高于其它3種類型水，而井水中Hg平均值和其它3種類型水相差并不大。濕地土壤重金屬含量較高的地方集中在池塘和溝渠[29]，這可能是造成地表水較地下水污染嚴重的一個重要原因。

圖2 濕地不同類型水體重金屬濃度變化趨勢Fig.2 Trends of heavy metal contents in different types water of wetland

表3 濕地不同類型水體重金屬濃度特征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關性分析

微生物不僅是濕地生態系統的末端分解者[30]，也是環境污染的敏感指示者。因此，有必要了解濕地生態系統中主要菌群結構和功能指示菌群，為抵抗濕地環境污染壓力，維持濕地生態平衡提供重要基礎，特別是能提供不同基質內及相互間作用重要信息的過渡帶微生物群落，如濕地生態系統0～10 cm沉積物和水生植物根系土壤微生物菌群。

3.1 沉積物微生物菌群特征分析

巖溶湖泊、河道表層沉積物是水體與沉積物的過渡帶，微生物不僅受兩者共同影響影響，也能反映兩者環境狀態。研究表明，會仙巖溶濕地睦洞河沉積物中主要菌門為Proteobacteria(變形菌門)(18.33%～41.42%)、Chloroflexi(綠彎菌門)(5.27%～32.56%)、Acidobacteria(酸桿菌門)，優勢菌門是Proteobacteria[31]。這與我國其它湖泊濕地沉積物菌門結果基本一致[16]。屬水平，主要菌屬和優勢菌屬不明顯，相對豐度較高的菌屬包括H16、Spirochaeta_2(螺旋體屬)、Desulfatiglans(脫硫酸鹽橡菌屬)、Anaeromyxobacter(厭氧粘細菌屬)、Geobacter(地桿菌屬)、Desulfobacca(脫硫桿菌屬)、Stenotrophomonas(寡養單胞菌屬)，而未分類菌屬相對豐度達37.85%～84.67%[31]。

此外，阮楚晉等利用平板涂布法和16S rRNA高通量測序分析了會仙巖溶濕地低泥中可培養微生物[39]，可培養菌門共包括Firmicutes(厚壁菌門)、Actinobacteria(放線菌門)、Proteobacteria和Bacteroidetes(擬桿菌門)四類。屬水平，Bacillus(芽孢桿菌屬)是可培養微生物中的優勢菌屬，占分離菌株的53.85%。已有研究表明，Bacillus中的功能菌株對大分子含碳有機物具有代謝能力[40-41]，可在高濃度有機物中大量繁殖。Bacillus的大量存在反映出濕地有機污染狀態，這與會仙地表水中水葫蘆大量生長和腐爛相關。同時，從會仙巖溶濕地低泥中分離出的條件致病菌和有機砷耐受菌說明人類活動對濕地生態環境產生一定影響[39]。

3.2 根系土壤微生物菌群特征分析

土壤是濕地動植物生存的重要載體，也是植被營養的提供者，而會仙巖溶濕地土壤又有別于其它土壤，具有成土速率低、土層薄、土壤分布不連續等特點[42]，使得巖溶濕地土壤資源變得格外寶貴。近些年，受人類農牧業活動影響，土壤養分含量呈下降趨勢，會仙巖溶濕地生態問題日益突出[43]。濕地生態系統自凈功能是通過土壤-植物-微生物實現的，根系和微生物菌群可固定和降解污染物，特別是微生物，是吸附和降解污染物的作用主體[44-45]。

據2019年研究報道，會仙巖溶濕地根際土壤中微生物菌門主要為Proteobacteria(18.6%～49.5%)、Chloroflexi(2.8%～21.6%)、Acidobacteria(1.8%～12.4%)，優勢菌門是Proteobacteria[46]，這與會仙巖溶濕地沉積物中菌門結果一致[31]。屬水平，不同菌屬在樣品中分布差異較大，存在于多數樣品中的主要菌屬包括Thiobacillus(硫桿菌屬)、Anaeromyxobacter、H16、Desulfatiglans、Geobacter、Candididatus_competibacter、Syntrophorhabdus、Bacillus等，同時也存在Nitropirae、Fimicutes門和Pseudomonas、Nitrospira屬[46]。

4 結論與展望

4.1 結 論

4.2 展 望

會仙巖溶濕地是巖溶水文地質和濕地生態研究的理想模式樣地，同時也面臨著生態恢復和環境治理的艱巨任務。目前，有關會仙巖溶濕地微生物的研究報道多基于稀釋平板計數法、培養法等傳統微生物學技術和克隆文庫、定量PCR、16S rRNA高通量測序等分子生物學方法，且研究內容集中在確定微生物菌群數量、活性、組成和結構上，以揭示環境因子與微生物群落結構間的相關性，但并不清楚化學元素循環過程和微生物驅動機制；同時，會仙巖溶濕地微生物多數研究呈單一時空規律得差異分析，如不同季節、不同土地類型等，而微生物生態平衡是綜合作用的結果。因此，在今后的研究中，一方面積極引入多組學方法，從功能基因、轉錄過程、蛋白表達等方面揭示微生物驅動元素地球化學循環和污染降解的機理；另一方面，從采樣設計到分析研究應兼顧環境因子綜合作用結果和會仙巖溶濕地的整體性。