三角帆蚌生物擾動對白洋淀濕地水環境影響探究

孫家君，李乾崗，魏 婷，王洪杰，張光明，曹宏斌

（1.中國科學院過程工程研究所，北京 100190 ；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國人民大學環境學院，北京 100872；4.河北大學生態與環境治理研究所，河北大學生命科學學院，河北 保定 071002；5.中國雄安集團生態建設投資有限公司，河北 雄安 071000）

0 引言

白洋淀是雄安新區重要的生態水域，對華北地區生態環境保護及經濟社會發展具有重要意義，但長期以來污染問題嚴重，制約了雄安新區發展。修復白洋淀濕地，恢復白洋淀生態健康勢在必行。底棲生物修復是濕地修復的重要組成部分，有助于完善濕地生態系統服務功能[1]。生物擾動是指底棲生物通過自身活動產生攪動作用, 促進沉積物與水體之間物質交換[2]，生物擾動會影響微生物和植物的生長，對濕地生物地球化學循環十分重要[3]。但生物擾動還會增加內源污染釋放，對水質影響不容忽視，并且生物量密度是影響這一過程的關鍵因素[4]。 因此，充分探究底棲生物擾動作用對濕地水質、微生物以及植物的作用，對濕地生物修復及濕地物質循環研究具有重要意義。

三角帆蚌(Hyriopsis cumingii)是白洋淀具有代表性的底棲生物，能夠有效抑制藍藻等有害藻類生長，廣泛運用于濕地修復當中[5]。 但現階段的研究都過分關注于三角帆蚌的控藻效果，忽視其生物擾動作用對濕地水質、植物和微生物產生的影響[6]。 本研究以三角帆蚌為試驗對象，以白洋淀水和泥為試驗材料，通過室內模擬試驗，研究三角帆蚌的生物擾動作用對水體水質COD，N，P 及沉水植物色素積累的影響，并結合16S rRNA 高通量測序技術，研究水中微生物群落結構的變化，以期為白洋淀濕地修復和濕地生態系統重建提供依據。

1 材料方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗用三角帆蚌來自白洋淀某淡水蚌養殖場，選取活力較好的蚌體進行試驗，蚌質量為252.2 ±16.3 g。 試驗前將其清洗并凈水馴養1 W。

試驗優選金魚藻、輪葉黑藻和穗花狐尾藻3 種沉水植物。 試驗用水、泥及沉水植物均取自白洋淀，試驗前凈水預培養1 W。 根據試驗需要通過添加葡萄糖，KNO3和KH2PO4調節COD，N，P。

單個裝置容積100 L，上內徑49 cm，下內徑41 cm，高63 cm；裝置內底泥采用白洋淀底泥，厚10 cm；水深40 cm，采用蠕動泵調節進出水，保持水力停留時間為5 d；水溫保持在25 ℃左右；水體pH 值為7 ～8；采用恒功率曝氣，依據往年同期監測數據保持水體DO 質量濃度在4 ～6 mg/L。

1.2 試驗方法

三角帆蚌的生物量分為低(4 g/L)、中(12 g/L)、高(20 g/L)3 個密度，每2 d 固定時間出水口取樣檢測水質。設置無蚌對照組和平行組，共計運行42 d。進水變化情況見表1。 試驗期分為高污染進水和低污染進水2 個階段，高污染進水階段人為添加了COD，N，P；低污染進水階段采用淀區來水。 水質調節均源于前期監測工作。

表1 進水變化情況 mg·L-1

試驗水質每隔2 d 進行1 次檢測，包括COD，TN，NH3-N，NO3--N，NO2--N 和TP，檢測試驗期20 d和42 d 時的各處理組植物色素(葉綠素a，b 以及類胡蘿卜素)含量，試驗結束時對水體微生物群落進行分析。

1.3 檢測和分析方法

1.3.1 水質指標及植物色素檢測方法

TN 采用HJ 636―2012 堿性過硫酸鉀紫外分光光度法；NH3-N 采用HJ 535―2009 納氏試劑分光光度法；TP 采用GB 11893―89 鉬酸銨分光光度法；NO3--N 采用HJ/T346―2007 硝酸鹽氮的測定紫外分光光度法；NO2--N 采用GB/T 7493―1987 分光光度法。 植物色素采用95%乙醇提取法。 底泥中全氮采用HJ 717―2014《土壤質量全氮的測定凱氏法》；底泥中全磷采用HJ 632―2011 《堿熔-鉬銻抗分光光度法》。

1.3.2 微生物群落結構分析

利用注射器采集距液面10，20，30 cm 處的水樣共150 mL，過0.22 μm 濾膜后，將樣品- 20 ℃保存。對預處理樣品進行微生物群落高通量測序分析。 基于二代高通量測序，測定16SrRNAV4 區PCR 產物，對各樣品中微生群落結構進行分析 （引物為338F：5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3',806R：5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'）。 DNA 的提取、PCR、建庫和測序交由北京美吉桑格生物醫藥科技有限公司完成，測序使用平臺為IlluminaMiseqplatform（Illumina，USA）。

1.4 數據處理

使用SPSS26.0 進行相關性分析，使用Origin9.0進行作圖。 采用P 值來判斷數據的顯著性，當P ＜0.05 認為所得數據具有統計學的顯著差異性。

2 結果與討論

2.1 水體COD 變化

試驗期間COD 濃度變化情況見圖1。 白洋淀整體COD 濃度偏低，各處理組平均削減率在40% ～50%。出水COD 質量濃度為3.54 ～36.12 mg/L。由于三角帆蚌生物擾動，中、高密度組COD 質量濃度均值比對照組有一定的提升（＜4.5 mg/L），各組別間沒有顯著差異（P ＞0.05）。 劉昌偉等[7]采用人工濕地進行生活污水深度處理，COD 出水質量濃度在21.98～25.08 mg/L，削減23.2%。 本研究中模擬濕地對水體COD 濃度削減效果較好，且三角帆蚌對COD 濃度削減并無顯著影響。

圖1 各處理組COD 質量濃度變化情況

2.2 水體不同形態氮濃度的變化

試驗水體TN，NH3-N，NO3--N 以及NO2--N 質量濃度變化情況見圖2。由圖2（a）可以看出，試驗階段各處理組TN 平均質量濃度分別為5.60，5.52，5.88 和6.02 mg/L。 可見中、高密度組的三角帆蚌的生物擾動將水體TN 質量濃度提高了5.4% ~ 7.5%。對照組與低密度組變化沒有差異（P > 0.05）。白洋淀水體長期的富營養化問題導致濕地沉積物中蘊含了大量的N，P 污染物，造成了較大的內源污染風險[8]。上覆水理化性質、沉積物性質以及擾動強度和時間是影響沉積物內源釋放的主要因素，在白洋淀等緩流水體中，生物擾動作用就成為促進沉積物內源釋放的主要動力[9]。三角帆蚌的生物擾動促進沉積物中氮的釋放，是水體TN 質量濃度升高的主要原因，并且本研究發現三角帆蚌的生物量密度是影響沉積物中氮釋放速率的重要因素。CHENG H M 等[10]研究發現，Chironomid 幼蟲和Limnodrilushoffmeisteri活動增加了沉積物的孔隙度，提高了間歇水和上覆水中Cr 的濃度，將Cr 的釋放通量提高約90 μg/（m-2·d）。

圖2 水中各形態氮質量濃度變化情況

由圖2（b）可以看出，試驗階段各處理組出水NH3-N 平均質量濃度分別為0.25，0.33，0.43 和0.45 mg/L，可見三角帆蚌提高了水體中NH3-N 濃度，但各組別之間差異不大(P ＞0.05)。 隨時間延長，貝類擾動產生的NH3-N 釋放量會逐漸降低為0，這是組間差異較小的原因之一[11]。 在本研究中，水體處于富氧狀態，促使水體氨氧化過程，抑制反硝化，使NH3-N 濃度下降，TN 濃度上升。 試驗裝置運行全階段，NH3-N出水濃度穩定達到地表水IV 類(GB 3838―2002)，表明模擬濕地對NH3-N 具有較好的處理效果。

由圖2（c）可以看出，試驗期NO3--N 含量與TN變化具有一致性，表明水體NO3--N 濃度變化是TN濃度變化的主要原因。 由圖2（d）可以看出，三角帆蚌密度越高，NO2--N 濃度越高(P ＜0.05)，試驗期內低、中、高3 個組的NO2--N 平均質量濃度較對照組分別高出0.09，0.25 和0.34 mg/L。三角帆蚌會為反硝化微生物活動提供更多空間。 底棲生物通過自身呼吸耗氧創造出更多缺氧環境，很多動物體內腸道等環境也能成為缺氧微生物反應場所，從而提高濕地中反硝化細菌的活性和數量，并提高濕地的脫氮效率[12]。 KANG Y 等[13]發現，蚯蚓活動將沉積物與水體之間的氧通量降低了約1.25 mg/L，促使沉積物NO3--N 還原率提高了28.4%，因此，三角帆蚌有助于NO2--N 積累。 但在本研究中，三角帆蚌造成的沉積物中氮釋放作用更加明顯，為避免生物擾動造成的水質惡化，低密度的三角帆蚌可能更適合白洋淀底棲修復。

2.3 水體TP 變化

各處理組TP 質量濃度變化情況見圖3。

圖3 各處理組TP 質量濃度變化情況

由圖3 可以看出，試驗期對照組與低密度組基本一致（P ＞0.05），中、高密度組TP 顯著高于這2組（P ＜0.05）。 中、高密度組平均質量濃度分別為0.337 和0.349 mg/L，高出對照組120.8%和127.8%，顯然三角帆蚌對磷質量濃度影響更明顯。JI MD等[14]研究發現，濕地水體中的磷有36.2% ~ 49.7%依靠沉積物的吸附作用得以去除，遠大于植物和微生物的作用。 因此生物擾動作用對磷釋放效果影響更為顯著。 NIZZOLI D 等[15]發現生物擾動促進磷的釋放通量約為氮的3 倍，與本研究結果類似。三角帆蚌的擾動降低了沉積物的穩定性，抑制了沉積物對磷的吸附過程，同時極大促進了沉積物中磷的釋放，因此三角帆蚌對水體磷濃度影響更大。 高污染進水段能促使三角帆蚌代謝增強[15]，導致生物擾動增強，提高了中、高密度組上覆水中TP 質量濃度，可見低密度對水質變化并不敏感，更有利于維護水質。

2.4 水體微生物群落分析

各處理組水體中微生物群落豐度在門水平上的占比（比例≥1%）見圖4。 本研究共檢測出7 個微生物類群，分別為變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、放 線 菌 門（Actinobacteria）、疣 微菌 門 （Verrucomicrobia）、藍 細 菌（Cyanobacteria）、Patescibacteria、螺旋體門（Spirochaetes）。各組中的優勢菌種均為變形菌門、擬桿菌門和放線菌門微生物。中密度組變形菌門相對豐度最高（74.01%），較對照增加了33.89%，擬桿菌門和放線菌門分別下降了15.46%和13.27%。 表明一定密度范圍，三角帆蚌生物會增加水體中變形菌門豐度。

圖4 各處理組水體中微生物群落分析.

變形菌門是自然水體中最常見的微生物類群，分布十分廣泛，是大部分濕地中的優勢菌門[16]。 變形菌門包含了濕地中絕大多數的脫氮除磷及有機物降解微生物，例如亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)、硝化螺菌屬(Nitrospira)等微生物是重要的硝化細菌，假單胞菌屬微生物又是一類溶磷能力較強的細菌，能促進濕地中的有機磷向可溶性磷轉化[17]。 擬桿菌門是濕地中一類重要的有機物降解微生物，對水體中的氨化合物及蛋白質的降解效果更好。 放線菌多為好氧細菌，能促進沉積物中的有機物分解[18]。 在本研究中，三角帆蚌活動提高了濕地中變形菌門的豐度，增加了濕地硝化細菌和磷細菌的數量。 加之水體始終處于富氧狀態，三角帆蚌又促使水體中N，P 濃度升高，有助于植物對磷的吸收和利用，促進植物生長。三角帆蚌增加了功能微生物豐度，并為微生物反應提供了更優環境，有助于強化濕地微生物的作用。

2.5 沉水植物色素含量變化

綠色植物的植物色素是其有機物生產能力的代表，其色素濃度的高低直接代表了植物生長水平的高低，色素含量越高，其生產能力則越強[19]。 本研究探究了金魚藻、穗花狐尾藻以及輪葉黑藻在三角帆蚌的影響下植物色素含量變化。 其中，金魚藻無根，穗花狐尾藻有莖狀根，僅有輪葉黑藻具有完整的根部結構，它們對水體中N，P 的吸收能力依次增強，因此可以依據色素積累判斷出水體N，P 含量變化與植物生長之間的相關性。

3 種沉水植物色素含量變化情況見圖5。 由圖5可以看出，三角帆蚌極大促進了輪葉黑藻各類色素的積累，各實驗組數據之間差異顯著(P ＜0.05)，表明中密度組的促進作用更加明顯，第42 d 時，其葉綠素a，葉綠素b 和類胡蘿卜素質量分數分別高出對照組176.1%，190.9%和190.8%(P ＜0.05)。結合圖4 可知，各處理組輪葉黑藻色素含量與變形菌門豐度變化具有一致性，中密度組變形菌門豐度最高，其各種植物色素含量也最高，可見三角帆蚌引起的微生物與植物變化之間密切相關。 因此濕地功能微生物和營養含量增加，是有根植物色素積累的主要原因。同時本研究發現，三角帆蚌抑制了穗花狐尾藻與金魚藻的生長，可見低密度的三角帆蚌更有利于濕地植被系統的構建。

圖5 3 種沉水植物色素含量變化情況

3 結論

（1）中、高密度的三角帆蚌會促進沉積物中污染物釋放，將水體中的COD，TN，NH3-N 和TP 濃度分別提高13.7% ～20.6%，5.4% ～7.5%，73.7% ～81.5%和120.8% ～127.8%，而低密度組對水質變化并無明顯影響(P ＞0.05)。

（2）低、中三角帆蚌促使水體中變形菌門豐度增加10.81%和33.89%，提高了水體的硝化細菌和磷細菌豐度，促進NO3--N 和可溶性磷酸鹽的積累。 三角帆蚌提供的缺氧環境促進了反硝化，提高了水體中NO2--N 濃度，且三角帆蚌密度越高NO2--N 濃度越高。

（3）低、中密度三角帆蚌生物擾動促進了輪葉黑藻的光合色素積累。 微生物群落變化與有根植物色素積累密切相關。 三角帆蚌抑制金魚藻和穗花狐尾藻的生長。