鉬礦渣對(duì)海洋生態(tài)系的影響

鉬礦渣對(duì)海洋生態(tài)系的影響

海洋細(xì)菌在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的作用越來越受到重視?；诩?xì)菌的微食物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在某些地區(qū)是主要作用的。污染物進(jìn)入水體后,不但以各種方式改變生物結(jié)構(gòu),而且影響有關(guān)營養(yǎng)級(jí)生物功能和生態(tài)發(fā)展過程.Vaccaro等人在圍隔水體中研究不同濃度銅對(duì)異養(yǎng)生物種群的影響,認(rèn)為銅離子能刺激其他生物放出有利于細(xì)菌生長的基質(zhì).Jonas等人利用新技術(shù)研究不同形態(tài)汞對(duì)不同海灣細(xì)菌種群的作用.沿海礦渣和港灣疏浚污泥的排放,使大量顆粒無機(jī)物伴隨有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入海水體系,從而改變自然生態(tài)環(huán)境.一是有毒金屬的析出;二是對(duì)海水表面混合層的消光作用;三是引入細(xì)菌賴于生存的有機(jī)物質(zhì).因此,研究細(xì)菌做為生態(tài)系中的一個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)這些因素的直接和間接的反應(yīng),成為海灣環(huán)境保護(hù)的主要課題之一.為了檢驗(yàn)Amax鉬礦渣排放及鉬礦渣沉積物再懸浮對(duì)海洋表面浮游生物生態(tài)系的影響,我們于1984年8月在位于加拿大薩尼奇灣(SaanichInlet)中的海洋生態(tài)系圍隔實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行為期21天的鉬礦渣表面污染實(shí)驗(yàn).Wong等人詳細(xì)論述了礦渣進(jìn)入水體后對(duì)海水中重金屬含量的影響;Parsons等人討論了礦渣對(duì)浮游生物生產(chǎn)量的作用.本文著重探討污染物對(duì)細(xì)菌群體的影響.一、細(xì)菌生物量和葉綠素a的測定用3個(gè)60m3聚乙烯尼龍編織袋圍隔自然海區(qū)水體.袋1保持自然水體,為對(duì)照袋;袋2為低濃度污染袋[礦渣在整個(gè)水體濃度第1次污染為20ppm,第2次污染為45ppm,(干重)];袋3為高濃度污染袋(礦渣在整個(gè)水體中濃度為130ppm).污染物從表層混合加入,厚度為1m.污染物取自加拿大愛麗絲灣(AliceArm)的鉬礦排放點(diǎn)海底沉積物(第1次污染)和沿岸堆放的礦渣(第2次低濃度污染).8月7日為實(shí)驗(yàn)第1天,取背景值,第2天加入污染物,以后的第3,5,7,9,11,14和16天分別間隔取樣,共8次.用蠕動(dòng)泵從0—5m,5—10m和10—13m分層積分式取樣,裝入塑料軟桶中.海水樣取出后,立即分樣做各種測量.100ml水樣用甲醛溶液固定(2%),待進(jìn)行細(xì)菌計(jì)數(shù).細(xì)菌生物量測定是采用吖啶橙染色熒光顯微鏡直接計(jì)數(shù)法.甲醛濃液固定后的樣品可放于冰箱內(nèi)保存數(shù)天后再進(jìn)行計(jì)數(shù).計(jì)數(shù)用的0.2μmNuclepore濾膜先用0.2%伊拉克黑(CIBA-GeigyCorp,Greensboro,N.C.,USA)和2%醋酸混合溶液染色24小時(shí),以便降低Nuclepore濾膜的自身熒光而獲得較暗背景.吖啶橙染色溶液是由0.1g的吖啶橙(BDH)溶解在100ml的蒸餾水中,并在使用前用0.2μmNuclepore濾膜過濾,去掉干擾顆粒.取出3—5ml甲醛固定的海水樣品,加入0.3—0.5ml的0.1%吖啶橙溶液染色兩分鐘,然后用已被伊拉克黑染過的0.2μmNuclepore濾膜過濾后,留于濾膜的物質(zhì)用10ml的過濾蒸餾水洗滌4次.制成的細(xì)菌薄膜用配有IVFL的熒光顯微鏡計(jì)數(shù)(顯微鏡型號(hào)是Zeiss標(biāo)準(zhǔn)18型,激發(fā)光濾光片為450—490nm,熒光濾光片為510nm),每次計(jì)數(shù)隨機(jī)選擇10個(gè)柵格,每個(gè)柵格必須有20個(gè)以上細(xì)胞.每毫升海水中含有的細(xì)菌數(shù)由下面公式計(jì)算:式中常數(shù)4.5×10-13是把每分鐘的衰變數(shù)換算成居里數(shù).然后,采用Fuhrman和Azam(1982)所推薦的每摩爾DNA所含有的細(xì)菌細(xì)胞數(shù)為1.4×1018(經(jīng)驗(yàn)常數(shù))進(jìn)行換算,便可從新合成的DNA求出新生成的細(xì)胞個(gè)體數(shù).海水中細(xì)菌生產(chǎn)力所用單位為:細(xì)菌細(xì)胞數(shù)/毫升·小時(shí).海水中葉綠素a的測定采用丙酮萃取,唐納熒光計(jì)測定方法進(jìn)行的.取100ml海水樣品,用玻璃纖維濾紙過濾(WhatmanGF/C),過濾快完成時(shí),加入1m10.5%碳酸鎂溶液,以保持葉綠素a的活性.過濾后,濾膜放于干燥器干燥保存.測量時(shí),取出濾膜放入丙酮溶液(90%),進(jìn)行研磨萃取,萃取液用唐納熒光計(jì)測定.其他有關(guān)生物與化學(xué)參數(shù)的測定,詳見Wong和Parsons的文章.二、結(jié)果與討論1.細(xì)菌水華的影響污染物添加后,細(xì)菌生物量與細(xì)菌生產(chǎn)力的變化主要發(fā)生在表層(0—5m).一方面,在自然水體中,細(xì)菌在表面層密度較大;另一方面,污染物是從表面加入的(0—1m).因而,表層細(xì)菌的生物量和生產(chǎn)力在實(shí)驗(yàn)過程中變化比其他兩層要明顯得多,其結(jié)果見圖1-a,b.其他層次細(xì)菌變化的幅度要小得多,但過程是一樣的,本文不加詳細(xì)討論.從圖1-a,b,我們可以看到,3個(gè)袋子圍隔水體后,細(xì)菌生物量和生產(chǎn)力都有不同程度的增加,但高濃度污染袋中的細(xì)菌生物量和生產(chǎn)力比其他兩袋增長要快得多.到實(shí)驗(yàn)第7天,即投入污染物后的第5天,3個(gè)袋內(nèi)細(xì)菌密度與生產(chǎn)力都下降,而高濃度污染袋內(nèi)的細(xì)菌下降更快.這就是實(shí)驗(yàn)前部在圍隔袋內(nèi)產(chǎn)生的第一個(gè)最高值.污染物顆粒進(jìn)入水體后,人為地帶入了一些化學(xué)和物理的因素,主要是增加顆粒消光作用,顆粒有機(jī)物,可溶性有機(jī)物及釋放出的重金屬可能產(chǎn)生的毒性.這些因素抑制了微型鞭毛蟲的生長和推遲了浮游植物正常的水華過程(見圖1-c,d).微型鞭毛蟲受污染物抑制的結(jié)果使它們對(duì)細(xì)菌的攝食減弱,這是袋3(高污染袋)中細(xì)菌產(chǎn)生一個(gè)水華的主要原因.M.R.Landry使用稀釋法研究沿海以細(xì)菌為基礎(chǔ)食物的微食物網(wǎng),得出一個(gè)攝食關(guān)系圖(圖2).在自然海區(qū),直徑為1—5μm的微型鞭毛蟲對(duì)細(xì)菌的攝食是隨機(jī)的,但攝食率很大,結(jié)果使海水中的細(xì)菌密度通常保持在1×106細(xì)菌細(xì)胞數(shù)/毫升左右.海洋細(xì)菌同時(shí)也受到纖毛蟲的攝食,但在正常情況下攝食率不大.因此,微型鞭毛蟲是控制細(xì)菌密度的主要生物原因.本次實(shí)驗(yàn)也表明了這種關(guān)系.受高濃度污染的袋3內(nèi),微型鞭毛蟲密度比其他兩袋下降得比較明顯,因而細(xì)菌密度上升到了2.5×106細(xì)胞數(shù)/毫升.這個(gè)結(jié)果也表明,微型鞭毛蟲可能成為礦渣或港口疏浚排放時(shí)的污染敏感生物.其受影響的機(jī)制有待于今后進(jìn)一步研究.實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第7天后,各袋的浮游植物水華過程不一樣(圖1-d).因而引起的第2次細(xì)菌大量繁殖也不一樣.浮游植物的水華產(chǎn)生了大量的細(xì)胞排出物和滲出物,以及衰老的細(xì)胞個(gè)體,給細(xì)菌提供了大量的繁殖基質(zhì),水華期,海水中營養(yǎng)鹽耗盡,藻類大量衰老,為細(xì)菌大量繁殖做好準(zhǔn)備.經(jīng)過浮游植物的使細(xì)菌附著在衰老的藻類細(xì)胞上成為可能,細(xì)菌利用顆粒有機(jī)碳為自身營養(yǎng),產(chǎn)生多糖,多糖幫助了顆粒有機(jī)物的聚合,加速顆粒物下降,形成所謂“海雪”.在對(duì)照袋中,游浮植物水華蜂值發(fā)生在第7天,而細(xì)菌水華高峰發(fā)生在第9天,這樣的生態(tài)過程,在自然海區(qū)也是如此.細(xì)菌的水華總是發(fā)生在浮游植物水華之后.在袋2和袋3中的細(xì)菌水華分別出現(xiàn)在第14天和第11天.這是由于污染物加入圍隔水體后,海水表面層透光率減少,使光合作用遲緩,引起了藻類水華期與對(duì)照袋相比推遲兩天(圖1-c),即浮游植物水華出現(xiàn)在第9天.因而,細(xì)菌的水華也相應(yīng)推遲兩天.在實(shí)驗(yàn)的第13天,我們對(duì)袋2進(jìn)行第2次污染,結(jié)果表現(xiàn)出微型鞭毛蟲受到輕微抑制,使細(xì)菌密度再次升高.由于袋2和袋3內(nèi)光合作用的推遲,使浮游植物生物總量比對(duì)照袋要大一些,其細(xì)菌的生產(chǎn)總量比相應(yīng)的對(duì)照袋要高.細(xì)菌的第2次水華,反過來在污染物濃度降低后,剌激了微型鞭毛蟲的大量繁殖.這種相互消長的關(guān)系可以用以下途徑描述:有機(jī)碳(可溶和顆粒,主要來源于藻類)-細(xì)菌-微型鞭毛蟲.微型鞭毛蟲也受到比它更高級(jí)的浮游動(dòng)物的捕食.因而,更高級(jí)的浮游動(dòng)物也參與了細(xì)菌密度的控制.另外,在藻類形成水華中,浮游藻類能釋放出某些抑制細(xì)菌生長的化學(xué)物質(zhì).這可能是在實(shí)驗(yàn)的第7天產(chǎn)生細(xì)菌生物量和生產(chǎn)力下降的原因之一.如果我們把葉綠素(浮游植物生物量),細(xì)菌密度和微型鞭毛蟲3個(gè)圖疊合起來,可以看出它們相互依存,相互約制的規(guī)律.2.礦渣參與海水體系污染下細(xì)菌、細(xì)菌和水資源量的變化為了排除微型鞭毛蟲的攝食因素,表示細(xì)菌本身的繁殖能力,從而判斷外界理化條件的影響,我們從細(xì)菌生物量和生產(chǎn)力數(shù)據(jù)中計(jì)算出細(xì)菌群體的增長指數(shù)(圖3).使用公式如下:從圖3我們可以得出一個(gè)比較清晰的圖像,細(xì)菌群體的增長指數(shù)在實(shí)驗(yàn)前段,3個(gè)袋子中沒有明顯的差別.這又進(jìn)一步證明高污染袋中細(xì)菌生物量在實(shí)驗(yàn)污染前期比其他兩袋要高,原因主要是微型鞭毛蟲的攝食作用,攝食的結(jié)果只能改變細(xì)菌密度,而不能改變細(xì)菌本身平常的生理活動(dòng).在實(shí)驗(yàn)的第7天到第9天,3個(gè)袋子里的浮游植物分別發(fā)生水華,水華的結(jié)果不同程度地刺激了細(xì)菌的生長活力,證明了海洋中細(xì)菌生態(tài)發(fā)展過程與浮游植物息息相關(guān).與對(duì)照袋相比,我們還可以看出污染袋在增長速率的幅度和過程都有較明顯的差別.這些差別表現(xiàn)于污染袋中細(xì)菌增長速率比對(duì)照袋高1倍以上,而過程推遲兩天.這是由于浮游植物因受到礦渣顆粒物的消光作用推遲水華期而引起的.從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論,我們得出以下的結(jié)論.礦渣進(jìn)入海水體系后,影響了細(xì)菌群體的正常生態(tài)發(fā)展過程.其主要原因有兩條:一是在礦渣加入初期,礦渣抑制微型鞭毛蟲的生長,減少細(xì)菌被攝食的壓力,這是生物原因;二是礦渣顆粒在海水中的消光作用,推遲浮游藻類光合作用過程,使細(xì)菌水華推遲,但在生物量及生產(chǎn)力上比正常狀態(tài)要高得多.從生態(tài)系總體觀念出發(fā),礦渣進(jìn)入海水體系,在一定的污染濃度內(nèi)能促進(jìn)細(xì)菌的繁殖,加大了微食物網(wǎng)中碳的流動(dòng).這個(gè)結(jié)論也可以應(yīng)用在其他細(xì)微顆粒物對(duì)海洋的污染,如海港疏浚中污泥的排放,河流入海泥沙及海洋圍墾等.本實(shí)驗(yàn)由國家海洋局和加拿大國際發(fā)展研究中心(IDRC)資助.加拿大海洋科學(xué)研究所黃志成博士和F.惠特尼先生給予提供實(shí)驗(yàn)條件,山東海洋學(xué)院李冠國教授對(duì)本文進(jìn)行審閱和修改,美國華盛頓大學(xué)M.R.蘭德里博士同意引用他的微食物網(wǎng)分析圖,國家海洋局第三海洋研究所林榮澄同志幫助畫圖,在此一起表示感謝.我們所用顯微鏡的過濾膜商積與柵格視野面積比為5.17x104.海洋細(xì)菌生產(chǎn)力測定采用Fuhrman和Azam(1982)的方法,即利用用氯化胸腺嘧啶核苷示蹤細(xì)菌細(xì)胞DNA的合成速率.由DNA合成量換算成新生成的績菌細(xì)胞個(gè)數(shù)，具體做法如下：取4個(gè)20ml平行樣海水樣品，分別放入50ml的帶螺旋蓋試管中，加入同位素,最終濃度為5nmol/l,比放射性為81.7Ci/mmoi的氤化胸腺嘧啶核苷（新英格蘭楱公司產(chǎn)品，美國）.上午10:00—10:30,在現(xiàn)場培育半小時(shí)，對(duì)照樣品加入0.5%的甲靡溶鎮(zhèn)(最終濃度）殺死細(xì)菌.培育后，試管立即放入0C的冰水浴中，盡快樣品降到O