钼矿渣对海洋生态系的影响

钼矿渣对海洋生态系的影响

海洋细菌在海洋生态系统中的作用越来越受到重视。基于细菌的微食物网络结构在某些地区是主要作用的。污染物进入水体后,不但以各种方式改变生物结构,而且影响有关营养级生物功能和生态发展过程.Vaccaro等人在围隔水体中研究不同浓度铜对异养生物种群的影响,认为铜离子能刺激其他生物放出有利于细菌生长的基质.Jonas等人利用新技术研究不同形态汞对不同海湾细菌种群的作用.沿海矿渣和港湾疏浚污泥的排放,使大量颗粒无机物伴随有机物质进入海水体系,从而改变自然生态环境.一是有毒金属的析出;二是对海水表面混合层的消光作用;三是引入细菌赖于生存的有机物质.因此,研究细菌做为生态系中的一个环节对这些因素的直接和间接的反应,成为海湾环境保护的主要课题之一.为了检验Amax钼矿渣排放及钼矿渣沉积物再悬浮对海洋表面浮游生物生态系的影响,我们于1984年8月在位于加拿大萨尼奇湾(SaanichInlet)中的海洋生态系围隔实验装置中进行为期21天的钼矿渣表面污染实验.Wong等人详细论述了矿渣进入水体后对海水中重金属含量的影响;Parsons等人讨论了矿渣对浮游生物生产量的作用.本文着重探讨污染物对细菌群体的影响.一、细菌生物量和叶绿素a的测定用3个60m3聚乙烯尼龙编织袋围隔自然海区水体.袋1保持自然水体,为对照袋;袋2为低浓度污染袋[矿渣在整个水体浓度第1次污染为20ppm,第2次污染为45ppm,(干重)];袋3为高浓度污染袋(矿渣在整个水体中浓度为130ppm).污染物从表层混合加入,厚度为1m.污染物取自加拿大爱丽丝湾(AliceArm)的钼矿排放点海底沉积物(第1次污染)和沿岸堆放的矿渣(第2次低浓度污染).8月7日为实验第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天分别间隔取样,共8次.用蠕动泵从0—5m,5—10m和10—13m分层积分式取样,装入塑料软桶中.海水样取出后,立即分样做各种测量.100ml水样用甲醛溶液固定(2%),待进行细菌计数.细菌生物量测定是采用吖啶橙染色荧光显微镜直接计数法.甲醛浓液固定后的样品可放于冰箱内保存数天后再进行计数.计数用的0.2μmNuclepore滤膜先用0.2%伊拉克黑(CIBA-GeigyCorp,Greensboro,N.C.,USA)和2%醋酸混合溶液染色24小时,以便降低Nuclepore滤膜的自身荧光而获得较暗背景.吖啶橙染色溶液是由0.1g的吖啶橙(BDH)溶解在100ml的蒸馏水中,并在使用前用0.2μmNuclepore滤膜过滤,去掉干扰颗粒.取出3—5ml甲醛固定的海水样品,加入0.3—0.5ml的0.1%吖啶橙溶液染色两分钟,然后用已被伊拉克黑染过的0.2μmNuclepore滤膜过滤后,留于滤膜的物质用10ml的过滤蒸馏水洗涤4次.制成的细菌薄膜用配有IVFL的荧光显微镜计数(显微镜型号是Zeiss标准18型,激发光滤光片为450—490nm,荧光滤光片为510nm),每次计数随机选择10个栅格,每个栅格必须有20个以上细胞.每毫升海水中含有的细菌数由下面公式计算:式中常数4.5×10-13是把每分钟的衰变数换算成居里数.然后,采用Fuhrman和Azam(1982)所推荐的每摩尔DNA所含有的细菌细胞数为1.4×1018(经验常数)进行换算,便可从新合成的DNA求出新生成的细胞个体数.海水中细菌生产力所用单位为:细菌细胞数/毫升·小时.海水中叶绿素a的测定采用丙酮萃取,唐纳荧光计测定方法进行的.取100ml海水样品,用玻璃纤维滤纸过滤(WhatmanGF/C),过滤快完成时,加入1m10.5%碳酸镁溶液,以保持叶绿素a的活性.过滤后,滤膜放于干燥器干燥保存.测量时,取出滤膜放入丙酮溶液(90%),进行研磨萃取,萃取液用唐纳荧光计测定.其他有关生物与化学参数的测定,详见Wong和Parsons的文章.二、结果与讨论1.细菌水华的影响污染物添加后,细菌生物量与细菌生产力的变化主要发生在表层(0—5m).一方面,在自然水体中,细菌在表面层密度较大;另一方面,污染物是从表面加入的(0—1m).因而,表层细菌的生物量和生产力在实验过程中变化比其他两层要明显得多,其结果见图1-a,b.其他层次细菌变化的幅度要小得多,但过程是一样的,本文不加详细讨论.从图1-a,b,我们可以看到,3个袋子围隔水体后,细菌生物量和生产力都有不同程度的增加,但高浓度污染袋中的细菌生物量和生产力比其他两袋增长要快得多.到实验第7天,即投入污染物后的第5天,3个袋内细菌密度与生产力都下降,而高浓度污染袋内的细菌下降更快.这就是实验前部在围隔袋内产生的第一个最高值.污染物颗粒进入水体后,人为地带入了一些化学和物理的因素,主要是增加颗粒消光作用,颗粒有机物,可溶性有机物及释放出的重金属可能产生的毒性.这些因素抑制了微型鞭毛虫的生长和推迟了浮游植物正常的水华过程(见图1-c,d).微型鞭毛虫受污染物抑制的结果使它们对细菌的摄食减弱,这是袋3(高污染袋)中细菌产生一个水华的主要原因.M.R.Landry使用稀释法研究沿海以细菌为基础食物的微食物网,得出一个摄食关系图(图2).在自然海区,直径为1—5μm的微型鞭毛虫对细菌的摄食是随机的,但摄食率很大,结果使海水中的细菌密度通常保持在1×106细菌细胞数/毫升左右.海洋细菌同时也受到纤毛虫的摄食,但在正常情况下摄食率不大.因此,微型鞭毛虫是控制细菌密度的主要生物原因.本次实验也表明了这种关系.受高浓度污染的袋3内,微型鞭毛虫密度比其他两袋下降得比较明显,因而细菌密度上升到了2.5×106细胞数/毫升.这个结果也表明,微型鞭毛虫可能成为矿渣或港口疏浚排放时的污染敏感生物.其受影响的机制有待于今后进一步研究.实验进行到第7天后,各袋的浮游植物水华过程不一样(图1-d).因而引起的第2次细菌大量繁殖也不一样.浮游植物的水华产生了大量的细胞排出物和渗出物,以及衰老的细胞个体,给细菌提供了大量的繁殖基质,水华期,海水中营养盐耗尽,藻类大量衰老,为细菌大量繁殖做好准备.经过浮游植物的使细菌附着在衰老的藻类细胞上成为可能,细菌利用颗粒有机碳为自身营养,产生多糖,多糖帮助了颗粒有机物的聚合,加速颗粒物下降,形成所谓“海雪”.在对照袋中,游浮植物水华蜂值发生在第7天,而细菌水华高峰发生在第9天,这样的生态过程,在自然海区也是如此.细菌的水华总是发生在浮游植物水华之后.在袋2和袋3中的细菌水华分别出现在第14天和第11天.这是由于污染物加入围隔水体后,海水表面层透光率减少,使光合作用迟缓,引起了藻类水华期与对照袋相比推迟两天(图1-c),即浮游植物水华出现在第9天.因而,细菌的水华也相应推迟两天.在实验的第13天,我们对袋2进行第2次污染,结果表现出微型鞭毛虫受到轻微抑制,使细菌密度再次升高.由于袋2和袋3内光合作用的推迟,使浮游植物生物总量比对照袋要大一些,其细菌的生产总量比相应的对照袋要高.细菌的第2次水华,反过来在污染物浓度降低后,剌激了微型鞭毛虫的大量繁殖.这种相互消长的关系可以用以下途径描述:有机碳(可溶和颗粒,主要来源于藻类)-细菌-微型鞭毛虫.微型鞭毛虫也受到比它更高级的浮游动物的捕食.因而,更高级的浮游动物也参与了细菌密度的控制.另外,在藻类形成水华中,浮游藻类能释放出某些抑制细菌生长的化学物质.这可能是在实验的第7天产生细菌生物量和生产力下降的原因之一.如果我们把叶绿素(浮游植物生物量),细菌密度和微型鞭毛虫3个图叠合起来,可以看出它们相互依存,相互约制的规律.2.矿渣参与海水体系污染下细菌、细菌和水资源量的变化为了排除微型鞭毛虫的摄食因素,表示细菌本身的繁殖能力,从而判断外界理化条件的影响,我们从细菌生物量和生产力数据中计算出细菌群体的增长指数(图3).使用公式如下:从图3我们可以得出一个比较清晰的图像,细菌群体的增长指数在实验前段,3个袋子中没有明显的差别.这又进一步证明高污染袋中细菌生物量在实验污染前期比其他两袋要高,原因主要是微型鞭毛虫的摄食作用,摄食的结果只能改变细菌密度,而不能改变细菌本身平常的生理活动.在实验的第7天到第9天,3个袋子里的浮游植物分别发生水华,水华的结果不同程度地刺激了细菌的生长活力,证明了海洋中细菌生态发展过程与浮游植物息息相关.与对照袋相比,我们还可以看出污染袋在增长速率的幅度和过程都有较明显的差别.这些差别表现于污染袋中细菌增长速率比对照袋高1倍以上,而过程推迟两天.这是由于浮游植物因受到矿渣颗粒物的消光作用推迟水华期而引起的.从以上实验结果和讨论,我们得出以下的结论.矿渣进入海水体系后,影响了细菌群体的正常生态发展过程.其主要原因有两条:一是在矿渣加入初期,矿渣抑制微型鞭毛虫的生长,减少细菌被摄食的压力,这是生物原因;二是矿渣颗粒在海水中的消光作用,推迟浮游藻类光合作用过程,使细菌水华推迟,但在生物量及生产力上比正常状态要高得多.从生态系总体观念出发,矿渣进入海水体系,在一定的污染浓度内能促进细菌的繁殖,加大了微食物网中碳的流动.这个结论也可以应用在其他细微颗粒物对海洋的污染,如海港疏浚中污泥的排放,河流入海泥沙及海洋围垦等.本实验由国家海洋局和加拿大国际发展研究中心(IDRC)资助.加拿大海洋科学研究所黄志成博士和F.惠特尼先生给予提供实验条件,山东海洋学院李冠国教授对本文进行审阅和修改,美国华盛顿大学M.R.兰德里博士同意引用他的微食物网分析图,国家海洋局第三海洋研究所林荣澄同志帮助画图,在此一起表示感谢.我们所用显微镜的过滤膜商积与栅格视野面积比为5.17x104.海洋细菌生产力测定采用Fuhrman和Azam(1982)的方法,即利用用氯化胸腺嘧啶核苷示踪细菌细胞DNA的合成速率.由DNA合成量换算成新生成的绩菌细胞个数，具体做法如下：取4个20ml平行样海水样品，分别放入50ml的带螺旋盖试管中，加入同位素,最终浓度为5nmol/l,比放射性为81.7Ci/mmoi的氤化胸腺嘧啶核苷（新英格兰楱公司产品，美国）.上午10:00—10:30,在现场培育半小时，对照样品加入0.5%的甲靡溶镇(最终浓度）杀死细菌.培育后，试管立即放入0C的冰水浴中，尽快样品降到O