鉬礦渣對海洋生態(tài)系的影響

鉬礦渣對海洋生態(tài)系的影響

海洋細菌在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的作用越來越受到重視。基于細菌的微食物網絡結構在某些地區(qū)是主要作用的。污染物進入水體后,不但以各種方式改變生物結構,而且影響有關營養(yǎng)級生物功能和生態(tài)發(fā)展過程.Vaccaro等人在圍隔水體中研究不同濃度銅對異養(yǎng)生物種群的影響,認為銅離子能刺激其他生物放出有利于細菌生長的基質.Jonas等人利用新技術研究不同形態(tài)汞對不同海灣細菌種群的作用.沿海礦渣和港灣疏浚污泥的排放,使大量顆粒無機物伴隨有機物質進入海水體系,從而改變自然生態(tài)環(huán)境.一是有毒金屬的析出;二是對海水表面混合層的消光作用;三是引入細菌賴于生存的有機物質.因此,研究細菌做為生態(tài)系中的一個環(huán)節(jié)對這些因素的直接和間接的反應,成為海灣環(huán)境保護的主要課題之一.為了檢驗Amax鉬礦渣排放及鉬礦渣沉積物再懸浮對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)系圍隔實驗裝置中進行為期21天的鉬礦渣表面污染實驗.Wong等人詳細論述了礦渣進入水體后對海水中重金屬含量的影響;Parsons等人討論了礦渣對浮游生物生產量的作用.本文著重探討污染物對細菌群體的影響.一、細菌生物量和葉綠素a的測定用3個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,為對照袋;袋2為低濃度污染袋[礦渣在整個水體濃度第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日為實驗第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%),待進行細菌計數.細菌生物量測定是采用吖啶橙染色熒光顯微鏡直接計數法.甲醛濃液固定后的樣品可放于冰箱內保存數天后再進行計數.計數用的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,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,留于濾膜的物質用10ml的過濾蒸餾水洗滌4次.制成的細菌薄膜用配有IVFL的熒光顯微鏡計數(顯微鏡型號是Zeiss標準18型,激發(fā)光濾光片為450—490nm,熒光濾光片為510nm),每次計數隨機選擇10個柵格,每個柵格必須有20個以上細胞.每毫升海水中含有的細菌數由下面公式計算:式中常數4.5×10-13是把每分鐘的衰變數換算成居里數.然后,采用Fuhrman和Azam(1982)所推薦的每摩爾DNA所含有的細菌細胞數為1.4×1018(經驗常數)進行換算,便可從新合成的DNA求出新生成的細胞個體數.海水中細菌生產力所用單位為:細菌細胞數/毫升·小時.海水中葉綠素a的測定采用丙酮萃取,唐納熒光計測定方法進行的.取100ml海水樣品,用玻璃纖維濾紙過濾(WhatmanGF/C),過濾快完成時,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,取出濾膜放入丙酮溶液(90%),進行研磨萃取,萃取液用唐納熒光計測定.其他有關生物與化學參數的測定,詳見Wong和Parsons的文章.二、結果與討論1.細菌水華的影響污染物添加后,細菌生物量與細菌生產力的變化主要發(fā)生在表層(0—5m).一方面,在自然水體中,細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,表層細菌的生物量和生產力在實驗過程中變化比其他兩層要明顯得多,其結果見圖1-a,b.其他層次細菌變化的幅度要小得多,但過程是一樣的,本文不加詳細討論.從圖1-a,b,我們可以看到,3個袋子圍隔水體后,細菌生物量和生產力都有不同程度的增加,但高濃度污染袋中的細菌生物量和生產力比其他兩袋增長要快得多.到實驗第7天,即投入污染物后的第5天,3個袋內細菌密度與生產力都下降,而高濃度污染袋內的細菌下降更快.這就是實驗前部在圍隔袋內產生的第一個最高值.污染物顆粒進入水體后,人為地帶入了一些化學和物理的因素,主要是增加顆粒消光作用,顆粒有機物,可溶性有機物及釋放出的重金屬可能產生的毒性.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果使它們對細菌的攝食減弱,這是袋3(高污染袋)中細菌產生一個水華的主要原因.M.R.Landry使用稀釋法研究沿海以細菌為基礎食物的微食物網,得出一個攝食關系圖(圖2).在自然海區(qū),直徑為1—5μm的微型鞭毛蟲對細菌的攝食是隨機的,但攝食率很大,結果使海水中的細菌密度通常保持在1×106細菌細胞數/毫升左右.海洋細菌同時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菌密度的主要生物原因.本次實驗也表明了這種關系.受高濃度污染的袋3內,微型鞭毛蟲密度比其他兩袋下降得比較明顯,因而細菌密度上升到了2.5×106細胞數/毫升.這個結果也表明,微型鞭毛蟲可能成為礦渣或港口疏浚排放時的污染敏感生物.其受影響的機制有待于今后進一步研究.實驗進行到第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次細菌大量繁殖也不一樣.浮游植物的水華產生了大量的細胞排出物和滲出物,以及衰老的細胞個體,給細菌提供了大量的繁殖基質,水華期,海水中營養(yǎng)鹽耗盡,藻類大量衰老,為細菌大量繁殖做好準備.經過浮游植物的使細菌附著在衰老的藻類細胞上成為可能,細菌利用顆粒有機碳為自身營養(yǎng),產生多糖,多糖幫助了顆粒有機物的聚合,加速顆粒物下降,形成所謂“海雪”.在對照袋中,游浮植物水華蜂值發(fā)生在第7天,而細菌水華高峰發(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中的細菌水華分別出現在第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照袋相比推遲兩天(圖1-c),即浮游植物水華出現在第9天.因而,細菌的水華也相應推遲兩天.在實驗的第13天,我們對袋2進行第2次污染,結果表現出微型鞭毛蟲受到輕微抑制,使細菌密度再次升高.由于袋2和袋3內光合作用的推遲,使浮游植物生物總量比對照袋要大一些,其細菌的生產總量比相應的對照袋要高.細菌的第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.這種相互消長的關系可以用以下途徑描述:有機碳(可溶和顆粒,主要來源于藻類)-細菌-微型鞭毛蟲.微型鞭毛蟲也受到比它更高級的浮游動物的捕食.因而,更高級的浮游動物也參與了細菌密度的控制.另外,在藻類形成水華中,浮游藻類能釋放出某些抑制細菌生長的化學物質.這可能是在實驗的第7天產生細菌生物量和生產力下降的原因之一.如果我們把葉綠素(浮游植物生物量),細菌密度和微型鞭毛蟲3個圖疊合起來,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菌、細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,我們從細菌生物量和生產力數據中計算出細菌群體的增長指數(圖3).使用公式如下:從圖3我們可以得出一個比較清晰的圖像,細菌群體的增長指數在實驗前段,3個袋子中沒有明顯的差別.這又進一步證明高污染袋中細菌生物量在實驗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,攝食的結果只能改變細菌密度,而不能改變細菌本身平常的生理活動.在實驗的第7天到第9天,3個袋子里的浮游植物分別發(fā)生水華,水華的結果不同程度地刺激了細菌的生長活力,證明了海洋中細菌生態(tài)發(fā)展過程與浮游植物息息相關.與對照袋相比,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.這些差別表現于污染袋中細菌增長速率比對照袋高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.從以上實驗結果和討論,我們得出以下的結論.礦渣進入海水體系后,影響了細菌群體的正常生態(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,使細菌水華推遲,但在生物量及生產力上比正常狀態(tài)要高得多.從生態(tài)系總體觀念出發(fā),礦渣進入海水體系,在一定的污染濃度內能促進細菌的繁殖,加大了微食物網中碳的流動.這個結論也可以應用在其他細微顆粒物對海洋的污染,如海港疏浚中污泥的排放,河流入海泥沙及海洋圍墾等.本實驗由國家海洋局和加拿大國際發(fā)展研究中心(IDRC)資助.加拿大海洋科學研究所黃志成博士和F.惠特尼先生給予提供實驗條件,山東海洋學院李冠國教授對本文進行審閱和修改,美國華盛頓大學M.R.蘭德里博士同意引用他的微食物網分析圖,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.海洋細菌生產力測定采用Fuhrman和Azam(1982)的方法,即利用用氯化胸腺嘧啶核苷示蹤細菌細胞DNA的合成速率.由DNA合成量換算成新生成的績菌細胞個數，具體做法如下：取4個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（新英格蘭楱公司產品，美國）.上午10:00—10:30,在現場培育半小時，對照樣品加入0.5%的甲靡溶鎮(zhèn)(最終濃度）殺死細菌.培育后，試管立即放入0C的冰水浴中，盡快樣品降到O