談河流水體污染特征及與浮游細菌群落多樣性響應(yīng)研究進展

南京大學環(huán)境規(guī)劃設(shè)計研究院南通有限公司南京分公司 張艷

隨著各國研究學者對全氟化合物的研究逐漸加深，人們了解到全氟化合物在生物體內(nèi)具有富集效果以及生物積累性，并且全氟化合物具有遠距離傳輸性和持久性，使得全氟化合物的檢出范圍逐步擴大到全球。國內(nèi)外學者針對全氟化合物這種持久性有機污染物對生物的潛在毒性進行了各方面的深入研究，但研究內(nèi)容僅局限于動物以及人體的血液，以及時器官和代謝系統(tǒng)等方面的影響，而對于微生物的影響這個領(lǐng)域的深入研究工作開展較少，有關(guān)于全氟化合物與細菌群落的響應(yīng)關(guān)系這方面的研究則更加欠缺。因此全氟化合物與細菌群落的響應(yīng)關(guān)系這方面的研究具有一定緊迫性。

開展探究全氟化合物與細菌群落的響應(yīng)關(guān)系的研究具有一定的科學意義，不僅能夠彌補國內(nèi)外關(guān)于全氟化合物對生態(tài)系統(tǒng)影響在微生物方面的欠缺，也可以為全氟化合物對細菌群落的生態(tài)學效應(yīng)提供一定的理論支持。本文通過研究部分典型河流中全氟化合物的濃度分布特征與浮游細菌群落的關(guān)系，屬于不同水平的微生物存在結(jié)構(gòu)進行結(jié)合分析，從而得到全氟化合物分布與浮游細菌群落多樣性變化的關(guān)系，為全氟化合物與微生物多樣性之間的響應(yīng)關(guān)系提供一定的理論支持。

一、國內(nèi)外研究進展

（一）全氟化合物的產(chǎn)生

全氟化合物是指所有氫原子全部被氟取代的化合物，憑借其特殊的表面活性和穩(wěn)定的化學性質(zhì)而被廣泛用于生產(chǎn)以及生活用品當中，環(huán)境介質(zhì)中的全氟化合物來自人工合成的全氟化合物。近二十年以來，隨著全氟化合物越來越廣泛地應(yīng)用，研究人員在不同的環(huán)境介質(zhì)中，例如水體、沉積物、植物體以及人體內(nèi)都發(fā)現(xiàn)全氟化合物的存在。全氟化合物的累積性和生理毒性對自然生態(tài)系統(tǒng)以及人體健康構(gòu)成了一定的威脅，全氟化合物的生產(chǎn)和使用因此受到全世界各國的抵制，全氟化合物的研究也因此成為世界的一個熱點問題。

越來越多的國家意識到全氟化合物的污染問題，開始對全氟化合物的生產(chǎn)進行限制，2006年歐洲提出了全球性減少全氟辛烷羧酸生產(chǎn)的倡議，計劃在2010年減少PFOA95%的產(chǎn)量，并擬在2015年全面停止全氟辛烷羧酸的生產(chǎn)。2009年聯(lián)合國也將全氟化合物作為一種新的持久性有機污染物被列入黑名單[1]。

（二）全氟化合物的分類

全氟化合物主要分為離子型全氟化合物和非離子型全氟化合物，根據(jù)連接的不同官能團，離子型全氟化合物又分為全氟羧酸類化合物和全氟辛烷磺酸類化合物；非離子型化合物主要以全氟酰胺類和氟調(diào)聚醇類這兩類化合物。

大部分全氟化合物產(chǎn)品中的碳鏈所含碳原子在4-14個，其中8個碳原子以上的產(chǎn)品占全部全氟化合物類產(chǎn)品總量的80%以上[2]，PFOA及其鹽類、PFOS及其鹽類是全氟化合物最典型的兩種化合物。PFOA是生產(chǎn)氟化乙醇的副產(chǎn)品，在其他生產(chǎn)過程中也有PFOA的生成，例如防水防污衣物的生產(chǎn)以及水成膜泡沫的生產(chǎn)。除PFOA、PFOS這兩種典型全氟化合物以外PFHxA、PFBS、PFpeA、PFBA等都在各環(huán)境體中檢出。

二、河流水體全氟化合物污染特征及浮游細菌群落多樣性響應(yīng)

（一）水體中全氟化合物分布現(xiàn)狀

多年來，隨著全氟化合物及其相關(guān)產(chǎn)品的廣泛使用以及其積累性與遷移性，越來越多的環(huán)境介質(zhì)中都發(fā)現(xiàn)全氟化合物的存在，目前研究人員已經(jīng)在全球范圍內(nèi)的水體[3]、土壤[4]、沉積物[5]、空氣中檢出不同的全氟化合物的分布。本文主要對水體這一環(huán)境介質(zhì)的全氟化合物的分布進行研究。

由于全氟羧酸類化合物以及全氟磺酸類化合物都可以在水中電離，并且都具有一定的溶解度，故全氟化合物可以在環(huán)境水體中大量存在[6-7]。水環(huán)境是離子態(tài)全氟化合物分布的主要場所，而對于水體中的全氟化合物的研究國外要早于國內(nèi)，目前有大量文獻研究闡述了國內(nèi)外水體中全氟化合物的濃度以及分布情況。根據(jù)國內(nèi)外研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，全球水環(huán)境中普遍存在的全氟化合物污染以PFOA及PFOS為主要污染物。

我國有許多研究者對國內(nèi)各大水系流域中的PFCs分布情況都有進行研究。So等[8]在2007年對我國珠江和長江流域的水樣中全氟化合物的種類及濃度進行分析發(fā)現(xiàn)，兩大水系中均以PFOS和PFOA為主要污染物，在兩大水體中檢出濃度分別為0.9-99ng/L、0.01-14ng/L和 0.85-13ng/L、2-260ng/L，長江以PFOA為主要全氟污染物，珠江以PFOS為主。Lu等[9]對長三角地區(qū)的全氟化合物的分布調(diào)查結(jié)果顯示，長三角地區(qū)河流地表水中檢出11種全氟化合物，PFCs濃度的均值在5.32ng/L，以PFOA和PFOS為主要檢出化合物。綜合以上對我國各大流域，珠江、長江等研究發(fā)現(xiàn)全氟化合物普遍存在且主要全氟污染物為PFOA和PFOS，在國外的地表河流以及湖泊水體的全氟化合物分布研究中發(fā)現(xiàn)，國外地表水也普遍存在全氟化合物污染，如Boulanger等[10]對北美五大湖水體中的全氟化合物污染水平進行調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)全氟化合物分布范圍較廣，均有PFOA與PFOS檢出，且濃度較高。McLachlan等[11]對歐洲萊茵河、多瑙河等主要河流的全氟化合物濃度水平進行調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)均有PFCs檢出，PFOA檢出濃度最高在200ng/L、PFHxA檢出濃度也較高，最高達到32ng/L。

綜合國內(nèi)外對環(huán)境水體中全氟化合物濃度與分布特征的調(diào)查與研究發(fā)現(xiàn)，PFOA與PFOS檢出最為頻繁，檢出濃度也相對較高。

（二）浮游細菌群落及多樣性概述

通常情況下生物多樣性是指生物物種的多樣化以及其變異程度和廣度，是物種多樣性、生態(tài)多樣性以及遺傳多樣性的綜合表述。本文主要針對細菌群落的Alpha多樣性進行研究。Alpha多樣性是指一個特定區(qū)域或生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的多樣性，是反映物種豐富度和均勻度的綜合指標。Alpha多樣性主要與兩個因素有關(guān)：一是種類數(shù)目，即豐富度；二是多樣性即群落中個體分配上的均勻性。群落豐富度的指數(shù)主要包括Chao指數(shù)和Ace指數(shù)；群落多樣性的指數(shù)包括Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)。

水體浮游細菌群落的物種組成在不同水體存在一定差異，門水平細菌群落主要有變形菌門（Proteobacteria），擬桿菌門（Bacteroidetes），藍細菌門（Cyanobacteria），放線菌門（Actinobacteria），疣微菌門（Verrucomicrobia），綠菌門（Chlorobi），浮霉菌門（Planctomycetes），厚壁菌門（Firmicutes）等。將珠江以及長江門水平主要細菌群落比較，珠江[12]主要細菌群落有變形菌門（Proteobacteria），放線菌門（Actinobacteria），擬桿菌門（Bacteroidetes），藍細菌門（Cyanobacteria）；而長江[13]的優(yōu)勢菌門有變形菌門（Proteobacteria），放線菌門（Actinobacteria），厚壁菌門（Firmicutes），擬桿菌門（Bacteroidetes）和異常球菌-棲熱菌門。對比發(fā)現(xiàn)變形菌門，放線菌門以及擬桿菌門均為主要門類，而差異性體現(xiàn)在珠江的藍細菌門和長江的厚壁菌門。故不同水體之間的細菌群落組成具有相似性也具有差異性。

（三）水體細菌群落與全氟化合物污染特征的響應(yīng)關(guān)系

國內(nèi)外關(guān)于全氟化合物與水體中浮游細菌群落的響應(yīng)關(guān)系研究很少，但是對全氟化合物與土壤、沉積物中的細菌群落效應(yīng)關(guān)系存在一定的研究。在國內(nèi)有關(guān)全氟化合物與微生物的生態(tài)效應(yīng)研究中，孫雅君[14]研究了全氟辛酸與底泥細菌群落結(jié)構(gòu)影響及指示特性的研究，研究發(fā)現(xiàn)硫桿菌屬（Thiobacillus）在PFOA濃度較低時數(shù)量較少，在PFOA濃度偏高時數(shù)量較高且成為優(yōu)勢菌種，初步證明了硫桿菌屬是PFOA污染響應(yīng)的敏感菌種或抗性菌種。PFOA也是影響其取樣水體4月細菌群落結(jié)構(gòu)的主要因子，與細菌群落的豐富度和均勻度呈顯著負相關(guān)關(guān)系。該研究發(fā)現(xiàn)全氟化合物與細菌群落的響應(yīng)關(guān)系是存在的，既表現(xiàn)在與具體菌種的響應(yīng)關(guān)系上，也表現(xiàn)在與細菌群落多樣性的響應(yīng)關(guān)系上，從而為本文研究的主體內(nèi)容提供一定的理論支持。

在全氟化合物對土壤微生物活性的毒性：碳鏈長度、官能團和土壤性質(zhì)的影響[15]文章中，文章結(jié)論表明 PFCs對土壤微生物的毒性作用可能與親水性官能團，碳鏈長度相關(guān)。首先全氟化合物對微生物活性具有毒性，會影響到微生物的生長，土壤環(huán)境的細菌群落和水環(huán)境的浮游細菌群落在物種組成上具有一定的相似性，故全氟化合物對浮游細菌群落同樣存在一定的活性毒性，也因此可能存在多樣性響應(yīng)關(guān)系。而探究原因中的親水官能團和碳鏈長度是不同種類的全氟化合物的特征，與前一篇單一污染物PFOA的研究不同，具有不同全氟化合物的普遍性。

綜合上述國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，全氟化合物與浮游細菌群落的響應(yīng)關(guān)系研究是欠缺的。

三、結(jié)論

結(jié)合我國各大流域體系，珠江、長江等研究發(fā)現(xiàn)全氟化合物普遍存在且主要全氟污染物為PFOA和PFOS。綜合國內(nèi)外對環(huán)境水體中全氟化合物濃度與分布特征的調(diào)查與研究發(fā)現(xiàn)PFOA與PFOS檢出最為頻繁，檢出濃度也相對較高。故河流水體全氟化合物污染主要以PFOA和PFOS為主。

全氟化合物對微生物活性的毒性相關(guān)會影響到微生物的生長，土壤環(huán)境的細菌群落和水環(huán)境的浮游細菌群落物種組成上具有一定的相似性，故全氟化合物對浮游細菌群落存在一定的活性毒性，也因此可能存在多樣性響應(yīng)關(guān)系。