底泥耗氧研究的主要技術(shù)手段及進展＊

臧家業(yè),龐雪輝,冉祥濱,韋欽勝,劉 瑋,王以斌,劉芳明,王宗興

(1.國家海洋局第一海洋研究所海洋生態(tài)研究中心 青島 266061;2.國家海洋局海洋生態(tài)環(huán)境科學與工程重點實驗室 青島 266061;3.濟南大學化學化工學院 濟南 250022)

底泥耗氧研究的主要技術(shù)手段及進展＊

臧家業(yè)1,2,龐雪輝3,冉祥濱1,2,韋欽勝1,2,劉 瑋1,2,王以斌1,2,劉芳明1,2,王宗興1,2

(1.國家海洋局第一海洋研究所海洋生態(tài)研究中心 青島 266061;2.國家海洋局海洋生態(tài)環(huán)境科學與工程重點實驗室 青島 266061;3.濟南大學化學化工學院 濟南 250022)

文章綜述了國內(nèi)外有關(guān)底泥耗氧的研究動態(tài)。對比實驗與現(xiàn)場觀測兩種方式:現(xiàn)場培養(yǎng)只能提供底泥耗氧總量,但該數(shù)值不能獲得除此之外的更多信息,如影響氧氣生產(chǎn)或消耗的生物化學過程,沉積物中氧氣的分布以及間隙水氧氣動態(tài)變化;而實驗室培養(yǎng)過程能夠作為前者的補充。在現(xiàn)場模擬實驗,其結(jié)果被認為更接近于實際,但系統(tǒng)環(huán)境條件人為調(diào)節(jié)困難。室內(nèi)與現(xiàn)場觀測的結(jié)果雖有少量差別,但室內(nèi)實驗易于控制,因此,大多數(shù)研究者選擇在室內(nèi)進行實驗。

底泥耗氧;實驗室培養(yǎng);現(xiàn)場原位測量

溶解氧是水環(huán)境健康的重要參數(shù)之一。在世界許多河口區(qū)和沿岸海域,夏季常常發(fā)生底層缺氧[1-4]。若水中溶解氧濃度低至2～3 mg/L,成年魚會死亡,孵卵生境遭到破壞,漁業(yè)資源將會衰退;同時,由于表層沉積物的氧化性環(huán)境遭到破壞,原先積聚在沉積物中的有毒、有害化學物質(zhì)可能重新活化,釋放到水柱中,造成二次污染。因此,缺氧現(xiàn)象的存在,對其海區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)變化有著重要影響[2]。

海水中溶解氧含量和變化是海洋化學過程、生物過程和物理過程相互作用的結(jié)果。底泥耗氧是自然水體氧平衡中很重要的一部分。一般而言,底泥耗氧可占水體耗氧量的20%～100%[5-7]。通常認為底泥消耗的氧可分為兩部分:第一部分是上覆水體擴散到水底沉積物中的溶解氧被消耗,其中包括底泥中還原性物質(zhì)的化學耗氧(如還原性的鐵、錳、硫的單質(zhì)和化合物)和棲息在表層底泥的好氧微生物及無脊椎動物的呼吸耗氧;第二部分是底泥中的還原態(tài)物質(zhì)擴散到上覆水體中被氧化所產(chǎn)生的化學耗氧。沉積在底泥內(nèi)的有機物是底泥耗氧的根源。研究沉積物——水界面的氧氣的交換通量是研究水體中溶解氧收支與循環(huán)的重要組成部分,同時,對沉積物中其他生物地球化學過程具有基礎性的意義,且也可用來指示人類活動對沉積物及水體水質(zhì)的影響。

1 底泥耗氧的主要研究手段

在水生態(tài)環(huán)境中,盡管底泥耗氧是一個非常重要的參數(shù),然而,目前其并不存在一個標準的測量方法。一般而言,測算底泥耗氧的方式有實驗室測定和現(xiàn)場觀測兩種。其中主要有如下3類方法:實驗室/現(xiàn)場沉積物培養(yǎng)法[8-14]、底層擴散邊界層氧氣含量剖面(微剖面)[15-16]、水底渦動研究法[17-18]。

1.1 實驗室/現(xiàn)場培養(yǎng)法

1.1.1 箱式培養(yǎng)法(或稱箱式孵化法)

箱式培養(yǎng)法是在密閉系統(tǒng)中對一定面積的沉積物及一定體積的上覆水所構(gòu)成的水-沉積物系統(tǒng)進行培養(yǎng),在培養(yǎng)過程中,運用馬達等設備模擬現(xiàn)場條件使上覆水產(chǎn)生一定的攪動或循環(huán)運動。在培養(yǎng)一定時間后,根據(jù)水體中溶氧濃度隨時間的變化過程來計算底泥耗氧量。

箱式培養(yǎng)法分現(xiàn)場培養(yǎng)和實驗室培養(yǎng)兩種方式?，F(xiàn)場培養(yǎng)法是直接將箱式孵化器(底部開口)垂直投入到底沉積物表面,并使之嵌入到沉積物中形成一個密閉的環(huán)境,以便于現(xiàn)場培養(yǎng)的進行。通過箱體內(nèi)部的溶氧電極觀測孵化器內(nèi)部溶氧變化過程,從而求得底泥耗氧速率。實驗室培養(yǎng)則需在現(xiàn)場采集原樣沉積物或表層沉積物樣品,采取一定的保護措施(如惰性氣體保護等),并盡快返回實驗室在可控的條件下進行培養(yǎng),從而獲得底泥耗氧速率。根據(jù)不同的需要,研究者設計了多種形狀的培養(yǎng)箱,如正方形[19]、長方形[20-21]、圓柱形[22]等;體積自0.1[23]～125 L[24]不等;材料則采用樹脂玻璃、丙烯酸塑料、光纖玻璃、塑膠材料、金屬材料、玻璃等[19,25-27]。在實驗室培養(yǎng)中,多數(shù)研究者采用沉積物原樣進行培養(yǎng)[13,19-20,28-29],也有部分研究者采用艾克曼挖泥器等獲得的表層沉積物[30]。在培養(yǎng)過程中,多數(shù)研究者采用了水擾動裝置,或內(nèi)部擾動,或添加外部泵構(gòu)建水循環(huán)系統(tǒng),然而也有少數(shù)研究者采用靜水系統(tǒng)進行培養(yǎng)[24]。此外,對于培養(yǎng)系統(tǒng)中溶氧的濃度監(jiān)測,有的研究者采用電極技術(shù)連續(xù)觀測,有的則只進行首尾兩點的觀測。

1.1.2 連續(xù)流培養(yǎng)法

連續(xù)流培養(yǎng)法是在一個開放的系統(tǒng)中,讓恒定流速的水柱(富氧)流過一定面積的底沉積物,通過監(jiān)測入流及出流點溶氧濃度的差異來推算底泥耗氧速率。連續(xù)流培養(yǎng)法可用于長時間序列的培養(yǎng),且比較適合于河流等單向流動的水系統(tǒng)中底泥耗氧速率的測量。絕大多數(shù)連續(xù)流培養(yǎng)法的實驗工作是在實驗室進行的,實驗室裝置的規(guī)格多數(shù)大于20 L,系統(tǒng)內(nèi)水停留時間也從1 h到24 h不等[31]。

1.1.3 測壓法

在一個溫度恒定和體積不變的系統(tǒng)內(nèi),前后氣體總量的改變可以通過壓力的變化表現(xiàn)出來。測壓法是將一定重量的底沉積物放置于反應器內(nèi)(內(nèi)置壓力計),在其上緩慢注入飽和溶氧狀態(tài)的水體并在系統(tǒng)的頂部保留一定體積的空氣,之后在恒溫的狀態(tài)下培養(yǎng)。微生物活動、有機物礦化作用利用水體中氧氣并釋放二氧化碳氣體,這部分二氧化碳氣體由預置于裝置內(nèi)的堿阱捕集以避免其對壓力的影響。因此,壓力的變化即反應氧氣的消耗情況,并以此計算出底泥耗氧速率[32-33]。該實驗方法對壓力計要求較高,差分壓力計使用較多。

1.1.4 電解法

電解法采用測壓法相類似的手段,其采用壓力計控制電解反應。其過程為:將一定體積的沉積物放入系統(tǒng)底部,其上緩慢注入上覆水并在系統(tǒng)的頂部保留一定體積的空氣。微生物和化學過程消耗氧氣會導致系統(tǒng)的頂部產(chǎn)生一個弱的真空,真空的產(chǎn)生導致電解反應器的工作。電解過程產(chǎn)生的氧氣補充生物、化學過程所造成的頂部真空。根據(jù)法拉第定律可以得到電流產(chǎn)生量,并以此求出氧氣的生成量,而后根據(jù)Reynolds等[12]的公式求出底泥耗氧速率。

1.1.5 脫氫酶活性法

脫氫酶活性法可以指示厭氧環(huán)境底沉積物的新陳代謝作用。脫氫酶活性法采用微量熱法直接校準,并以熱釋放的形式表達。氧的消耗量可以根據(jù)熱的釋放量來估算[23]。

1.2 底層擴散邊界層氧氣含量剖面(微剖面)

采用微電極技術(shù)的微剖面法存在實驗室測量[34]和水下原位測量[13]兩種。實驗室內(nèi)測量,適合研究淺水沉積物。將樣品柱帶到實驗室,然后用微電極穿刺測量,建議用馬達微電極推進器來操作,方便快速測量。水下原位測量,適合研究較深的海底,最好配水下攝像機。之后,根據(jù)Fick定律來計算沉積物—水界面氧氣的交換通量,從而求得底泥耗氧能力。

1.3 水底渦動研究法

水底渦動研究法是近幾年新發(fā)展出來的方法,其采用微電極技術(shù),在10～15 min內(nèi)對垂直速度和氧濃度積分,可以估算通過水平面的沉積物—水的氧氣凈交換量,從而評估反應沉積物的產(chǎn)量和消耗量[17-18],其克服了現(xiàn)有方法的限制(微剖面、原位箱式),空間精度高,使用方便。然而,水底渦動研究法對儀器設備要求較高,且主要應用于滲透性的沉積物,因此目前的應用面尚不高。

1.4 實驗室與現(xiàn)場培養(yǎng)之間的比較

可見,無論在實驗室培養(yǎng),還是在現(xiàn)場觀測,現(xiàn)均已存在多種不同的方法,如相比較而言,實驗室培養(yǎng)與現(xiàn)場原位箱式測定的結(jié)果存在較大的差異。這主要是由于實驗室培養(yǎng)改變了沉積物的理化環(huán)境以及生物特性等。然而,實驗室培養(yǎng)具有一致性好,可重復性以及效率高等特點。此外,影響底泥耗氧的因素很多,現(xiàn)場培養(yǎng)只能提供底泥耗氧總量,但該數(shù)值不能獲得除此之外的更多信息,如影響氧氣生產(chǎn)或消耗的生物化學過程,沉積物中氧氣的分布以及間隙水氧氣動態(tài)變化,而實驗室培養(yǎng)過程能夠作為前者的補充。在現(xiàn)場模擬實驗,其結(jié)果被認為更接近于實際,但系統(tǒng)環(huán)境條件人為調(diào)節(jié)困難。比較實驗認為兩者實驗結(jié)果雖有少量差別,但室內(nèi)實驗易于控制[30],因此,大多數(shù)研究者選擇在室內(nèi)進行實驗。在實驗室培養(yǎng)過程中,可以有選擇性的控制條件,以便揭示控制底泥耗氧的主要因素。從目前的研究來看,實驗室/現(xiàn)場培養(yǎng)法以及微剖面法應用面相對較廣。此外,近年來很多研究者采用模型的方法研究水體/底泥氧的循環(huán)與收支[35-37],這為深入研究底泥耗氧的機制提供了較好的平臺。然而,模型的發(fā)展與完善需要實驗室和現(xiàn)場條件實驗結(jié)果的支持。

2 影響底泥耗氧的主要因素

影響底泥耗氧的主要因素包括垂直混合、沉積物再懸浮、光合作用、底棲無脊椎動物呼吸作用、鹽度、p H、化學耗氧量、溫度等。沉積物再懸浮可能增加底泥耗氧量[21],這主要是由于再懸浮作用增加了沉積物與水的接觸面積。高的水流率往往導致較強的再懸浮作用,因此增加水流速會導致底泥耗氧能力的增強。因此,在培養(yǎng)過程中應準確控制水動力參數(shù),使之較為接近現(xiàn)場條件。浮游植物光合作用以及呼吸作用均對水體氧的循環(huán)與收支產(chǎn)生較大的影響,同時也直接影響底泥耗氧能力,尤其是那些生產(chǎn)力相對旺盛的海域。無脊椎動物在底沉積物中的呼吸作用往往增加底泥耗氧量,研究表明,無脊椎動物的呼吸作用一般占底泥耗氧總量的10%～50%[26,38]?；瘜W耗氧量,如還原物質(zhì)氧化作用等,是底泥耗氧的重要組成部分,一般占到總底泥耗氧量的10%左右,其中硫化物貢獻了28%[39]。此外,溫度是影響底泥耗氧的重要因素,溫度增加往往刺激底質(zhì)中微生物的呼吸作用,從而導致底泥耗氧量的增加。從溫度角度來講,其往往是導致某些海域夏季出現(xiàn)低氧的重要因素。另外,鹽度、p H值可能對底泥耗氧存在一定的影響,但類似的報道并不多見。

3 結(jié)束語

國內(nèi)外有關(guān)底泥耗氧的研究方法較多,且在不斷更新發(fā)展中,從目前的研究來看,實驗室/現(xiàn)場培養(yǎng)法以及微剖面法應用面相對較廣。影響底泥耗氧速率(大小)的因素很多,如溫度、溶氧水平、還原物質(zhì)、有機物含量、沉積物厚度、還原能力、水動力條件、光合作用、鹽度、沉積物再懸浮、底質(zhì)微生物條件等?，F(xiàn)場培養(yǎng)只能提供底泥耗氧總量,但該數(shù)值不能獲得除此之外的更多信息,如影響氧氣生產(chǎn)或消耗的生物化學過程,沉積物中氧氣的分布以及間隙水氧氣動態(tài)變化,而實驗室培養(yǎng)過程能夠作為前者的補充。在現(xiàn)場模擬實驗,其結(jié)果被認為更接近于實際,但系統(tǒng)環(huán)境條件人為調(diào)節(jié)困難。室內(nèi)與現(xiàn)場觀測的結(jié)果雖有少量差別,但室內(nèi)實驗易于控制,因此,大多數(shù)研究者選擇在室內(nèi)進行實驗。

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中國近海海洋綜合調(diào)查與評價專項課題(908-01-BC14).