顫蚓擾動(dòng)作用對鉛鎘在沉積物-水相中遷移的影響

路永正,閻百興 (中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長春 130012)

顫蚓擾動(dòng)作用對鉛鎘在沉積物-水相中遷移的影響

路永正,閻百興*(中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長春 130012)

采用實(shí)驗(yàn)室模擬的方法,研究顫蚓的擾動(dòng)對松花江上游沉積物中Pb、Cd遷移過程的影響,并分析了Pb、Cd在生物體內(nèi)的富集過程.結(jié)果表明,生物擾動(dòng)帶來的懸浮作用造成沉積物中Pb和Cd的釋放,被釋放的Pb和Cd主要吸附在懸浮顆粒中,在顫蚓體內(nèi)的富集并不明顯;而添加Pb后,顫蚓體內(nèi)Pb濃度隨時(shí)間延長明顯增加,主要與顫蚓的新陳代謝方式有關(guān).在沒有生物擾動(dòng)的處理中,顯著增加的Pb主要集中在表層,而有生物擾動(dòng)的處理中,在不同深度沉積物中均有增加.生物的擾動(dòng)不僅顯著增加了水中Pb和Cd濃度,而且促進(jìn)水相中的Pb向沉積物深層的擴(kuò)散.

生物擾動(dòng)；沉積物；重金屬；遷移

生物擾動(dòng)行為對于物質(zhì)在沉積物-水界面的遷移起著非常重要的作用.有研究發(fā)現(xiàn),深海沉積物中沉積層碳酸鹽的溶解及沉積物顆粒的分布變化主要與生物擾動(dòng)有關(guān)[1-3].Turnewitsch等[4]認(rèn)為食物供給對生物擾動(dòng)強(qiáng)度僅僅產(chǎn)生間接的影響.Ciutat等[5]發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)過程中不同時(shí)間加入藻類物質(zhì)對沉積物中 Cd釋放的影響也不相同.一些研究者采用數(shù)學(xué)模型量化了生物擾動(dòng)造成的擴(kuò)散系數(shù)[6-7].然而,關(guān)于擾動(dòng)生物體內(nèi)的重金屬富集過程以及對重金屬向沉積物擴(kuò)散過程中的影響相對較少.松花江上游支流葦沙河沉積物長年遭受選礦及黃金冶煉廢水的嚴(yán)重污染,沉積物中重金屬的釋放對下游飲用水水源地以及地下水水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響[8],而生物擾動(dòng)的作用還不清楚.基于此,本研究中采用松花江流域常見的雜食性動(dòng)物顫蚓為模式生物探討顫蚓擾動(dòng)在沉積物中Pb、Cd釋放過程中的作用以及對添加的Pb從上覆水向沉積物中遷移的影響,并分析了2種過程中重金屬在生物體內(nèi)的富集程度.

1 材料與方法

1.1 材料與裝置

于2008年5月采集松花江上游葦沙河沉積物樣品.樣品采集后,在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干,過 100目篩.生物擾動(dòng)下Pb和Cd在沉積物-水相中的遷移實(shí)驗(yàn)在玻璃缸中進(jìn)行,如圖1所示.沉積物、水和生物放在圓柱型玻璃容器中,容器直徑為 5cm,高17cm.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Experiment equipment outline

1.2 顫蚓擾動(dòng)對沉積物中Pb和Cd釋放的影響

向玻璃圓柱內(nèi)加入沉積物 100g,顫蚓 3.4g,緩緩注入 200mL自來水(放置數(shù)日以去除水中Cl2),避免擾動(dòng)造成沉積物的再懸浮.在每個(gè)玻璃圓柱中通入空氣保證上覆水中有足夠的 DO,在第1, 3, 5, 7, 11, 14, 18, 21, 28d取樣,同時(shí)進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)(不加入顫蚓).共放置36個(gè)玻璃圓柱(每組2個(gè)平行樣).

用塑料注射器采集玻璃圓柱中心區(qū)水樣品,一份不過濾,另一份采用 0.45μm濾膜過濾以分析溶解態(tài)和重金屬總量,取2個(gè)平行樣.溶液中加入0.5mL濃HNO3,4℃保存.取樣同時(shí)使用美國哈希 2100P便攜式濁度計(jì)測定水溶液中的濁度(NTU).將玻璃圓柱容器中顫蚓取出后,洗凈,吸干表面水分,HNO3消解以分析每個(gè)玻璃圓柱內(nèi)生物體內(nèi)Pb、Cd含量.

1.3 顫蚓擾動(dòng)對添加的 Pb向沉積物中擴(kuò)散的影響

向玻璃圓柱中加入沉積物 234g,顫蚓 7.5g.將每個(gè)單元玻璃圓柱放入玻璃缸中,玻璃缸中注入100L的自來水.玻璃缸中共放置20個(gè)單元玻璃圓柱,其中 10個(gè)為對照(不加入顫蚓),另外 10個(gè)加入顫蚓.在玻璃缸中加入Pb(NO3)2溶液,使上覆水中Pb濃度約為20μg/L(相當(dāng)葦沙河水體中Pb的濃度),上覆水每天更換以保證污染物的濃度,充分?jǐn)嚢枋顾薪饘贊舛染鶆?并通入空氣以保證水中足夠的 DO.在第 7,14,21,28,35d取樣,每次取4個(gè)玻璃圓柱容器,對照和加入顫蚓的各2個(gè).不同深度的沉積物中 Pb濃度按照 0～0.5, 0.5～1,1～1.5,1.5～2,2～3,3～5,5～10cm 取樣.采用虹吸法吸出沉積物上面的水,根據(jù)深度從上至下逐層用塑料勺取出,混合均勻,在陰涼處干燥.同時(shí)取出顫蚓測定體內(nèi)Pb含量.沉積物中重金屬利用HNO3-HClO4體系進(jìn)行消解,原沉積物中Pb、Cd含量分別為87.8μg/g和20.2μg/g.Pb,Cd含量采用美國熱電公司Solar-M6型原子吸收分光光度計(jì)測定.

2 結(jié)果與討論

2.1 顫蚓擾動(dòng)對沉積物中Pb、Cd釋放的影響

由圖2可見,在沒有擾動(dòng)生物存在的條件下,上覆水中的濁度較低,約為 2.0NTU,這主要是溶液的曝氣擾動(dòng)帶來的影響.在有顫蚓的處理中,實(shí)驗(yàn)開始時(shí),溶液中的濁度較高(7.1±1.5),這主要由于加入擾動(dòng)生物所引起的.

圖2 上覆水中濁度隨時(shí)間變化過程Fig.2 Turbidity in overlying waters as a function of time

在顫蚓存在情況下,從實(shí)驗(yàn)開始一直到第11d,上覆水中的濁度逐漸升高,達(dá)到最大值(15.5±2.6).然后,濁度開始下降,到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)(第28d),濁度變?yōu)?8.8±2.1).隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長,濁度增加主要是由于顫蚓向較深處覓食或到沉積物-水界面的呼吸活動(dòng).Rasmussen等[9]研究也發(fā)現(xiàn)顫蚓活動(dòng)使沉積物發(fā)生再懸浮的現(xiàn)象,造成溶液中的濁度顯著增加.當(dāng)顫蚓找到了適合自己棲身的位置,擾動(dòng)的強(qiáng)度逐漸減弱,水中的濁度也逐漸減小.

有無顫蚓擾動(dòng)作用下沉積物釋放 Pb和 Cd的濃度見圖 3(a,b).有顫蚓處理方式下,從實(shí)驗(yàn)開始一直到第14d,溶液中的總Pb,Cd(未過濾)濃度逐漸升高,分別達(dá)到 12.90,1.64μg/L,然后顯示逐漸降低的趨勢,分別達(dá)到7.78,1.46μg/L.而溶解態(tài)(過濾) Pb和Cd在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)一直保持較低的濃度,增高的趨勢較小.在不存在顫蚓的條件下,溶液中Pb和Cd的濃度開始時(shí)逐漸升高,然后隨時(shí)間的延長逐漸趨于穩(wěn)定,上覆水中Pb和Cd濃度的增加主要是由于沉積物孔隙水中的金屬經(jīng)由分子擴(kuò)散作用向上覆水中遷移的結(jié)果.

圖3 上覆水中Pb和Cd的濃度隨時(shí)間的變化Fig.3 Pb and Cd concentrations in overlying waters as a function of time

濁度與總Pb和Cd的濃度存在明顯的正線性關(guān)系(P＜0.001),而與溶解態(tài)金屬線性關(guān)系并不顯著.可以推測,Pb和Cd的釋放主要是生物擾動(dòng)造成沉積物的懸浮作用引起的,而且溶解態(tài)的金屬含量較低,說明釋放到溶液中Pb和Cd主要吸附在懸浮顆粒上.Rasmussen等[9]和Ciutat等[10]的研究發(fā)現(xiàn)與無生物擾動(dòng)的系統(tǒng)相比,生物擾動(dòng)行為明顯增加了沉積物中重金屬向上覆水中的釋放,主要由于富集在較深層沉積物中的溶解態(tài)金屬通過生物擾動(dòng)或擴(kuò)散作用從孔隙水中釋放出來,以顆粒態(tài)或吸附在懸浮顆粒物中的形式存在[11-12].松花江流域春夏季節(jié)是顫蚓繁殖和發(fā)育的主要時(shí)期,顫蚓的活動(dòng)對沉積物中金屬的釋放會(huì)帶來較大的影響,將增加了江水中重金屬的濃度.

圖4 顫蚓體內(nèi)Pb和Cd的濃度隨時(shí)間的變化Fig.4 Pb and Cd contents in worms as a function of time

顫蚓體內(nèi) Pb和 Cd的背景濃度分別為9.31,0.65μg/g.由圖4可見,28d以后,Pb和Cd的濃度分別達(dá)到 10.50,0.69μg/g,有一定程度升高,說明生物擾動(dòng)不僅造成了沉積物中重金屬釋放到上覆水中,并且在生物體內(nèi)逐漸積累.但是與上覆水中較高的金屬濃度相比,生物體內(nèi)累積增量較小,4周內(nèi)顫蚓體內(nèi)Pb、Cd濃度僅分別增加了1.19, 0.04μg/g.這主要與顫蚓的代謝方式有關(guān).生物累積是利用生物新陳代謝作用產(chǎn)生的能量,通過單價(jià)或二價(jià)離子的離子轉(zhuǎn)移系統(tǒng)把金屬離子輸送到細(xì)胞內(nèi)部.研究中顫蚓主要通過兩個(gè)過程富集 Pb,Cd,一個(gè)是直接暴露過程,即與水相中金屬的直接接觸;另一個(gè)是營養(yǎng)過程,即吸收沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì).有研究[13-14]表明顫蚓通過表皮吸收使重金屬在生物體內(nèi)得到累積.因?yàn)樗蓄w粒相對較大,釋放的Pb,Cd主要吸附在懸浮顆粒中,溶解態(tài)的金屬濃度非常少,即使上覆水顆粒中金屬濃度較高,只有較少的金屬在體內(nèi)得到富集.

2.2 顫蚓擾動(dòng)對添加的 Pb從上覆水向沉積物遷移過程的影響

通過每天對玻璃缸內(nèi)周期性換水前后水中Pb濃度的測定,結(jié)果發(fā)現(xiàn),換水后濃度為21.2μg/L,再次換水前水相中為 14.5μg/L,說明沉積物和顫蚓對水相中Pb的吸附減少了水相中的Pb含量.由圖5可見,當(dāng)上覆水中添加Pb后,顫蚓體內(nèi)Pb濃度隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長明顯增加.與背景值9.31μg/g相比,35d后生物體內(nèi)Pb濃度增加了近4倍(34.1μg/g).說明顫蚓對Pb有一定的富集能力.這主要是顫蚓體內(nèi)酶的作用.顫蚓腸道分泌物中包括纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶、過氧化物酶等多種生物酶,這些天然酶制劑活性極高,由于酶分子是蛋白質(zhì),金屬與生物體內(nèi)蛋白中的巰基(—SH)或二巰基(—S—S—)結(jié)合,導(dǎo)致蛋白的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變,抑制三磷酸腺苷 (ATP)的合成,從而使其細(xì)胞代謝紊亂[15].因此,顫蚓對 Pb表現(xiàn)出明顯的富集作用.然而,在釋放實(shí)驗(yàn)中,上覆水中 Pb含量雖然較高(12.90μg/L),但是顫蚓體內(nèi)Pb濃度增加很少,說明顫蚓主要吸收溶解態(tài)物質(zhì).沉積物中釋放的Pb不能被生物吸收,而添加的溶解態(tài)Pb卻可以在生物體內(nèi)明顯富集.

圖5 添加Pb后顫蚓體內(nèi)Pb的累積Fig.5 Pb contents in worms as a function of time when Pb was added

由圖 6可見,隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長,不論顫蚓是否存在,Pb在沉積物中都明顯富集.但是,顫蚓存在下 Pb的積累過程與對照相比有著明顯的差別.在沒有顫蚓的對照處理中,顯著增加的 Pb主要集中在表層 0～1cm中,隨著時(shí)間延長,表層積累的Pb含量越高,在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)(35d),表層沉積物中 Pb含量達(dá)到 98.8μg/g.在有顫蚓的處理中,不僅表層0～1cm的Pb含量增加,0～5cm的Pb含量也不同程度的增加,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)(35d),Pb濃度最大達(dá)到 100.1μg/g,這種差異是兩種不同方式作用的結(jié)果.在沒有顫蚓的對照處理中,Pb主要利用擴(kuò)散作用通過沉積物-水界面在沉積物中富集.而在有顫蚓的處理中,Pb在沉積物中的富集是通過顫蚓擾動(dòng)和自然擴(kuò)散的雙重作用.顫蚓通過覓食、挖掘、呼吸及排便等活動(dòng)使沉積物顆粒位置以及Pb的吸附位在沉積物-水界面經(jīng)常發(fā)生更新,從而促使 Pb向較深層的沉積物中運(yùn)動(dòng)[11].

圖6 有無顫蚓存在下35d內(nèi)沉積物中Pb的累積Fig.6 Pb contents in sediments during 35d exposure to two treatments

生物擾動(dòng)顯著影響水相中的重金屬向沉積物中的遷移.在有較多生物存在的水-陸交界區(qū),DO含量較高,有助于生物的活動(dòng),促進(jìn)水相中的重金屬向沉積物深處的擴(kuò)散.

3 結(jié)論

3.1 顫蚓擾動(dòng)使沉積物發(fā)生再懸浮,造成溶液濁度顯著增加.顆粒態(tài)Pb和Cd濃度與濁度變化趨勢一致,溶解態(tài)Pb和Cd一直保持較低的濃度,隨擾動(dòng)時(shí)間延長增高趨勢較小.

3.2 釋放到溶液中的Pb和Cd主要吸附在懸浮顆粒中,沉積物中釋放的重金屬不能被生物吸收,而添加的Pb卻在生物體內(nèi)明顯富集.

3.3 擾動(dòng)生物的存在明顯促進(jìn)上覆水中污染物向沉積物的深處遷移.

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Effect of bioturbation by worms on the transport of Pb and Cd between sediments and waters.

LU Yong-zheng, YAN Bai-xing*(Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130012, China). China Environmental Science, 2010,30(2)：251～255

Effects of bioturbation by worms on the transport of Pb and Cd in the sediments sampled from the upstream of Songhua River were studied by the simulated testing, and the contents of Pb, Cd in worms were analyzed too. The results showed that bioturbation to sediment suspension would promote the release of Pb and Cd on the sediments. Pb and Cd derived from sediments were adsorbed on the suspending particalates, but not enriched in the worms. The contents of Pb in worms were markedly increased with exposure time when Pb was added into overlying water, mainly ascribed to the metabolic way of worms. Higher concentrations of Pb were oberserved only on the surface of sediments in the treatment without worms but in different depths with worms. Bioturbation not only increased significantly concentrations of Pb and Cd in waters, but promoted the diffusion from overlying waters to deeper parts of sediments.

bioturbation；sediment；heavy metals；transport

X131

A

1000-6923(2010)02-0251-05

2009-06-24

國家“973”項(xiàng)目(2004CB418502);中國科學(xué)院重要方向性項(xiàng)目(KZCX2-YW-Q06-03)

* 責(zé)任作者, 研究員, yanbx@neigae.ac.cn

路永正(1970-),男,吉林長春人,副研究員,博士,主要從事環(huán)境污染與控制研究.發(fā)表論文10余篇.