污泥重金屬在河蜆體內(nèi)富集及毒性研究

丁 園，趙幗平，劉運(yùn)坤，張 昊，劉 青

(1.南昌航空大學(xué) 環(huán)化學(xué)院，江西 南昌 330063;2.石家莊德潤(rùn)環(huán)?？萍加邢薰荆颖?石家莊 050091)

污泥是各種工業(yè)和生活污水處理后產(chǎn)生的廢棄物，因含有豐富的有機(jī)質(zhì)和植物營(yíng)養(yǎng)成分而被稱為生物固體。依據(jù)我國(guó)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)，達(dá)標(biāo)排放的污泥仍含有一定量、種類各異的重金屬，因此限制了污泥的再利用［1］。近年來，利用生物方法指示和去除重金屬越來越受到關(guān)注［2］。后生動(dòng)物因?yàn)閭€(gè)體較大、生活史長(zhǎng)、適應(yīng)性強(qiáng)、活動(dòng)性差、容易采集，成為重要的供試對(duì)象。目前，國(guó)內(nèi)外已針對(duì)多種大型后生動(dòng)物如顫蚓、紅斑瓢體蟲、水蚤、卷貝、石田螺等對(duì)污泥重金屬的活性變化和遷移規(guī)律、污泥養(yǎng)分和含固率等理化性質(zhì)的變化進(jìn)行研究［3-7］。然而污泥重金屬對(duì)供試生物體的脅迫和毒害作用卻鮮見報(bào)道。

河蜆廣泛分布于世界各地，是河流中重要的底棲動(dòng)物和江河水庫(kù)等淡水生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)貝類。由于河蜆以水中的浮游生物(如硅藻、綠藻、原生動(dòng)物、輪蟲等)為食料，能直接反映水體的污染狀況，因此河蜆已作為指示生物應(yīng)用于水體污染研究［8-9］。但目前對(duì)河蜆的研究主要集中在生物學(xué)特性、分類、胚胎發(fā)育、人工繁殖、時(shí)空分布、營(yíng)養(yǎng)成分分析、呼吸和排泄等生理生化活性方面，其對(duì)重金屬的富集研究較少［1，10］。

論文以河蜆為供試生物，投加污水處理廠曝氣池污泥，恒溫、曝氣培養(yǎng)60 d，分析河蜆軟體組織內(nèi)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，采用掃描電鏡觀察河蜆濾食污泥后肌肉組織表面超微結(jié)構(gòu)的變化，明確污泥重金屬對(duì)河蜆的脅迫和毒害作用。

1 材料與方法

1.1 供試材料

污泥:2011 年6 月在南昌市朝陽(yáng)州污水處理廠曝氣池采集供試污泥，因污泥含水率較高，取回靜置24 h 后分離上清液與污泥。其中上清液溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)、全氮(TN)、全磷(TP)的含量分別為148，8.28，2.29 mg/L。污泥的pH、含水率和有機(jī)質(zhì)含量、全氮、全磷和全鉀的含量分別為6.68、99.2%、386.3 g/kg、75.89 g/kg、25.14 g/kg 和9.01 g/kg。污泥中重金屬含量如表1 所示。供試污泥重金屬與其它理化性質(zhì)的分析方法參見文獻(xiàn)［11］。

表1 曝氣池污泥重金屬含量Tab.1 Heavy metal content of sludge in aeration tank

河蜆(Corbicula fluminea):俗稱沙蜊、蜊潦，取自南昌市塔城鄉(xiāng)青嵐湖。為了提高供試河蜆的抗脅迫能力，選取活力好、單只質(zhì)量2.5～4.0 g 的個(gè)體，先用軟刷除去表面附著物，再用污水處理廠曝氣池上清液暫養(yǎng)一周備用。

1.2 主要分析設(shè)備

上海佑科UV752 型紫外/可見分光光度計(jì);PE 公司原子吸收分光光度計(jì)AA800;北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司FD-1-50 型真空冷凍干燥機(jī);SYQ-DSX-280B 手提式不銹鋼壓力蒸汽滅菌器。

1.3 分析方法

污泥和河蜆的重金屬全量測(cè)定:前處理方法參見文獻(xiàn)［5］，采用原子吸收分光光度法分析。河蜆肌肉組織觀察:美國(guó)FEI 公司Quanta 200 型掃描電鏡觀察。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在規(guī)格為26.3 cm×16.5 cm×16.0 cm 的塑料箱內(nèi)投加(150±2)g 左右(約50 個(gè))河蜆(河蜆養(yǎng)殖密度是以存活率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)確定)。參考文獻(xiàn)［12］，實(shí)驗(yàn)用水為供試污水處理廠曝氣池上清液，水深8 cm 左右(有效用水體積3.47×10-3m3)，水溫25 ℃。每天曝氣23 h，停曝1 h，曝氣量為3.5 L/min。每日投加污泥1 次，投加量為河蜆生物量的10%。實(shí)驗(yàn)周期為60 d，每隔15 d 取一定量的河蜆冷凍干燥后備用，分別測(cè)定原始污泥、河蜆軟體肌肉組織中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd 和Ni 等6 種重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并在第60 天用掃描電鏡觀察河蜆肌肉組織結(jié)構(gòu)。同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 重金屬在河蜆體內(nèi)的積累

河蜆活動(dòng)力差，無回避能力，能直接反映沉積物中重金屬的污染情況。依據(jù)1.4 節(jié)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，每天重復(fù)投加污泥，每隔15 d 測(cè)定河蜆軟體肌肉組織重金屬的含量，結(jié)果見圖1。

由圖1 可知，第0 天即實(shí)驗(yàn)開始，河蜆體內(nèi)已積累了一定量的重金屬，這可能是由于供試河蜆經(jīng)污水處理廠曝氣池上清液暫養(yǎng)一周，也可能是由于供試河蜆體內(nèi)重金屬含量本底值較高。但論文主要是探討連續(xù)投喂曝氣池污泥對(duì)河蜆的脅迫和毒害作用，故仍以第0 天為對(duì)照處理。Cu、Zn、Pb、Cr、Cd 和Ni 等6 種重金屬元素在河蜆體內(nèi)都有一定程度的累積，且含量差別較大，Zn 的含量最高，Cu 次之，Cr、Ni、Pb、Cd 的含量遠(yuǎn)低于Cu 和Zn 的含量。造成這種差別的主要原因:供試污泥Zn 和Cu 的含量較高(表1)，而Pb、Cr、Cd 和Ni 的含量相對(duì)較低。動(dòng)物體內(nèi)的重金屬含量往往與環(huán)境中重金屬含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系［13］，且河蜆體內(nèi)的Zn 含量與基質(zhì)中有機(jī)質(zhì)含量存在正相關(guān)關(guān)系［14］。

圖1 河蜆體內(nèi)重金屬含量隨時(shí)間的積累量Fig.1 Aged accumulation of heavy metal content in Corbicula fluminea

連續(xù)投加污泥60 d 后，河蜆體內(nèi)Zn、Cu、Cr、Ni、Pb 和Cd 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別由:142.21±11.74，92.55±8.63，5.34±0.77，7.48±1.12，6.56±1.16，1.12±0.41 mg/kg 積累至270.93±42.56，122.79±11.71，10.04±1.15，25.40±1.40，6.56±1.16，3.59±0.84 mg/kg。

由各重金屬隨時(shí)間積累的折線圖的斜率看出:Ni 和Pb 在脅迫的初始階段(0～30 d)積累量增加較大，Cr 和Zn 的積累量在后期(45～60 d)變化較大。但考慮到整個(gè)投喂時(shí)間相對(duì)較短，故未深入分析積累量變化差異的原因。

2.2 重金屬對(duì)河蜆軟體組織的損傷

河蜆的軟體組織主要包括:緊貼兩殼內(nèi)面外套膜、斧足和內(nèi)臟組織等幾部分。采用常規(guī)電鏡掃描觀察污泥重金屬對(duì)河蜆軟體組織表面超微結(jié)構(gòu)的變化，如圖2～圖4 所示。

在未投加污泥(對(duì)照組)條件下，河蜆外套膜可見清晰的紋理(圖2-1)，1 000倍下外套膜上有排列較規(guī)則、分布較均勻的皺褶(圖2-2)，放大6 000倍時(shí)，表面光滑平整，未有損傷(圖2-3)。經(jīng)污泥飼養(yǎng)后，河蜆外套膜紋理清晰，但凹凸度增大(圖2-4)，放大到1 000倍下可觀察到其表面有明顯腫脹，形成起伏不平的組織，并有侵蝕剝落的現(xiàn)象(圖2-5)，6 000倍時(shí)顯示外套膜表面粗糙，有凹凸相間的褶皺(圖2-6)。

圖2 污泥對(duì)河蜆外套膜的損傷Fig.2 Damage of the mantle C.fluminea with sewage sludge

河蜆足呈斧狀，左右側(cè)扁，富肌肉，位內(nèi)臟團(tuán)腹側(cè)，向前下方伸出，為河蜆的運(yùn)動(dòng)器官，是直接接觸外界環(huán)境最多的部位。對(duì)照組河蜆的斧足肌肉組織平整光滑緊實(shí)(圖3-1)，處理組的斧足整體皺縮粗糙，有較多裂痕(圖3-4)。放大到1 000倍時(shí)，處理組肌肉組織有絲狀脫落物，并且顯露出未被分解的組織顆粒(圖3-5);但對(duì)照組的肌肉組織溝回明顯均勻，有清晰的紋路(圖3-2)。6 000倍下空白組足部肌肉為成行的平滑肌纖維，排列很整齊(圖3-3)，處理組足部肌肉變成明顯的雜亂絲條狀(圖3-6)。

圖3 污泥對(duì)河蜆斧足的損傷Fig.3 Damage of axe foot C.fluminea with sewage sludge

圖4 污泥對(duì)河蜆內(nèi)臟團(tuán)的損傷Fig.4 Damage of visceral organs C.fluminea with sewage sludge

內(nèi)臟是河蜆重要的解毒器官，河蜆之所以能在重金屬脅迫的環(huán)境中存活，依賴于體內(nèi)大量的金屬硫蛋白酶［10］。對(duì)照組內(nèi)臟團(tuán)表面光滑(圖4-1)，1 000倍下可見到許多縱行排列的紋理有序的小丘狀突起，顆粒均勻，質(zhì)地緊密(圖4-2)，在6 000倍下為較均勻的致密結(jié)構(gòu)(圖4-3)。而處理組的內(nèi)臟團(tuán)表面有略微變形，致密紋路變得模糊粗糙不平(圖4-4)，表面還有很多大小不等、分布不勻的孔洞(圖4-5)。高倍下可觀察到內(nèi)臟表面組織細(xì)胞被侵蝕，并且孔洞明顯，出現(xiàn)腫大的峭狀突起等病理變化(圖4-6)。

3 結(jié)論與討論

河蜆對(duì)污泥重金屬有富集作用，順序依次為:Zn、Cu、Ni、Pb、Cr 和Cd。河蜆軟體組織內(nèi)各重金屬依次增加了1.91、1.32、1.88、3.99、1.98 和3.20 倍。這與污泥中Ni 和Cd 的移動(dòng)性較強(qiáng)的結(jié)論是一致的［15-16］。但與關(guān)于Zn 的移動(dòng)性強(qiáng)，而Pb、Cu 移動(dòng)性較弱［16］的結(jié)論是相悖的，說明河蜆對(duì)不同重金屬的吸收具有選擇性。梁敏等［5］的研究表明，石田螺對(duì)城市剩余污泥中Cr、Cu、Zn、Pb 和Cd 有較強(qiáng)的富集，對(duì)Ni 可能無富集作用。這都說明不同種生物對(duì)重金屬的選擇性吸收。

在重金屬脅迫條件下，河蜆外套膜、斧足和內(nèi)臟器官均出現(xiàn)腫脹現(xiàn)象、侵蝕剝落和峭狀突起等病理變化。說明污泥重金屬對(duì)河蜆產(chǎn)生了明顯的脅迫作用，處理后的河蜆不適于再食用，可進(jìn)一步加工生產(chǎn)花卉草坪肥料等不進(jìn)入食物鏈的產(chǎn)品。

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