藍(lán)藻水華對(duì)沉積物汞遷移釋放的影響

湯雨霖 姜霞 陳春宵

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150076 ;2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012）

隨著湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度的加劇，藍(lán)藻水華成為了湖泊生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，也是全世界富營(yíng)養(yǎng)化湖泊面臨的重大問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)湖泊藍(lán)藻水華機(jī)制開(kāi)展了大量研究，發(fā)現(xiàn)沉積物中藍(lán)藻的復(fù)蘇和分裂是導(dǎo)致藍(lán)藻增加的主要原因之一[1]。且藍(lán)藻生長(zhǎng)迅速，只要在合適的條件下（光照、溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽、水動(dòng)力），藍(lán)藻能迅速增長(zhǎng)，并在短期內(nèi)形成水華[2]。藍(lán)藻水華可引起一系列水體環(huán)境因子的劇烈變化，如溶解氧（DO）、氧化還原電位（Eh）、pH值、葉綠素含量和可溶性有機(jī)質(zhì)（DOC）的變化等。水華爆發(fā)過(guò)程中，水體pH值會(huì)經(jīng)歷逐漸上升后又逐漸開(kāi)始下降的過(guò)程[3]。而水體溶解氧（DO）在每次規(guī)模性藍(lán)藻水華爆發(fā)期變化劇烈，白天出現(xiàn)過(guò)飽和狀態(tài)，夜晚又出現(xiàn)缺氧甚至厭氧狀態(tài)，其主要受水華生消過(guò)程中藻細(xì)胞光合作用產(chǎn)氧的影響[4]。同時(shí)在水華爆發(fā)后期由于藻類(lèi)大量死亡導(dǎo)致DO回落至同期最低，甚至轉(zhuǎn)變成為厭氧條件。而這些環(huán)境因子也是影響汞生物地球化學(xué)行為的重要因素。

藍(lán)藻水華是一個(gè)快速增殖的過(guò)程，藍(lán)藻在白天的光合作用和黑夜的呼吸作用必然會(huì)對(duì)水-沉積物界面產(chǎn)生影響，從而影響沉積物中汞的遷移釋放[5]。因此，本研究以室內(nèi)模擬方式開(kāi)展藍(lán)藻水華對(duì)沉積物中汞遷移釋放的影響研究，摸清藍(lán)藻水華中各形態(tài)汞在上覆水及藻類(lèi)之間的動(dòng)態(tài)分布，及關(guān)鍵環(huán)境條件的動(dòng)態(tài)變化，從而評(píng)估藍(lán)藻水華對(duì)沉積物汞遷移釋放分布的影響。對(duì)研究湖泊富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)沉積物中汞的遷移釋放過(guò)程影響機(jī)制提供重要支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2013年8 月，沉積物采自太湖梅梁灣，用彼得森采泥器采集表層10cm的沉積物樣品，混合均勻后裝入干凈的聚乙烯自封袋中，排出空氣，密封后盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后濾去水分冷藏保存。試驗(yàn)前開(kāi)始解凍，測(cè)定其含水率，加入外源性汞（單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，介質(zhì)為HNO3），使沉積物中的汞含量達(dá)到5mg/kg，并機(jī)械均化，穩(wěn)定20天供試。

供試銅綠微囊藻來(lái)自中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院湖泊基地藻種庫(kù)，采集于太湖上覆水體，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室分離純化培養(yǎng)后得到．使用前用BG-11（中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院湖泊基地提供配方）培養(yǎng)基在光照培養(yǎng)箱中預(yù)先培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 培養(yǎng)方法

試驗(yàn)在若干圓形有機(jī)玻璃柱中進(jìn)行，在玻璃柱中添加均勻沉積物至10cm處，小心加入BG-11培養(yǎng)基至于50cm處，使沉積物和水的比例達(dá)到1:4。有機(jī)玻璃柱分為2組，每組8柱，第一組往里添加適量對(duì)數(shù)期藻液，使柱子中藻類(lèi)的初始藻密度為1.2×106個(gè)/mL。第二組為不添加藻的對(duì)照組。將上述兩組有機(jī)玻璃柱置于25℃，光照強(qiáng)度為2500LX的恒溫光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)，光照與黑暗比為12h/12h，濕度為75%RH。設(shè)定試驗(yàn)周期32 d。

1.2.2 取樣方法

每隔96h，從每組中取出一個(gè)玻璃柱（取出的玻璃柱不再放回培養(yǎng)箱培養(yǎng)），測(cè)定上覆水體中的藻密度、DHg、THg等含量；并在此96h內(nèi)每天測(cè)定上覆水體中的DO、pH。取出玻璃柱中的上覆水在48h內(nèi)離心獲取無(wú)藻上覆水（4℃恒溫、轉(zhuǎn)速3000r/min），無(wú)藻上覆水經(jīng)0.45μm聚酯砜濾膜（millipore）過(guò)濾后裝入預(yù)先超凈處理的比色管中，加0.5%的超純鹽酸密封保存于冰箱中，水體中的THg為藻體內(nèi)Hg和水體中的DHg之和。

1.3 樣品的分析方法

1.3.1 水樣

上覆水體中藻密度的測(cè)定方法見(jiàn)1.3.2.1。水體中的Hg采用冷原子熒光光譜法（AFS-3100雙道原子熒光光度計(jì)）進(jìn)行測(cè)定；藻體內(nèi)的Hg采用硝酸水浴消解-冷原子熒光光譜法測(cè)定。水體中pH和DO的測(cè)定采用便攜式SG68多參數(shù)測(cè)試儀。

1.3.2 藻類(lèi)生長(zhǎng)的測(cè)定

浮游植物生物量(N)用藻細(xì)胞密度表示。用血球計(jì)數(shù)板(XB-K-25型)在顯微鏡LEICA DM750)下計(jì)數(shù)并計(jì)算其生物量。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3~6次，平行樣之間的相對(duì)偏差小于10%。

2 結(jié)果與分析

2.1 銅綠微囊藻的生長(zhǎng)情況

2.1.1 銅綠微囊藻培養(yǎng)過(guò)程中藻密度的變化

從圖1中可以看出，在培養(yǎng)過(guò)程中銅綠微囊藻經(jīng)過(guò)短暫適應(yīng)后迅速生長(zhǎng)，早期藻密度隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而逐漸增大，由培養(yǎng)初期的1.2×106個(gè)/mL上升到了后期的6.1×107-6.4×107個(gè)/mL。在培養(yǎng)過(guò)程中，銅綠微囊藻類(lèi)的生長(zhǎng)過(guò)程明顯表現(xiàn)出三個(gè)階段：0-12天呈線(xiàn)性增長(zhǎng)階段，銅綠微囊藻的藻密度僅出最初的1.2×106個(gè)/mL上升到了9.4×106個(gè)/mL；12-24天為快速增殖階段，此階段的增長(zhǎng)速率最快，第24天時(shí)藻密度已經(jīng)達(dá)到了6.2×107個(gè)/mL，該階段為指數(shù)型增長(zhǎng)；24-32天為穩(wěn)定階段，銅綠微囊藻的生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期，藻密度上下浮動(dòng)，但整體變化不大。

圖1 銅綠微囊藻培養(yǎng)過(guò)程中藻密度的變化

2.1.2 藻類(lèi)生長(zhǎng)對(duì)沉積物中汞釋放能力的影響

由于本實(shí)驗(yàn)上覆水為培養(yǎng)基，且所用銅綠微囊藻為實(shí)驗(yàn)室分離純化后得到，因此上覆水體中增加的汞含量主要來(lái)自于沉積物的釋放。

加藻組水體中的THg含量明顯高于對(duì)照組，這說(shuō)明藻類(lèi)的生長(zhǎng)促進(jìn)了沉積物中汞的釋放。從兩組實(shí)驗(yàn)水體中THg含量的差值上看，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，兩組實(shí)驗(yàn)水體中THg含量的差值先升高后降低再逐漸升高。從圖8中可以看出，前12天兩組實(shí)驗(yàn)水體中THg含量的差值上升最快，第12天濃度差達(dá)到了27 μg/Lug/L。12-20天兩組實(shí)驗(yàn)水體中THg的濃度差逐漸縮小，第20天濃度差降到了18 μg/L；隨后兩組實(shí)驗(yàn)水體中THg的濃度差又逐漸增大，在培養(yǎng)后期水體THg的濃度差迅速由第28天的19 μg/L上升到了34 μg/L。

圖8 培養(yǎng)過(guò)程中加藻組和無(wú)藻組水體中THg含量差值的變化

從時(shí)間上看，0-12天剛好處于藻類(lèi)生長(zhǎng)的初期，盡管該時(shí)期藻類(lèi)生長(zhǎng)速率較慢，但藻類(lèi)對(duì)水體中的汞具有較強(qiáng)的吸附能力，能將沉積物釋放出來(lái)的汞迅速吸收自體內(nèi)，從而維持水與沉積物之間的濃度差，更能有效促進(jìn)沉積物向水體的釋放，提高水體中汞的含量。12-24天，藻類(lèi)進(jìn)入快速增殖期，水體中的藻密度和葉綠素含量均顯著增加，從而提高了水體中溶解性有機(jī)碳含量[6]，而升高溶解性有機(jī)碳含量有助于上覆水體中的汞以溶解態(tài)形式存在[7]，提高水體中溶解態(tài)汞的比例，從而降低了水體與間隙水之間的濃度差。同時(shí)，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，上覆水體中汞含量增多也降低了水體與沉積物之間的濃度差。因此，該階段沉積物中汞的釋放能力反而有所下降。在培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)┢冢孱?lèi)生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期，此階段藻類(lèi)的生長(zhǎng)和死亡量都增加，而死亡藻類(lèi)對(duì)重金屬的吸附能力更強(qiáng)，進(jìn)一步擴(kuò)大了沉積物與水之間的濃度梯度，促進(jìn)了沉積物中汞的進(jìn)一步釋放。

3 結(jié)論

（1）銅綠微囊藻的生長(zhǎng)繁殖加大了沉積物中汞的釋放能力，與對(duì)照組相比，加藻組上覆水體中汞含量明顯升高。

（2）銅綠微囊藻對(duì)汞具有較強(qiáng)的吸附能力，水體中約有64%的汞被其吸收。

（3）沉積物中汞的釋放能力隨著銅綠微囊藻生長(zhǎng)先升高后降低。

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