背角無齒蚌對(duì)養(yǎng)殖池塘底泥釋放重金屬的凈化效果

陳修報(bào)，劉洪波，戈賢平，楊健

中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心，無錫 214081

0 前言

據(jù)《中國漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》[1]和《中國漁業(yè)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》[2]顯示，我國淡水池塘養(yǎng)殖面積為2.53×106hm2，占淡水養(yǎng)殖總面積的 47.12%，為人類提供 22.86×106t水產(chǎn)品的同時(shí)，也面臨著較為突出的重金屬(如 Cu、Cd)污染。底泥是養(yǎng)殖池塘生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[3]，通過吸附、解吸水體、漁藥(如CuSO4)和殘餌中的重金屬，成為水環(huán)境重金屬的“匯”與“源”[4-6]，其向水體釋放的重金屬不容忽視(可造成二次污染并對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象產(chǎn)生毒害作用)[4-6]。研究表明，底泥中重金屬如Cu、Zn、Pb和Cd向水體的釋放量可分別高達(dá)0.6、0.5、0.76和 0.48 mg·kg-1干重(dry weight，dw)[7]。因此，必須對(duì)池塘底泥釋放的重金屬加以有效地防治。同時(shí)，這也非常符合國務(wù)院《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》中提出的“加大重金屬污染防治力度”戰(zhàn)略要求。

背角無齒蚌(Anodonta woodiana)原產(chǎn)于中國的長(zhǎng)江和黑龍江[8]，現(xiàn)已廣泛分布于我國各地區(qū)[9]和亞洲、歐洲、北美洲及中美洲[8-10]的淡水水體，具有培育珍珠[9]、提取抗腫瘤藥物成分[11]、作為食用水產(chǎn)品[9]、作為肉食性魚類和蝦蟹類的餌料[9]、監(jiān)測(cè)水環(huán)境[12-13]及凈化水質(zhì)[14-17]等重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值。近年來，其在凈化水質(zhì)方面的作用受到了極大關(guān)注[18]。然而，利用背角無齒蚌凈化水質(zhì)主要集中于富營(yíng)養(yǎng)化[14-16]，對(duì)于防治日益凸顯的重金屬污染的研究則較少[17，19]。僅見夏天翔等[19]在室內(nèi)模擬條件下揭示背角無齒蚌對(duì)水體Cu、Zn和Cd的去除能力可分別達(dá)到 7、43 和 20 μg·kg-1·d-1；筆者曾將背角無齒蚌初步用于凈化養(yǎng)殖水體，發(fā)現(xiàn)其對(duì)Al、Cr、Fe、Ni、Zn和Mo的最大去除率分別可達(dá)到63.0%、78.0%、12.7%、100%、80.6%和4.8%[17]。

作為之前研究工作[16-17]的延續(xù)和深入，本研究擬進(jìn)一步探索代表性大宗淡水魚—團(tuán)頭魴(Megalobrama amblycephala)養(yǎng)殖池塘底泥釋放重金屬(Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Cd 和Pb)的特征，以及背角無齒蚌對(duì)底泥釋放重金屬的凈化效果，以期為漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重金屬污染防治與漁業(yè)綠色發(fā)展提供支撐。

1 材料與方法

1.1 微型生態(tài)系統(tǒng)的建立

在室內(nèi)模擬條件下建立微型生態(tài)系統(tǒng)。按照底泥厚度與水深之比為 3:28[20]，向 12個(gè)規(guī)格為 100×45×50 cm(長(zhǎng)×寬×高)的玻璃缸底部鋪上厚度為3.5 cm的底泥(取自中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心團(tuán)頭魴養(yǎng)殖池塘0—10 cm的表層泥，質(zhì)量約25 kg)，然后注入33 cm深的曝氣自來水(150 L)。曝氣自來水中重金屬的背景含量很低:Al、Cr、Fe、Co、Ni、Cu和Pb均未檢出，Mn、Zn、As、Mo和Cd濃度分別為5.5±0.07、19±0.3、0.2±0.02、2.3±0.04和0.02±0.03 μg·L-1(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，下同)。將底泥與水體充分混勻后靜置 72 h，讓底泥中的重金屬充分釋放。實(shí)驗(yàn)組分別放入2、4和6只人工繁育的背角無齒蚌[21](殼長(zhǎng) 10.2±0.4 cm，殼寬 4.2±0.3 cm，殼高6.3±0.3 cm，質(zhì)量為 130±19 g，n=36)，用聚乙烯網(wǎng)籠吊養(yǎng)于微型生態(tài)系統(tǒng)的中央位置，養(yǎng)殖密度分別約為13、27和40 只·m-3。對(duì)照組不放蚌，僅懸掛聚乙烯網(wǎng)籠，以保證吊養(yǎng)設(shè)施對(duì)系統(tǒng)的影響均等。對(duì)照組和不同養(yǎng)殖密度的實(shí)驗(yàn)組均設(shè)置3個(gè)重復(fù)，實(shí)驗(yàn)過程中不投餌。實(shí)驗(yàn)于底泥較易釋放重金屬的 10 月份開展[7]，周期為 30 d，自然光照，水溫為19—22 ℃，pH 為 7.3—8.0，期間沒有發(fā)生蚌死亡現(xiàn)象。

1.2 重金屬檢測(cè)

應(yīng)用虹吸法采集微型生態(tài)系統(tǒng)的中層水。水樣經(jīng)0.22 μm針頭式濾膜過濾器過濾，然后取30 mL于酸洗過的特氟隆定容瓶中，加入 5%的 HNO3(Merck，德國)。應(yīng)用7500ce型電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS，Agilent，美國)，以 Li、Sc、Ge、Y、In和 Bi為內(nèi)標(biāo)，同步測(cè)定 Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Cd和 Pb的濃度。通過添加標(biāo)準(zhǔn)溶液(Agilent，美國)分析回收率的方法，確認(rèn)儀器的測(cè)量精度，上述12種重金屬的回收率為98.9%—102.7%。

1.3 去除率計(jì)算方法

鑒于微型生態(tài)系統(tǒng)中底泥釋放的重金屬受到環(huán)境因素和背角無齒蚌作用的共同影響，因此，應(yīng)用去除率(removal efficiency，RE)[22]分析背角無齒蚌對(duì)重金屬的凈化程度:

式中，CB是對(duì)照組水環(huán)境中重金屬的濃度，CT是處理組水環(huán)境中重金屬的濃度。RE＞0表示蚌能夠?qū)χ亟饘倨鸬絻艋饔茫籖E＜0則表示加劇了水環(huán)境重金屬污染。

1.4 凈化效果評(píng)價(jià)方法

相對(duì)污染指數(shù)(relative pollution index，RPI)能夠有效評(píng)價(jià)凈化水環(huán)境的效果[17]。RPI的計(jì)算公式為[17]:

式中，CB是對(duì)照組水環(huán)境中重金屬的濃度，CT是處理組水環(huán)境中重金屬的濃度，N是檢測(cè)出的重金屬種類。RPI＜1，表明蚌對(duì)重金屬具有凈化效果；RPI＞1則表明蚌未起到凈化作用甚至加劇了重金屬污染。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件的Mann-WhitneyU測(cè)驗(yàn)比較不同水環(huán)境的重金屬濃度，two-way ANOVA分析凈化效果與蚌養(yǎng)殖數(shù)量和處理時(shí)間的關(guān)系。應(yīng)用Design-Expert 8.0統(tǒng)計(jì)軟件的最小二乘法擬合蚌養(yǎng)殖數(shù)量、處理時(shí)間和重金屬去除率之間的回歸關(guān)系，進(jìn)而用響應(yīng)曲面法(response surface methodology)對(duì)各響應(yīng)值進(jìn)行優(yōu)化。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬濃度變化

由表1可見:對(duì)照組水環(huán)境中As和Mo的最高濃度(即底泥向上覆水體的釋放量最大)(P＜0.05)出現(xiàn)在第 0 d(實(shí)驗(yàn)起始點(diǎn))，Cr和 Zn的最高濃度(P＜0.05)出現(xiàn)在第 10 d，Al、Fe、Co 和 Cu 的最高濃度(P＜0.05)出現(xiàn)在第30 d；Fe的最低濃度(即底泥向上覆水體的釋放量最小)(P＜0.05)出現(xiàn)在第0 d，Al、Mn、Co、Ni、Cu和 Pb的最低濃度(P＜0.05)出現(xiàn)在第10 d，Cr和Zn的最低濃度(P＜0.05)出現(xiàn)在第20 d。根據(jù)微型生態(tài)系統(tǒng)中水體體積(150 L)及其重金屬濃度(表1)、底泥濕重(25 kg)及養(yǎng)殖池塘底泥的平均含水率為(40.6%)[6]，按照文獻(xiàn)[7]中底泥重金屬釋放量的計(jì)算方法，可以計(jì)算出底泥對(duì)Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo和 Pb的最大釋放量分別為636、1.5、70.9、34951、10.3、36.9、34.0、53.2、72.4、48.8 和 3.0 μg·kg-1dw。

處理組Ni和Pb濃度變化不明顯，F(xiàn)e的平均濃度在后期出現(xiàn)下降，而其它重金屬濃度總體呈降低的趨勢(shì)(表1)。Al在20 d的4、6只蚌組中顯著低于對(duì)照組(P＜0.05)；Cr在10 d的4、6只蚌組和30 d的所有處理組中顯著低于相應(yīng)的對(duì)照組(P＜0.05)；Mn和Co在10 d的6只蚌組高于對(duì)照組，而30 d的6只蚌組均顯著低于對(duì)照組(P＜0.05)；Cu在10 d的6只蚌組高于對(duì)照組，而20 d和30 d的所有處理組均顯著低于對(duì)照組(P＜0.05)；Zn在10 d的6只蚌組，20 d的2、4只蚌組及30 d的2只蚌組均顯著低于對(duì)照組(P＜0.05)；As在10 d的6只蚌組高于對(duì)照組，而20 d和30 d的4只蚌組顯著低于對(duì)照組(P＜0.05)；Mo在20 d的4只蚌組和30 d的6只蚌組均顯著低于相應(yīng)的對(duì)照組(P＜0.05)。表明背角無齒蚌能夠?qū)?Al、Cr、Mn、Co、Cu、Zn、As和Mo產(chǎn)生凈化作用，最大去除率分別為 84.7%、98.0%、33.3%、14.3%、23.5%、69.4%、50.0%和13.0%。

表1 背角無齒蚌對(duì)不同水環(huán)境中重金屬濃度的影響(μg·L-1, n=3)Table 1 Influence of Anodonta woodiana on heavy metal concentrations in different aquatic environments(μg·L-1, n=3)

不同組別的RPI見表1。其中10 d的所有處理組和20 d的4只蚌組的RPI大于1，而20 d的2、4只蚌組和30 d的所有處理組的RPI小于1。RPI的最大值出現(xiàn)在10 d的6只蚌組，由于對(duì)照組Mn、Co、Cu和Pb未檢出，RPI高達(dá)24.4；最小值出現(xiàn)在30 d的4只蚌組，為0.71。

2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化分析

響應(yīng)曲面法具有能夠同步優(yōu)化多種因素(減少試驗(yàn)次數(shù))、對(duì)各因素的樣本點(diǎn)需求量少(2個(gè)及以上水平即可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)響應(yīng)值)、預(yù)測(cè)值更可信(比一次次的單因素分析方法更有效)等優(yōu)點(diǎn)[23]。因此，應(yīng)用響應(yīng)曲面法對(duì)產(chǎn)生明顯凈化效果的重金屬進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果顯示背角無齒蚌對(duì)Al和As的去除率可進(jìn)一步提升。蚌的養(yǎng)殖數(shù)量(q)和處理時(shí)間(t)與 Al和As去除率(RE)之間的響應(yīng)曲面見圖1。模型P＜0.01，表明所建立的回歸模型極顯著。q、t和RE之間的回歸方程為:

據(jù)此得出q和t的最優(yōu)組合分別為6.00只蚌(40 只·m-3)和 24.49 d、3.79 只蚌(25 只·m-3)和 23.96 d，在此最優(yōu)條件下，對(duì)Al和As的去除率可進(jìn)一步提升至93.8%和60.5%。

2.3 影響凈化效果的因子分析

基于模擬自然條件下養(yǎng)殖池塘底泥釋放的重金屬實(shí)際濃度分析，由F值和相伴概率(p)可見:Al、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、As和Mo的凈化效果與養(yǎng)殖數(shù)量顯著相關(guān)；Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo和Pb的凈化效果與處理時(shí)間顯著相關(guān)；Cr、Co、Ni、Cu和Zn的凈化效果與養(yǎng)殖數(shù)量和處理時(shí)間的交互作用顯著相關(guān)(表2)。

3 討論

底泥重金屬通常包含 4種形態(tài)[24-25]，分別為可提取態(tài)、鐵錳氧化結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)。本研究可以認(rèn)為是養(yǎng)殖池塘底泥在自然條件下釋放重金屬(不加任何浸提劑)，因此，釋放到水體中的重金屬主要來源于可提取態(tài)重金屬?？商崛B(tài)重金屬離子通常被吸附或沉淀于碳酸鈣的表面，容易重新釋放到水體中[24-25]。雖然可提取態(tài)重金屬在底泥重金屬總量中所占比率不太高，例如Ni、Cu、Cr、Pb、Mn和Zn的平均比率分別為8.1%、21.8%、2.3%、11.4%、24.0%和 14.5%[24]，但其極易被生物直接吸收利用因而對(duì)生物體的危害最大[25]。

圖1 不同養(yǎng)殖數(shù)量和處理時(shí)間的背角無齒蚌對(duì)水環(huán)境中Al和As去除率的響應(yīng)曲面Figure 1 Response surface of the effect of Anodonta woodiana with different quantity and treatment time on removal efficiency of Al and As in aquatic environment

本研究中底泥重金屬總體呈現(xiàn)出前期緩慢釋放、后期加速釋放的特征(表1)，這與魯成秀[7]研究結(jié)果相一致。微型生態(tài)系統(tǒng)中底泥對(duì)Cu、Zn和Pb的釋放量明顯低于太湖和南四湖底泥中 Cu(100—300 μg·kg-1dw)、Zn(120—500 μg·kg-1dw)和 Pb(20—450 μg·kg-1dw)的釋放量[7]，這可能與后者受到工業(yè)廢水和生活污水污染有關(guān)[7]。底泥釋放至微型生態(tài)系統(tǒng)水體中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb的濃度(表1)均未超過我國《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB11607-89)規(guī)定的相應(yīng)限量[26]，這與陳修報(bào)等[17]分析養(yǎng)殖池塘水體中 Cr(0.1—1.0 μg·L-1)、Ni(0—0.3 μg·L-1)、Cu(0—0.1 μg·L-1)、As(2.9—3.6 μg·L-1)、Cd(0—0.1 μg·L-1)和 Pb(未檢出)的結(jié)果相吻合。盡管如此，對(duì)養(yǎng)殖池塘的水體和底泥中重金屬污染動(dòng)態(tài)仍要保持高度重視。例如，賈成霞等[6]就報(bào)道北京地區(qū)養(yǎng)殖池塘底泥中 Zn(0.01—0.7 mg·kg-1dw)處于污染警戒線，而Cr(50.3—172 mg·kg-1dw)和 Cu(61.1—235 mg·kg-1dw)已達(dá)到輕度污染水平。值得注意的是，底泥釋放的Fe濃度(表1)超過了我國《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中 Fe 限量(300 μg·L-1)[27]。這可能與養(yǎng)殖池塘底泥沉降了大量飼料(殘餌)有關(guān)。投喂的魚飼料有 65%—75%未被攝食或形成糞便沉降到底泥中[28]，而飼料中 Fe 含量可高達(dá) 622 μg·g-1dw[29]，存在Fe污染風(fēng)險(xiǎn)。

表2 背角無齒蚌的養(yǎng)殖數(shù)量和處理時(shí)間對(duì)重金屬濃度的影響Table 2 Effect of culture quantity and treat time of Anodonta woodiana on heavy metal concentrations

背角無齒蚌具有強(qiáng)大的不間斷濾水功能[30]。依據(jù)殼長(zhǎng)和水溫判斷[30]，本研究中背角無齒蚌的濾水率約為0.6 L·h-1，處理組的養(yǎng)殖數(shù)量分別為2、4、6只，即微型生態(tài)系統(tǒng)中的水體分別在 5、2.5、1.5 d可被完全過濾一遍。通過濾水、攝食(底泥、浮游動(dòng)物、藻類和細(xì)菌)及體表滲透等途徑[31]，背角無齒蚌可高度富集水環(huán)境中的重金屬，如對(duì)Cu、Zn和Cd的富集系數(shù)為 103—104[19]。同時(shí)，貝類對(duì)重金屬的排出率很低，僅為1%—3%[32]。因此，微型生態(tài)系統(tǒng)水體中重金屬濃度的變化除了受到底泥釋放/吸附的影響，背角無齒蚌的高強(qiáng)度濾水和高效富集起到了重要作用。本研究中所有的微型生態(tài)系統(tǒng)均處于相同的環(huán)境中，水環(huán)境重金屬濃度表現(xiàn)出的差異應(yīng)歸因于蚌養(yǎng)殖密度和處理時(shí)間的不同。

背角無齒蚌能夠有效凈化底泥釋放的Al、Cr、Mn、Co、Cu、Zn、As 和 Mo(表1，圖1)。而且背角無齒蚌對(duì)重金屬的凈化效果顯示出優(yōu)于其它淡水貝類[19，33]以及水生植物[34-35]的趨勢(shì)。例如，夏天翔等[19]研究發(fā)現(xiàn)背角無齒蚌對(duì)Cu、Zn和Cd的去除率分別是三角帆蚌(Hyriopsis cumingii)的1.2、1.9和1.5倍；Królak 等[33]證實(shí)背角無齒蚌對(duì) Mn、Fe、Cu、Zn和Cd的積累量分別是斑馬貽貝(Dreissena polymorpha)的71、3、7、6和3倍；何芳芳等[34]報(bào)道黃菖蒲(Iris pseudacorus)、水竹芋(Thalia dealbata)、風(fēng)車草(Cyperus alternifolius)、美人蕉(Canna indica)和菖蒲(Acorus calamus)對(duì)模擬重金屬污水(在霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液基礎(chǔ)上添加2.0 mg·L-1的Zn、Cu等重金屬)中Zn的去除率為 48.1%—60.3%，吳玉樹等[35]報(bào)道菹草(Potamogeton crispus)和水葫蘆(Eichhornia crassipes)對(duì)Zn的去除率分別為14.8%和22.9%，均低于背角無齒蚌對(duì) Zn的去除率(69.4%)。因此，背角無齒蚌有潛力用于養(yǎng)殖水環(huán)境重金屬污染的防控。

背角無齒蚌對(duì)養(yǎng)殖池塘底泥釋放重金屬的凈化效果與其養(yǎng)殖密度和處理時(shí)間呈多項(xiàng)式相關(guān)(圖1，表2)，這與陳修報(bào)等[17]的研究結(jié)果相一致。此外，Brzozowska等[36]也指出海洋貽貝(Mytilussp.)對(duì)重金屬(Zn、Pb、Ni)的凈化效果明顯受到處理時(shí)間的影響。因而，優(yōu)化背角無齒蚌養(yǎng)殖密度和處理時(shí)間的配比能夠?qū)?Al和 As的去除率進(jìn)一步提升至93.8%和 60.5%(圖1)，且不同組別微生態(tài)系統(tǒng)的重金屬相對(duì)污染指數(shù)(RPI)顯示出明顯差異(表1)。本研究發(fā)現(xiàn)4只蚌組處理30 d的RPI最低，即背角無齒蚌養(yǎng)殖密度為27只·m-3水體、處理時(shí)間為30 d對(duì)底泥釋放至上覆水體中重金屬的凈化效果最佳，這將對(duì)利用背角無齒蚌開展魚、蚌混養(yǎng)的生態(tài)養(yǎng)殖模式以及構(gòu)建漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重金屬污染防治模型提供支撐。

4 結(jié)論

1)養(yǎng)殖池塘底泥向水體中釋放重金屬總體呈現(xiàn)出前期緩慢釋放、后期加速釋放的特征。底泥對(duì)Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo 和 Pb 的最大釋放量分別為 636、1.5、70.9、34951、10.3、36.9、34.0、53.2、72.4、48.8 和 3.0 μg·kg-1dw，F(xiàn)e的釋放量較大，存在著污染水體的風(fēng)險(xiǎn)。

2)背角無齒蚌有潛力用于防治養(yǎng)殖池塘底泥釋放的重金屬。其對(duì)Al、Cr、Mn、Co、Cu、Zn、As和 Mo的去除率可分別有望達(dá)到 93.8%、98.0%、33.3%、14.3%、23.5%、69.4%、60.5%和13.0%。

3)基于現(xiàn)實(shí)養(yǎng)殖池塘水環(huán)境的重金屬含量水平，背角無齒蚌養(yǎng)殖密度和處理時(shí)間的配比控制在27只·m-3和30 d較為適宜，相對(duì)污染指數(shù)可降低至 0.71。這可為利用魚、蚌生態(tài)混養(yǎng)防治漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重金屬污染提供參考。