雙齒圍沙蠶(Perinereis aibuhitensis)的生物擾動(dòng)作用對(duì)沉積物中AVS分布的影響

侯穎，韓雪萌，付發(fā)武，王亞寧，田勝艷,2*

(1. 天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院； 2. 天津市海洋環(huán)境保護(hù)與修復(fù)技術(shù)工程中心：天津 300457)

沉積物中的硫化物主要包括鐵和錳的硫化物以及有機(jī)硫化物。根據(jù)其活動(dòng)性通?？煞譃樗釗]發(fā)性硫化物(acid volatile sulfide, AVS)、黃鐵礦和有機(jī)硫化物。AVS是其中活動(dòng)性最強(qiáng)的一類，可溶于鹽酸[1]。沉積物中的AVS是還原條件下硫酸鹽還原的結(jié)果[2]，因此，AVS含量的高低代表了沉積物的氧化還原特性的強(qiáng)弱，在高含量AVS的沉積物中，底棲動(dòng)物因缺氧而難以生存[3]。此外，AVS本身對(duì)底棲動(dòng)物也有一定的生物毒性作用[4]。因此AVS含量被列為衡量沉積物環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)[5-6]。雖然沉積物中的AVS影響底棲動(dòng)物的生存，但底棲動(dòng)物的爬行、攝食、建管和筑穴等行為可以改變沉積物的理化性質(zhì)，如改變沉積物的結(jié)構(gòu)和孔隙度、通氣狀況、氧化/還原邊界分布及增加沉積層中氧化界面表面積。底棲動(dòng)物生命活動(dòng)對(duì)沉積物理化性質(zhì)的改變過程被稱為生物擾動(dòng)作用[7]，已有研究表明，生物擾動(dòng)可以有效增加沉積物中氧化條件分布，從而改變沉積物的氧化還原電位[8-11]。沉積物中氧化還原電位顯著影響AVS的分布，因此，生物擾動(dòng)作用可以影響沉積物中AVS的分布。

雙齒圍沙蠶(Perinereisaibuhitensis)屬環(huán)節(jié)動(dòng)物門多毛綱，廣泛分布于中國近海沉積環(huán)境[12]，通常棲息于淤泥質(zhì)沉積物中，在沉積物內(nèi)掘成U型或Y型穴道，穴道深度可達(dá)15～40 cm[8,13]。雙齒圍沙蠶對(duì)有機(jī)質(zhì)豐富的缺氧和高含量硫化物環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，研究發(fā)現(xiàn)，雙齒圍沙蠶在350 mg/L的硫化物中可以存活72 h以上，因此該物種可能在沉積環(huán)境修復(fù)中發(fā)揮重要作用[14]。已有研究表明，雙齒圍沙蠶的擾動(dòng)作用可以改變沉積物的氧化還原條件，促進(jìn)沉積層中有機(jī)質(zhì)的降解與礦化，顯著改善沉積物環(huán)境質(zhì)量[15-16]。但關(guān)于雙齒圍沙蠶對(duì)沉積物中AVS分布的影響尚鮮見報(bào)道。

經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的近海沉積環(huán)境中匯集了各種來自陸源和海源的污染物，其中石油污染普遍存在[17-18]，石油烴類污染物增加了沉積物中的有機(jī)質(zhì)，從而促進(jìn)沉積環(huán)境的厭氧化使得AVS含量增加。本研究通過構(gòu)建室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)模擬石油污染沉積物，研究雙齒圍沙蠶生物擾動(dòng)作用下沉積環(huán)境中氧化還原電位以及AVS含量和分布的變化，探討雙齒圍沙蠶對(duì)含有難降解有機(jī)質(zhì)沉積環(huán)境厭氧條件的改善作用，以及對(duì)AVS的去除作用，以期為厭氧沉積物修復(fù)提供參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑

硫化鈉、抗壞血酸、硫酸鐵銨、碳酸鈉、鹽酸和硫酸(均為分析純)購自天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。硫酸亞鐵、氫氧化鈉和重鉻酸鉀(均為分析純)購自天津市江天化工技術(shù)有限司。苯基代鄰氨基苯甲酸、硫酸銀和N,N-二甲基對(duì)苯二胺鹽酸鹽(均為分析純)購自上海邁瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司。正己烷購自天津康科德科技有限公司。

1.2 沉積物采集與原油染毒處理

實(shí)驗(yàn)所用沉積物采自天津北塘河口潮間帶(117.81 °E; 39.07 °N)，是薊運(yùn)河、潮白新河及永定新河3條河流匯集入海處。選擇落潮時(shí)間，用不銹鋼鏟(JF-002)挖取表層15 cm深的沉積物，過1 mm篩，以去除其中的大型底棲動(dòng)物。取部分沉積物進(jìn)行風(fēng)干、研磨處理，其余沉積物避光儲(chǔ)存。

實(shí)驗(yàn)所用原油為重質(zhì)原油，取自渤海石油曹妃甸鉆井平臺(tái)，使用前先進(jìn)行風(fēng)化處理：置于玻璃表面皿中呈約5 mm厚的油膜，然后于通風(fēng)柜中30 ℃恒溫水浴，至原油恒重(每天重量損失低于0.5 %)為風(fēng)化終點(diǎn)。風(fēng)化后的原油用正己烷溶解，加入到研磨后的沉積物中，攪拌混合12 h，待正己烷徹底揮發(fā)后，將含有原油的干沉積物加入到濕沉積物中，電動(dòng)攪拌1周，取5個(gè)隨機(jī)樣品測(cè)定總石油烴含量，標(biāo)準(zhǔn)偏差< 5%，表明石油烴在沉積物中分布均勻。原油染毒沉積物中石油烴含量為2.51 g/kg。染毒后的沉積物避光靜置2周后使用。

1.3 雙齒圍沙蠶

實(shí)驗(yàn)用雙齒圍沙蠶購自浙江臺(tái)州牧海水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)。用人工海水(鹽度為26‰，pH=8.0)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)馴養(yǎng)10 d后用于實(shí)驗(yàn)。馴養(yǎng)期間往養(yǎng)殖缸內(nèi)放入少量沉積物作為食源，每隔2 d更換養(yǎng)殖用水1次。

1.4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)在圓柱形玻璃缸(Φ14 cm×40 cm)內(nèi)進(jìn)行，內(nèi)置25 cm深的沉積物，上覆10 cm深的人工海水(鹽度為26‰，pH=8.0)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分2組：加入雙齒圍沙蠶的生物擾動(dòng)組和不放雙齒圍沙蠶的對(duì)照組。每個(gè)實(shí)驗(yàn)組均設(shè)3個(gè)平行系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的沉積物和上覆水裝填后靜止平衡5 d，用內(nèi)徑為1.5 cm的PVC管在氮?dú)庀聦?duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的沉積物進(jìn)行插管取樣，取出的柱狀沉積物樣品根據(jù)距離泥/水界面的距離分為表層(0～5 cm)、中層(5～15 cm)和深層(15～25 cm)，取出后立即置于容器中充氮?dú)饷芊?，用于測(cè)定AVS含量。另外取柱狀樣品，每隔2～3 cm分層測(cè)定氧化還原電位，以獲得實(shí)驗(yàn)初始AVS含量和氧化還原電位值。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中取出柱狀樣品后的圓洞填入實(shí)驗(yàn)用沉積物。生物擾動(dòng)組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)放入8條個(gè)體相近的雙齒圍沙蠶，其濕重為(1.73±0.32) g，生物密度為520條/m2。雙齒圍沙蠶放入的時(shí)間計(jì)時(shí)為第1天，實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行60 d。實(shí)驗(yàn)期間上覆水微曝氣充氧，實(shí)驗(yàn)裝置用保鮮膜封口以減少上覆水蒸騰損失。實(shí)驗(yàn)終止后，同樣用插管法取柱狀樣，測(cè)定不同深度沉積物的氧化還原電位和AVS含量。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1Sketch map of the experimental design

1.5 沉積物氧化還原電位的測(cè)定

沉積物氧化還原電位的測(cè)定參照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》第5部分:沉積物分析(GB 17378.5—2007)中的電位計(jì)法[19]，用pH 計(jì)(PHS-3C，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定時(shí)將飽和甘汞電極和鉑電極插入沉積物中，穩(wěn)定后讀數(shù)。根據(jù)公式(1)計(jì)算沉積物的氧化還原電位E。

E=Ea+Eb

式(1)

式中，Ea為飽和甘汞電極的電位(mV)，Eb為儀器上測(cè)得的電位(mV)。

1.6 沉積物AVS的測(cè)定

沉積物中AVS含量的測(cè)定采用亞甲基藍(lán)分光光度法(HJ 833—2017)[20]。沉積物樣品中加入20 mL鹽酸(6 mol/L)，通過加熱蒸餾裝置將生成的硫化氫吹出，用氫氧化鈉溶液(10 g/L)吸收，吸收液用亞甲基藍(lán)顯色，于665 nm波長(zhǎng)處分光光度法測(cè)定。

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”表示，用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使用t檢驗(yàn)及單因素方差分析(ANOVA) 對(duì)組間數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，P<0.05 表明差異顯著，P>0.05 表明差異不顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 雙齒圍沙蠶的生存狀況與生物擾動(dòng)行為

生物擾動(dòng)組共放入雙齒圍沙蠶24只，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)全部存活，并成功從系統(tǒng)中取出，表明雙齒圍沙蠶在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的生活狀況良好。然而，雙齒圍沙蠶的平均濕重從實(shí)驗(yàn)初始的(1.73±0.42) g下降至(1.50±0.38) g，這可能是由于實(shí)驗(yàn)期間雙齒圍沙蠶只能利用沉積物中的有機(jī)質(zhì)，缺少底棲藻類等優(yōu)質(zhì)食源造成的。

雙齒圍沙蠶進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的第3 d便全部鉆入沉積物中，活動(dòng)區(qū)域主要在表層(0～5 cm)和中層(5～15 cm)；第10天其穴道出現(xiàn)在沉積物深層(15～25 cm)區(qū)域，系統(tǒng)裝置側(cè)面可觀察到少量穴道，如圖2(A)所示，沉積物表層出現(xiàn)雙齒圍沙蠶的糞便顆粒；實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至第30天時(shí)，系統(tǒng)裝置側(cè)面可見多條清晰的穴道，主要集中在表層和中層，掘穴深度最深達(dá)到18 cm；至第60天時(shí)，掘穴深度至20 cm，穴道周圍的沉積物呈現(xiàn)淺褐色，表明局部區(qū)域的氧化狀態(tài)(圖2B)，沉積物表面堆積了大量糞便顆粒(圖2C)。

根據(jù)底棲動(dòng)物對(duì)沉積顆粒物的遷移混合方式，可將擾動(dòng)生物分為4種功能類群: 生物擴(kuò)散者(biodiffusers)、上行輸送者(upward conveyors)、下行輸送者(downward conveyors) 和沉積物再造者(regenerators)[8]。雙齒圍沙蠶屬于上行輸送者，即頭向下尾在上，通過攝食和排便過程將中層和深層的沉積顆粒物輸運(yùn)至表層。覃雪波等[21]利用微宇宙示蹤技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)雙齒圍沙蠶掘穴深度可達(dá)18 cm，與本研究中發(fā)現(xiàn)的掘穴深度基本一致。

圖2 生物擾動(dòng)組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的表觀狀態(tài)A：第10 d系統(tǒng)側(cè)視圖；B：第60 d系統(tǒng)側(cè)視圖；C：第60 d系統(tǒng)表面洞口及糞便顆粒(圓圈標(biāo)出糞便)。Fig.2 Appearance in the experimental system of bioturbation groupA: Side view of the experimental system at 10th day;B: Side view of the experimental system at 60th day;C: Burrow holes and fecal particles at the surface of the experimental system at 60th day (circles show the feces).

2.2 沉積層氧化還原電位的變化

雙齒圍沙蠶生物擾動(dòng)作用下沉積層的氧化還原電位顯著升高，且顯著改變了沉積物中氧化還原電位的縱向分布。實(shí)驗(yàn)終止時(shí)(第60天)，生物擾動(dòng)組和對(duì)照組中沉積物的氧化還原電位均高于實(shí)驗(yàn)初始的狀態(tài)，其中生物擾動(dòng)組中氧化還原電位顯著高于對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)初始(P<0.05)，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)終止時(shí)(第60天)，生物擾動(dòng)組沉積物表層和中層氧化還原電位顯著高于深層(P<0.05)，其中表層和中層氧化還原電位無顯著差異(P>0.05)；對(duì)照組沉積物表層氧化還原電位顯著高于中層和深層(P<0.05)，其中中層和深層氧化還原電位無顯著差異(P>0.05)。對(duì)于深層沉積物，對(duì)照組第60天時(shí)仍為還原狀態(tài)，而生物擾動(dòng)組呈氧化狀態(tài)。上覆水中的氧氣很難擴(kuò)散進(jìn)入深層，只能通過沉積物-水界面和穴道壁進(jìn)入沉積物內(nèi)部[13]，而底棲動(dòng)物擾動(dòng)過程中形成的穴道有效改變了沉積物的孔隙結(jié)構(gòu)，增加了沉積物與上覆水進(jìn)行物質(zhì)交換的有效面積。底棲動(dòng)物為了呼吸和進(jìn)食，通過生物灌洗作用將含有氧氣的上覆水引入洞穴，促進(jìn)了水中溶解氧與深層孔隙水的交換[22-23]，從而改變了沉積層的氧化條件分布。本研究中生物擾動(dòng)組穴道周圍被新引入的氧氣氧化，使穴道周圍的沉積物呈淺褐色，而其他部位沉積物顏色較深，說明雙齒圍沙蠶的生物擾動(dòng)明顯促進(jìn)上覆水的溶解氧進(jìn)入沉積層，尤其是通過雙齒圍沙蠶的穴道進(jìn)入沉積物深層，使得穴道周圍的沉積物被氧化，并且通過與孔隙水之間的物質(zhì)交換，提高了沉積物的氧化還原電位。Timmermann等[24]研究發(fā)現(xiàn)海蚯蚓(Arenicolamarina)的生物擾動(dòng)增加了沉積層的含氧量；Mana等[25]的室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)大型底棲動(dòng)物群落生物擾動(dòng)50 d后，沉積物的氧化還原電位明顯增加，由還原條件變?yōu)檠趸瘲l件，顯著高于未添加擾動(dòng)生物的對(duì)照組。本研究結(jié)果與上述文獻(xiàn)報(bào)道一致。

圖3 沉積物中氧化還原電位的縱向分布Fig.3Vertical distribution of oxidation-reduction potential in sediment

2.3 沉積物中酸揮發(fā)性硫化物(AVS)的變化

經(jīng)過60 d，生物擾動(dòng)組和對(duì)照組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中AVS含量呈現(xiàn)出不同的變化。如圖4所示，對(duì)照組中各層沉積物中AVS含量較實(shí)驗(yàn)初始值均增加，而生物擾動(dòng)組中各層沉積物中的AVS含量較初始值均降低，且生物擾動(dòng)組各層沉積物的AVS含量均顯著低于對(duì)照組(P<0.05)。在雙齒圍沙蠶生物擾動(dòng)作用下，沉積層氧化還原電位提高，使得沉積物中AVS被氧化。而AVS氧化生成的硫酸鹽水溶性高，更易進(jìn)入孔隙水，并通過與上覆水的物質(zhì)交換進(jìn)入上覆水中。此外，雙齒圍沙蠶的U形穴道增加了物質(zhì)交換的有效面積，并在生物灌洗作用中使硫酸鹽被快速?zèng)_出，從而降低沉積物和孔隙水中的AVS含量[23-26]。根據(jù)雙齒圍沙蠶的穴道分布情況分析，表層和中層沉積物中穴道分布更密集，深層沉積物中穴道數(shù)量少，且沉積層中氧化還原電位也表現(xiàn)出從表層到深層逐漸降低的變化情況(圖3)，因此沉積物中AVS含量的縱向分布表現(xiàn)為：表層<中層<深層，且表層和中層沉積物中的AVS顯著低于深層沉積物中的AVS含量(P<0.05)，這一現(xiàn)象與Chareonpanic等[27]和Heilskov等[28]的研究結(jié)果一致。然而，不同擾動(dòng)類型的底棲動(dòng)物對(duì)AVS含量的影響可能不同。Remaili等[29]對(duì)雙殼類動(dòng)物(Tellinadeltoidalis)和端足類動(dòng)物(Victoriopisaaustraliensis)進(jìn)行的28 d的擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沉積物0～4 cm中AVS含量與初始值相比出現(xiàn)了增多的情況。Nedwell等[30]的研究也發(fā)現(xiàn)，海洋環(huán)境中的端足類生物(amphipods)提高了沉積物中有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為無機(jī)質(zhì)的反應(yīng)速率，為沉積物表面氧化層的硫酸鹽還原菌提供了營養(yǎng)物質(zhì)，有利于AVS 的形成，引起AVS含量增加。

圖4 沉積物中AVS的含量Fig.4AVS Concentrations in sediment

3 結(jié)論與展望

雙齒圍沙蠶的生物擾動(dòng)作用有效改變了沉積層中氧化/還原邊界，提高了沉積物中的氧化還原電位，從而促進(jìn)了AVS的氧化，導(dǎo)致AVS含量降低。由于雙齒圍沙蠶主要在沉積物表層和中層活動(dòng)，沉積物中AVS含量的縱向分布表現(xiàn)為：表層<中層<深層，且表層和中層沉積物中的AVS顯著低于深層沉積物中的AVS。

雙齒圍沙蠶生物擾動(dòng)下AVS氧化減少對(duì)于沉積物環(huán)境質(zhì)量是有利的一面。然而，沉積物中的AVS還關(guān)系到其他污染物的環(huán)境行為，如還原條件下AVS對(duì)沉積物中的重金屬結(jié)合可降低其生物有效性，那么生物擾動(dòng)作用可改變沉積物中的氧化還原條件及降低AVS含量，極可能影響沉積物中重金屬的生物有效性。因此，評(píng)價(jià)生物擾動(dòng)作用對(duì)沉積物環(huán)境質(zhì)量影響時(shí)，要綜合考慮對(duì)AVS的影響以及其他污染物生物有效性的影響。