汾河太原段沉積物氮、銅、鋁含量及酶活性的分布及動態(tài)

裴海光，賈自強，楊靜，呂俊平，劉旭東，謝樹蓮，馮佳

（山西大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引言

沉積物既是水生態(tài)系統(tǒng)中氮元素轉(zhuǎn)化和儲存的重要場所，同時也是金屬等污染物的匯聚場所［1-4］。氮元素是水生態(tài)系統(tǒng)重要的營養(yǎng)限制因子，也是水體富營養(yǎng)化的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量也可以反映水質(zhì)的好壞。沉積物金屬具有不可降解、高毒性、易富集的特點，是水環(huán)境體系最主要的污染物之一。當沉積物中部分金屬含量釋放到水體中，會對水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害［5-6］。沉積物中的微生物分泌出具有催化作用的酶類，是沉積物中能量流動和物質(zhì)循環(huán)的重要參與者。酶活性可用于表征沉積物生物活性，也可以作為沉積物生態(tài)過程和環(huán)境脅迫的敏感指標，相關(guān)研究顯示沉積物中酶活性與氮素含量呈正相關(guān)［7-9］。外源金屬會對沉積物中的酶活性產(chǎn)生一定的活化或抑制作用，間接地對氮源的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響［10-13］。測定沉積物中氮、金屬含量的累積程度以及各區(qū)域酶活性等參數(shù)，來研究沉積物中氮源、金屬及酶活性的空間分布規(guī)律并判斷外源性輸入的高低，對于評估汾河沉積物健康狀況具有重要意義。

汾河太原河段處于汾河流域中段，自北向南穿過太原城，對城區(qū)的納污泄洪、調(diào)節(jié)小氣候、提供水資源等方面具有不可替代的作用。隨著工業(yè)發(fā)展和城市人口的迅速膨脹，沿線工農(nóng)業(yè)廢水、汛期地表雨污等污染物不斷排入，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，其污染程度大大超出了水體的自凈能力，水體富營養(yǎng)化日益嚴重，且多年的污染物沉積到河底，汾河周邊企業(yè)在水處理過程中使用的凈水劑主要成分為硫酸銅和聚合氯化鋁，長期排放沉積在底泥中，使汾河沉積物受到了嚴重污染。因此，本文通過對汾河太原段沉積物中氮含量、銅含量、鋁含量以及酶活性的研究，掌握它們在汾河太原段的空間分布特征，結(jié)合相關(guān)性分析，為汾河流域的水體富營養(yǎng)化防治提供一定的科學(xué)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及采樣點的設(shè)置

汾河太原段自北向南橫穿太原市區(qū)，屬于汾河水系，全長30 km，水深平均2 m～3 m，最深6 m，為人工復(fù)式河槽，排泄上游洪水和水庫灌溉輸水。東西兩岸各布置一條箱形排污暗涵，接納沿線城市排污管道和邊山支溝來水，送至下游污水處理廠進行凈化處理。

分別于2018年3月、6月、9月、12月的中旬，在汾河太原段上游至下游依次設(shè)置的7個采樣點采樣，分別為勝利橋北（S1），勝利橋-漪汾橋（S2），漪汾橋-迎澤橋（S3），迎澤橋-南內(nèi)環(huán)橋（S4），南內(nèi)環(huán)橋-長風(fēng)橋（S5），長風(fēng)橋-南中環(huán)橋（S6），南中環(huán)橋-祥云橋（S7）七個區(qū)域（圖1），其中S1采樣點是汾河進入太原市區(qū)的最北端，S7采樣點是汾河在太原市區(qū)的最南端，用蚌式采樣器分別采集7個區(qū)域的河流底泥表層樣品，放入塑料袋中，標記保存。

圖1 汾河太原段采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling area in the Taiyuan Section of Fenhe River，Shanxi

1.2 樣本的處理與指標測定

將采集的底泥分為兩份，一份在4℃下冷藏保存用于沉積物的酶活性測定，另一份在低于40℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥，研磨，過100目土壤篩［14］，置于塑封袋中，標記、保存?？偟捎眠^硫酸鉀消解法測定，銨態(tài)氮采用KCl浸提蒸餾法測定，硝態(tài)氮采用紫外分光光度法在220 nm和275 nm處測定［15-22］。蛋白酶活性采用福林-酚法在紫外分光光度計上于波長680 nm測定，脲酶活性用靛酚藍比色法在波長578 nm測定［23-25］。

金屬銅和鋁的檢測：準確稱取0.2 g樣品，放入消解罐中，加入2 mL氫氟酸和6 mL鹽酸和硝酸，充分混勻，放置，冷卻，MASTER-40型微波消解儀消解，等離子電感耦合質(zhì)譜儀進行沉積物中金屬銅和鋁的檢測［26］。

變異系數(shù)分析：變異系數(shù)=標準差/均值×100%［21］。所有樣品測定重復(fù)3次，且實驗數(shù)據(jù)均取3次結(jié)果平均值，誤差控制在5%以內(nèi)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2016、Origin 2018軟件對數(shù)據(jù)進行整理和作圖，應(yīng)用SPSS 21.0軟件進行數(shù)據(jù)方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮元素含量的區(qū)域特征及季節(jié)變化

氮是城市水體富營養(yǎng)化的限制因子之一［27］，氮含量在很大程度上可以反映出沉積物的營養(yǎng)水平［28］。汾河太原段屬于典型的城市富營養(yǎng)化水體，沉積物總氮含量為6.289 8 mg/g～69.252 7 mg/g（圖2a）。根據(jù)美國環(huán)境保護署（EPA）制定的分類標準，TN平均值在1 mg/g以下，屬輕度污染或清潔區(qū)域；在1 mg/g～2 mg/g間屬中度污染，2 mg/g以上屬重度污染［29］。汾河太原段各區(qū)域總氮含量均值大于2 mg/g，屬重度污染，相比宜興市橫山水庫底泥總氮平均含量2.778 mg/g［30］，以及衡水湖沉積物總氮平均含量1.850 mg/g［31］，汾河太原段沉積物的總氮含量相對較高。汾河沉積物季節(jié)間的總氮平均含量差異顯著（P<0.05），各季節(jié)總氮平均含量大小依次為春季>夏季>秋季>冬季，隨季節(jié)變化呈遞減趨勢（圖2b）。不同采樣點總氮含量分布具有明顯的空間差異性，從上游到下游，四個季度的總氮含量都呈先升高后降低再升高的趨勢。上游S2-S3區(qū)域總氮含量要高于S1，這是由于在S2區(qū)域有一條支流北沙河匯入汾河太原段，北沙河沿岸大片居民區(qū)，生活污水排入北沙河而進入汾河，使得S2-S3區(qū)域全年總氮含量相對較高。在汾河太原段下游S5區(qū)域，有一條支流九院沙河匯入，夾雜著上游處理未達標的生活污水，導(dǎo)致下游的總氮含量高于汾河太原段的中心區(qū)域［32］。這與洱海流域沉積物總氮含量的分布是外源污染物輸入后在水體動力作用下不同區(qū)域沉降的結(jié)果相似［7］。

各區(qū)域沉積物硝態(tài)氮含量在0.004 6 mg/g～0.137 4 mg/g之間（圖 2c），屬于重度污染［31］。各季節(jié)硝態(tài)氮平均含量變化依次為春季>夏季>冬季>秋季。沉積物夏、秋、冬季間的硝態(tài)氮平均含量差異不顯著，春季的硝態(tài)氮平均含量顯著高于其他三季（P<0.05）（圖2d）。各區(qū)域沉積物銨態(tài)氮含量為0.021 5 mg/g～0.327 1 mg/g（圖2e），各季節(jié)銨態(tài)氮平均含量大小依次為春季>夏季>秋季>冬季，隨季節(jié)變化呈遞減趨勢。沉積物夏季、秋季、冬季之間的銨態(tài)氮平均含量差異不顯著，而春季的銨態(tài)氮平均含量顯著高于其他三季（圖2f）。

圖2 汾河太原段沉積物總氮（a和b）、硝態(tài)氮（c和d）、銨態(tài)氮（e和f）含量的時空分布，圖中不同字母代表組間差異顯著（P<0.05）Fig.2 Temporal and spatial distribution of total nitrogen（a and b），nitrate nitrogen（c and d），ammonium nitrogen（e and f）in sediments of Taiyuan Section of Fenhe River，Shanxi.Different letters represent significant differences between groups（P<0.05）

通過對汾河太原段沉積物氮元素分析，并與其他典型富營養(yǎng)化湖泊對比［33-34］，表明汾河太原段底泥受到了嚴重的氮源污染。春季各區(qū)域沉積物氮元素含量均顯著高于其他季節(jié)（P<0.01），由于含氮污水主要通過暗涵排入汾河沉積在底泥表層，冬季河面大部分時間處于冰封狀態(tài)，河道淤泥得不到清理，使得沉積物氮含量在冬季大量積累［32，35］。隨著春夏雨季的到來，汾河水位的抬升導(dǎo)致厭氧環(huán)境受到限制，也是汾河太原段沉淀物氮含量隨季節(jié)變化的重要原因。每個季節(jié)的沉積物總氮含量受外源污染物輸入的影響，在空間分布上有一定的規(guī)律，而硝態(tài)氮和銨態(tài)氮沒有明顯的規(guī)律。通過變異系數(shù)分析，四個季節(jié)都是硝態(tài)氮含量的區(qū)域變異系數(shù)最高，銨態(tài)氮次之，作為可以被藻類直接吸收的氮源，其含量在區(qū)域間的差異是造成汾河太原段區(qū)域間水體差異性的主要原因。沉積物中各種水解酶的活性差異可能是造成區(qū)域間硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量差異的主要原因［7］。閆興成等［2］研究表明沉積物的疏浚不僅能消減沉積物內(nèi)源氮的負荷，還能有助于減少湖泊近岸CO2等溫室氣體的排放。因此，可以適當對汾河底泥進行疏浚。

2.2 汾河太原段沉積物酶活性的季節(jié)特征

沉積物中的動植物、微生物在其生命活動過程中向胞外分泌具有催化作用的酶類，會參與沉積物中生源要素的生物循環(huán)、腐殖質(zhì)合成及其他有機質(zhì)分解［36-37］。此次研究我們對汾河太原段沉積物中的酶活性進行了檢測（圖3）。

蛋白酶主要參與沉積物中含氮有機化合物轉(zhuǎn)化，其水解產(chǎn)物是高等植物的氮源之一［7，9］。汾河太原段各區(qū)域沉積物蛋白酶活性為0.020 8 mg/g～0.789 5 mg/g（圖 3a），蛋白酶活性大小依次為秋季>夏季>春季>冬季。夏季和秋季的酶活性都顯著高于冬季（P<0.05）。在夏季和冬季，中下游間的蛋白酶活性顯著低于周邊區(qū)域（P<0.05）。

圖3 汾河太原段沉積物蛋白酶（a）、脲酶（b）活性的區(qū)域分布及季節(jié)分布（c），圖中不同字母代表組間差異顯著（P<0.05）Fig.3 Regional distributions of protease（a）and urease（b），seasonal distribution（c）of protease and urease activities in the sediments of the Taiyuan Section of Fenhe River（c）.Different letters represent significant differences between groups（P<0.05）

脲酶是一種水解性酶，能夠提高沉積物氮素利用率，促進沉積物氮素循環(huán)［7-9］。各區(qū)域沉積物脲酶活性為0.091 6 mg/g～3.397 3 mg/g（圖3b），各季節(jié)脲酶活性依次為夏季>春季>秋季>冬季，中心區(qū)域的酶活性相對較低。冬季各區(qū)域沉積物脲酶活性均比其他三個季度低（P<0.01），因為沉積物脲酶活性來源于微生物，水生植物密度的分布會影響沉積物中微生物種類和數(shù)量，從而對脲酶的活性產(chǎn)生一定的影響［9］。

圖3c為汾河太原段沉積物酶活性的季節(jié)特征，其中脲酶活性在四季均比蛋白酶高，表明脲酶參與生源要素的生物循環(huán)效率相對較高，蛋白酶在季節(jié)間變化相對穩(wěn)定。通過對各季節(jié)沉積物酶活性區(qū)域變異系數(shù)分析，冬季蛋白酶活性區(qū)域差異要高于脲酶。不同季節(jié)，沉積物中酶活性的高低與季節(jié)間溫度的差異有很大關(guān)系，兩種酶在冬季活性均為最低，表明酶活性在冬季均受到低溫影響。甘茂林等［9］對大亞灣的研究認為，植物對沉積物中微生物的種類和數(shù)量有重要影響，酶活性與沉積物中分布的植物密切相關(guān)。在汾河太原段，由于人工清理水草，密度較低，導(dǎo)致沉積物中微生物活動相對較低，酶活性較弱。此外，汾河太原段還承擔(dān)著城市泄洪排澇功能，沿岸還有分布不均的污水處理廠，大量處理未達標廢水排入汾河［32］，其中摻雜著金屬元素沉積到底泥中，與酶分子的巰基、胺基和羧基的結(jié)合，抑制酶的活性［10-11］。

2.3 汾河太原段沉積物銅、鋁含量季節(jié)特征

沉積物是底棲生物的主要生活場所和食物來源，其中的金屬會直接或間接地對水體和底棲生物致毒致害，并通過生物富集、生物鏈放大等途徑進一步影響到其他生物及人類［38-39］。汾河太原段各區(qū)域沉積物中鋁含量檢測結(jié)果為2.559 6 mg/g～20.693 mg/g（圖 4a），比云南陽宗海表層沉積物的均值0.045 4 mg/g要高［3］，各季節(jié)鋁元素的平均含量依次為春季>秋季>夏季>冬季。春季汾河太原段的鋁平均含量顯著高于其他季節(jié)（P<0.01），夏季和冬季間差異不明顯（圖4b）。在春季，上游S1區(qū)域及中心區(qū)域的含量顯著高于其他區(qū)域（P<0.05）；秋季中心區(qū)域的含量顯著高于其他區(qū)域（P<0.05）。

汾河太原段各區(qū)域沉積物中銅含量檢測結(jié)果為 0.053 4 mg/g～0.300 7 mg/g（圖 4c），介于重金屬污染二級和三級標準之間，屬弱-中等污染［40］，各季節(jié)銅平均含量依次為秋季>夏季>冬季>春季。汾河太原段沉積物銅含量在秋季要顯著高于其他季節(jié)（P<0.05）（圖4d），而其他季節(jié)大部分區(qū)域間并無顯著性差異。

圖4 汾河太原段沉積物金屬鋁（a和b）、銅（c和d）含量的時空分布，圖中不同字母代表組間差異顯著（P<0.05）Fig.4 Temporal and spatial distribution of aluminum（a and b）and copper（c and d）contents in the sediments Taiyuan Section of Fenhe River，Shanxi.Different letters represent significant differences between groups（P<0.05）

對春秋季節(jié)鋁含量和銅含量的區(qū)域變異系數(shù)分析表明，兩種金屬區(qū)域間的變化和分散水平比較顯著，人類活動對金屬區(qū)域分布作用明顯［41］。受地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展影響，太原市區(qū)汾河干流入河排污口有22個，其中工業(yè)及混合排污口有5個［32］，春秋季汾河水位較低，河段間流動性較差，當含重金屬的工業(yè)廢水排入汾河，使排污口附近區(qū)域的底泥金屬含量超標［42］，區(qū)域間差異明顯。與云南陽宗海沉積物相比［3］，汾河太原段沉積物中金屬鋁和銅含量更高，除了常年的自然積累，最主要金屬污染物來源于邊山支溝及污水的排入。據(jù)統(tǒng)計，太原市年均排污量達8.85億t，由于太原市排污管網(wǎng)不完善、污水處理廠的數(shù)量以及處理能力有限，其中不達標排放的就有2.59億t，約占1/3，多年的排放，長期積累沉積在底泥中，影響水體環(huán)境質(zhì)量［32，35］。

2.4 汾河太原段沉積物氮元素、酶活性與金屬含量相關(guān)性特征

脲酶和蛋白酶是參與沉積物氮循環(huán)的關(guān)鍵酶［43］。脲酶主要催化水解進入沉積物中的尿素及動物尿為氨等，蛋白酶主要參與沉積物中蛋白氮及其他含氮有機物的轉(zhuǎn)化，諸多研究表明沉積物中酶活性隨氮含量輸入的增減而增減［7-9］。酶需要一定量的金屬離子作為輔基，金屬的加入能促進酶活性中心與底物間的配位結(jié)合，進而增強酶的活性；相反，如果金屬與酶分子的巰基、胺基和羧基的結(jié)合，酶的活性會受到抑制。本研究表明鋁含量遠高于銅含量，且銅含量與酶活性之間沒有顯著的相關(guān)性，而脲酶活性和蛋白酶活性均與鋁含量呈顯著負相關(guān)（表1，P<0.05），表明沉積物中的鋁抑制了酶的活性［10］。

表1 沉積物中氮元素、酶活性與金屬含量相關(guān)分析Table1 Correlation analysis of nitrogen elements，enzyme activities and heavy metal contents in sediments

金屬銅與氮含量呈顯著負相關(guān)（P<0.05），金屬鋁與氮含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。這說明各沉積物中氮與金屬鋁的累積程度關(guān)系更為密切，與李照全等［44］研究結(jié)果相似。脲酶活性與總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等3種氮含量間均呈負相關(guān)；蛋白酶活性與總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮三種氮含量均為顯著負相關(guān)（P<0.05），是因為水體在輸入污染物時，隨著氮含量的升高，污水中摻雜的金屬抑制了酶的活性，導(dǎo)致酶活性與氮含量呈負相關(guān)。

3 結(jié)論

通過對2018年度汾河太原段沉積物的研究顯示：

（1）在空間分布上，汾河太原段總氮含量從上游至下游呈先升高后降低再升高的趨勢，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，以及沉積物中鋁和銅含量無明顯分布規(guī)律。蛋白酶和脲酶活性在汾河太原段中心區(qū)域要低于其他區(qū)域。

（2）在季節(jié)上，三種氮素含量均在春季最高；鋁含量在春季最高，銅含量在秋季最高；蛋白酶活性在秋季最高，脲酶活性在夏季最高，兩種酶活性均在冬季最低。

（3）受外源輸入影響，汾河太原段沉積物受到氮源和銅污染，同時由于沉積物中鋁含量相對較高，對沉積物中的酶活性產(chǎn)生一定抑制作用，降低了沉積物中水解酶對氮源的轉(zhuǎn)化，氮素、銅和鋁在沉積物中的長期積累，有引起二次污染的風(fēng)險，建議相關(guān)部門加強對汾河的監(jiān)管。