河湖沉積物中重金屬污染及其對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

朱小杰,陶傳奇,周宇,孫翠麗,殷鴻煒

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

隨著工業(yè)污水和城市生活廢水的大量排放,導(dǎo)致河流、湖泊等受到了不同程度的環(huán)境污染,其中底泥污染及其重金屬污染問題尤為突出,進(jìn)而給人類的生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重的影響[1].重金屬具有難降解、不可逆性和易吸附等特性,一旦進(jìn)入河湖水環(huán)境中,便很難排解出去.微生物作為河湖生態(tài)系統(tǒng)中的重要一員,在生物地球化學(xué)循環(huán)和營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化循環(huán)過程中扮演著至關(guān)重要的角色,其群落結(jié)構(gòu)會受到周圍生態(tài)環(huán)境類型、沉積物性質(zhì)以及重金屬污染程度的影響[2].經(jīng)過巖石風(fēng)化、土壤侵蝕、空氣塵埃輸送及其他人類活動(dòng)排放等各種途徑進(jìn)入水體中的重金屬,很容易與水體懸浮顆粒發(fā)生吸附作用、絡(luò)合作用、沉降作用[3].同時(shí),不同種類和含量的重金屬會對河湖水沉積物中微生物群落產(chǎn)生不同程度的影響[4].有些重金屬作為微生物生長的必需元素,當(dāng)沉積物環(huán)境中的重金屬含量較低時(shí),可以促進(jìn)微生物的生長繁殖.然而,當(dāng)水體中重金屬濃度較高時(shí),會破壞微生物體內(nèi)核酸和蛋白質(zhì)合成,抑制微生物的生長代謝,導(dǎo)致微生物活性、豐度、結(jié)構(gòu)和多樣性發(fā)生改變[5].

重金屬在水環(huán)境中的含量、形態(tài)及遷移轉(zhuǎn)化都會對微生物產(chǎn)生不同的影響.研究河湖沉積物重金屬的釋放規(guī)律、遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制及其對微生物的影響,有助于我們進(jìn)一步采取相應(yīng)的措施保護(hù)水體資源和維護(hù)河湖生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定.本文綜述了國內(nèi)外關(guān)于重金屬在河湖沉積物中重金屬的污染特征及其對微生物群落結(jié)構(gòu)影響的研究,并對水體重金屬污染治理和維護(hù)河湖生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定進(jìn)行了展望.

1 河湖沉積物中重金屬的污染特征

1.1 沉積物中重金屬污染研究現(xiàn)狀

重金屬具有毒性、持久性、普遍性和不可逆性.經(jīng)過不同途徑進(jìn)入河湖水環(huán)境中的重金屬,一般會在沉積物與水界面上發(fā)生吸附、積累、轉(zhuǎn)化等[6].經(jīng)過各種物理化學(xué)過程沉積物中的重金屬,在水環(huán)境理化性質(zhì)改變時(shí),會再次釋放到水中產(chǎn)生“二次”污染[7].國內(nèi)外學(xué)者對河流沉積物重金屬的分布特征、污染程度、重金屬的賦存形態(tài)及示蹤重金屬來源等方面已開展了大量研究.例如Lee等用地累積指數(shù)(Igeo)等評價(jià)方法研究韓國某水庫時(shí),發(fā)現(xiàn)水庫中重金屬離子Mn、Zn、Pb、Ni、Cu污染較為嚴(yán)重[7];盛維康等分析湘江河段的重金屬污染程度時(shí),發(fā)現(xiàn)湘江處于中下游河段的沉積物存在明顯的Cd、Pb、Hg等重金屬污染[8].學(xué)者們評價(jià)重金屬的污染程度通常采用富集系數(shù)、地累積指數(shù)、單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)以及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)等方法,而在研究沉積物中重金屬的賦存形態(tài)和生態(tài)效應(yīng)時(shí),主要采用Tessier五步法、BCR三步法、元素地球化學(xué)分析等方法[9].Garcia-Pereira等利用BCR分離法分析西班牙某河床沉積物時(shí),發(fā)現(xiàn)沉積物中Cd、Zn主要在酸溶性部分被提取,Cu、Ni、Pb等主要與無定形Fe和Mn的氫氧化物(可還原部分)結(jié)合[10].此外,同位素示蹤等方法通常被用來分析重金屬來源.如Potra等在研究流經(jīng)美國阿肯色州鉛鋅礦礦區(qū)的河流沉積物中Zn、As、Pb等重金屬,發(fā)現(xiàn)沉積物中的鉛含量與采礦和汽油燃燒等活動(dòng)有關(guān)[11].科學(xué)家們一直在探索和尋找各種方法去研究和分析重金屬污染對環(huán)境的影響.

1.2 沉積物重金屬的污染來源及危害

進(jìn)入河湖的重金屬來源廣泛,主要分為兩部分:大部分主要來自生活垃圾、農(nóng)業(yè)廢棄物和工業(yè)廢水等人為來源;另一部分主要來自土壤質(zhì)地、大氣降水及地表有機(jī)物等自然來源[12].近些年來人為活動(dòng)包括肥料浸出、污水排放、工業(yè)廢水和城市建設(shè)等[13]已成為全球許多湖泊重金屬污染的主要來源[14].其中,人為活動(dòng)帶來的重金屬污染如圖1所示.

圖1 人為活動(dòng)帶來的重金屬污染

大多數(shù)重金屬會對環(huán)境和人類帶來長期毒性和有害影響.在很多國家,重金屬污染都被視為嚴(yán)重的環(huán)境污染問題.其中,重金屬Cd、As、Pb、Hg和Cr被認(rèn)為是毒性最大的物質(zhì),主要通過食物鏈和飲用水進(jìn)入生物體,進(jìn)一步破壞生態(tài)系統(tǒng).例如,Cd已被國際原子研究委員會列為第1組人類致癌物,它會干擾金屬Ca的代謝,這可能導(dǎo)致腎臟和骨骼損傷;攝入無機(jī)砷會導(dǎo)致胃腸道癥狀、心血管疾病和神經(jīng)疾病;無機(jī)鉛會穿透兒童的血腦屏障;急性汞中毒會導(dǎo)致肺損傷.日本發(fā)生的水俁病(重金屬Hg污染)和骨痛病(重金屬Cd污染)等公害病,都是由重金屬污染引起的.重金屬極難降解,人體內(nèi)重金屬有些會和體內(nèi)的蛋白質(zhì)及參與生命活動(dòng)的一些酶發(fā)生強(qiáng)烈作用致使蛋白質(zhì)和酶失去活性[15].進(jìn)入人體的重金屬濃度過高時(shí),它們會富集在人體器官上,從而使人體發(fā)生中毒現(xiàn)象.重金屬對人體的毒性不僅取決于他們的種類和含量,而且與它們在人體內(nèi)的價(jià)態(tài)和賦存形態(tài)等特征也有極大關(guān)系.

1.3 沉積物中重金屬的形態(tài)

沉積物中重金屬的污染危害不僅與含量有關(guān),其在水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化、吸附釋放以及產(chǎn)生的毒性危害都會受到重金屬賦存形態(tài)的影響[16].目前,我國沉積物主要通過重金屬的總含量及時(shí)空變化來評價(jià)其污染風(fēng)險(xiǎn),賦存形態(tài)占比還不到25%.河湖沉積物中重金屬的可提取態(tài)占比越大,重金屬的遷移能力越強(qiáng),越易從沉積物中二次釋放出來,對生物有著更高的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[17].河湖沉積物中重金屬除Pb和Cd的可提取態(tài)占比相對較大外,其它重金屬主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在于沉積物中.其次,重金屬的形態(tài)受地理位置和水文條件影響.例如,長江中下游湖泊重金屬的可提取態(tài)比例大于內(nèi)陸湖泊,內(nèi)陸湖泊的重金屬可提取態(tài)比例比高原湖泊大.枯水期的重金屬可提取態(tài)比例一般要大于豐水期,主要原因是在豐水期有較大的水量,會帶走部分表層沉積物中的一些重金屬懸浮顆粒物,還會有一部分進(jìn)入上覆水體.目前應(yīng)用最廣泛的方法是采用Tessier五步提取法提取沉積物中重金屬的形態(tài),具體為通過5次提取,將重金屬劃分為5個(gè)部分,依次為,可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)[18].而在國內(nèi)外研究土壤和水環(huán)境中重金屬污染方面,普遍采用的是BCR提取法.BCR提取法將重金屬形態(tài)分為可溶解態(tài)、可氧化態(tài)、可還原態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài).不同的重金屬形態(tài)具有不同的污染特征:溶解態(tài)的重金屬在水環(huán)境中容易轉(zhuǎn)化,易被生物利用,通常在重金屬形態(tài)中毒性最強(qiáng);可氧化態(tài)重金屬能夠反映水生生物活動(dòng)及人類排放富含有機(jī)物的含量;可還原態(tài)重金屬比表面積較大,能夠反映人文活動(dòng)對重金屬的污染;而殘?jiān)鼞B(tài)重金屬較為穩(wěn)定,受自然條件的影響較小.

1.4 沉積物重金屬的遷移轉(zhuǎn)化過程

沉積物控制水環(huán)境中物質(zhì)在水相和沉積相之間進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng).沉積物在水環(huán)境中既是重金屬的“源”又是重金屬的“匯”[19].重金屬是一類難降解的污染物,主要通過物理、化學(xué)、生物等過程附著于沉積物上.當(dāng)上覆水環(huán)境理化性質(zhì)如pH、氧化還原電位、鹽度、有機(jī)質(zhì)等環(huán)境參數(shù)發(fā)生改變時(shí),吸附于沉積物上的重金屬又會被釋放到水相中,因此,重金屬在沉積物水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化是個(gè)復(fù)雜的過程[20].進(jìn)入河湖的重金屬一部分被生物攝取,一部分溶解態(tài)的重金屬經(jīng)過吸附作用形成懸浮物態(tài),然后懸浮物經(jīng)過沉積、絮凝、沉降到沉積物中;還有一部分直接吸附、沉淀到沉積物上.同時(shí),少數(shù)沉積物經(jīng)過釋放,重金屬又從沉積態(tài)變成懸浮態(tài),懸浮態(tài)重金屬經(jīng)過溶解釋放變成溶解態(tài)重金屬,溶解態(tài)重金屬經(jīng)過揮發(fā)又回到大氣中[21].重金屬的遷移轉(zhuǎn)化過程的主要影響因素及機(jī)制如表1所示.

表1 重金屬遷移轉(zhuǎn)化的影響因素及機(jī)制

2 河湖沉積物中微生物的豐度、多樣性和結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

河湖水環(huán)境沉積物是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),能將水環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)和污染物聚集在一起,與上覆水環(huán)境間不斷進(jìn)行物質(zhì)和能量交換,因此成為了微生物的密集居住地[27].研究發(fā)現(xiàn),沉積物的優(yōu)勢種菌多數(shù)為變形菌門、浮霉菌門、酸桿菌門、綠彎菌門和擬桿菌門[28].郭秋平在對河湖交錯(cuò)帶中重要緩沖帶的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí),發(fā)現(xiàn)變形菌門和擬桿菌門為優(yōu)勢菌門[29].Zhang等對鄱陽湖沉積物中細(xì)菌群落的研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢菌門為變形菌門和放線菌門[30].有研究發(fā)現(xiàn)咸水沉積物中變形菌門、擬桿菌門、綠彎菌門和厚壁菌門為其主要菌門[31].微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性描述了微生物群落組成種類、豐度及其在不同條件下的更替,是反應(yīng)環(huán)境變化的一個(gè)重要信號,也在生態(tài)毒理學(xué)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)評估過程扮演重要角色.因此,探索沉積物與微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系,在判斷污染物的潛在威脅和進(jìn)行生物修復(fù)等方面具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義[32].

沉積物中微生物結(jié)構(gòu)和功能往往能較好的反映周圍區(qū)域受重金屬污染的程度[33].沉積物中的微生物通過同化、異化等作用能夠影響水環(huán)境中重金屬等物質(zhì)的分布、遷移和轉(zhuǎn)化[34].沉積物微生物群落的結(jié)構(gòu)和多樣性一直以來是研究河湖生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境污染治理的熱點(diǎn).過去,由于受技術(shù)的限制,人們只能通過傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)方法,如直接觀察測定、培養(yǎng)研究、生理生化鑒定等對微生物進(jìn)行研究.目前,由于受到純培養(yǎng)分離技術(shù)的限制,自然界中絕大部分的微生物是人們還無法純培養(yǎng)的,甚至是不認(rèn)識的,能夠進(jìn)行培養(yǎng)的微生物僅占自然界存在微生物的1.0%或更少,從而導(dǎo)致人們對微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的認(rèn)知始終不夠全面.隨著以分子生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)的研究方法不斷發(fā)展,研究者們越來越多的采用高通量測序等方法直接對環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的沉積物中微生物群落進(jìn)行研究,靈敏地探測出環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)隨外界環(huán)境改變而發(fā)生的極其微弱的變化,對于進(jìn)一步研究微生物與環(huán)境間關(guān)系、環(huán)境治理和微生物資源利用有著重要的理論指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)意義[35].

3 河湖沉積物中重金屬對微生物群落結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理

微生物群落結(jié)構(gòu)和豐度易受重金屬污染的影響,不同微生物對重金屬的耐受力也不同[36].Feris等分析重金屬污染梯度下潛流帶微生物群落結(jié)構(gòu)的差異時(shí),發(fā)現(xiàn)變形菌門對重金屬污染有高強(qiáng)度的耐受性[37].Matyar等研究地中海分離的細(xì)菌對重金屬污染的耐受性時(shí),發(fā)現(xiàn)變形菌門中最大的門革蘭氏陰性菌對重金屬Cu、Pb、Zn、Cd、Hg都有較強(qiáng)的耐受力,其中對金屬Cu的耐受力最強(qiáng)[38].此外,重金屬可能對微生物在門、綱、屬等不同水平上的群落豐度具有重要意義.江玉梅等在研究鄱陽湖重金屬的污染情況時(shí)發(fā)現(xiàn),鄱陽湖沉積物中變形菌門有接近13個(gè)種屬與重金屬元素有高度的相關(guān)性[39].重金屬對微生物的多樣性有著顯著影響,不同微生物對重金屬的耐受程度也不同[40].重金屬濃度高的地區(qū)往往微生物多樣性比較低,而重金屬濃度較低的地區(qū),微生物多樣性相對較高.張建等在研究鄱陽湖河湖交錯(cuò)帶重金屬污染對微生物群落和多樣性影響時(shí)發(fā)現(xiàn),污染比較嚴(yán)重區(qū)域的微生物多樣性比受重金屬污染較輕區(qū)域的高,說明微生物多樣性并不完全與重金屬污染程度呈線性關(guān)系,也可能與其他因素有關(guān)[41].

一般來說,重金屬的積累會對微生物的活性產(chǎn)生毒害作用[42].隨著沉積物中重金屬濃度不斷積累,周圍環(huán)境中的微生物活性受到顯著影響,甚至能夠毒害某些微生物,嚴(yán)重改變微生物群落結(jié)構(gòu).不同重金屬抑制微生物細(xì)胞或酶活性的作用也不同,例如,沉積物中Zn離子的存在會抑制微生物細(xì)胞活性,阻止細(xì)胞正常代謝分裂,甚至在Zn離子濃度過高時(shí),會對微生物群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生消極影響[43].某些重金屬如Hg、Cd、Pb能在微生物細(xì)胞中形成特定復(fù)雜的化合物對微生物產(chǎn)生毒性.其原理為這些重金屬離子在沉積物積累濃度較高時(shí),能夠與微生物體內(nèi)核酸蛋白酶類等大分子結(jié)合,將能夠維持微生物活性的金屬離子從其位點(diǎn)上替換出來,從而使微生物活性喪失[44].重金屬對微生物的毒害具體表現(xiàn)為:重金屬離子濃度過高會損傷微生物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),阻止胞外營養(yǎng)物質(zhì)的主動(dòng)運(yùn)輸(如Pb離子);還會使細(xì)胞分裂停止,中斷細(xì)胞的氧化運(yùn)動(dòng)(如典型重金屬Hg離子);金屬M(fèi)g還會使微生物基因突變,DNA鏈條斷裂,甚至抑制微生物體內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子的合成[45].也有研究發(fā)現(xiàn),有些微生物長期生活在高濃度的重金屬污染環(huán)境下會產(chǎn)生抗性,含有與DNA修復(fù)和重金屬抗性相關(guān)的基因[46].研究表明,從長期重金屬污染區(qū)分離的假單胞菌,硫桿菌和紅毛蟲的細(xì)菌菌株具有抵抗和減少重金屬的能力[47].大量研究表明微生物對重金屬的抵抗力代謝機(jī)制包括:①直接和完全地輸出離子,如Cd2+和Zn2+;②將離子輸出到周質(zhì),然后還原到較低的毒性和可溶性狀態(tài),如Cr6+;③將離子轉(zhuǎn)化為毒性較小的形式,然后外排,如Hg2+.常見重金屬對微生物的毒性機(jī)制如圖2所示.

圖2 常見重金屬對微生物的毒性作用機(jī)制圖

4 展 望

河湖水環(huán)境重金屬的污染愈來愈嚴(yán)重,研究者們對重金屬的污染特征做了大量研究.微生物群落對生態(tài)系統(tǒng)中的生物地球化學(xué)循環(huán)有著重要的調(diào)節(jié)作用.在受重金屬污染的環(huán)境中,水環(huán)境中的微生物會通過吸收、沉淀、氧化還原等作用降低受污染水體及沉積物環(huán)境中的重金屬濃度或毒性來維護(hù)河湖生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.河湖生態(tài)系統(tǒng)具有整體性,重金屬對微生物的作用機(jī)理是一個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜的過程,受多方面協(xié)同作用的影響.沉積物中的重金屬和微生物受到沉積物-水界面的物理、化學(xué)、生物等多種因素影響.未來在河湖治理方面,深入研究河湖沉積物中重金屬與微生物群落相互作用關(guān)系,探討重金屬對微生物的作用機(jī)理.一方面可以對沉積物中單一重金屬污染或多種重金屬復(fù)合污染下微生物作用機(jī)理的差異性進(jìn)行研究,另一方面可以利用基因組學(xué)和分子生物學(xué)等先進(jìn)技術(shù)深入研究超富集微生物在重金屬脅迫下所表現(xiàn)的重要生態(tài)學(xué)功能,利用生物修復(fù)技術(shù)采取相應(yīng)的措施保護(hù)凈化水體資源和維護(hù)河湖生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.