颤蚓扰动作用对铅镉在沉积物-水相中迁移的影响

路永正,阎百兴 (中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林 长春 130012)

颤蚓扰动作用对铅镉在沉积物-水相中迁移的影响

路永正,阎百兴*(中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林 长春 130012)

采用实验室模拟的方法,研究颤蚓的扰动对松花江上游沉积物中Pb、Cd迁移过程的影响,并分析了Pb、Cd在生物体内的富集过程.结果表明,生物扰动带来的悬浮作用造成沉积物中Pb和Cd的释放,被释放的Pb和Cd主要吸附在悬浮颗粒中,在颤蚓体内的富集并不明显;而添加Pb后,颤蚓体内Pb浓度随时间延长明显增加,主要与颤蚓的新陈代谢方式有关.在没有生物扰动的处理中,显著增加的Pb主要集中在表层,而有生物扰动的处理中,在不同深度沉积物中均有增加.生物的扰动不仅显著增加了水中Pb和Cd浓度,而且促进水相中的Pb向沉积物深层的扩散.

生物扰动；沉积物；重金属；迁移

生物扰动行为对于物质在沉积物-水界面的迁移起着非常重要的作用.有研究发现,深海沉积物中沉积层碳酸盐的溶解及沉积物颗粒的分布变化主要与生物扰动有关[1-3].Turnewitsch等[4]认为食物供给对生物扰动强度仅仅产生间接的影响.Ciutat等[5]发现扰动过程中不同时间加入藻类物质对沉积物中 Cd释放的影响也不相同.一些研究者采用数学模型量化了生物扰动造成的扩散系数[6-7].然而,关于扰动生物体内的重金属富集过程以及对重金属向沉积物扩散过程中的影响相对较少.松花江上游支流苇沙河沉积物长年遭受选矿及黄金冶炼废水的严重污染,沉积物中重金属的释放对下游饮用水水源地以及地下水水质产生一定的影响[8],而生物扰动的作用还不清楚.基于此,本研究中采用松花江流域常见的杂食性动物颤蚓为模式生物探讨颤蚓扰动在沉积物中Pb、Cd释放过程中的作用以及对添加的Pb从上覆水向沉积物中迁移的影响,并分析了2种过程中重金属在生物体内的富集程度.

1 材料与方法

1.1 材料与装置

于2008年5月采集松花江上游苇沙河沉积物样品.样品采集后,在实验室风干,过 100目筛.生物扰动下Pb和Cd在沉积物-水相中的迁移实验在玻璃缸中进行,如图1所示.沉积物、水和生物放在圆柱型玻璃容器中,容器直径为 5cm,高17cm.

图1 实验装置示意Fig.1 Experiment equipment outline

1.2 颤蚓扰动对沉积物中Pb和Cd释放的影响

向玻璃圆柱内加入沉积物 100g,颤蚓 3.4g,缓缓注入 200mL自来水(放置数日以去除水中Cl2),避免扰动造成沉积物的再悬浮.在每个玻璃圆柱中通入空气保证上覆水中有足够的 DO,在第1, 3, 5, 7, 11, 14, 18, 21, 28d取样,同时进行对照实验(不加入颤蚓).共放置36个玻璃圆柱(每组2个平行样).

用塑料注射器采集玻璃圆柱中心区水样品,一份不过滤,另一份采用 0.45µm滤膜过滤以分析溶解态和重金属总量,取2个平行样.溶液中加入0.5mL浓HNO3,4℃保存.取样同时使用美国哈希 2100P便携式浊度计测定水溶液中的浊度(NTU).将玻璃圆柱容器中颤蚓取出后,洗净,吸干表面水分,HNO3消解以分析每个玻璃圆柱内生物体内Pb、Cd含量.

1.3 颤蚓扰动对添加的 Pb向沉积物中扩散的影响

向玻璃圆柱中加入沉积物 234g,颤蚓 7.5g.将每个单元玻璃圆柱放入玻璃缸中,玻璃缸中注入100L的自来水.玻璃缸中共放置20个单元玻璃圆柱,其中 10个为对照(不加入颤蚓),另外 10个加入颤蚓.在玻璃缸中加入Pb(NO3)2溶液,使上覆水中Pb浓度约为20µg/L(相当苇沙河水体中Pb的浓度),上覆水每天更换以保证污染物的浓度,充分搅拌使水中金属浓度均匀,并通入空气以保证水中足够的 DO.在第 7,14,21,28,35d取样,每次取4个玻璃圆柱容器,对照和加入颤蚓的各2个.不同深度的沉积物中 Pb浓度按照 0～0.5, 0.5～1,1～1.5,1.5～2,2～3,3～5,5～10cm 取样.采用虹吸法吸出沉积物上面的水,根据深度从上至下逐层用塑料勺取出,混合均匀,在阴凉处干燥.同时取出颤蚓测定体内Pb含量.沉积物中重金属利用HNO3-HClO4体系进行消解,原沉积物中Pb、Cd含量分别为87.8µg/g和20.2µg/g.Pb,Cd含量采用美国热电公司Solar-M6型原子吸收分光光度计测定.

2 结果与讨论

2.1 颤蚓扰动对沉积物中Pb、Cd释放的影响

由图2可见,在没有扰动生物存在的条件下,上覆水中的浊度较低,约为 2.0NTU,这主要是溶液的曝气扰动带来的影响.在有颤蚓的处理中,实验开始时,溶液中的浊度较高(7.1±1.5),这主要由于加入扰动生物所引起的.

图2 上覆水中浊度随时间变化过程Fig.2 Turbidity in overlying waters as a function of time

在颤蚓存在情况下,从实验开始一直到第11d,上覆水中的浊度逐渐升高,达到最大值(15.5±2.6).然后,浊度开始下降,到实验结束时(第28d),浊度变为(8.8±2.1).随着实验时间的延长,浊度增加主要是由于颤蚓向较深处觅食或到沉积物-水界面的呼吸活动.Rasmussen等[9]研究也发现颤蚓活动使沉积物发生再悬浮的现象,造成溶液中的浊度显著增加.当颤蚓找到了适合自己栖身的位置,扰动的强度逐渐减弱,水中的浊度也逐渐减小.

有无颤蚓扰动作用下沉积物释放 Pb和 Cd的浓度见图 3(a,b).有颤蚓处理方式下,从实验开始一直到第14d,溶液中的总Pb,Cd(未过滤)浓度逐渐升高,分别达到 12.90,1.64µg/L,然后显示逐渐降低的趋势,分别达到7.78,1.46µg/L.而溶解态(过滤) Pb和Cd在实验时间内一直保持较低的浓度,增高的趋势较小.在不存在颤蚓的条件下,溶液中Pb和Cd的浓度开始时逐渐升高,然后随时间的延长逐渐趋于稳定,上覆水中Pb和Cd浓度的增加主要是由于沉积物孔隙水中的金属经由分子扩散作用向上覆水中迁移的结果.

图3 上覆水中Pb和Cd的浓度随时间的变化Fig.3 Pb and Cd concentrations in overlying waters as a function of time

浊度与总Pb和Cd的浓度存在明显的正线性关系(P＜0.001),而与溶解态金属线性关系并不显著.可以推测,Pb和Cd的释放主要是生物扰动造成沉积物的悬浮作用引起的,而且溶解态的金属含量较低,说明释放到溶液中Pb和Cd主要吸附在悬浮颗粒上.Rasmussen等[9]和Ciutat等[10]的研究发现与无生物扰动的系统相比,生物扰动行为明显增加了沉积物中重金属向上覆水中的释放,主要由于富集在较深层沉积物中的溶解态金属通过生物扰动或扩散作用从孔隙水中释放出来,以颗粒态或吸附在悬浮颗粒物中的形式存在[11-12].松花江流域春夏季节是颤蚓繁殖和发育的主要时期,颤蚓的活动对沉积物中金属的释放会带来较大的影响,将增加了江水中重金属的浓度.

图4 颤蚓体内Pb和Cd的浓度随时间的变化Fig.4 Pb and Cd contents in worms as a function of time

颤蚓体内 Pb和 Cd的背景浓度分别为9.31,0.65µg/g.由图4可见,28d以后,Pb和Cd的浓度分别达到 10.50,0.69µg/g,有一定程度升高,说明生物扰动不仅造成了沉积物中重金属释放到上覆水中,并且在生物体内逐渐积累.但是与上覆水中较高的金属浓度相比,生物体内累积增量较小,4周内颤蚓体内Pb、Cd浓度仅分别增加了1.19, 0.04µg/g.这主要与颤蚓的代谢方式有关.生物累积是利用生物新陈代谢作用产生的能量,通过单价或二价离子的离子转移系统把金属离子输送到细胞内部.研究中颤蚓主要通过两个过程富集 Pb,Cd,一个是直接暴露过程,即与水相中金属的直接接触;另一个是营养过程,即吸收沉积物中的营养物质.有研究[13-14]表明颤蚓通过表皮吸收使重金属在生物体内得到累积.因为水中颗粒相对较大,释放的Pb,Cd主要吸附在悬浮颗粒中,溶解态的金属浓度非常少,即使上覆水颗粒中金属浓度较高,只有较少的金属在体内得到富集.

2.2 颤蚓扰动对添加的 Pb从上覆水向沉积物迁移过程的影响

通过每天对玻璃缸内周期性换水前后水中Pb浓度的测定,结果发现,换水后浓度为21.2µg/L,再次换水前水相中为 14.5µg/L,说明沉积物和颤蚓对水相中Pb的吸附减少了水相中的Pb含量.由图5可见,当上覆水中添加Pb后,颤蚓体内Pb浓度随实验时间延长明显增加.与背景值9.31µg/g相比,35d后生物体内Pb浓度增加了近4倍(34.1µg/g).说明颤蚓对Pb有一定的富集能力.这主要是颤蚓体内酶的作用.颤蚓肠道分泌物中包括纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶、过氧化物酶等多种生物酶,这些天然酶制剂活性极高,由于酶分子是蛋白质,金属与生物体内蛋白中的巯基(—SH)或二巯基(—S—S—)结合,导致蛋白的结构和功能发生改变,抑制三磷酸腺苷 (ATP)的合成,从而使其细胞代谢紊乱[15].因此,颤蚓对 Pb表现出明显的富集作用.然而,在释放实验中,上覆水中 Pb含量虽然较高(12.90µg/L),但是颤蚓体内Pb浓度增加很少,说明颤蚓主要吸收溶解态物质.沉积物中释放的Pb不能被生物吸收,而添加的溶解态Pb却可以在生物体内明显富集.

图5 添加Pb后颤蚓体内Pb的累积Fig.5 Pb contents in worms as a function of time when Pb was added

由图 6可见,随实验时间的延长,不论颤蚓是否存在,Pb在沉积物中都明显富集.但是,颤蚓存在下 Pb的积累过程与对照相比有着明显的差别.在没有颤蚓的对照处理中,显著增加的 Pb主要集中在表层 0～1cm中,随着时间延长,表层积累的Pb含量越高,在实验结束时(35d),表层沉积物中 Pb含量达到 98.8µg/g.在有颤蚓的处理中,不仅表层0～1cm的Pb含量增加,0～5cm的Pb含量也不同程度的增加,实验结束时(35d),Pb浓度最大达到 100.1µg/g,这种差异是两种不同方式作用的结果.在没有颤蚓的对照处理中,Pb主要利用扩散作用通过沉积物-水界面在沉积物中富集.而在有颤蚓的处理中,Pb在沉积物中的富集是通过颤蚓扰动和自然扩散的双重作用.颤蚓通过觅食、挖掘、呼吸及排便等活动使沉积物颗粒位置以及Pb的吸附位在沉积物-水界面经常发生更新,从而促使 Pb向较深层的沉积物中运动[11].

图6 有无颤蚓存在下35d内沉积物中Pb的累积Fig.6 Pb contents in sediments during 35d exposure to two treatments

生物扰动显著影响水相中的重金属向沉积物中的迁移.在有较多生物存在的水-陆交界区,DO含量较高,有助于生物的活动,促进水相中的重金属向沉积物深处的扩散.

3 结论

3.1 颤蚓扰动使沉积物发生再悬浮,造成溶液浊度显著增加.颗粒态Pb和Cd浓度与浊度变化趋势一致,溶解态Pb和Cd一直保持较低的浓度,随扰动时间延长增高趋势较小.

3.2 释放到溶液中的Pb和Cd主要吸附在悬浮颗粒中,沉积物中释放的重金属不能被生物吸收,而添加的Pb却在生物体内明显富集.

3.3 扰动生物的存在明显促进上覆水中污染物向沉积物的深处迁移.

[1] Gerino M, Stora G, Weber O. Evidence of bioturbation in the Cap-Ferret Canyon in the deep northeastern Atlantic [J]. Deep-Sea Research II, 1999,46:2289-2307.

[2] 杜永芬,张志南.菲律宾蛤仔的生物扰动对沉积物颗粒垂直分布的影响 [J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2004,34:988-992.

[3] 韩 洁,张志南,于子山,等.菲律宾蛤仔对潮间带水层-沉积物界面颗粒物通量影响的研究 [J].青岛海洋大学学报, 2001,31(5): 723-729.

[4] Turnewitsch R, Witte U, Graf G. Bioturbation in the abyssal Arabian Sea: influence of fauna and food supply [J]. Deep-Sea Research II, 2000,47:2877-2911.

[5] Ciutat A, Gerinob M, Boudou A. Remobilization and bioavailability of cadmium from historically contaminated sediments: Influence of bioturbation by tubificids [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2007,68:108-117.

[6] Meysman F J R, Boudreau B P, Middelburg J J. Relations between local, non-local, discrete and continuous models of bioturbation [J]. Mar. Res., 2003,61:391-410.

[7] Mugnai C, Gerino M, Frignani M, et al. Bioturbation experiments in the Venice Lagoon [J]. Hydrobiologia, 2003,494:245-250.

[8] 王 宁,朱颜明,朴明玉,等.松花江上游地区汞污染的化学生态效应 [J]. 地理科学, 2005,6:737-741.

[9] Rasmussen A D, Banta G T, Andersen O. Cadmium dynamics in estuarine sediments: effects of salinity and lugworm bioturbation [J]. Environ. Toxicol. Chem., 2000,19:380-386.

[10] Ciutat A, Boudou A. Bioturbation effects on cadmium and zinc transfers from a contaminated sediment and on metal bioavailability to benthic bivalves [J]. Environ. Toxicol. Chem., 2003,22:1574-1581.

[11] Matisoff G. Effects of bioturbation on solute and particle transport in sediments [C]// Allen H E. (Ed.). Metal-contaminated aquatic Sediment [M]. Chelsea: Ann Arbor Press, 1995:201-272.

[12] Hare L, Saouter E, Campbell P G C, et al. Dynamics of cadmium, lead and zinc exchange betweennymphs of the burrowing mayfly Hexagenia rigida (Ephemeroptera) and the environment [J]. Can. J. Fish. Aquat. Sci., 1991,48:39-47.

[13] Bouche M L, Habets F, Biagianti-Risbourg S, et al. Toxic effects and bioaccumulation of cadmium in the aquatic oligochaete Tubifex tubifex [J]. Ecotoxicol. Environ. Safety, 2000,46:246-251.

[14] Back H. Epidermal uptake of Pb, Cd, and Zn in tubificid worms [J]. Oecologia, 1990,85:226-232.

[15] 周启星,孔繁翔,朱 琳.生态毒理学 [M]. 北京:科学出版社, 2004:307-352.

Effect of bioturbation by worms on the transport of Pb and Cd between sediments and waters.

LU Yong-zheng, YAN Bai-xing*(Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130012, China). China Environmental Science, 2010,30(2)：251～255

Effects of bioturbation by worms on the transport of Pb and Cd in the sediments sampled from the upstream of Songhua River were studied by the simulated testing, and the contents of Pb, Cd in worms were analyzed too. The results showed that bioturbation to sediment suspension would promote the release of Pb and Cd on the sediments. Pb and Cd derived from sediments were adsorbed on the suspending particalates, but not enriched in the worms. The contents of Pb in worms were markedly increased with exposure time when Pb was added into overlying water, mainly ascribed to the metabolic way of worms. Higher concentrations of Pb were oberserved only on the surface of sediments in the treatment without worms but in different depths with worms. Bioturbation not only increased significantly concentrations of Pb and Cd in waters, but promoted the diffusion from overlying waters to deeper parts of sediments.

bioturbation；sediment；heavy metals；transport

X131

A

1000-6923(2010)02-0251-05

2009-06-24

国家“973”项目(2004CB418502);中国科学院重要方向性项目(KZCX2-YW-Q06-03)

* 责任作者, 研究员, yanbx@neigae.ac.cn

路永正(1970-),男,吉林长春人,副研究员,博士,主要从事环境污染与控制研究.发表论文10余篇.