蓝藻水华对沉积物汞迁移释放的影响

汤雨霖 姜霞 陈春宵

（1.哈尔滨商业大学 生命科学与环境科学研究中心，黑龙江 哈尔滨 150076 ;2.中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室， 北京 100012）

随着湖泊富营养化程度的加剧，蓝藻水华成为了湖泊生态系统中一个普遍存在的问题，也是全世界富营养化湖泊面临的重大问题。国内外很多专家学者对湖泊蓝藻水华机制开展了大量研究，发现沉积物中蓝藻的复苏和分裂是导致蓝藻增加的主要原因之一[1]。且蓝藻生长迅速，只要在合适的条件下（光照、温度、营养盐、水动力），蓝藻能迅速增长，并在短期内形成水华[2]。蓝藻水华可引起一系列水体环境因子的剧烈变化，如溶解氧（DO）、氧化还原电位（Eh）、pH值、叶绿素含量和可溶性有机质（DOC）的变化等。水华爆发过程中，水体pH值会经历逐渐上升后又逐渐开始下降的过程[3]。而水体溶解氧（DO）在每次规模性蓝藻水华爆发期变化剧烈，白天出现过饱和状态，夜晚又出现缺氧甚至厌氧状态，其主要受水华生消过程中藻细胞光合作用产氧的影响[4]。同时在水华爆发后期由于藻类大量死亡导致DO回落至同期最低，甚至转变成为厌氧条件。而这些环境因子也是影响汞生物地球化学行为的重要因素。

蓝藻水华是一个快速增殖的过程，蓝藻在白天的光合作用和黑夜的呼吸作用必然会对水-沉积物界面产生影响，从而影响沉积物中汞的迁移释放[5]。因此，本研究以室内模拟方式开展蓝藻水华对沉积物中汞迁移释放的影响研究，摸清蓝藻水华中各形态汞在上覆水及藻类之间的动态分布，及关键环境条件的动态变化，从而评估蓝藻水华对沉积物汞迁移释放分布的影响。对研究湖泊富营养化对沉积物中汞的迁移释放过程影响机制提供重要支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2013年8 月，沉积物采自太湖梅梁湾，用彼得森采泥器采集表层10cm的沉积物样品，混合均匀后装入干净的聚乙烯自封袋中，排出空气，密封后尽快运回实验室后滤去水分冷藏保存。试验前开始解冻，测定其含水率，加入外源性汞（单元素标准溶液，介质为HNO3），使沉积物中的汞含量达到5mg/kg，并机械均化，稳定20天供试。

供试铜绿微囊藻来自中国环境科学研究院湖泊基地藻种库，采集于太湖上覆水体，经实验室分离纯化培养后得到．使用前用BG-11（中国环境科学研究院湖泊基地提供配方）培养基在光照培养箱中预先培养至对数生长期。

1.2 试验方法

1.2.1 培养方法

试验在若干圆形有机玻璃柱中进行，在玻璃柱中添加均匀沉积物至10cm处，小心加入BG-11培养基至于50cm处，使沉积物和水的比例达到1:4。有机玻璃柱分为2组，每组8柱，第一组往里添加适量对数期藻液，使柱子中藻类的初始藻密度为1.2×106个/mL。第二组为不添加藻的对照组。将上述两组有机玻璃柱置于25℃，光照强度为2500LX的恒温光照培养箱培养，光照与黑暗比为12h/12h，湿度为75%RH。设定试验周期32 d。

1.2.2 取样方法

每隔96h，从每组中取出一个玻璃柱（取出的玻璃柱不再放回培养箱培养），测定上覆水体中的藻密度、DHg、THg等含量；并在此96h内每天测定上覆水体中的DO、pH。取出玻璃柱中的上覆水在48h内离心获取无藻上覆水（4℃恒温、转速3000r/min），无藻上覆水经0.45μm聚酯砜滤膜（millipore）过滤后装入预先超净处理的比色管中，加0.5%的超纯盐酸密封保存于冰箱中，水体中的THg为藻体内Hg和水体中的DHg之和。

1.3 样品的分析方法

1.3.1 水样

上覆水体中藻密度的测定方法见1.3.2.1。水体中的Hg采用冷原子荧光光谱法（AFS-3100双道原子荧光光度计）进行测定；藻体内的Hg采用硝酸水浴消解-冷原子荧光光谱法测定。水体中pH和DO的测定采用便携式SG68多参数测试仪。

1.3.2 藻类生长的测定

浮游植物生物量(N)用藻细胞密度表示。用血球计数板(XB-K-25型)在显微镜LEICA DM750)下计数并计算其生物量。每个样品重复测定3~6次，平行样之间的相对偏差小于10%。

2 结果与分析

2.1 铜绿微囊藻的生长情况

2.1.1 铜绿微囊藻培养过程中藻密度的变化

从图1中可以看出，在培养过程中铜绿微囊藻经过短暂适应后迅速生长，早期藻密度随着培养时间的增加而逐渐增大，由培养初期的1.2×106个/mL上升到了后期的6.1×107-6.4×107个/mL。在培养过程中，铜绿微囊藻类的生长过程明显表现出三个阶段：0-12天呈线性增长阶段，铜绿微囊藻的藻密度仅出最初的1.2×106个/mL上升到了9.4×106个/mL；12-24天为快速增殖阶段，此阶段的增长速率最快，第24天时藻密度已经达到了6.2×107个/mL，该阶段为指数型增长；24-32天为稳定阶段，铜绿微囊藻的生长进入稳定期，藻密度上下浮动，但整体变化不大。

图1 铜绿微囊藻培养过程中藻密度的变化

2.1.2 藻类生长对沉积物中汞释放能力的影响

由于本实验上覆水为培养基，且所用铜绿微囊藻为实验室分离纯化后得到，因此上覆水体中增加的汞含量主要来自于沉积物的释放。

加藻组水体中的THg含量明显高于对照组，这说明藻类的生长促进了沉积物中汞的释放。从两组实验水体中THg含量的差值上看，随着培养时间的延长，两组实验水体中THg含量的差值先升高后降低再逐渐升高。从图8中可以看出，前12天两组实验水体中THg含量的差值上升最快，第12天浓度差达到了27 µg/Lug/L。12-20天两组实验水体中THg的浓度差逐渐缩小，第20天浓度差降到了18 µg/L；随后两组实验水体中THg的浓度差又逐渐增大，在培养后期水体THg的浓度差迅速由第28天的19 µg/L上升到了34 µg/L。

图8 培养过程中加藻组和无藻组水体中THg含量差值的变化

从时间上看，0-12天刚好处于藻类生长的初期，尽管该时期藻类生长速率较慢，但藻类对水体中的汞具有较强的吸附能力，能将沉积物释放出来的汞迅速吸收自体内，从而维持水与沉积物之间的浓度差，更能有效促进沉积物向水体的释放，提高水体中汞的含量。12-24天，藻类进入快速增殖期，水体中的藻密度和叶绿素含量均显著增加，从而提高了水体中溶解性有机碳含量[6]，而升高溶解性有机碳含量有助于上覆水体中的汞以溶解态形式存在[7]，提高水体中溶解态汞的比例，从而降低了水体与间隙水之间的浓度差。同时，随着培养时间的延长，上覆水体中汞含量增多也降低了水体与沉积物之间的浓度差。因此，该阶段沉积物中汞的释放能力反而有所下降。在培养实验末期，藻类生长进入稳定期，此阶段藻类的生长和死亡量都增加，而死亡藻类对重金属的吸附能力更强，进一步扩大了沉积物与水之间的浓度梯度，促进了沉积物中汞的进一步释放。

3 结论

（1）铜绿微囊藻的生长繁殖加大了沉积物中汞的释放能力，与对照组相比，加藻组上覆水体中汞含量明显升高。

（2）铜绿微囊藻对汞具有较强的吸附能力，水体中约有64%的汞被其吸收。

（3）沉积物中汞的释放能力随着铜绿微囊藻生长先升高后降低。

[1]. Yamamoto Y. Contribution of bioturbation by the red swamp crayfish Procambarus clarkii to the recruitment of bloom –forming cyanobacteria from sediment [J]. Journal of Limnology,2010,69(1):102-111.

[2]. Tan X, Kong F, Zeng Q,et al. Seasonal variation of Microcystis in Lake Taihu and its relationships with environmental factors [J].Journal of Environmental Sciences, 2009, 21(7): 892-899.

[3]黄钰铃,纪道斌,陈明曦,刘德富. 水体pH值对蓝藻水华生消的影响[J]. 人民长江,2008,02:63-65.

[4]黄钰铃,陈明曦. 水华生消模拟及其溶解氧变化过程分析[J]. 环境科学与技术,2013,10:67-72.

[5]李杰颖. 污染土壤中汞的形态特征及其释放的初步研究[D].贵州大学,2008.

[6]张永亮,张浩江,谢水波,唐东山,陈珊,王水云. 藻类吸附重金属的研究进展[J]. 铀矿冶,2009,01:31-37.

[7]何天容,冯新斌,郭艳娜,孟博,李仲根,仇广乐. 红枫湖沉积物中汞的环境地球化学循环[J]. 环境科学,2008,07:1768-1774.