河流潜流带生物扰动对重金属铜(Cu)迁移的影响研究

赵晓田,宋进喜,2,程丹东

(1.西北大学 城市与环境学院,陕西省地表系统与环境承载力重点实验室,陕西 西安 710127;2.中国科学院 水利部 水土保持研究所,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100;3.中国科学院大学,北京 100049)

河流与地下水的相互作用主要发生于河床表面下或侧向的多孔渗透区,即潜流带(Hyporheic Zone)[1]。潜流带是流域污染物的迁移释放的重要场所[2-3]，又是多种生物的栖息地,其中大型无脊椎动物处于其食物链的顶层,对河流生态过程有显著影响[4]。生物扰动作用一般指大型无脊椎动物的掘穴、摄食、呼吸、灌溉和排泄等一系列生命活动的总称[5]。生物扰动直接或间接地改变沉积物微环境、结构特性及其物理化学和生物性质[6-7],改变沉积物的稳定性,造成颗粒重建和洞穴通水,进而改变沉积物颗粒的分布和沉积物的结构[8],对营养元素和污染物的分解与转化有重要影响[9],造成污染物复杂的环境行为[10]。

重金属具有难降解、生物累积和低浓度高毒性等特征,成为潜流带重要污染物,威胁水生生态系统功能[11]。沉积物是重金属重要的储存库[12],一定条件下,重金属从沉积物重新释放到水体中,造成水体的二次污染[13]。重金属被生物摄食累积到食物链中,进而影响整个生态系统及人类健康[14]。水丝蚓和摇蚊幼虫是淡水生态系统的常见大型无脊椎动物。它们生命周期短、繁殖率和生长率高,分布广泛,适用于重金属的毒性检测和水质监测[15]。水丝蚓是向上输送生物,其利用生物搬运作用使头部进入沉积物中,在沉积物内部摄食,排泄在沉积物-水界面,通过自身掘穴和代谢造成不同沉积物深度的物质交换[16]。摇蚊幼虫耐低氧,挖掘深层沉积物,通过身体的波形摆动呼吸,在沉积物中建造U型管状洞穴,其生物灌溉活动把上覆水引入洞穴中,促进溶解态物质在上覆水和间隙水间的移动和再分配[17]。

不同扰动类型的生物作用方式和强度影响重金属的迁移释放的过程[18-19]。以前研究集中于单一物种单一密度对重金属的影响,很少研究两种不同功能群生物的组合作用[18，20]。而在自然环境中多种生物共存,对污染物的迁移产生影响。本研究选取渭河流域优势物种水丝蚓和摇蚊幼虫,进行21d的室内微宇宙实验,研究生物扰动对Cu迁移的影响,比较不同密度下生物单一及组合扰动对上覆水和间隙水重金属Cu浓度和通量的影响。为进一步理解潜流带生物扰动过程及研究生物地球化学过程提供参考。

1 材料和方法

1.1 微宇宙实验设计

实验所用沉积物、河水及动物采自陕西省武功县白石滩渭河与漆水河交汇处下游(34°13′38″N; 108°10′33″E)。收集的渭河河水作为上覆水,使用前过0.064mm网筛,去除浮游生物和其他杂质。取沉积物表层15cm,过0.25mm网筛去除大型无脊椎动物,并在-20℃保存一周杀死所有生物。沉积物充分混合均匀。水丝蚓和摇蚊幼虫在原位收集得到。

室内微宇宙模拟实验共21d。实验装置为自制有机玻璃培养柱(内直径12cm,高20cm)。实验开始前10d,将15cm沉积物加入各培养柱,小心加入5cm上覆河水。同时,水丝蚓和摇蚊幼虫在有沉积物和河水的水槽中预培养10d。培养柱管壁侧面有5个小孔(距沉积物-水界面0.5,1.5,2.5,3.5,5cm)以获得距沉积物表面0～1,1～2,2～3,3～4,4～6cm的间隙水。不同深度的间隙水由Rhizon MOM间隙水采样器获得。把10 cm长的采样器包好疏水胶带后小心插入小孔中。培养柱沉积物部分都使用避光材料包裹,符合河流自然生境。将培养柱放入玻璃水槽(80 cm×30 cm×30 cm),并加入上覆水至淹没培养柱。循环泵曝气预培养,系统稳定10d确保上覆水均匀混合。

10d后,向各培养柱加入活性较强的水丝蚓和摇蚊幼虫,并设置无生物的对照组。实验设置9组,每组3个重复。实验处理组设置见表1。

表1 各处理组水丝蚓和摇蚊幼虫条数和密度(条/cm2)Tab. 1 Number of individuals and density at per treatment(ind/cm2)

1.2 样品测定与数据分析

在实验第1,3,6,10,14和21天,用针管注射器取上覆水和沉积物各层间隙水各5 ml。采样后,水样加硝酸至pH值为2,并与4℃冷藏保存,3天内测定重金属浓度[21]。重金属浓度使用火焰原子吸收光谱仪测定(Perkin Elmer PinAAcle 900T)。

在第1天第21天,收集沉积物并按照间隙水的分层,测定不同处理组的含水率、孔隙度以及计算沉积物-水界面重金属Cu扩散通量。沉积物含水率计算是通过沉积物烘干至恒重得到。沉积物-水界面重金属Cu扩散通量使用Fick第一定律通过计算上覆水和间隙水的浓度差得到[22]:

F=φDs(∂c/∂z)z=0

(1)

式中，F代表扩散通量;φ是表层沉积物孔隙度;Ds指分子扩散系数;(∂c/∂z)z=0代表沉积物-水界面的重金属浓度梯度。Ds通过以下公式计算[21]:

Ds=φD0(φ≤0.07)

(2)

Ds=φ2D0(φ>0.07)

(3)

D0是水温25℃时的分子扩散系数,D0(Cu)=7.33×10-6cm2·s-1。通量为正值代表重金属Cu从间隙水向上覆水中释放,负值代表从上覆水向间隙水中释放。

使用单因素方差分析确定生物密度和沉积物深度对不同处理组的沉积物含水率的影响效应以及生物密度对上覆水重金属Cu浓度的影响。双因素方差分析检验生物密度和深度对间隙水中Cu浓度的影响。并进行Turkey HSD事后检验,显著性水平为P<0.05。数据统计分析的方差分析使用Spss19.0进行,绘图由Origin9.0完成。

2 结果与讨论

2.1 生物扰动对沉积物含水率的影响

沉积物的含水率反映了其疏松紧实程度。对各处理组加入生物前和实验结束后的沉积物含水率进行测定的结果表明,不同生物的扰动作用对沉积物各层深度的含水率有不同影响。水丝蚓和摇蚊幼虫不同密度组沉积物含水率垂向分布如图1。加入生物前,各处理组含水率无显著差异(P>0.05)。实验结束后,生物组沉积物中含水率显著增加,各组间显著不同(P<0.001),而在不同深度无显著差异(P>0.05)。其中,水丝蚓组含水率的变化范围是36.0%～43.7%,最高值出现在水丝蚓高密度组沉积物的1～2 cm。摇蚊幼虫组含水率变化范围是35.9%～43.2%,其最高值在摇蚊高密度组的0～1 cm。摇蚊幼虫组含水率整体高于水丝蚓组。在混合组,含水率变化范围是36.1%～44.7%,最高值在混合组2的0～1 cm。混合组含水率高于水丝蚓和摇蚊幼虫的单一作用组,且混合组1含水率高于混合组2。

不同生物扰动作用对沉积物结构特征的影响程度不同。由于生物扰动产生的洞穴和过水通道增加了沉积物-水界面接触面积,沉积物结构疏松,颗粒间孔隙增加,从而使沉积物中含水率升高[8]。不同生物组含水率变化不同,摇蚊幼虫组高于水丝蚓组,而随深度变化不如水丝蚓组明显。水丝蚓垂直在沉积物中掘穴,在深层摄食并排泄在表层,对沉积物表层结构影响较大,同时促进了表层颗粒的再悬浮,显著增加了沉积物内孔隙度和含水率[16]。实验前期摇蚊幼虫构筑洞穴栖息,含水率较大幅度增加。后期摇蚊很少出现在沉积物-水界面,其进行间歇性运动,导致随深度变化仍不如水丝蚓组明显[8]。水丝蚓和摇蚊幼虫都是滤食性动物,争夺食物和空间,两者共同作用,造成混合组扰动强度增加,从而严重破坏沉积物结构,导致沉积物含水率高于单一扰动组[18]。生物密度与含水率正相关,这与生物扰动作用强度有关[19]。物种数量多,生物个体间相互作用,强烈扰动,对沉积物结构影响大。因此,不同处理组含水率的变化反映了水丝蚓和摇蚊幼虫通过对沉积物不同程度的扰动,进而对溶质运移产生显著影响。

图1 各处理组组沉积物含水率分布图Fig.1 Vertical distribution profiles of water content (Mean ± SD)in nine treatments

2.2 生物扰动对上覆水重金属Cu浓度的影响

生物扰动增加了上覆水中Cu浓度,不同生物及密度作用下Cu浓度变化情况不同(图2)。加入生物前,各处理组上覆水中Cu浓度没有显著差异(P>0.05)。无生物的对照组Cu浓度变化不明显,其变化范围是25.52～29.05 μg/L。水丝蚓组Cu浓度变化在高密度组尤为明显(图2a,b,c)。第1天到第10天Cu浓度逐渐增加,水丝蚓高密度组浓度持续最高,第10天达到最高浓度35.61μg/L,是对照组最高浓度的1.20倍。第10天到第21天,Cu浓度降低,水丝蚓高密度组浓度仍高于中、低密度组。实验结束各组浓度仍高于加入生物前。高密度组Cu浓度增加明显,高于中、低密度组,低密度组最低,但也明显高于对照组。方差分析结果表明,水丝蚓不同密度组Cu浓度具有显著差异(P<0.05)。水丝蚓密度越大,上覆水中Cu浓度越高。

摇蚊幼虫组Cu浓度先增加后降低再略回升(图2d,e,f)。第1天到第6天,Cu浓度逐渐增加,且摇蚊高密度组在第3天浓度达到最大值36.34 μg/L,是对照组最高浓度的1.42倍。第6天到第10天,各组Cu浓度降低,中密度组浓度由第6天32.45 μg/L在第10天降至28.21 μg/L。第10天至第21天,各组Cu浓度有增加趋势。摇蚊幼虫组Cu浓度在不同密度组无显著差异(P>0.05)。各密度组Cu浓度变化情况不同,高密度组浓度量值变化最剧烈。

混合组上覆水Cu浓度随实验时间先快速增加后降低再升高(图2h,i)。第1天到第3天,Cu浓度急剧增加。混合组1浓度由22.03 μg/L增加到36.93 μg/L,即达到Cu最高浓度是对照组最高浓度的1.45倍。第3天到第14天,Cu浓度总体逐渐降低,除混合组2的浓度在第6天增加到35.27μg/L。水丝蚓占优势的混合组1的Cu浓度变化比摇蚊幼虫占优势的混合组2变化明显。

图2 各处理组上覆水重金属Cu浓度变化图Fig.2 Variability of Cu concentration (Mean ± SD) in overlying water in nine treatments

水丝蚓和摇蚊幼虫的扰动促进了Cu从沉积物向上覆水中释放。生物活动促进颗粒运动和洞穴通水进而导致溶质在沉积物-水界面运输[23]。储存在沉积物中的重金属能通过生物扰动造成的颗粒再悬浮而从沉积物中释放出来[24]。对照组Cu的迁移主要是靠分子扩散,速率低。生物组Cu浓度显著增加,尤其是实验初期,生物建造洞穴,扰动强度大,促进作用最明显。重金属与Fe/Mn氧化物结合共沉淀与沉积物或被生物吸收造成上覆水Cu浓度降低。

上覆水Cu浓度变化与生物特定的生活习性有关。水丝蚓和摇蚊幼虫进入沉积物,由于要在沉积物中建穴定居,初期扰动剧烈,造成上覆水Cu浓度显著增加。水丝蚓通过自身代谢把深层沉积物运至表层,造成沉积物再分配,促进了重金属从沉积物释放到水体。完成建穴后,其扰动速率降低,重金属运动减弱,导致Cu浓度降低[16]。此外,表层的细颗粒物和生物可能会吸附重金属,造成Cu浓度降低。摇蚊幼虫的洞穴建造完成后,很少出现在沉积物表面,其造成的Cu的迁移在表层影响较小,引灌,冲刷等一系列生命活动在洞穴进行,扰动强度减小[25]。因此,水丝蚓通过自身的强烈的扰动对Cu在上覆水中的影响比摇蚊明显。多种生物共存,竞争食物和空间资源,一种生物的扰动会影响另一种生物的活动,进而影响物质的迁移释放[26]。混合组两种生物的扰动不是生物单一作用的相加,而是两种不同功能群生物都对生物地球化学过程有各自不同影响,共同作用,导致了复杂的生活环境,Cu浓度的显著变化与不同生物的扰动强度的变化有关。水丝蚓密度与上覆水Cu浓度呈正相关,以前研究带丝蚓密度同样与上覆水中Pb浓度成正比[19]。水丝蚓高密度组表面的管状洞穴尤为密集,其扰动作用明显高于中、低密度组。

2.3 生物扰动对间隙水中重金属Cu浓度及分布的影响

沉积物间隙水中Cu浓度在各处理组变化不同(图3，4，5)。生物扰动增加了间隙水Cu的含量,尤其是表层沉积物。间隙水中Cu浓度随采样时间增加且高于上覆水。加入生物前,各组Cu浓度无显著差异(P>0.05)。生物组Cu浓度在不同时间不同深度增加到最大值,之后减小。对照组Cu浓度随时间变化不明显,浓度变化范围是22.12～29.42 μg/L。

水丝蚓组间隙水Cu浓度先增加后减少(图3)。第1天到第3天,各深度Cu浓度逐渐增加,且在第3天高密度组达到最高值41.97 μg/L,是对照组最高浓度的1.90倍。第3天到第21天,各组Cu浓度降低,其中,第3～6天降低趋势尤为明显。高密度组Cu浓度高于中、低密度组,不同密度组差异较大。水丝蚓组Cu浓度受密度影响显著(P<0.01),同时也受沉积物深度影响(P<0.05),生物密度和深度的交互作用影响不大(P>0.05)。

图3 水丝蚓组间隙水重金属Cu浓度变化图Fig.3 Variability of Cu concentration (Mean ± SD) in pore water in worm treatments

摇蚊幼虫组间隙水Cu浓度随时间呈先增加后减小趋势(图4)。第1天到第6天,Cu浓度逐渐增加,各组都达到最高浓度,不同密度组Cu浓度差别较大。高密度组Cu浓度在第6天达到43.25 μg/L,是对照组最高浓度的1.96倍;中密度组第6天最高浓度为39.37μg/L;低密度组最高浓度在第3天为38.25 μg/L。第6天起,Cu浓度出现降低趋势,第6～10天尤为明显。各组Cu最高浓度都出现在沉积物表层0～1或1～2 cm。摇蚊幼虫组Cu浓度受密度影响显著(P<0.001),而受沉积物不同深度以及生物密度和深度的交互作用影响不显著(P>0.05)。

图4 摇蚊幼虫组间隙水重金属Cu浓度变化图Fig.4 Variability of Cu concentration (Mean ± SD) in pore water in larvae treatments

混合组间隙水Cu浓度随时间和深度变化(图5)。第1天到第6天,Cu浓度逐渐增加,混合组1浓度高于混合组2。第6天,混合组1的Cu浓度在沉积物2～3 cm达到最高值44.12 μg/L,是对照组最高浓度的1.99倍。混合组2的Cu浓度也在第6天2～3 cm深度处达到最高值41.23 μg/L。水丝蚓占优势的混合组1中Cu浓度高于摇蚊幼虫占优势的混合组2,且变化相对剧烈。混合组Cu浓度有显著差异(P<0.001)而不同深度及不同组别和深度的共同影响无明显差异(P>0.05)。

图5 混合组间隙水重金属Cu浓度变化图Fig.5 Variability of Cu concentration (Mean ± SD) in pore water in the mixed treatments

生物扰动提高了间隙水重金属的垂直迁移能力,其对Cu浓度的影响与生物密度有关。生物密度大,掘穴和摄食活动增加了颗粒再悬浮,促进了沉积物中重金属Cu向水体的迁移,增大了间隙水Cu浓度。间隙水中Cu浓度变化可能是由于其与Fe/Mn氧化物结合,氧化环境下,Fe/Mn氧化物能吸附更多的重金属Cu,降低Cu在间隙水的浓度[27]。只有在水丝蚓组,间隙水Cu浓度与深度有关,这与其垂直方向的生物搬运活动有关。随深度Cu浓度减少主要是由于水丝蚓主要其中在表层,深层生物扰动强度的减弱。

水丝蚓和摇蚊幼虫的摄食、排泄及掘穴活动使沉积物颗粒再分配,促进重金属从沉积物中释放。两种生物活动方式不同,对沉积物结构影响不同,导致它们增加的界面接触面积也不同[8,23]。水丝蚓洞穴密集,持续扰动使表层沉积物和深层沉积物间进行物质交换,间隙水中重金属Cu浓度变化显著。摇蚊幼虫在洞穴摄食和呼吸,通过其生物灌溉作用,使上覆水冲刷U型洞穴,造成上覆水和间隙水间物质的直接移动[13]。但是摇蚊幼虫进行间断性机械运动,当所需氧气限制自身呼吸及各项生命活动时和食物缺乏时,才会通过灌溉作用进行呼吸和觅食[18]。随着生物活动产生洞穴和过水通道的增多,含水率增加,沉积物与水的接触面积逐渐增大,有助于沉积物中重金属的释放和运移。混合组的Cu浓度变化比单一生物组剧烈,说明生物间的不同扰动方式比同种生物作用对沉积物影响更大,其促进作用更明显。水丝蚓占优势的混合组1比摇蚊幼虫占优势的混合组2中Cu浓度高可能是由于水丝蚓在沉积物-水界面持续摆动身体,造成摇蚊幼虫向深层沉积物移动,两者相互作用,造成沉积物中重金属释放强烈。此外,间隙水Cu可能被水丝蚓和摇蚊幼虫吸收进入体内,在生物体内累积,降低浓度,对食物链和整个生态系统造成破坏[28]。

2.4 生物扰动对沉积物-水界面重金属Cu通量的影响

水丝蚓和摇蚊幼虫的扰动促进了沉积物水界面Cu扩散通量的变化(图6)。 第1天各组Cu扩散通量值较低且方向不同, 量值变化范围为-20.82～30.81μg·m-2·d-1。水丝蚓低、中密度组和摇蚊高密度组的通量为负值,其他组均为正值。第21天通量值变化范围是-71.68～62.65 μg·m-2·d-1。水丝蚓组通量为正值,而在摇蚊幼虫组和混合组为负值。扩散通量值在水丝蚓组有显著差异(P<0.01),与密度呈正相关。

(a)水丝蚓组;(b)摇蚊幼虫组;(c)混合组图6 第1天和第21天沉积物-水界面重金属Cu扩散通量Fig.6 Variation in Cu diffusive fluxes at the sediment-water interface

生物扰动改变了表层沉积物的含水率和界面接触面积,影响重金属运移,进而影响沉积物-水界面的重金属通量[29-30]。加入生物前,Cu通量改变主要通过分子扩散,上覆水和间隙水间的浓度梯度是主要动力。加入生物后,重金属通量与生物扰动和自然扩散的共同作用有关[27]。水丝蚓促进了Cu由间隙水向上覆水中扩散,造成水体二次污染。水丝蚓的垂直运动促进了不同深度沉积物颗粒混合,沉积物-水界面的管状洞穴有利于物质交换[23]。水丝蚓通过掘穴、摄食和排泄活动,促进沉积物垂向混合,这种生物搬运作用提高了Cu的扩散效率和量值,且密度越大促进作用越明显。这说明水丝蚓是一种密度依赖型生物。而摇蚊幼虫的摄食和呼吸把上覆水引灌至间隙水,这种生物灌溉作用促进Cu由上覆水向间隙水迁移,有利于河水净化。摇蚊幼虫通过生物灌溉把氧气和上覆水带入洞穴,增加了间隙水和上覆水的联系,从而造成向下运输过程[18]。混合组,生物扰动通过对沉积物的颗粒重建和洞穴通水改变了生物的栖息地特征及食物可利用性,以及物种间相互作用,从而造成较强烈的扰动行为。混合组通量量值较小而且与摇蚊幼虫的扩散方向相同,这说明摇蚊幼虫扰动能在一定程度上抑制水丝蚓的搬运活动,从而促进水体恢复。

3 结 论

本研究模拟了潜流带水丝蚓和摇蚊幼虫的不同密度的单一扰动和组合扰动对重金属Cu迁移的影响。得出以下结论:

1)水丝蚓和摇蚊幼虫的生物扰动显著增加了上覆水中重金属Cu浓度,表明生物的掘穴、摄食以及水丝蚓的生物搬运和摇蚊的生物灌溉等活动能明显促进重金属从沉积物中的释放。混合组两种生物的竞争与相互作用导致其释放浓度高于单一生物组。且水丝蚓组的促进效果与其生物密度呈正相关。

2)水丝蚓和摇蚊幼虫的生物扰动显著增加了间隙水中重金属Cu浓度。生物扰动增加了沉积物的含水率,促进了沉积物中颗粒的再活动。摇蚊幼虫在沉积物中扰动强度高于水丝蚓,混合组的扰动强度最大。间隙水中Cu浓度受水丝蚓和摇蚊密度的显著影响,密度越大,迁移效果明显,浓度越高。

3)水丝蚓促进了Cu通量由间隙水向上覆水扩散,而摇蚊幼虫显著增加了Cu向间隙水的迁移。混合组主要受摇蚊影响,且在摇蚊占优势组促进向间隙水迁移作用明显。这说明摇蚊幼虫扰动能抑制水丝蚓的生物搬运,对河流净化有重要意义。研究结果肯定了生物扰动作用对重金属迁移的影响效应,对河流潜流带重金属防治的生态学机制有指导意义。今后在多种生物混合扰动方面需做进一步研究。