背角无齿蚌对养殖池塘底泥释放重金属的净化效果

陈修报，刘洪波，戈贤平，杨健

中国水产科学研究院淡水渔业研究中心，无锡 214081

0 前言

据《中国渔业统计年鉴》[1]和《中国渔业生态环境状况公报》[2]显示，我国淡水池塘养殖面积为2.53×106hm2，占淡水养殖总面积的 47.12%，为人类提供 22.86×106t水产品的同时，也面临着较为突出的重金属(如 Cu、Cd)污染。底泥是养殖池塘生态系统的重要组成部分[3]，通过吸附、解吸水体、渔药(如CuSO4)和残饵中的重金属，成为水环境重金属的“汇”与“源”[4-6]，其向水体释放的重金属不容忽视(可造成二次污染并对养殖对象产生毒害作用)[4-6]。研究表明，底泥中重金属如Cu、Zn、Pb和Cd向水体的释放量可分别高达0.6、0.5、0.76和 0.48 mg·kg-1干重(dry weight，dw)[7]。因此，必须对池塘底泥释放的重金属加以有效地防治。同时，这也非常符合国务院《“十三五”生态环境保护规划》中提出的“加大重金属污染防治力度”战略要求。

背角无齿蚌(Anodonta woodiana)原产于中国的长江和黑龙江[8]，现已广泛分布于我国各地区[9]和亚洲、欧洲、北美洲及中美洲[8-10]的淡水水体，具有培育珍珠[9]、提取抗肿瘤药物成分[11]、作为食用水产品[9]、作为肉食性鱼类和虾蟹类的饵料[9]、监测水环境[12-13]及净化水质[14-17]等重要的经济和生态价值。近年来，其在净化水质方面的作用受到了极大关注[18]。然而，利用背角无齿蚌净化水质主要集中于富营养化[14-16]，对于防治日益凸显的重金属污染的研究则较少[17，19]。仅见夏天翔等[19]在室内模拟条件下揭示背角无齿蚌对水体Cu、Zn和Cd的去除能力可分别达到 7、43 和 20 μg·kg-1·d-1；笔者曾将背角无齿蚌初步用于净化养殖水体，发现其对Al、Cr、Fe、Ni、Zn和Mo的最大去除率分别可达到63.0%、78.0%、12.7%、100%、80.6%和4.8%[17]。

作为之前研究工作[16-17]的延续和深入，本研究拟进一步探索代表性大宗淡水鱼—团头鲂(Megalobrama amblycephala)养殖池塘底泥释放重金属(Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Cd 和Pb)的特征，以及背角无齿蚌对底泥释放重金属的净化效果，以期为渔业生态环境重金属污染防治与渔业绿色发展提供支撑。

1 材料与方法

1.1 微型生态系统的建立

在室内模拟条件下建立微型生态系统。按照底泥厚度与水深之比为 3:28[20]，向 12个规格为 100×45×50 cm(长×宽×高)的玻璃缸底部铺上厚度为3.5 cm的底泥(取自中国水产科学研究院淡水渔业研究中心团头鲂养殖池塘0—10 cm的表层泥，质量约25 kg)，然后注入33 cm深的曝气自来水(150 L)。曝气自来水中重金属的背景含量很低:Al、Cr、Fe、Co、Ni、Cu和Pb均未检出，Mn、Zn、As、Mo和Cd浓度分别为5.5±0.07、19±0.3、0.2±0.02、2.3±0.04和0.02±0.03 μg·L-1(平均值±标准差，下同)。将底泥与水体充分混匀后静置 72 h，让底泥中的重金属充分释放。实验组分别放入2、4和6只人工繁育的背角无齿蚌[21](壳长 10.2±0.4 cm，壳宽 4.2±0.3 cm，壳高6.3±0.3 cm，质量为 130±19 g，n=36)，用聚乙烯网笼吊养于微型生态系统的中央位置，养殖密度分别约为13、27和40 只·m-3。对照组不放蚌，仅悬挂聚乙烯网笼，以保证吊养设施对系统的影响均等。对照组和不同养殖密度的实验组均设置3个重复，实验过程中不投饵。实验于底泥较易释放重金属的 10 月份开展[7]，周期为 30 d，自然光照，水温为19—22 ℃，pH 为 7.3—8.0，期间没有发生蚌死亡现象。

1.2 重金属检测

应用虹吸法采集微型生态系统的中层水。水样经0.22 μm针头式滤膜过滤器过滤，然后取30 mL于酸洗过的特氟隆定容瓶中，加入 5%的 HNO3(Merck，德国)。应用7500ce型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS，Agilent，美国)，以 Li、Sc、Ge、Y、In和 Bi为内标，同步测定 Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Cd和 Pb的浓度。通过添加标准溶液(Agilent，美国)分析回收率的方法，确认仪器的测量精度，上述12种重金属的回收率为98.9%—102.7%。

1.3 去除率计算方法

鉴于微型生态系统中底泥释放的重金属受到环境因素和背角无齿蚌作用的共同影响，因此，应用去除率(removal efficiency，RE)[22]分析背角无齿蚌对重金属的净化程度:

式中，CB是对照组水环境中重金属的浓度，CT是处理组水环境中重金属的浓度。RE＞0表示蚌能够对重金属起到净化作用；RE＜0则表示加剧了水环境重金属污染。

1.4 净化效果评价方法

相对污染指数(relative pollution index，RPI)能够有效评价净化水环境的效果[17]。RPI的计算公式为[17]:

式中，CB是对照组水环境中重金属的浓度，CT是处理组水环境中重金属的浓度，N是检测出的重金属种类。RPI＜1，表明蚌对重金属具有净化效果；RPI＞1则表明蚌未起到净化作用甚至加剧了重金属污染。

1.5 统计分析

应用SPSS 22.0统计软件的Mann-WhitneyU测验比较不同水环境的重金属浓度，two-way ANOVA分析净化效果与蚌养殖数量和处理时间的关系。应用Design-Expert 8.0统计软件的最小二乘法拟合蚌养殖数量、处理时间和重金属去除率之间的回归关系，进而用响应曲面法(response surface methodology)对各响应值进行优化。

2 结果与分析

2.1 重金属浓度变化

由表1可见:对照组水环境中As和Mo的最高浓度(即底泥向上覆水体的释放量最大)(P＜0.05)出现在第 0 d(实验起始点)，Cr和 Zn的最高浓度(P＜0.05)出现在第 10 d，Al、Fe、Co 和 Cu 的最高浓度(P＜0.05)出现在第30 d；Fe的最低浓度(即底泥向上覆水体的释放量最小)(P＜0.05)出现在第0 d，Al、Mn、Co、Ni、Cu和 Pb的最低浓度(P＜0.05)出现在第10 d，Cr和Zn的最低浓度(P＜0.05)出现在第20 d。根据微型生态系统中水体体积(150 L)及其重金属浓度(表1)、底泥湿重(25 kg)及养殖池塘底泥的平均含水率为(40.6%)[6]，按照文献[7]中底泥重金属释放量的计算方法，可以计算出底泥对Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo和 Pb的最大释放量分别为636、1.5、70.9、34951、10.3、36.9、34.0、53.2、72.4、48.8 和 3.0 μg·kg-1dw。

处理组Ni和Pb浓度变化不明显，Fe的平均浓度在后期出现下降，而其它重金属浓度总体呈降低的趋势(表1)。Al在20 d的4、6只蚌组中显著低于对照组(P＜0.05)；Cr在10 d的4、6只蚌组和30 d的所有处理组中显著低于相应的对照组(P＜0.05)；Mn和Co在10 d的6只蚌组高于对照组，而30 d的6只蚌组均显著低于对照组(P＜0.05)；Cu在10 d的6只蚌组高于对照组，而20 d和30 d的所有处理组均显著低于对照组(P＜0.05)；Zn在10 d的6只蚌组，20 d的2、4只蚌组及30 d的2只蚌组均显著低于对照组(P＜0.05)；As在10 d的6只蚌组高于对照组，而20 d和30 d的4只蚌组显著低于对照组(P＜0.05)；Mo在20 d的4只蚌组和30 d的6只蚌组均显著低于相应的对照组(P＜0.05)。表明背角无齿蚌能够对 Al、Cr、Mn、Co、Cu、Zn、As和Mo产生净化作用，最大去除率分别为 84.7%、98.0%、33.3%、14.3%、23.5%、69.4%、50.0%和13.0%。

表1 背角无齿蚌对不同水环境中重金属浓度的影响(μg·L-1, n=3)Table 1 Influence of Anodonta woodiana on heavy metal concentrations in different aquatic environments(μg·L-1, n=3)

不同组别的RPI见表1。其中10 d的所有处理组和20 d的4只蚌组的RPI大于1，而20 d的2、4只蚌组和30 d的所有处理组的RPI小于1。RPI的最大值出现在10 d的6只蚌组，由于对照组Mn、Co、Cu和Pb未检出，RPI高达24.4；最小值出现在30 d的4只蚌组，为0.71。

2.2 响应曲面优化分析

响应曲面法具有能够同步优化多种因素(减少试验次数)、对各因素的样本点需求量少(2个及以上水平即可准确预测响应值)、预测值更可信(比一次次的单因素分析方法更有效)等优点[23]。因此，应用响应曲面法对产生明显净化效果的重金属进行优化分析，结果显示背角无齿蚌对Al和As的去除率可进一步提升。蚌的养殖数量(q)和处理时间(t)与 Al和As去除率(RE)之间的响应曲面见图1。模型P＜0.01，表明所建立的回归模型极显著。q、t和RE之间的回归方程为:

据此得出q和t的最优组合分别为6.00只蚌(40 只·m-3)和 24.49 d、3.79 只蚌(25 只·m-3)和 23.96 d，在此最优条件下，对Al和As的去除率可进一步提升至93.8%和60.5%。

2.3 影响净化效果的因子分析

基于模拟自然条件下养殖池塘底泥释放的重金属实际浓度分析，由F值和相伴概率(p)可见:Al、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、As和Mo的净化效果与养殖数量显著相关；Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo和Pb的净化效果与处理时间显著相关；Cr、Co、Ni、Cu和Zn的净化效果与养殖数量和处理时间的交互作用显著相关(表2)。

3 讨论

底泥重金属通常包含 4种形态[24-25]，分别为可提取态、铁锰氧化结合态、有机结合态和残渣态。本研究可以认为是养殖池塘底泥在自然条件下释放重金属(不加任何浸提剂)，因此，释放到水体中的重金属主要来源于可提取态重金属。可提取态重金属离子通常被吸附或沉淀于碳酸钙的表面，容易重新释放到水体中[24-25]。虽然可提取态重金属在底泥重金属总量中所占比率不太高，例如Ni、Cu、Cr、Pb、Mn和Zn的平均比率分别为8.1%、21.8%、2.3%、11.4%、24.0%和 14.5%[24]，但其极易被生物直接吸收利用因而对生物体的危害最大[25]。

图1 不同养殖数量和处理时间的背角无齿蚌对水环境中Al和As去除率的响应曲面Figure 1 Response surface of the effect of Anodonta woodiana with different quantity and treatment time on removal efficiency of Al and As in aquatic environment

本研究中底泥重金属总体呈现出前期缓慢释放、后期加速释放的特征(表1)，这与鲁成秀[7]研究结果相一致。微型生态系统中底泥对Cu、Zn和Pb的释放量明显低于太湖和南四湖底泥中 Cu(100—300 μg·kg-1dw)、Zn(120—500 μg·kg-1dw)和 Pb(20—450 μg·kg-1dw)的释放量[7]，这可能与后者受到工业废水和生活污水污染有关[7]。底泥释放至微型生态系统水体中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb的浓度(表1)均未超过我国《渔业水质标准》(GB11607-89)规定的相应限量[26]，这与陈修报等[17]分析养殖池塘水体中 Cr(0.1—1.0 μg·L-1)、Ni(0—0.3 μg·L-1)、Cu(0—0.1 μg·L-1)、As(2.9—3.6 μg·L-1)、Cd(0—0.1 μg·L-1)和 Pb(未检出)的结果相吻合。尽管如此，对养殖池塘的水体和底泥中重金属污染动态仍要保持高度重视。例如，贾成霞等[6]就报道北京地区养殖池塘底泥中 Zn(0.01—0.7 mg·kg-1dw)处于污染警戒线，而Cr(50.3—172 mg·kg-1dw)和 Cu(61.1—235 mg·kg-1dw)已达到轻度污染水平。值得注意的是，底泥释放的Fe浓度(表1)超过了我国《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中 Fe 限量(300 μg·L-1)[27]。这可能与养殖池塘底泥沉降了大量饲料(残饵)有关。投喂的鱼饲料有 65%—75%未被摄食或形成粪便沉降到底泥中[28]，而饲料中 Fe 含量可高达 622 μg·g-1dw[29]，存在Fe污染风险。

表2 背角无齿蚌的养殖数量和处理时间对重金属浓度的影响Table 2 Effect of culture quantity and treat time of Anodonta woodiana on heavy metal concentrations

背角无齿蚌具有强大的不间断滤水功能[30]。依据壳长和水温判断[30]，本研究中背角无齿蚌的滤水率约为0.6 L·h-1，处理组的养殖数量分别为2、4、6只，即微型生态系统中的水体分别在 5、2.5、1.5 d可被完全过滤一遍。通过滤水、摄食(底泥、浮游动物、藻类和细菌)及体表渗透等途径[31]，背角无齿蚌可高度富集水环境中的重金属，如对Cu、Zn和Cd的富集系数为 103—104[19]。同时，贝类对重金属的排出率很低，仅为1%—3%[32]。因此，微型生态系统水体中重金属浓度的变化除了受到底泥释放/吸附的影响，背角无齿蚌的高强度滤水和高效富集起到了重要作用。本研究中所有的微型生态系统均处于相同的环境中，水环境重金属浓度表现出的差异应归因于蚌养殖密度和处理时间的不同。

背角无齿蚌能够有效净化底泥释放的Al、Cr、Mn、Co、Cu、Zn、As 和 Mo(表1，图1)。而且背角无齿蚌对重金属的净化效果显示出优于其它淡水贝类[19，33]以及水生植物[34-35]的趋势。例如，夏天翔等[19]研究发现背角无齿蚌对Cu、Zn和Cd的去除率分别是三角帆蚌(Hyriopsis cumingii)的1.2、1.9和1.5倍；Królak 等[33]证实背角无齿蚌对 Mn、Fe、Cu、Zn和Cd的积累量分别是斑马贻贝(Dreissena polymorpha)的71、3、7、6和3倍；何芳芳等[34]报道黄菖蒲(Iris pseudacorus)、水竹芋(Thalia dealbata)、风车草(Cyperus alternifolius)、美人蕉(Canna indica)和菖蒲(Acorus calamus)对模拟重金属污水(在霍格兰营养液基础上添加2.0 mg·L-1的Zn、Cu等重金属)中Zn的去除率为 48.1%—60.3%，吴玉树等[35]报道菹草(Potamogeton crispus)和水葫芦(Eichhornia crassipes)对Zn的去除率分别为14.8%和22.9%，均低于背角无齿蚌对 Zn的去除率(69.4%)。因此，背角无齿蚌有潜力用于养殖水环境重金属污染的防控。

背角无齿蚌对养殖池塘底泥释放重金属的净化效果与其养殖密度和处理时间呈多项式相关(图1，表2)，这与陈修报等[17]的研究结果相一致。此外，Brzozowska等[36]也指出海洋贻贝(Mytilussp.)对重金属(Zn、Pb、Ni)的净化效果明显受到处理时间的影响。因而，优化背角无齿蚌养殖密度和处理时间的配比能够将 Al和 As的去除率进一步提升至93.8%和 60.5%(图1)，且不同组别微生态系统的重金属相对污染指数(RPI)显示出明显差异(表1)。本研究发现4只蚌组处理30 d的RPI最低，即背角无齿蚌养殖密度为27只·m-3水体、处理时间为30 d对底泥释放至上覆水体中重金属的净化效果最佳，这将对利用背角无齿蚌开展鱼、蚌混养的生态养殖模式以及构建渔业生态环境重金属污染防治模型提供支撑。

4 结论

1)养殖池塘底泥向水体中释放重金属总体呈现出前期缓慢释放、后期加速释放的特征。底泥对Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo 和 Pb 的最大释放量分别为 636、1.5、70.9、34951、10.3、36.9、34.0、53.2、72.4、48.8 和 3.0 μg·kg-1dw，Fe的释放量较大，存在着污染水体的风险。

2)背角无齿蚌有潜力用于防治养殖池塘底泥释放的重金属。其对Al、Cr、Mn、Co、Cu、Zn、As和 Mo的去除率可分别有望达到 93.8%、98.0%、33.3%、14.3%、23.5%、69.4%、60.5%和13.0%。

3)基于现实养殖池塘水环境的重金属含量水平，背角无齿蚌养殖密度和处理时间的配比控制在27只·m-3和30 d较为适宜，相对污染指数可降低至 0.71。这可为利用鱼、蚌生态混养防治渔业生态环境重金属污染提供参考。