沙蚕（Perinereis aibuhitensis）对老化贝类养殖沉积物的生物修复研究

李磊，戴明，王帅杰，蒋玫*

1.中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090；2.中国水产科学研究院南海水产研究所/广东省渔业生态环境重点试验室，广东 广州 510300

沉积物是滩涂贝类赖以生存的空间，是贝类觅食和栖息的重要场所，滩涂沉积物环境的优劣会直接关系到滩涂贝类养殖的成功与否（薛超波等，2004）。双壳贝类属于滤食性生物，滤水能力强，通过过滤水体中的浮游植物、有机颗粒进行摄食，贝类排泄的假粪和粪便产生的生物沉降活动使有机颗粒在沉积物中累积，使沉积物成为硫化物、总氮（Total nitrogen，TN）、总磷（Total phosphorus，TP）、总有机碳（Total organic carbon，TOC）的主要蓄积库，而近年来滩涂贝类的养殖活动的无序扩大加速了环境中的生物沉降活动，导致水体中有机颗粒加速向底层搬运和积累，严重破坏了养殖水域的生态平衡和环境自净能力，造成的养殖沉积环境老化（薛超波等，2004；Howard et al.，2010；Hatcher et al.，1994；王娟娟等，2006），甚至造成养殖贝类的大量死亡（Kostka et al.，1994）。同时，沉积物中的硫化物、TN、TP、TOC在一定条件下通过矿化作用及再悬浮作用将TN、TP、TOC等物质重新释放到水体，造成二次污染，因此，底质中硫化物、TN、TP、TOC的累积情况常被作为评价滩涂养殖水平、养殖模式以及自身污染程度的重要指标（Ackefors，1990；刘峰，2009）。研究养殖底质沉积环境的修复技术是改善养殖环境的重要途径，按照修复作用的位置可将生态修复分为原位修复和异位修复（Iwamoto et al.，2001），对于滩涂沉积物环境而言，原位修复可以避免沉积物在转移过程中的污染。按照修复的手段，养殖底质环境修复技术主要包括生物修复方法、化学修复方法和物理修复方法（李晓敏等，2005）。

目前关于滩涂贝类养殖环境修复研究已有部分报道，李晓敏（2006）利用化学方法对乳山湾老化滩涂就行了修复并取得了一定的效果；马绍赛等（2005）、陈聚法等（2005）分别应用物理修复方法提高了老化滩涂贝类养殖的产量。相比较化学修复方法和物理修复方法，生物修复方法不会带来二次污染且可持续修复能力强。双齿围沙蚕（Perinereis aibuhitensis）隶属环节动物门（Annelids）、多毛纲（Polychaete）、沙蚕目（Nereidida）、沙蚕科（Nereidae）、围沙蚕属（Perinereis），广泛分布在我国沿海滩涂、河口区域，主要摄取沉积物及其中的动、植物碎片，在近岸水域生态系统食物链的能量流动和物质循环中占有重要地位（房景辉等，2017）。研究表明，双齿围沙蚕的投放可以一定程度上改善底质环境。陈惠彬（2005）的报道显示，滩涂大面积投放沙蚕可以降低沉积物中的重金属、有机质含量；蔡东亿（2014）、沈辉（2016）的研究表明，沙蚕的投放对养殖滩涂沉积物 TN、TP、TOC、硫化物等理化指标均产生了一定程度的去除效果。但由于不同海域养殖贝类种类、沉积物性质存在差异，沉积物环境指标在投放沙蚕前后的变化，沙蚕适宜投放密度不同，需要进一步研究。

本研究通过投放不同密度的双齿围沙蚕对老化滩涂文蛤（Meretrix meretrix）养殖沉积物进行硫化物、TN、TP及TOC的生物修复，旨在探明不同密度条件下沉积物不同修复指标的变化特征，筛选出合适的沙蚕投放密度，探究沙蚕对沉积物中污染物的去除机制，为大规模的沿海贝类养殖区域老化滩涂沉积物环境修复奠定一定的理论和实践基础。

1 材料与方法

1.1 试验区域及试验设计

试验在江苏省启东市滩涂文蛤养殖区域进行（ 31°49′50.90″— 31°49′46.56″N ， 121°53′0.14″—121°53′2.40″E），试验区域为老化弃养文蛤养殖区，粘土平均含量为17.64%，粉砂平均含量为57.15%，砂平均含量为25.21%，海域属于正规半日潮，退潮时滩涂干露，试验区域长140 m，宽60 m，总面积约8400 m2，划分为3个试验组，总面积约为6300 m2（图 1）。

每个试验组设置相对应的对照组，总面积约为2100 m。沙蚕平均体长为 (19.62±2.06) cm，体重为(5.53±1.34) g。为了防止沙蚕逃逸及移动到其它试验组，试验区域四周及各个试验组之间用围网隔离。在滩涂干露时根据前期研究（牛俊翔等，2013）投放 3种沙蚕投放密度（高密度：0.30 kg·m-2，中密度：0.20 kg·m-2，低密度：0.10 kg·m-2）。试验期间试验人员定时巡视试验区域，检查围网破损情况并及时修补。

1.2 样品采集与分析

试验共进行6个月（2017年4—9月），试验开始前及 4—9月现场测定不同试验组和对照组沉积物的氧化还原电位（Eh/mV）、pH、温度（t）；采集适量0—10 cm沉积物样品装于聚乙烯袋中，置于盛有冰袋的保温箱中保存，带回试验室测定 TN、TP、TOC的含量，同时采集适量0—10 cm沉积物于充氮气采样袋中，用于测定硫化物（Sulfide，Sul）。同时采集沙蚕样品，测定其体长、体重及生物量等参数，结果表明试验期间试验区域沙蚕存活正常，其体长、体重及生物量在试验期间不存在显著性差异（P＞0.05）。

Eh、pH、t参数使用微电极（Unisense公司，丹麦）现场测定，将电极探头插入沉积物中，数据稳定后读数，重新选择电极位置，重复测定3次。

TN、TP、TOC 使用 Flash EA1112（Thermo Electron SPA公司，美国）测定，首先将沉积物自然风干后研磨成粉，称取约30 mg样品置于玻璃瓶中，加入过量的浓度为0.1 mol·L-1mol·L-1的HCl去除碳酸盐，然后用蒸馏水浸泡，至 pH为中性，于烘箱内60 ℃加热24 h后干燥后上机分析。硫化物的测定采用碘量法（以S2-计）测定（中华人民共和国国家质量技术监督局，2007），检出限为4×10-6。

图1 试验设计Fig.1 The design of the test

1.3 评价方法

1.3.1 变异系数

为了定量反映各试验组监测指标的时间波动程度的大小差异，选用变异系数来表示它们变化程度的大小，变异系数计算公式如下（崔党群，1994）：

式中：CV为变异系数；S2表示各监测指标的标准偏差，表示表示各监测指标的平均值。

1.3.2 Eh与沉积物特性及控制元素的关系

1.4 数据处理

数据以平均值±标准差（Means±SD）表示，使用SPSS 16.0软件（SPSS公司，美国）中的单因素方差（One-way ANOVA）分析数据之间的差异性，差异显著时进行Duncan’s test多重比较，显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 各试验组沉积物的Eh、pH、t 的变化

4—9月试验区域中、低密度试验组沉积物的Eh呈现逐渐上升的趋势，高密度试验组沉积物的Eh呈现-上升-下降的-上升的趋势，对照组呈现先平缓变化后略微下降的趋势（图 2）。4—9月试验区域沉积物的Eh的范围为-393.00— -116.43 mV，平均值为 (-291.70±75.23) mV，其中高密度试验区域沉积物的Eh的范围为-363.60— -291.28 mV，平均值为 (-328.14±19.65) mV，变异系数为0.06，Eh最高值出现在6月，为-306.47 mV；中密度试验区域沉积物的Eh范围为-353.20— -116.43 mV，平均值为 (-225.28±75.71) mV，变异系数为0.34，Eh最高值出现在9月，为-116.43 mV；低密度试验区域沉积物的Eh范围为-361.88— -152.21 mV，平均值为 (-260.50±58.20) mV，变异系数为0.22，沉积物的Eh最高值出现在9月，为-167.10 mV；对照组试验区域沉积物的 Eh的范围为-393.00—-324.25 mV，平均值为-360.29 mV，变异系数为0.04，Eh最高值出现在4月，为-350.65 mV。9月各试验组沉积物的Eh高低顺序为中密度＞低密度＞高密度＞对照组（图2）。根据沉积物Eh与沉积物特性及控制元素的关系划定标准（表1），9月试验区域沉积物均属于还原性质，各试验组沉积物的 Eh均显著高于对照组（P＜0.05），3组试验组之间积物的Eh也存在显著性差异（P＜0.05）。

图2 不同试验组沉积物的Eh变化趋势Fig.2 Trends of Eh in sediments from different experimental groups

表1 沉积物Eh与沉积物特性及控制元素的关系1)Table 1 The relationship between Eh and redox characteristics of surface sediment

4—9月试验区域低密度试验组沉积物的pH呈现逐渐上升的趋势，高密度、中密度和对照试验组沉积物的pH呈现-上升-下降-上升的趋势（图3）。4—9月试验区域沉积物的pH的范围为7.19—7.91，平均值为 (7.56±0.17)，其中高密度试验区域沉积物的pH的范围为7.30—7.51，平均值为 (7.44±0.07)，变异系数为0.01，pH最高值出现在6月，为7.50；中密度试验区域沉积物的pH的范围为7.29—7.91，平均值为 (7.66±0.18)，变异系数为 0.02，pH最高值出现在9月，为7.87；低密度试验区域沉积物的pH 的范围为 7.32—7.80，平均值为 (7.57±0.14)，变异系数为0.02，pH最高值出现在9月，为7.76；对照组试验区域沉积物的pH的范围为7.19—7.34，平均值为 (7.29±0.04)，变异系数为0.01，沉积物的pH最高值出现在8月和9月，均为7.32。9月各试验组沉积物的pH高低顺序为中密度＞低密度＞高密度＞对照组（图3），沉积物pH性质均属于弱碱性，各试验组沉积物的pH均显著高于对照组（P＜0.05），3组试验组之间积物的 pH也存在显著性差异（P＜0.05）。

图3 不同试验组沉积物的pH变化趋势Fig.3 Trends of pH in sediments from different experimental groups

4—9月试验区域各密度试验组沉积物的T呈现逐渐上升的趋势（图4）。4—9月试验区域沉积物的T 范围为 10.70—20.38 ℃，平均值为 (15.70±3.75) ℃，其中高密度试验区域沉积物的 T范围为10.70—20.35 ℃，平均值为 (15.49±3.76) ℃，变异系数为0.24，T最高值出现在9月，为20.33 ℃；中密度试验区域沉积物的T范围为10.72—20.38 ℃，平均值为 (15.52±3.75) ℃，变异系数为 0.24，T最高值出现在9月，为20.36 ℃；低密度试验区域沉积物的 T范围为 10.71—20.33 ℃，平均值为(15.50±3.75) ℃，变异系数为0.24，T最高值出现在9月，为20.29 ℃；对照组试验区域沉积物的T范围为10.71—20.36 ℃，平均值为 (15.50±3.76) ℃，变异系数为0.05，沉积物的T最高值出现在9月，为20.34 ℃。9月各试验组沉积物的T高低顺序为中密度＞对照组＞高密度＞低密度（图4），3组试验组沉积物的T与对照组均无显著性差异（P＞0.05）。

图4 不同试验组沉积物的T变化趋势Fig.4 Trends of T in sediments from different experimental groups

2.2 各试验组沉积物中硫化物、TOC、TN、TP的变化

图5 不同试验组沉积物的硫化物变化趋势Fig.5 Trends of sulfide in sediments from different experimental groups

4—9月试验区域各密度试验组沉积物中硫化物呈现逐渐下降的趋势（图 5）。4—9月试验区域沉积物中硫化物的质量分数范围为 251—488 mg·kg-1，平均值为 (400±66) mg·kg-1，其中高密度试验区域沉积物中硫化物的范围为 364—465 mg·kg-1，平均值为(407±35) mg·kg-1，变异系数为0.08，9月沉积物中硫化物为380 mg·kg-1；中密度试验区域沉积物中硫化物的范围为 251—468 mg·kg-1，平均值为 (348±74) mg·kg-1，变异系数为0.21，9月沉积物中硫化物为269 mg·kg-1；低密度试验区域沉积物中硫化物的范围为 320—472 mg·kg-1，平均值为 (385±51) mg·kg-1，变异系数为0.13，9月沉积物中硫化物为330 mg·kg-1；对照组试验区域沉积物中硫化物的范围为 412—488 mg·kg-1，变异系数为 0.03，平均值为 (469±15)mg·kg-1，9 月沉积物中硫化物为 453 mg·kg-1。9 月各试验组沉积物中硫化物含量高低顺序为对照组＞高密度＞低密度＞中密度（图5），各试验组沉积物中硫化物含量均显著低于对照组（P＜0.05），高、低密度试验组和中密度试验组积物中硫化物含量之间也存在显著性差异（P＜0.05），高、低密度试验组积物中硫化物含量之间不存在显著性差异（P＞0.05）。

图6 不同试验组沉积物的TOC变化趋势Fig.6 Trends of TOC in sediments from different experimental groups

4—9月试验区域各密度试验组沉积物中 TOC整体呈现逐渐下降的趋势（图 6）。4—9月试验区域沉积物中TOC的范围为0.79%—1.38%，平均值为 (1.10%±0.19%)，其中高密度试验区域沉积物中TOC 的范围为 0.90%—1.35%，平均值为(1.11%±0.13%)，变异系数为 0.12，9月沉积物中TOC为0.91%；中密度试验区域沉积物中TOC的范围为0.79%—1.38%，平均值为 (0.98%±0.20%)，变异系数为0.20，9月沉积物中TOC为0.83%；低密度试验区域沉积物中 TOC的范围为 0.84%—1.34%，平均值为 (1.03%±0.17%)，变异系数为0.17，9月沉积物中TOC为0.85%；对照组试验区域沉积物中 TOC的范围为 1.10%—1.36%，变异系数为0.05，平均值为 (1.28%±0.06%)，9月沉积物中TOC为为1.32%。9月各试验组沉积物中TOC含量高低顺序为对照组＞高密度＞低密度＞中密度（图6），各试验组沉积物中 TOC含量均显著低于对照组（P＜0.05），高密度试验组与中、低密度试验组之间也存在显著性差异（P＜0.05），中、低密度试验组之间无显著性差异（P＞0.05）。

4—9月试验区域各密度试验组沉积物中TN呈现逐渐下降的趋势（图 7）。4—9月试验区域沉积物中 TN的范围为 0.05%—0.26%，平均值为(0.17%±0.05%)，其中高密度试验区域沉积物中TN的范围为 0.13%—0.24%，平均值为(0.18%±0.03%)，变异系数为 0.19，9月沉积物中TN为0.13%；中密度试验区域沉积物中TN的范围为0.05%—0.24%，平均值为 (0.13%±0.05%)，变异系数为0.38，9月沉积物中TN为0.07%；低密度试验区域沉积物中TN的范围为0.10%—0.25%，平均值为 (0.16%±0.04%)，变异系数为 0.10，9月沉积物中 TN为 0.12%；对照组试验区域沉积物中 TN的范围为0.18%—0.26%，变异系数为0.10，平均值为 (0.22%±0.02%)，9月沉积物中TN为0.24%。9月各试验组 TN高低顺序为中密度＞对照组＞高密度＞低密度（图7），各试验组沉积物中TN含量均显著低于对照组（P＜0.05），中密度试验组积物中TN含量与高、低密度试验组之间也存在显著性差异（P＜0.05），高、低密度试验组之间积物中TN含量无显著性差异（P＞0.05）。

图7 不同试验组沉积物的TN变化趋势Fig.7 Trends of TN in sediments from different experimental groups

图8 不同试验组沉积物的TP变化趋势Fig.8 Trends of TP in sediments from different experimental groups

4—9月试验区域各密度试验组沉积物中TP呈现前期略微下降，后期上下波动的趋变化势（图8）。4—9月试验区域沉积物中 TP的范围为 0.03%—0.08%，平均值为 (0.05%±0.01%)，其中高密度试验区域沉积物中TP的范围为0.04%—0.06%，平均值为 (0.05%±0.01%)，变异系数为 0.12，9月沉积物中TP为0.05%；中密度试验区域沉积物中TP的范围为0.03%—0.06%，平均值为 (0.05%±0.01%)，变异系数为0.16，9月沉积物中TP为0.05%；低密度试验区域沉积物中TP的范围为0.04%—0.06%，平均值为 (0.06%±0.01%)，变异系数为 0.13，9月沉积物中 TP为0.04%；对照组试验区域沉积物中TP的范围为0.05%—0.08%，变异系数为0.13，平均值为 (0.06%±0.01%)，9月沉积物中TP为0.06%。9月各试验组沉积物中TP高低顺序为对照组＞高密度＞中密度＞低密度（图8），各试验组沉积物的TP与对照组无显著性差异（P＞0.05），3组试验组之间沉积物的TP也无显著性差异（P＞0.05）。

3 讨论

双壳贝类的生物沉积效应可能是部分海洋生物的主要食物来源之一，具有重要的营养意义，但高密度的贝类养殖产生的生物沉积效应同时也是造成养殖区沉积物老化的主要原因（Howard et al.，2010；Hatcher et al.，1994；王娟娟等，2006；周毅等，2003）。双齿围沙蚕等底栖生物的觅食、爬行、掘穴、排泄等生命活动不仅能在一定程度上引起沉积物初级结构的改变，而且还影响水-沉积物界面的营养循环，同时影响沉积物环境中生源要素和污染物的生物地球化学循环，这个过程称为生物扰动（程丹东等，2015），生物扰动过程中的底栖生物被誉为“生态系统工程师”，有可能会对污染物常年积累的老化沉积物带来积极的变化（陈惠彬，2005；蔡东亿，2014；王娟娟等，2006；Shirakawa et al.，2013）。本研究结果表明，投放沙蚕后，各试验组的监测指标均发生了不同的变化。

沉积物的Eh可以表征沉积物间隙水的氧化性、还原性的相对程度，直接反映沉积环境的改变并直接影响着沉积物中元素的地球化学行为、自生矿物的形成和转化、成岩作用等（宋金明等，1990；齐红艳，2008）。沉积物的Eh主要由其中的微生物活动控制，与沉积物中的有机质息息相关，有机质在厌氧还原环境和硫还原细菌的作用下发生氧化，沉积物间隙水中开始在还原菌的作用下被还原，含硫有机质的氧化及硫酸盐的还原产生硫化物，硫化物的不断积累促使沉积物的还原环境不断加强，最终导致沉积物Eh降低（吴金浩等，2012）。本研究区域沉积物属于体系控制的还原环境，试验结果表明双齿围沙蚕的存在对沉积物性质产生了影响，尽管试验区域沉积物依然属于还原性质，但3组试验组沉积物Eh整体呈现逐步上升的趋势。这种变化主要是由沙蚕的生物扰动引起的，双齿围沙蚕的生活习性为在沉积物中挖掘“U”形或者“Y”形10—20 cm的甬道并通过甬道迁移至沉积物表层进行摄食、排泄等活动（张青田等，2012），每日摄食沉积物的量至少相当于本身体重（干重）（Lopez et al.，1987），这一活动过程伴随着沉积物颗粒的水平和垂直迁移，重构了沉积物的结构组成（Wheatcroft et al.，1989；Smith et al.，1997；Gage et al.，1992），降低淤塞层阻塞，增强了沉积物的可穿透性，促使其结构疏松，孔隙增大，改善了沉积物与外部的通气状况、增加了沉积物间隙水中的氧气含量，提高沉积物中微生物活性，硫化物被氧化后下降，Eh上升，图2与图5的比较也可以看出来，沉积物Eh与硫化物含量之间变化趋势基本相反，验证了沉积物Eh与硫化物之间的负相关关系。但各试验组沉积物Eh变化仍然受不同沙蚕的密度制约，中、低密度试验组沉积物 Eh上升趋势较为明显且试验结束时Eh均显著高于对照组（P＜0.05），中密度组的上升趋势更显著，而高密度条件下 Eh变化趋势不稳定且试验结束时Eh与对照组无显著性差异（P＞0.05）。一般情况下，生物密度与生物扰动强度表现为正相关关系，高密度条件下的生物扰动要明显高于低密度条件下的生物扰动（Turnewitsch et al.，2000；Duport et al.，2006）。但高密度条件下，尽管沙蚕的生物扰动扩大了用于扩散交换的含氧/厌氧界面的总表面积，促使沉积物Eh在4—6月略有上升，但其耗氧量也在增加，同时随着沉积物温度的逐渐上升，高密度条件下沙蚕的排泄活动也在不断增强，有机质含量由下降转变为逐渐增加，高密度试验组 4—9月 TOC含量的变化趋势也佐证了这个过程（图6），有机质的增加最终导致沉积物中硫化物的增加，沙蚕的生物干扰和排泄活动共同影响了高密度试验组Eh的变化。低密度试验组则由于沙蚕密度较低，生物扰动强度也较小，其Eh上升幅度不如中密度组。沉积物的pH也是反映沉积物物理化学环境质量状态的重要指标，与Eh关系密切，沉积物中硫化物的增加会导致pH下降，两者基本呈现负相关关系，图2与图3显示两者的变化趋势基本一致。

TN、TP的积累是沉积物老化的重要指标。本试验结果表明，各试验组沉积物中TN含量整体均呈现逐渐下降的趋势且中密度试验组下降趋势较低、高密度组更为显著，3个试验组沉积物中 TN含量均低于对照组（P＜0.05）。其主要原因可能是沙蚕掘穴将有氧界面向沉积物延伸，提高了沉积物的硝化速率，同时沙蚕的摄食活动摄取了沉积物中的部分有机质，TN在沉积物-生物体之间进行了迁移，另外，沉积物氧含量的增加也增加了沉积物中 TN的矿化速率，无机氮通过沉积物再悬浮或者沉积物孔隙水-上覆水的交换扩散至海水中（Robert et al.，2002；Hansen，1997），多重因素的共同作用降低了沉积物中TN含量。高密度试验组下降趋势弱于中密度试验组，其原因同样跟高密度条件下沙蚕的排泄活动强以及沙蚕密度过大，氧气消耗大有关，而低密度条件下的沙蚕对沉积物中TN的生物扰动则弱于中密度试验组。各试验组沉积物中TP含量均呈现前期（4—5月）略微下降，后期（5—9月）基本上下波动的变化趋势，4—9月与对照之间均无显著性差异（P＞0.05）。沉积物中TP的滞留与沉积物氧含量和结构的稳定性有关。生物扰动会重构沉积物结构，使沉积物中的颗粒磷再悬浮，增强沉积物-水界面的磷交换，同时也会促进沉积物间隙水的扩散，促使沉积物中TP的释放（朱健等，2009）。但由于Fe-P是沉积物向水体释放磷的主要形态，而在有氧条件下，Fe-P表面的Fe(OH)3不容易转变为Fe(OH)2，从而阻止Fe-P溶解扩散至水体中（汪家权等，2009），因此，沉积物氧含量的增加会导致TP在沉积物中滞留（Clavero et al.，1994）。在本研究中，沙蚕的存在可以增加沉积物间隙水中的氧气含量，促使沉积物中TP的滞留，但沙蚕的生物干扰却会促进沉积物中TP的释放，两者的相反作用可能是沉积物中TP表现为波动变化的原因。整体上，本试验结果陈聚法等（2005）、（陈惠彬，2005）、蔡东亿（2014）、沈辉（2016）的研究结果具有一致性，沙蚕的投放对沉积物污染物的去除有一定的积极作用。同时，在本试验条件下，中等密度（0.20 kg·m-2）的沙蚕对老化滩涂在一段时间内是具有较强的修复潜力的，但更精细化的沙蚕投放密度需要根据不同修复区域性质，因地制宜的做进一步的试验研究。

4 结论

（1）双齿围沙蚕对硫化物、TOC、TN、TP有一定的去除作用，可以在一定程度上改善滩涂文蛤养殖沉积物的老化状况。

（2）双齿围沙蚕对老化文蛤养殖沉积物的修复效果与沙蚕的投放密度有关，在本试验条件下，0.20 kg·m-2的投放密度较为适宜。