關(guān)于太湖搖蚊幼蟲對底質(zhì)環(huán)境及內(nèi)源釋放影響的研究
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作者：曹健國
據(jù)報(bào)道，搖蚊幼蟲和顫蚓類的生命活動能促進(jìn)沉積物中氮以銨的形式向水體大量釋放，但對于磷的釋放沒有研究定論，且作用機(jī)制尚不明確，特別是生物擾動對泥水界面的氧化還原環(huán)境、沉積物復(fù)氧的影響機(jī)制是什么，尚缺乏系統(tǒng)的研究和驗(yàn)證�；诖�，本研究選取太湖富營養(yǎng)化湖區(qū)梅梁灣，采集柱狀樣進(jìn)行原位靜態(tài)培養(yǎng)模擬實(shí)驗(yàn)，探討和比較主要優(yōu)勢種類羽搖蚊和長足搖蚊的生物擾動對底質(zhì)環(huán)境的再造作用，以及對內(nèi)源釋放的作用機(jī)制。以期深入掌握富營養(yǎng)化湖泊的內(nèi)源發(fā)生機(jī)制及其生物擾動效應(yīng)，為控制水體內(nèi)源污染釋放和富營養(yǎng)化治理提供科學(xué)依據(jù)。
1 湖泊概況和研究方法
1.1湖泊概況
太湖梅梁灣(Meiliang Bay)位于太湖北部，是一個半封閉的湖區(qū)，面積100 km2，平均水深2.2 m，透明度0.2 m左右，該湖區(qū)接納了來自常州和武進(jìn)等地的城市污水和工業(yè)廢水，水質(zhì)N~V類，屬重污染藻型湖區(qū)，夏季易暴發(fā)水華，局部黑臭。
1.2生物擾動效應(yīng)的模擬試驗(yàn)
1.2.1泥一水系統(tǒng)的建立
本實(shí)驗(yàn)于梅梁灣湖心用裝有φ90 mmx500 mm有機(jī)玻璃管的柱狀采泥器采集18根原位柱狀樣，泥樣厚度26 cm，上部用原樣點(diǎn)水樣注滿后兩端用橡皮塞塞緊，垂直放置，小心運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室以進(jìn)行原位靜態(tài)培養(yǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)開始前，將柱狀樣中上層水體用虹吸法抽去，再用虹吸法沿壁小心滴注經(jīng)GF/C膜過濾的上覆水樣（除去藻類）至液面高度20 cm停止，整個過程避免擾動界面，建立柱狀泥水系統(tǒng)后靜置，待泥水系統(tǒng)平衡24 h后開始試驗(yàn)。
1.2.2試驗(yàn)條件
將柱狀泥水系統(tǒng)置于地下恒溫室((22±1)℃)，避
光靜態(tài)培養(yǎng)。泥水系統(tǒng)平衡24 h后進(jìn)行試驗(yàn)。
1.2.3試驗(yàn)處理
本研究選取梅梁灣底棲動物的優(yōu)勢種類羽搖蚊Chironomus plumosus和長足搖蚊Tanypus chinensis的幼蟲作為試驗(yàn)動物，試驗(yàn)前挑選個體較大、健壯、活動能力較強(qiáng)的蟲體（羽搖蚊蟲體長度15～16 mm、長足搖蚊蟲體長度8～10 mm），進(jìn)行室內(nèi)恒溫培養(yǎng)馴化24 h，爾后添加至上述柱狀泥水系統(tǒng)中進(jìn)行生物擾動模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)處理為添加羽搖蚊、添加長足搖蚊和對照不添加任何底棲動物，添加密度均為1 200條/m2，每個處理設(shè)3個平行柱狀樣。
1.2.4試驗(yàn)方法
試驗(yàn)系統(tǒng)分為2組，一組柱狀泥水系統(tǒng)（9根）用于進(jìn)行營養(yǎng)釋放試驗(yàn)，另一組柱狀泥水系統(tǒng)（9根）用于進(jìn)行沉積物耗氧試驗(yàn)，2組試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，處理和平行相同。
營養(yǎng)釋放試驗(yàn)具體步驟如下：添加蟲子后，分別于O、12、24、48、72、120 h取上覆水樣50 mL測定溶解無機(jī)態(tài)氮( NH4+-N，N02- -N，N03- -N)、溶解反應(yīng)性磷(SRP)，每次取樣后用原樣點(diǎn)初始過濾水樣補(bǔ)充同體積水樣。同時(shí)，用YSI 550A溶氧儀測定系統(tǒng)上覆水中的溶氧量。120 h后，抽去上覆水，底泥以2 cm/層分層切割后用于測定沉積物含水率、間隙水中溶解態(tài)無機(jī)氮、磷含量以及微生物FDA活性和堿性磷酸酶APA活性。
溶解態(tài)無機(jī)氮、磷的測定按《水和廢水監(jiān)測分析方法》進(jìn)行；沉積物含水率為沉積物烘干前后重量差值與原有濕沉積物重量的比值；微生物活性采用FDA(熒光素雙醋酸酯)法，測定步驟如下：稱取1.00 g左右濕沉積物樣，加入10 mL滅菌后pH=7.0的0.01mo1/L的磷酸緩沖溶液，于30℃、200 r/min搖床中分散15 min，之后加入2 g/L的FDA液0.5 mL，于30℃搖床中顯色3h，離心、過濾，于490 nm波長處比色，測定吸光度，換算成單位質(zhì)量干泥的吸光度值，以此來表示沉積物中微生物FDA活性；堿性磷酸酶的測定方法：取一定量的濕沉積物，加入pH=8.6的0.5 mol/L的Tris-HCl緩沖液，以1:2的比例混勻制成勻漿，取2 mL勻漿，加入一定濃度底物(p-NPP)0.5 mL，放入恒溫37℃搖床中培養(yǎng)th后放入冰柜中冷卻，然后分別加入0.5 mol/L的CaCl2、NaOH 0.5 mL和2 mL終止反應(yīng)，離心，410 nm比色，換算成單位質(zhì)量干泥的活性強(qiáng)度。
沉積物耗氧(SOD)試驗(yàn)方法如下：試驗(yàn)前用虹吸法取上覆水100 mL測定溶氧初始值，爾后加水至頂端塞緊橡皮塞至有水溢出即密封，密封靜置4h后取樣分析溶氧量，通過計(jì)算密封前后上覆水溶氧量的差值獲得沉積物耗氧量(SOD)，溶氧量的測定采用碘量法進(jìn)行。
1.3計(jì)算與分析
營養(yǎng)鹽的釋放速率按式(1)計(jì)算：
式(1)中，R為釋放速率(mg/(m2·d))；V為柱樣中上覆水體積(L)；Gn、Co、Cj-1分別為第n次、初始和第j-l次采樣時(shí)某物質(zhì)含量(mg/L)；Ca為添加原水中的某物質(zhì)含量(mg/L)；Vj-l為第j-l次采樣體積(L)；A為柱樣中水一沉積物接觸界面(m2)；f為釋放時(shí)間(d)。由于不考慮NH3的水氣界面交換，所計(jì)算的NH4+-N為表觀釋放速率。
參數(shù)的顯著性檢驗(yàn)在Statistic 6.0上進(jìn)行。
2研究結(jié)果
2.1 對底質(zhì)環(huán)境的生物擾動效應(yīng)
2 .1.1對上覆水溶氧的影響
如圖1所示，各處理組上覆水的溶氧量均隨時(shí)間呈降低趨勢，培養(yǎng)48 h后羽搖蚊和長足搖蚊處理組的上覆水溶氧量均顯著低于對照組(p<0.05)，培養(yǎng)時(shí)間120 h達(dá)最低值，分別為(1.5±0.4) mg/L和( 2.3±0.4) mg/L，羽搖蚊和長足搖蚊處理間差異不顯著(p>0.05)。
2 .1.2對沉積物理化環(huán)境的影響
如圖2所示，從沉積物含水率的垂直分來看，各處理組沉積物含水率均隨深度遞增而呈降低趨勢，處理間差異不明顯。從沉積物耗氧量來看，添加幼蟲的沉積物耗氧量均顯著高于對照(p<0.05)，幼蟲間差異不顯著。培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)束后，從沉積物間隙水中溶解態(tài)無機(jī)氮、磷的垂直分布來看（圖3），各處理組氨氮( NH4+-N)濃度均隨深度遞增而呈上升趨勢，處理間差異不顯著。在底泥0~8 cm深處，添加幼蟲處理組的底泥間隙水中硝態(tài)氮（NO3--N）含量顯著高于對照(p<0.05)。長足搖蚊處理組的溶解反應(yīng)性磷(SRP)含量在底泥5~10 cm深處急劇上升至0.02 mg/L，12~14 cm深處達(dá)最大值0.025 mg/L，顯著高于對照和羽搖蚊處理組( p<0.05)，其他處理間差異不顯著(p>0.05)。從底泥微生物活性和堿性磷酸酶活性的垂直分布來看（圖3），各處理間的微生物活性差異不顯著；長足搖蚊處理組的磷酸酶活性在沉積物8~10 cm深處顯著高于對照組，而在10~12 cm深處，羽搖蚊處理組的磷酸酶活性顯著低于對照組(p<0．05)，其他深度的處理間差異不顯著(p>0.05)。
2.2對內(nèi)源釋放的影響
如圖4所示，羽搖蚊和長足搖蚊均促進(jìn)了沉積物氨氮向上覆水的釋放，釋放速率分別為( 20.5±9.3)mg/(m2.d)和(18.3±2.4) mg/( m2.d），顯著高于對照(p<0.05)；各處理組沉積物硝態(tài)氮均隨時(shí)間呈負(fù)釋放趨勢，羽搖蚊處理組硝態(tài)氮的釋放速率為( 48.6±0.7)mg/(m2·d)，顯著高于對照(37.3±3.0)mg/( m2·d)，120 h羽搖蚊處理組的上覆水中硝態(tài)氮含量達(dá)到最低值，顯著低于對照(p<0.05)，長足搖蚊處理組硝態(tài)氮的釋放速率為(43.6±2.1)mg/( m2.d)，與對照差異不顯著(p>0.05)；各處理組溶解反應(yīng)性磷隨時(shí)間呈釋放趨勢，羽搖蚊處理組溶解反應(yīng)性磷的釋放速率為( 0.96±0.05) mg/( m2·d)，長足搖蚊處理組為( 0.88+0.08) mg/( m2·d)，對照組為( 1.01±0.10)mg/( m2·d)，處理間差異不顯著(p>0.05)。
3討論
底棲動物在沉積物中的呼吸、攝食、爬行和筑巢等行為，及其對營養(yǎng)鹽的吸收、同化和排泄活動能加快泥水界面的物質(zhì)交換，對泥水界面氮、磷元素的生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生重大影響。本研究通過開展擾動效應(yīng)的室內(nèi)模擬，深入比較了2種搖蚊幼蟲（羽搖蚊和長足搖蚊）對泥水界面的理化環(huán)境以及內(nèi)源釋放的擾動效應(yīng)。羽搖蚊生活于沉積物中5~20 cm深處，以有機(jī)碎屑為食，具筑巢穴的生態(tài)習(xí)性。本研究觀察發(fā)現(xiàn)沉積物表層至底層均可見有明顯的爬行痕跡和穴管通道。與羽搖蚊相比，長足搖蚊個體小，活動能力弱，據(jù)觀察，幼蟲主要在沉積物表層2 cm左右深處活動，無筑巢現(xiàn)象。據(jù)報(bào)道，底棲動物，如搖蚊幼蟲，水蚯蚓的物理擾動和引灌作用能促進(jìn)沉積物的復(fù)氧和耗氧作用，同時(shí)降低泥水界面的溶氧量，本研究亦發(fā)現(xiàn)，羽搖蚊和長足搖蚊均促進(jìn)沉積物的耗氧作用（圖2），降低了上覆水的溶氧量，改變了泥一水界面的氧化還原條件，從而對界面氮、磷的生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生了重大影響。礦化和形態(tài)轉(zhuǎn)換均為氮循環(huán)的主要過程，其中影響氮形態(tài)轉(zhuǎn)換的2個重要微生物過程包括硝化作用和反硝化作用。在通氣良好的條件下，銨（或氨）被硝化細(xì)菌作用而氧化成硝酸的過程叫做硝化作用。硝酸根在嫌氣（氧氣不足）條件下被反硝化細(xì)菌作用而還原成一氧化二氮或氮?dú)獾姆磻?yīng)叫做反硝化作用。有研究表明，底棲動物生活的巢穴和爬行的管道等構(gòu)造具較強(qiáng)的硝化作用潛力，原因在于這些構(gòu)造中有充足的NH4+和氧氣來源。本研究發(fā)現(xiàn)羽搖蚊和長足搖蚊的生物引灌作用均增加了沉積物的通透性，特別是氧氣的通透作用，促進(jìn)了沉積物發(fā)生硝化作用，從而導(dǎo)致沉積物硝態(tài)氮的溶出（以間隙水中硝態(tài)氮含量顯著高于對照為證，圖3）。同時(shí)，羽搖蚊的生物擾動和呼吸代謝大大降低了上覆水的溶氧量，從而促進(jìn)上覆水發(fā)生反硝化，是羽搖蚊處理組上覆水中硝態(tài)氮含量顯著低于對照的重要因素（圖4）。2種幼蟲的擾動均顯著促進(jìn)了氨氮的釋放（圖4），究其原因在于：幼蟲的生物引灌作用加速了沉積物的耗氧和礦化作用（以沉積物耗氧量顯著增長為證，圖2），以及代謝產(chǎn)物向上覆水的擴(kuò)散。此外，幼蟲自身的生理代謝排銨作用亦不可忽略。
而生物擾動作用對磷釋放的影響機(jī)制較為復(fù)雜，與擾動生物的種類、習(xí)性和底泥的性質(zhì)有關(guān)，已有研究結(jié)果存在爭議，有研究認(rèn)為羽搖蚊的生物擾動作用促進(jìn)了磷酸鹽的釋放，認(rèn)為蟲子的生理代謝作用是磷酸鹽釋放的重要因素；而Lewandowski、Geraldine等的研究結(jié)果表明羽搖蚊的生物擾動抑制了磷的釋放，認(rèn)為生物引灌增加了沉積物的氧化性，從而促進(jìn)沉積物中鐵磷的吸附，是抑制磷釋放的重要因素；Filip等的研究結(jié)果表明，羽搖蚊對磷的釋放作用不顯著，本研究得到了同樣的結(jié)果。而關(guān)于長足搖蚊的生物擾動效應(yīng)研究甚少，未見相關(guān)報(bào)道。本研究發(fā)現(xiàn)長足搖蚊的生物擾動能促進(jìn)沉積物堿性磷酸酶的活性，從而促進(jìn)沉積物磷酸鹽向間隙水的溶出（圖3）。由此看來，生物擾動對磷釋放的效應(yīng)取決于以上因素的綜合結(jié)果。
本研究通過室內(nèi)模擬的方法系統(tǒng)地探討了富營養(yǎng)化湖泊中常見優(yōu)勢種類羽搖蚊和長足搖蚊的生物擾動對底質(zhì)環(huán)境以及泥一水界面氮、磷循環(huán)的影響機(jī)制。研究結(jié)果表明：2種搖蚊幼蟲通過各自獨(dú)特的物理擾動和生理代謝方式，改變了泥一水界面的理化環(huán)境，集中表現(xiàn)在通過改變泥水界面的氧化還原條件，以及沉積物耗氧礦化作用來促進(jìn)界面氮、磷元素的生物化學(xué)過程，加速了內(nèi)源的釋放，主要是氨氮的釋放。同時(shí)對沉積物一間隙水營養(yǎng)鹽的溶出和吸附平衡造成重大影響，集中表現(xiàn)在增強(qiáng)了堿性磷酸酶活性，從而促進(jìn)磷酸鹽的溶出，以及生物引灌增強(qiáng)沉積物的通透和復(fù)氧，從而促進(jìn)沉積物發(fā)生硝化作用，導(dǎo)致硝態(tài)氮向間隙水的溶出。總而言之，2種搖蚊幼蟲對富營養(yǎng)化湖泊水一土界面氮、磷元素的循環(huán)，特別是內(nèi)源的釋放產(chǎn)生了重大影響。本研究所得結(jié)果可為富營養(yǎng)化湖泊的治理，特別是內(nèi)源負(fù)荷的控制提供科學(xué)依據(jù)。
4摘要：
該研究通過開展室內(nèi)原位靜態(tài)模擬試驗(yàn)，探討了太湖梅梁灣常見優(yōu)勢種類羽搖蚊和長足搖蚊對底質(zhì)環(huán)境以及內(nèi)源釋放的生物擾動效應(yīng)，研究結(jié)果表明：2種幼蟲均促進(jìn)了沉積物的耗氧作用、顯著降低了上覆水的溶氧量、促進(jìn)沉積物中硝態(tài)氮向間隙水的溶出、促進(jìn)沉積物氨氮向上覆水的釋放；長足搖蚊促進(jìn)了沉積物堿性磷酸酶活性和溶解反應(yīng)性磷的溶出。2種搖蚊幼蟲的物理擾動和生理代謝活動改變了泥水界面的氧化還原環(huán)境，促進(jìn)沉積物的耗氧礦化作用，從而加速內(nèi)源釋放，對沉積物一間隙水營養(yǎng)鹽的溶出和吸附平衡產(chǎn)生顯著影響。
