布吉紅,陳輝輝,許宜平,查金苗,王子健

中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境水質(zhì)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100085

河流表層沉積物是水體重要組成部分,一方面表層沉積物是污染物儲(chǔ)藏和釋放場(chǎng)所,另一方面又是底棲生物棲息地和食物來(lái)源,沉積物直接和間接對(duì)底棲生物產(chǎn)生毒性危害,還能通過(guò)食物鏈生物富集和生物放大作用直接影響水體多營(yíng)養(yǎng)級(jí)水體生物安全,產(chǎn)生潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。目前河流表層沉積物中有害污染物主要分為3大類,氨氮、重金屬和有機(jī)污染。重金屬因其在環(huán)境中的不可破壞性及對(duì)生物的毒性,使得重金屬污染成為水環(huán)境污染評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。國(guó)內(nèi)關(guān)于水體沉積物重金屬研究較多,主要集中在沉積物重金屬污染特征與污染程度評(píng)價(jià)[4-6]。但是沉積物重金屬污染特征不能直接闡明沉積物的毒性,一般認(rèn)為只有間隙水中的自由金屬離子才能直接產(chǎn)生生物效應(yīng)[7]。

沉積物風(fēng)險(xiǎn)表征大多數(shù)情況下依賴于污染物濃度分析。由于化學(xué)污染物種類繁多,大量污染物為未知污染物,導(dǎo)致化學(xué)分析存在一定滯后性;同時(shí)化學(xué)分析不能有效確定化學(xué)污染物之間存在相互作用,因此,沉積物生物毒性評(píng)價(jià)成為表征沉積物污染的有效手段。例如,范文宏[8]和趙艷民[9]等人分別研究了鎘加標(biāo)沉積物對(duì)大型溞和泥鰍的毒性,得出生物毒性測(cè)試能有效表征沉積物毒性的結(jié)論。但是沉積物毒性測(cè)試本身并不能確定風(fēng)險(xiǎn)因子。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖注:1西遼河、2東遼河、3招蘇臺(tái)河、4亮子河、5清河口、6沙河口、7柴河、8長(zhǎng)溝子、9凡河、10拉馬河、11長(zhǎng)河、12左小河、13秀水河、14養(yǎng)息牧河、15燕飛里排干、16付家窩堡、17柳河、18小柳河、19一統(tǒng)河、20太平河、21于崗子排干、22繞陽(yáng)河、23吳家排干、24清水排干、25接官?gòu)d、26潮溝河Fig.1 Locations of sampling sites along LiaoheNote:1 Xiliao River,2 Dongliao River,3 Zhaosutai River,4 Liangzi River,5 Qinghe River,6 Shahe River,7 Chai River,8 Changgouzi River,9 Fan River,10 Lama River,11 Chang River,12 Zuoxiao River,13 Xiushui River,14 Yangximu River,15 Yanfeili River,16 Fujiawobao River,17 Liu River,18 Xiaoliu Rvier,19 Yitong River,20 Taiping River,21 Yugangzi River,22 Raoyang River,23 Wujia River,24 Qingshui River,25 Jieguanting River,26 Chaogou River

本文采用底棲生物(搖蚊幼蟲)通過(guò)活體毒性評(píng)價(jià)方法全面表征了遼河支流表層沉積物毒性現(xiàn)狀,結(jié)合表層沉積物間隙水中重金屬濃度分析和指數(shù)評(píng)估,通過(guò)比對(duì)化學(xué)分析和毒性測(cè)試結(jié)果,初步判斷遼河表層沉積物污染及其毒性的類型和原因。

1 材料和方法(Materials and methods)

1.1 采樣點(diǎn)分布及樣品采集

遼河支流表層沉積物采樣點(diǎn)分布如圖1所示。每個(gè)采樣點(diǎn)在河道兩側(cè)和中間用抓斗式采泥器采集表層0～10 cm的沉積物,混合均勻后立即封存于干凈的不銹鋼飯盒內(nèi),冷藏條件下(4℃)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,于4℃下保存。對(duì)照組沉積物按照Andrea[10]介紹的方法,用采自北京大興自然保護(hù)區(qū)的土壤配制而成。

1.2 樣品預(yù)處理

沉積物粒徑分布采用激光粒度分析儀(Malvern Mastersizer 2000,英國(guó),Malvern公司)分析。沉積物含水率采用電熱鼓風(fēng)干燥箱(101-0型,中國(guó),北京永明醫(yī)療儀器廠)于105℃下烘干24 h測(cè)定?？傆袡C(jī)碳采用燃燒損失方法(LOI)測(cè)定,稱取適量樣品放入馬弗爐(SGM28系列A,中國(guó),西格馬儀器制造有限公司)中,于400℃灼燒24 h,測(cè)量燃燒前后的質(zhì)量,推算TOC含量[11]。

間隙水的采集依據(jù)加拿大環(huán)保局的方法[12],利用5415R型臺(tái)式離心機(jī)(Eppendorf公司)立即將帶回實(shí)驗(yàn)室的沉積物在離心力9 000×g,4℃離心30 min。間隙水采集后立即用孔徑0.45 μm的濾膜過(guò)濾,并用優(yōu)級(jí)純硝酸酸化(每10 mL間隙水加100 μL硝酸)使pH＜2,在4℃下保存[1?。金屬元素采用 ICP-MS(Plasma Quad 3,英國(guó)VG公司)測(cè)定。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

搖蚊幼蟲由南開(kāi)大學(xué)惠贈(zèng),在本實(shí)驗(yàn)室引種并長(zhǎng)期養(yǎng)殖。養(yǎng)殖條件參照ASTM和Batac-Catalan[13,14]方法加以改進(jìn),具體如下:搖蚊幼蟲在23±1℃養(yǎng)殖于玻璃缸中,養(yǎng)殖用水為配置水,水深3～5 cm,缸底用切碎的紙巾作為幼蟲生活基質(zhì),確保上覆水溶解氧含量≥2.5 mg·L-1,pH在7.2～8.0之間。光照周期為16 h/8 h(光照/黑暗)。每天喂食研磨好的Tetrafin魚飼料。

1.4 搖蚊幼蟲10 d活體毒性試驗(yàn)

搖蚊幼蟲活體毒性試驗(yàn)按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)[13]進(jìn)行實(shí)驗(yàn):300 mL燒杯中放置100 mL混和均勻的沉積物,然后加入175 mL的養(yǎng)殖用水,靜置24 h,每個(gè)點(diǎn)設(shè)置3個(gè)平行,每個(gè)平行中放入10只3齡的搖蚊幼蟲。光照周期為16 h/8 h(光照/黑暗),暴露期間水溫維持在23±1℃,每天對(duì)上覆水進(jìn)行更換,每個(gè)燒杯每天喂食1.5 mL的Tetrafin魚飼料。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后以搖蚊幼蟲的成活率來(lái)評(píng)價(jià)每個(gè)點(diǎn)的毒性。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析與數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件,對(duì)對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組搖蚊幼蟲的成活率進(jìn)行單因素方差分析(One–Way ANOVA),并且進(jìn)行 Duncant’s 多重比較,顯著水平設(shè)置在α=0.05,p＜0.05認(rèn)為差異顯著,并用Origin 8.0軟件繪圖(在以下各柱形圖中,*表示:與對(duì)照組相比 p＜0.05)。

利用間隙水毒性基準(zhǔn)單位(IWCTU)來(lái)預(yù)測(cè)被重金屬污染的沉積物毒性[15]:

[Md]i.w.是間隙水中i種金屬的濃度,FCVd為最終慢性毒性值,上覆水的硬度直接影響FCV值[16],Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr的 FCV計(jì)算方法見(jiàn)表 1。通常會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)IWCTU＜1時(shí),間隙水重金屬對(duì)生物不產(chǎn)生顯著的毒性。

利用Nemeraw指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)間隙水的污染水平:

依據(jù)NI的值＜1,1～2,2～3,3～5,5將間隙水分為沒(méi)有污染、輕微污染、中度污染、較強(qiáng)污染、嚴(yán)重污染[17]。

2 結(jié)果(Results)

2.1 遼河支流表層沉積物性質(zhì)表征

遼河支流表層沉積物性質(zhì)如表2所示。

表1 USEPA依據(jù)水質(zhì)硬度制定的部分重金屬慢性生物毒性淡水水質(zhì)基準(zhǔn)Table 1 Fresh water quality criteria for selected metals recommended by the USEPA

表2 沉積物性質(zhì)表征Table 2 Characterization of sediment properties

2.2 遼河支流表層沉積物間隙水毒性單位(IWCTU)和Nemeraw指數(shù)(NI)

遼河支流表層沉積物間隙水重金屬含量如表3所示。從表中可以看出柴河、養(yǎng)息牧、接官?gòu)d3條支流Cr、Cu、Pb含量都處于較高水平,秀水河 Cr含量最高為 30.1 μg·L-1,柳河 Cr含量最低為0.960 μg·L-1,招蘇臺(tái)河 Ni的含量最高為 10.3 μg·L-1,東遼河Ni含量最低為0.590 μg·L-1,養(yǎng)息牧 Cu含量最高為 17.0 μg·L-1,燕飛里 Cu含量最低為 1.60 μg·L-1,養(yǎng)息牧 Zn 含量最高為 27.8 μg·L-1,于崗子、清水排干Zn含量最低為1.12 μg·L-1,招蘇臺(tái)河As含量最高為29.2 μg·L-1,付家窩堡As含量最低為1.60 μg·L-1,付家窩堡 Cd 含量最高為 1.24 μg·L-1,于崗子Cd含量最低為0.0180 μg·L-1,兩者相差100倍,養(yǎng)息牧Pb的含量最高為18.2 μg·L-1,清水排干 Pb含量最低為1.03 μg·L-1。

各采樣點(diǎn)依據(jù)硬度的FCV值如表4所示。遼河支流表層沉積物間隙水IWCTU值和NI值如表5所示。從表中可以看到就單一重金屬來(lái)說(shuō)各點(diǎn)間隙水重金屬僅Pb的IWCTU值超過(guò)了1,表明Pb可能會(huì)對(duì)生物產(chǎn)生毒性。而多種重金屬IWCTU值以柴河、養(yǎng)息牧、接官?gòu)d為最高,分別為5.22、4.11和3.38,表明這3條支流具有潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),長(zhǎng)溝子、左小河、小柳河、于崗子、饒陽(yáng)河、潮溝河∑IWCTU值小于1,表明這6條支流沒(méi)有重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),其他支流∑IWCTU值介于1到3之間,表明這些支流也具有潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。NI指數(shù)柴河、養(yǎng)息牧分別為2.74和2.03,表明柴河、養(yǎng)息牧存在中度污染;亮子河、凡河、付家窩堡、接官?gòu)d的NI指數(shù)分別為1.13、1.36、1.31、1.64,表明亮子河、凡河、付家窩堡、接官?gòu)d有輕微污染;其他支流NI指數(shù)小于1,表明沒(méi)有污染。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:遼河支流整體重金屬污染不是很嚴(yán)重,僅柴河、養(yǎng)息牧、亮子河、凡河、付家窩堡、接官?gòu)d六條支流存在污染,具有潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。單一重金屬Pb的IWCTU值超過(guò)了1,可能會(huì)對(duì)水生生物產(chǎn)生毒性。利用IWCTU對(duì)污染物濃度進(jìn)行分析,能準(zhǔn)確反映出采樣點(diǎn)的污染程度,而NI指數(shù)能簡(jiǎn)單明了的說(shuō)明污染情況,兩者對(duì)沉積物污染情況分析均有很大的幫助。

表3 遼河支流表層沉積物間隙水重金屬含量Table 3 Metal concentrations in interstitial water extracted from Liaohe branches(μg·L-1)

?

表4 各采樣點(diǎn)依據(jù)硬度的FCV值Table 4 Site-specific hardness-dependent final chronic values

?

表5 各采樣點(diǎn)IWCTU值和NI值Table 5 IWCTU of single and multiple metals and Nemeraw Index

?

2.3 搖蚊幼蟲10 d活體毒性試驗(yàn)

各點(diǎn)搖蚊幼蟲成活情況如圖2所示。對(duì)照組搖蚊幼蟲成活率為97.0% ±5.70%,柴河、長(zhǎng)溝子河、付家窩堡、柳河、一統(tǒng)河、潮溝河搖蚊幼蟲成活率分別為57.0% ±15.2%、55.0% ±5.70%、54.0% ±15.2%、53.0% ±15.2%、37.0% ±23.0%、57.0% ±15.2%,與對(duì)照組相比搖蚊幼蟲成活率顯著降低(p＜0.05),西遼河、清河口、吳家排干搖蚊幼蟲成活率分別為100%、97.0% ±5.80%、97.0% ±5.80%,與對(duì)照組相比搖蚊幼蟲成活率沒(méi)有變化,其他支流采樣點(diǎn)搖蚊幼蟲成活率與對(duì)照組相比有所降低,但是差異不顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:柴河、長(zhǎng)溝子河、付家窩堡、柳河、一統(tǒng)河、潮溝河對(duì)搖蚊幼蟲有較高的毒性,西遼河、清河口、吳家排干對(duì)搖蚊幼蟲基本沒(méi)有毒性,其他各個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)搖蚊幼蟲毒性較小。搖蚊幼蟲10 d活體毒性試驗(yàn)?zāi)軌虮碚鬟|河支流表層沉積物的毒性效應(yīng),遼河支流對(duì)底棲生物有毒性效應(yīng)。

圖2 各點(diǎn)對(duì)搖蚊幼蟲成活率的影響(*，p＜0.05)Fig.2 Effects on midge survival(*,p＜0.05)

3 討論(Discussion)

本研究發(fā)現(xiàn)遼河支流表層沉積物間隙水重金屬平均含量為:Pb 3.92 μg·L-1,Cu 5.73 μg·L-1,Cr 7.21 μg·L-1,Zn 4.33 μg·L-1,Ni 4.48 μg·L-1,As 5.89 μg·L-1,Cd 0.290 μg·L-1,濃度由高到低依次為Cr＞As＞Cu＞Ni＞Zn＞Pb＞Cd,只有 Pb的 IWCTU值超過(guò)了淡水水質(zhì)基準(zhǔn)。蘇春利[18]等人對(duì)墨水湖沉積物間隙水中重金屬的研究發(fā)現(xiàn),墨水湖沉積物間隙水中重金屬的濃度由高到低依次為:Mn＞Fe＞Zn＞Cu＞Cr＞Pb,與本研究結(jié)果相似。張婧[4]對(duì)遼河沉積物重金屬的分析發(fā)現(xiàn)Cd的污染最為嚴(yán)重,這種差異可能因?yàn)槌练e物中酸可揮發(fā)性硫化物、顆粒有機(jī)碳鐵和錳的羥氧化物對(duì)不同金屬的結(jié)合能力不同,Pb本身不是氧化還原敏感元素,導(dǎo)致不同重金屬在間隙水與沉積物中表現(xiàn)出了不同的污染特征。

本研究通過(guò)搖蚊幼蟲活體毒性實(shí)驗(yàn)確定了柴河、長(zhǎng)溝子河、付家窩堡、柳河、一統(tǒng)河、潮溝河對(duì)搖蚊幼蟲有較高的毒性,而通過(guò)間隙水重金屬風(fēng)險(xiǎn)分析得到了柴河、養(yǎng)息牧、亮子河、凡河、付家窩堡、接官?gòu)d有潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);但是僅有柴河、付家窩堡兩點(diǎn)搖蚊幼蟲活體毒性表征結(jié)果與間隙水重金屬風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果一致,表明柴河、付家窩堡應(yīng)該以重金屬污染為主。其他點(diǎn)搖蚊幼蟲活體毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與化學(xué)分析結(jié)果并不匹配,說(shuō)明重金屬污染并不能完全解釋活體毒性測(cè)試的結(jié)果,應(yīng)該歸因于多種污染物的復(fù)合污染。Joost[19]等人利用細(xì)菌、輪蟲、水蚤和搖蚊幼蟲對(duì)荷蘭沉積物進(jìn)行毒性表征,他們發(fā)現(xiàn)大部分的生物毒性效應(yīng)可以部分被已知濃度的污染物(主要是重金屬和多環(huán)芳烴)解釋,但是化學(xué)分析的結(jié)果不能完全解釋活體毒性表征的結(jié)果,與本研究的結(jié)論相一致。Yin[20]通過(guò)對(duì)巢湖沉積物重金屬含量分析,發(fā)現(xiàn)應(yīng)用AVS/SEM模型和閾值效應(yīng)水平對(duì)重金屬毒性進(jìn)行評(píng)價(jià),僅有一小部分是一致的,而大部分結(jié)果是不同的甚至是相反的。因此可以認(rèn)為僅僅依靠化學(xué)分析結(jié)果評(píng)價(jià)沉積物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是不夠的。一方面,沉積物中污染物的毒性與該物質(zhì)的生物有效性是聯(lián)系在一起的,只有可被吸收的污染物才能對(duì)生物產(chǎn)生潛在的毒性;另一方面,沉積物組成復(fù)雜,存在復(fù)合污染,很難用有限化學(xué)分析指標(biāo)概括綜合毒性。而活體毒性試驗(yàn)?zāi)軌蛑苯臃从硰?fù)合污染物對(duì)水生生物的影響,尤其是多種污染共存條件下的聯(lián)合毒性作用,但是不能準(zhǔn)確回答產(chǎn)生毒性的具體原因。因此,應(yīng)該綜合運(yùn)用沉積物化學(xué)分析/風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和活體毒性測(cè)試是評(píng)價(jià)沉積物對(duì)底棲生物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的一種有效途徑。

致謝:感謝沈陽(yáng)航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院可欣副教授在采樣過(guò)程中的幫助和支持,感謝北京市水利水電科學(xué)研究院高繼軍博士和高博博士在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的幫助。

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