李志波　宋超　裘麗萍　等

摘要：隨著工業(yè)化發(fā)展，我國漁業(yè)養(yǎng)殖水平日益提高，但漁業(yè)養(yǎng)殖水域污染情況也較嚴(yán)重。養(yǎng)殖水體的沉積物是各種污染物的最終歸趨，因此沉積物的指標(biāo)分析技術(shù)能被用于評估污染物對養(yǎng)殖水體產(chǎn)生的影響。本研究從理化指標(biāo)、酶指標(biāo)、污染物指標(biāo)方面介紹了目前沉積物指標(biāo)的分析技術(shù)，并闡述其應(yīng)用做了展望。

關(guān)鍵詞：沉積物；理化指標(biāo)；酶；污染物；應(yīng)用

中圖分類號： X524；X714文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0006-04

收稿日期：2014-03-28

基金項目：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（編號：CARS-49）。

作者簡介：李志波（1989—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要從事漁業(yè)生態(tài)環(huán)境研究。Tel：（0510）85559936；E-mail：495110900@qq.com。

通信作者：陳家長，碩士，研究員，主要從事漁業(yè)生態(tài)環(huán)境研究。Tel：（0510）85559936；E-mail：chenjz@ffrc.cn。改革開放以來，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展十分迅速，成為世界上最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖國家。水產(chǎn)品產(chǎn)量的不斷增高不僅為我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展提供了持續(xù)推力，更為滿足世界動物性蛋白需求貢獻巨大來源[1]。但是，近年來我國頻頻出現(xiàn)的水產(chǎn)品質(zhì)量安全問題在很大程度上制約我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的進一步發(fā)展，主要表現(xiàn)在水產(chǎn)品中含有過量的有害物質(zhì)如農(nóng)藥、有機類物質(zhì)、魚類禁用藥物等，致使水產(chǎn)品質(zhì)量下降或不合格而難以上市[2]。這一問題的出現(xiàn)客觀上是源于我國漁業(yè)養(yǎng)殖水域環(huán)境的日益惡化，漁用水源的嚴(yán)重污染是其主要因素，但近年來集約化模式和高密度技術(shù)在池塘養(yǎng)殖上推廣和應(yīng)用，使養(yǎng)殖水體受到外部水源污染和內(nèi)部水質(zhì)營養(yǎng)失衡的雙重脅迫。在這種背景下，對我國漁業(yè)養(yǎng)殖水域環(huán)境進行研究十分有意義[3]。

漁業(yè)養(yǎng)殖水域系統(tǒng)分為2部分，即上層的水體部分和下層的沉積物部分。目前國內(nèi)外對于上層水體水質(zhì)已有大量研究，但對下層沉積質(zhì)部分的研究則較為匱乏。在漁業(yè)養(yǎng)殖水域環(huán)境問題的研究中，沉積物應(yīng)當(dāng)被作為一個重要研究對象，因為它是各類污染形式或污染物的一個最終的匯。首先，底層沉積物是由上層水體中過量的養(yǎng)殖投入品、魚類排泄物沉積物、生物尸體等共同沉積而構(gòu)成，間接反映了上層水體的營養(yǎng)狀況。再者，來自外部水源的有機物、重金屬等具有一定毒性而又難分解的污染物沉降蓄積于底泥，直接影響沉積物的理化性質(zhì)及微生物群落結(jié)構(gòu)，并對上層水質(zhì)及養(yǎng)殖動物健康產(chǎn)生潛在威脅[4]。沉積物的研究指標(biāo)多種多樣，具體可分為理化指標(biāo)、酶指標(biāo)和各類污染物指標(biāo)。這幾類指標(biāo)基本涵蓋了沉積物須要的分析內(nèi)容。其中理化指標(biāo)可以細(xì)分為粒徑分析、總有機碳（TOC）、總氮、磷及其形態(tài)分析；酶指標(biāo)主要分為蛋白酶、磷酸酶、脲酶以及微生物活性等；各類污染物指標(biāo)不盡相同，大致有重金屬類、農(nóng)藥類、多環(huán)芳烴類以及其他有機污染物及持續(xù)性有機污染物等。研究漁業(yè)養(yǎng)殖水域沉積物指標(biāo)分析技術(shù)及其應(yīng)用，對于監(jiān)測并改善水產(chǎn)養(yǎng)殖水體環(huán)境很有幫助[5]。但是由于我國養(yǎng)殖水域的地域性強以及有關(guān)沉積物的研究起步較晚，目前國內(nèi)有關(guān)沉積物的一些指標(biāo)分析技術(shù)尚不完善，并且有些指標(biāo)的分析方法還處于建立過程中。本研究綜述了目前有關(guān)漁業(yè)養(yǎng)殖水域沉積物指標(biāo)分析技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀，以期對促進沉積物相關(guān)研究有所幫助。

1關(guān)于理化指標(biāo)的分析

1.1TOC測定

沉積物中的碳主要有2種，一種是有機質(zhì)含有的碳，稱為有機碳，另一種是無機碳。利用燒失量的方法，在溫度達到900 ℃甚至1 000 ℃時，可以將有機碳、無機碳均燃燒成CO2，這樣獲得的是總碳（TC）。獲得總碳數(shù)據(jù)的關(guān)鍵是一定要保證沉積物得到充分燃燒?？偀o機碳（TIC）數(shù)據(jù)的獲取方式是對另一份樣品用酸處理，使無機碳轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2。利用儀器測得CO2的量，TC與TIC之間的差值即為TOC，這是英國標(biāo)準(zhǔn)的間接法測定TOC[6]。

通過測定CO2量來計算樣品中TOC含量是比較準(zhǔn)確的，然而燒失量方法還有一定的局限性。因為燒失量包括有機碳、碳酸鹽（鈣鹽、鎂鹽）、硫化物，以及在烘干不完全下少量的結(jié)合態(tài)水。Walter用如下方法測定TOC含量：取預(yù)先處理好的樣品10 g，用HCl、HF去除礦物質(zhì)，得出樣品中間質(zhì)量，然后放入陶瓷坩堝，加熱至435 ℃，過夜；移至干燥器中冷卻，稱質(zhì)量；有機質(zhì)含量=（樣品中間質(zhì)量-樣品最終質(zhì)量）/樣本初始質(zhì)量[7]。該方法不科學(xué)，因為這只是一個折中的TOC測定方法。加酸去除的是 TIC，435 ℃ 燃燒的是有機質(zhì)、碳酸鹽和水合水的總量的大部分，即非完全燃燒。樣品中間質(zhì)量減去最終質(zhì)量得出的是大部分TOC，該結(jié)果或許剛好會與真實的TOC 值接近，但其很難與真實的TOC值呈很好的正相關(guān)。有些測定TOC的方法是將溫度控制在550 ℃，測定值與真實值很接近，可能是因為在該溫度下，TIC還沒有燒出來，溫度須要達到更高；在105 ℃溫度下烘12 h，水合水基本被烘干。所以相對來說，后者應(yīng)該是最接近TOC儀器的手工方法[8-9]。

重鉻酸鉀法測定TOC的原理是用一定濃度的過量重鉻酸鉀-硫酸溶液，在加熱條件下氧化有機質(zhì)中的碳，用已知濃度的硫酸亞鐵溶液滴定剩余的重鉻酸鉀，用消耗的重鉻酸鉀量計算所氧化的有機碳含量。該方法氧化沉積物中的有機質(zhì)，氧化程度為90%，因此測定結(jié)果應(yīng)乘以氧化校正系數(shù)1.1或1.3[10]。

1.2總氮測定

水體富營養(yǎng)化是由于水質(zhì)中氮磷負(fù)荷增加所致。沉積物中的氮磷在水體環(huán)境條件發(fā)生改變時會大量侵入上腹水，這也是造成養(yǎng)殖水富營養(yǎng)化的重要原因。水體底質(zhì)變化趨勢大致與自然土壤情況一致，但是由于人為污染造成污染地區(qū)明顯反常，尤其在湖泊底質(zhì)中有大量氮、磷營養(yǎng)鹽存在。因此掌握底質(zhì)中的氮磷分布和含量意義重大[11]。

沉積物中的氮一般可以分為有機氮、無機氮，以有機氮為主。有機氮包括蛋白質(zhì)、核酸、氨基酸、腐殖質(zhì)，以腐殖質(zhì)為主。有機氮必須經(jīng)過沉積物中的微生物轉(zhuǎn)化才變?yōu)闊o機氮，為水生生物所利用。各種含氮有機物的分解與其分子結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件有很大相關(guān)性。無機氮主要是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，還有一小部分氮被固定在礦物晶格，稱之為固定態(tài)氮，這種氮須要用HF-H2SO4溶液破壞礦物晶格，才能釋放出來。凱氏定氮法測定的是土壤全氮含量[12]。

1.3磷及其形態(tài)分析

沉積物中磷的含量及其形態(tài)分布是影響水體富營養(yǎng)化進程的極重要因素，尤其對城市湖泊和水生植物大量繁殖的湖泊的影響尤為深刻。底質(zhì)中的磷一般來源于土壤顆粒物、懸浮污染物的絮凝沉降、水生生物殘骸的堆積，同時顆粒物吸附溶解性的磷，隨后轉(zhuǎn)入底質(zhì)，也是底質(zhì)磷的重要來源。這些存在于底質(zhì)中的磷在一定條件下又會逐步地釋放出來，成為導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的磷的來源，稱之為水體磷的內(nèi)負(fù)荷。

總磷同樣包括無機磷、有機磷兩大部分。無機磷又可以分為與鈣、鎂、鐵、鋁等結(jié)合的磷酸鹽；有機磷往往以核酸、植素以及磷脂等為主，不同形態(tài)的磷在釋放特征、生物有效性以及對水體富營養(yǎng)化的影響等方面都存在很大差別。

高氯酸-硫酸消化法的原理是，用強酸、強氧化劑的高氯酸分解樣品，使有機質(zhì)、礦物質(zhì)完全分解而全部轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽進入溶液，然后用鉬銻抗比色法測定。高氯酸的脫水作用很強，有助于膠狀硅的脫水，并能與Fe3+絡(luò)合，在磷的比色中抑制了硅和鐵的干擾。硫酸的存在可以提高消化液的溫度，同時防止消化過程中溶液蒸干，以利于消化作用的順利進行。用鉬銻抗法測定磷的原理是，在一定酸度和銻離子存在的情況下，磷酸根與鉬酸銨形成銻磷混合雜多酸，它在常溫下可迅速被抗壞血酸還原為鉬藍，在700 nm波長下比色測定[13-16]。

沉積物的磷形態(tài)分析主要是利用蒸餾水、酸、堿等依次提取的方式獲得可溶性磷、鋁磷、鐵磷、鈣磷。沉積物中的磷可以分為有機磷、無機磷，無機磷可分為鋁磷、鐵磷、鈣磷、閉蓄磷等，以這種方式劃分的意義是磷酸鋁、磷酸鐵、磷酸鈣都是有利于生物吸收的有效成分，它們在不同水體環(huán)境中的釋放速率也不盡相同。磷的形態(tài)分析一直是沉積物指標(biāo)分析的難點。很多研究者采取不同方式解決這個問題，例如利用各種酸堿形式的配比以及在提取步驟上的細(xì)化與合并。還有研究利用磷酸酶等酶促方法對磷形態(tài)進行分級處理。多種嘗試并未對此研究形成標(biāo)準(zhǔn)性的操作步驟，主要原因是基于不同沉積物基質(zhì)的磷類型的差異[17]。

2關(guān)于酶指標(biāo)的分析

2.1磷酸酶的測定

沉積物中磷酸酶可以分為酸性、中性、堿性3種。一般各類沉積物中都有最活躍的一種磷酸酶活性。但有些沉積物對酸堿度的適應(yīng)性大，在較大的pH值范圍（4～9）均能測得酸性、中性、堿性磷酸酶的活性。在測定磷酸酶活性時，目前常見方法是以苯磷酸酯等水溶性鈉鹽作為基質(zhì)，當(dāng)它們受磷酸酶酶促反應(yīng)水解時，能析出無機磷和有機基團（苯酚），用苯酚生成量可表示土壤中的磷酸酶活性[18-21]。

2.2脲酶的測定

脲酶存在于大多數(shù)細(xì)菌、真菌、高等植物里。它是一種酰胺酶，作用極為專性，僅能水解尿素，水解的最終產(chǎn)物是氨、二氧化碳、水。沉積物中的脲酶活性與微生物數(shù)量和有機物質(zhì)、全氮、速效磷含量等呈正相關(guān)。目前常用土壤脲酶活性表征氮素狀況。沉積物中脲酶活性的測定是以尿素為基質(zhì)，利用氨能與苯酚-次氯酸鈉等物質(zhì)作用生成藍色靛酚類物質(zhì)的原理，測定酶促產(chǎn)物生成氨的量，或通過測定未水解的尿素量計算[22]。

2.3蛋白酶的測定

在進入沉積物的各類有機物中含有一定數(shù)量的蛋白物質(zhì)。沉積物蛋白酶對這類物質(zhì)進行酶促反應(yīng)的分解，從而對沉積物的氮素轉(zhuǎn)化及水體環(huán)境的氮素營養(yǎng)起重要作用。因此蛋白酶活性也可以從另一個角度來表征沉積物氮素狀況及轉(zhuǎn)化進程。測定蛋白酶活性時可以以白明膠、胳朊等蛋白類或某些肽類物質(zhì)作為基質(zhì)，加入蛋白酶進行水解，然后測定分解產(chǎn)物的量或根據(jù)其物理特性的變化度來計算酶活性大小[23-25]。

2.4過氧化氫酶的測定

沉積物中過氧化氫酶的活性與底質(zhì)的生物呼吸強度及微生物存在狀態(tài)有很大相關(guān)性，在一定程度上能表征沉積物中微生物活動過程的強弱。底質(zhì)過氧化氫酶活性的大小與水生植物根系的分布及底質(zhì)有機質(zhì)含量呈正相關(guān)，因而測定底質(zhì)中過氧化物酶的活性可以反映底質(zhì)肥力狀況?？梢圆捎玫味ǚy定過氧化氫酶活性，即先以過氧化氫為基質(zhì)進行酶促反應(yīng)，再定量滴定反應(yīng)后剩余的過氧化氫量[26-27]。

3關(guān)于污染物指標(biāo)的測定

3.1石油烴與多環(huán)芳烴

利用GC-MS法測定沉積物中多環(huán)芳烴各組分的分布水平已經(jīng)不是難點，其主要操作過程有冷凍干燥、索氏提取、儀器分析等[28]。涵蓋多環(huán)芳烴、直鏈烷烴在內(nèi)的石油烴等污染是我國主要湖泊及河流的主要污染類型，特別是近年來漁業(yè)生態(tài)環(huán)境的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，石油類污染已成為漁業(yè)水域有機污染的主要類型，主要表現(xiàn)形式是水產(chǎn)品食用過程中有很濃重的柴油味，在太湖流域養(yǎng)殖池塘的南美白對蝦中表現(xiàn)尤為明顯。魚類的柴油味和土腥味已經(jīng)成為水產(chǎn)品質(zhì)量改進中亟待解決的環(huán)節(jié)。對沉積物中石油烴進行測定的皂化方法的原理是，用石油醚萃取經(jīng)過氫氧化鈉-乙醇皂化處理后的非皂化物，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，減壓蒸干，用石油醚溶解并定容，萃取物在紫外線照射下產(chǎn)生熒光，在一定濃度范圍內(nèi)，熒光強度與石油烴含量呈正比。通過測量熒光強度來測定水產(chǎn)品中石油烴含量[29]。

3.2重金屬的測定

沉積物中重金屬較難遷移，具有殘留時間長、隱蔽性強、毒性大等特點，并且可經(jīng)食物鏈的形式進入魚體內(nèi)，或通過某些遷移方式進入水中，從而威脅人類健康與其它動物繁衍生息。因此治理重金屬污染的沉積層一直是國內(nèi)外矚目的熱點和難點。重金屬的生物毒性不僅與其總量有關(guān)，更大程度上由其形態(tài)分布所決定[30]。不同的重金屬形態(tài)產(chǎn)生不同的環(huán)境效應(yīng)，直接影響到重金屬的毒性、遷移及其在自然界的循環(huán)。在測定沉積物介質(zhì)的重金屬含量時，主要采用ICP-MS的儀器分析方法，因為利用原子吸收或原子熒光光譜的方法已經(jīng)不能滿足樣品大批量和高精度分析的需求，這在沉積物基質(zhì)、生物組織基質(zhì)等分析上是一致的。前處理過程的樣品消化方法因基質(zhì)不同而不同，基于硝酸和雙氧水的消化方法可以使組織樣品能夠被完全消化，但沉積物樣品無法獲得全部溶解，但可溶性重金屬可以被較完全提取出來，如想使沉積物樣品得到完全的消解，必須使用氫氟酸的消解方法[31]。

4沉積物指標(biāo)分析技術(shù)的應(yīng)用

沉積物指標(biāo)分析技術(shù)應(yīng)用很廣泛，如可以應(yīng)用該技術(shù)進行水域底質(zhì)成分檢測，探究重金屬遷移和轉(zhuǎn)化過程，建立健康水產(chǎn)養(yǎng)殖模式等，最為重要的是可以為漁業(yè)養(yǎng)殖水域的底泥環(huán)境進行有效監(jiān)測提供手段。隨著國內(nèi)整個水體環(huán)境污染形勢日益嚴(yán)峻，以及高密度和集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖模式不斷發(fā)展，我國以池塘養(yǎng)殖為主的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境遭到較為嚴(yán)重的破壞。為了提高水產(chǎn)品質(zhì)量，保證水產(chǎn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，迫切須要建立一個比較有效且統(tǒng)一的沉積物指標(biāo)質(zhì)量水平標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)助控制和改善水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境。沉積物指標(biāo)分析技術(shù)的發(fā)展就是這一標(biāo)準(zhǔn)建立的基礎(chǔ)，利用沉積物指標(biāo)分析技術(shù)試圖尋找各指標(biāo)間的相互關(guān)系，并發(fā)展1個或幾個較為靈敏的沉積物指標(biāo)作為環(huán)境檢測的標(biāo)記物，可以降低沉積物監(jiān)測的復(fù)雜度。

沉積物中微生物含量十分豐富，其對水體生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與否起著很大作用。尤其對于漁業(yè)養(yǎng)殖水體而言，底泥中微生物產(chǎn)生的生物效應(yīng)更不容忽視。一方面，微生物對高飼料量投入的漁業(yè)養(yǎng)殖水體中各類剩余的營養(yǎng)因子進行分解，促進了物質(zhì)循環(huán)，并減少了沉積量；另一方面，微生物群體對伴隨養(yǎng)殖投入品進入養(yǎng)殖水體的一些有害物質(zhì)可能起到一定程度降解作用，從而降低了這些物質(zhì)的蓄積量。微生物分泌的磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶等胞外酶就是其產(chǎn)生作用的直接體現(xiàn)，這些酶再通過催化沉積物中氮磷化合物和有機物等的分解，對沉積物理化性質(zhì)產(chǎn)生影響[32]。所以筆者認(rèn)為，對漁業(yè)養(yǎng)殖水域沉積物指標(biāo)分析技術(shù)的研究以微生物研究作為重點，然后以此為中心擴展到其他沉積物指標(biāo)的分析，可能是一條很有效的研究途徑?，F(xiàn)今可以利用高通量的測序技術(shù)對沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)特征進行分析，比以往的方法（如DGGE）更加簡單、快速、準(zhǔn)確。利用高通量技術(shù)分析微生物群落的多樣性，再以此為基礎(chǔ)試圖推斷化學(xué)污染物的生態(tài)保護質(zhì)量基準(zhǔn)，可作為今后的研究方向之一[33-36]。另外，在生物多樣性和群落敏感性的基礎(chǔ)上推導(dǎo)沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)，能除去地域差異因素，有利于建立國內(nèi)統(tǒng)一的沉積物指標(biāo)分析監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)。如能在這一研究上取得突破，不僅可以通過測定微生物群落狀況來分析沉積物的其他指標(biāo)，更重要的是可以通過人為引導(dǎo)微生物的群落結(jié)構(gòu)來改善養(yǎng)殖水域的環(huán)境條件提供理論基礎(chǔ)。

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