侯穎，韓雪萌，付發(fā)武，王亞寧，田勝艷,2*

(1. 天津科技大學海洋與環(huán)境學院； 2. 天津市海洋環(huán)境保護與修復技術工程中心：天津 300457)

沉積物中的硫化物主要包括鐵和錳的硫化物以及有機硫化物。根據(jù)其活動性通?？煞譃樗釗]發(fā)性硫化物(acid volatile sulfide, AVS)、黃鐵礦和有機硫化物。AVS是其中活動性最強的一類，可溶于鹽酸[1]。沉積物中的AVS是還原條件下硫酸鹽還原的結果[2]，因此，AVS含量的高低代表了沉積物的氧化還原特性的強弱，在高含量AVS的沉積物中，底棲動物因缺氧而難以生存[3]。此外，AVS本身對底棲動物也有一定的生物毒性作用[4]。因此AVS含量被列為衡量沉積物環(huán)境質量優(yōu)劣的一項重要指標[5-6]。雖然沉積物中的AVS影響底棲動物的生存，但底棲動物的爬行、攝食、建管和筑穴等行為可以改變沉積物的理化性質，如改變沉積物的結構和孔隙度、通氣狀況、氧化/還原邊界分布及增加沉積層中氧化界面表面積。底棲動物生命活動對沉積物理化性質的改變過程被稱為生物擾動作用[7]，已有研究表明，生物擾動可以有效增加沉積物中氧化條件分布，從而改變沉積物的氧化還原電位[8-11]。沉積物中氧化還原電位顯著影響AVS的分布，因此，生物擾動作用可以影響沉積物中AVS的分布。

雙齒圍沙蠶(Perinereisaibuhitensis)屬環(huán)節(jié)動物門多毛綱，廣泛分布于中國近海沉積環(huán)境[12]，通常棲息于淤泥質沉積物中，在沉積物內掘成U型或Y型穴道，穴道深度可達15～40 cm[8,13]。雙齒圍沙蠶對有機質豐富的缺氧和高含量硫化物環(huán)境有很強的適應能力，研究發(fā)現(xiàn)，雙齒圍沙蠶在350 mg/L的硫化物中可以存活72 h以上，因此該物種可能在沉積環(huán)境修復中發(fā)揮重要作用[14]。已有研究表明，雙齒圍沙蠶的擾動作用可以改變沉積物的氧化還原條件，促進沉積層中有機質的降解與礦化，顯著改善沉積物環(huán)境質量[15-16]。但關于雙齒圍沙蠶對沉積物中AVS分布的影響尚鮮見報道。

經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的近海沉積環(huán)境中匯集了各種來自陸源和海源的污染物，其中石油污染普遍存在[17-18]，石油烴類污染物增加了沉積物中的有機質，從而促進沉積環(huán)境的厭氧化使得AVS含量增加。本研究通過構建室內試驗系統(tǒng)模擬石油污染沉積物，研究雙齒圍沙蠶生物擾動作用下沉積環(huán)境中氧化還原電位以及AVS含量和分布的變化，探討雙齒圍沙蠶對含有難降解有機質沉積環(huán)境厭氧條件的改善作用，以及對AVS的去除作用，以期為厭氧沉積物修復提供參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑

硫化鈉、抗壞血酸、硫酸鐵銨、碳酸鈉、鹽酸和硫酸(均為分析純)購自天津市風船化學試劑科技有限公司。硫酸亞鐵、氫氧化鈉和重鉻酸鉀(均為分析純)購自天津市江天化工技術有限司。苯基代鄰氨基苯甲酸、硫酸銀和N,N-二甲基對苯二胺鹽酸鹽(均為分析純)購自上海邁瑞爾化學技術有限公司。正己烷購自天津康科德科技有限公司。

1.2 沉積物采集與原油染毒處理

實驗所用沉積物采自天津北塘河口潮間帶(117.81 °E; 39.07 °N)，是薊運河、潮白新河及永定新河3條河流匯集入海處。選擇落潮時間，用不銹鋼鏟(JF-002)挖取表層15 cm深的沉積物，過1 mm篩，以去除其中的大型底棲動物。取部分沉積物進行風干、研磨處理，其余沉積物避光儲存。

實驗所用原油為重質原油，取自渤海石油曹妃甸鉆井平臺，使用前先進行風化處理：置于玻璃表面皿中呈約5 mm厚的油膜，然后于通風柜中30 ℃恒溫水浴，至原油恒重(每天重量損失低于0.5 %)為風化終點。風化后的原油用正己烷溶解，加入到研磨后的沉積物中，攪拌混合12 h，待正己烷徹底揮發(fā)后，將含有原油的干沉積物加入到濕沉積物中，電動攪拌1周，取5個隨機樣品測定總石油烴含量，標準偏差< 5%，表明石油烴在沉積物中分布均勻。原油染毒沉積物中石油烴含量為2.51 g/kg。染毒后的沉積物避光靜置2周后使用。

1.3 雙齒圍沙蠶

實驗用雙齒圍沙蠶購自浙江臺州牧海水產(chǎn)養(yǎng)殖場。用人工海水(鹽度為26‰，pH=8.0)在實驗室內馴養(yǎng)10 d后用于實驗。馴養(yǎng)期間往養(yǎng)殖缸內放入少量沉積物作為食源，每隔2 d更換養(yǎng)殖用水1次。

1.4 實驗系統(tǒng)構建

實驗在圓柱形玻璃缸(Φ14 cm×40 cm)內進行，內置25 cm深的沉積物，上覆10 cm深的人工海水(鹽度為26‰，pH=8.0)。實驗設計分2組：加入雙齒圍沙蠶的生物擾動組和不放雙齒圍沙蠶的對照組。每個實驗組均設3個平行系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)裝置示意圖如圖1所示。

實驗系統(tǒng)的沉積物和上覆水裝填后靜止平衡5 d，用內徑為1.5 cm的PVC管在氮氣下對實驗系統(tǒng)中的沉積物進行插管取樣，取出的柱狀沉積物樣品根據(jù)距離泥/水界面的距離分為表層(0～5 cm)、中層(5～15 cm)和深層(15～25 cm)，取出后立即置于容器中充氮氣密封，用于測定AVS含量。另外取柱狀樣品，每隔2～3 cm分層測定氧化還原電位，以獲得實驗初始AVS含量和氧化還原電位值。實驗系統(tǒng)中取出柱狀樣品后的圓洞填入實驗用沉積物。生物擾動組實驗系統(tǒng)內放入8條個體相近的雙齒圍沙蠶，其濕重為(1.73±0.32) g，生物密度為520條/m2。雙齒圍沙蠶放入的時間計時為第1天，實驗共進行60 d。實驗期間上覆水微曝氣充氧，實驗裝置用保鮮膜封口以減少上覆水蒸騰損失。實驗終止后，同樣用插管法取柱狀樣，測定不同深度沉積物的氧化還原電位和AVS含量。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1Sketch map of the experimental design

1.5 沉積物氧化還原電位的測定

沉積物氧化還原電位的測定參照《海洋監(jiān)測規(guī)范》第5部分:沉積物分析(GB 17378.5—2007)中的電位計法[19]，用pH 計(PHS-3C，上海儀電科學儀器股份有限公司)進行測定。測定時將飽和甘汞電極和鉑電極插入沉積物中，穩(wěn)定后讀數(shù)。根據(jù)公式(1)計算沉積物的氧化還原電位E。

E=Ea+Eb

式(1)

式中，Ea為飽和甘汞電極的電位(mV)，Eb為儀器上測得的電位(mV)。

1.6 沉積物AVS的測定

沉積物中AVS含量的測定采用亞甲基藍分光光度法(HJ 833—2017)[20]。沉積物樣品中加入20 mL鹽酸(6 mol/L)，通過加熱蒸餾裝置將生成的硫化氫吹出，用氫氧化鈉溶液(10 g/L)吸收，吸收液用亞甲基藍顯色，于665 nm波長處分光光度法測定。

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

實驗結果以“平均值±標準偏差”表示，用SPSS 21.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，使用t檢驗及單因素方差分析(ANOVA) 對組間數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗，P<0.05 表明差異顯著，P>0.05 表明差異不顯著。

2 結果與討論

2.1 雙齒圍沙蠶的生存狀況與生物擾動行為

生物擾動組共放入雙齒圍沙蠶24只，實驗結束時全部存活，并成功從系統(tǒng)中取出，表明雙齒圍沙蠶在實驗系統(tǒng)中的生活狀況良好。然而，雙齒圍沙蠶的平均濕重從實驗初始的(1.73±0.42) g下降至(1.50±0.38) g，這可能是由于實驗期間雙齒圍沙蠶只能利用沉積物中的有機質，缺少底棲藻類等優(yōu)質食源造成的。

雙齒圍沙蠶進入實驗系統(tǒng)的第3 d便全部鉆入沉積物中，活動區(qū)域主要在表層(0～5 cm)和中層(5～15 cm)；第10天其穴道出現(xiàn)在沉積物深層(15～25 cm)區(qū)域，系統(tǒng)裝置側面可觀察到少量穴道，如圖2(A)所示，沉積物表層出現(xiàn)雙齒圍沙蠶的糞便顆粒；實驗進行至第30天時，系統(tǒng)裝置側面可見多條清晰的穴道，主要集中在表層和中層，掘穴深度最深達到18 cm；至第60天時，掘穴深度至20 cm，穴道周圍的沉積物呈現(xiàn)淺褐色，表明局部區(qū)域的氧化狀態(tài)(圖2B)，沉積物表面堆積了大量糞便顆粒(圖2C)。

根據(jù)底棲動物對沉積顆粒物的遷移混合方式，可將擾動生物分為4種功能類群: 生物擴散者(biodiffusers)、上行輸送者(upward conveyors)、下行輸送者(downward conveyors) 和沉積物再造者(regenerators)[8]。雙齒圍沙蠶屬于上行輸送者，即頭向下尾在上，通過攝食和排便過程將中層和深層的沉積顆粒物輸運至表層。覃雪波等[21]利用微宇宙示蹤技術研究發(fā)現(xiàn)雙齒圍沙蠶掘穴深度可達18 cm，與本研究中發(fā)現(xiàn)的掘穴深度基本一致。

圖2 生物擾動組實驗系統(tǒng)的表觀狀態(tài)A：第10 d系統(tǒng)側視圖；B：第60 d系統(tǒng)側視圖；C：第60 d系統(tǒng)表面洞口及糞便顆粒(圓圈標出糞便)。Fig.2 Appearance in the experimental system of bioturbation groupA: Side view of the experimental system at 10th day;B: Side view of the experimental system at 60th day;C: Burrow holes and fecal particles at the surface of the experimental system at 60th day (circles show the feces).

2.2 沉積層氧化還原電位的變化

雙齒圍沙蠶生物擾動作用下沉積層的氧化還原電位顯著升高，且顯著改變了沉積物中氧化還原電位的縱向分布。實驗終止時(第60天)，生物擾動組和對照組中沉積物的氧化還原電位均高于實驗初始的狀態(tài)，其中生物擾動組中氧化還原電位顯著高于對照組和實驗初始(P<0.05)，如圖3所示。實驗終止時(第60天)，生物擾動組沉積物表層和中層氧化還原電位顯著高于深層(P<0.05)，其中表層和中層氧化還原電位無顯著差異(P>0.05)；對照組沉積物表層氧化還原電位顯著高于中層和深層(P<0.05)，其中中層和深層氧化還原電位無顯著差異(P>0.05)。對于深層沉積物，對照組第60天時仍為還原狀態(tài)，而生物擾動組呈氧化狀態(tài)。上覆水中的氧氣很難擴散進入深層，只能通過沉積物-水界面和穴道壁進入沉積物內部[13]，而底棲動物擾動過程中形成的穴道有效改變了沉積物的孔隙結構，增加了沉積物與上覆水進行物質交換的有效面積。底棲動物為了呼吸和進食，通過生物灌洗作用將含有氧氣的上覆水引入洞穴，促進了水中溶解氧與深層孔隙水的交換[22-23]，從而改變了沉積層的氧化條件分布。本研究中生物擾動組穴道周圍被新引入的氧氣氧化，使穴道周圍的沉積物呈淺褐色，而其他部位沉積物顏色較深，說明雙齒圍沙蠶的生物擾動明顯促進上覆水的溶解氧進入沉積層，尤其是通過雙齒圍沙蠶的穴道進入沉積物深層，使得穴道周圍的沉積物被氧化，并且通過與孔隙水之間的物質交換，提高了沉積物的氧化還原電位。Timmermann等[24]研究發(fā)現(xiàn)海蚯蚓(Arenicolamarina)的生物擾動增加了沉積層的含氧量；Mana等[25]的室內試驗系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)大型底棲動物群落生物擾動50 d后，沉積物的氧化還原電位明顯增加，由還原條件變?yōu)檠趸瘲l件，顯著高于未添加擾動生物的對照組。本研究結果與上述文獻報道一致。

圖3 沉積物中氧化還原電位的縱向分布Fig.3Vertical distribution of oxidation-reduction potential in sediment

2.3 沉積物中酸揮發(fā)性硫化物(AVS)的變化

經(jīng)過60 d，生物擾動組和對照組實驗系統(tǒng)中AVS含量呈現(xiàn)出不同的變化。如圖4所示，對照組中各層沉積物中AVS含量較實驗初始值均增加，而生物擾動組中各層沉積物中的AVS含量較初始值均降低，且生物擾動組各層沉積物的AVS含量均顯著低于對照組(P<0.05)。在雙齒圍沙蠶生物擾動作用下，沉積層氧化還原電位提高，使得沉積物中AVS被氧化。而AVS氧化生成的硫酸鹽水溶性高，更易進入孔隙水，并通過與上覆水的物質交換進入上覆水中。此外，雙齒圍沙蠶的U形穴道增加了物質交換的有效面積，并在生物灌洗作用中使硫酸鹽被快速沖出，從而降低沉積物和孔隙水中的AVS含量[23-26]。根據(jù)雙齒圍沙蠶的穴道分布情況分析，表層和中層沉積物中穴道分布更密集，深層沉積物中穴道數(shù)量少，且沉積層中氧化還原電位也表現(xiàn)出從表層到深層逐漸降低的變化情況(圖3)，因此沉積物中AVS含量的縱向分布表現(xiàn)為：表層<中層<深層，且表層和中層沉積物中的AVS顯著低于深層沉積物中的AVS含量(P<0.05)，這一現(xiàn)象與Chareonpanic等[27]和Heilskov等[28]的研究結果一致。然而，不同擾動類型的底棲動物對AVS含量的影響可能不同。Remaili等[29]對雙殼類動物(Tellinadeltoidalis)和端足類動物(Victoriopisaaustraliensis)進行的28 d的擾動實驗發(fā)現(xiàn)，沉積物0～4 cm中AVS含量與初始值相比出現(xiàn)了增多的情況。Nedwell等[30]的研究也發(fā)現(xiàn)，海洋環(huán)境中的端足類生物(amphipods)提高了沉積物中有機質轉化為無機質的反應速率，為沉積物表面氧化層的硫酸鹽還原菌提供了營養(yǎng)物質，有利于AVS 的形成，引起AVS含量增加。

圖4 沉積物中AVS的含量Fig.4AVS Concentrations in sediment

3 結論與展望

雙齒圍沙蠶的生物擾動作用有效改變了沉積層中氧化/還原邊界，提高了沉積物中的氧化還原電位，從而促進了AVS的氧化，導致AVS含量降低。由于雙齒圍沙蠶主要在沉積物表層和中層活動，沉積物中AVS含量的縱向分布表現(xiàn)為：表層<中層<深層，且表層和中層沉積物中的AVS顯著低于深層沉積物中的AVS。

雙齒圍沙蠶生物擾動下AVS氧化減少對于沉積物環(huán)境質量是有利的一面。然而，沉積物中的AVS還關系到其他污染物的環(huán)境行為，如還原條件下AVS對沉積物中的重金屬結合可降低其生物有效性，那么生物擾動作用可改變沉積物中的氧化還原條件及降低AVS含量，極可能影響沉積物中重金屬的生物有效性。因此，評價生物擾動作用對沉積物環(huán)境質量影響時，要綜合考慮對AVS的影響以及其他污染物生物有效性的影響。