2016, Vol. 28 
(2: 环境保护部南京环境科学研究所, 南京 210042)
(3: 中国科学院南京地理与湖泊研究所, 南京 210008)
(2: Nanjing Institute of Environmental Science, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, P. R. China)
(3: Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, P. R. China)
重金属元素由于在环境中具有毒性大、易富集和难降解等特性而受到高度关注[1-2].重金属可通过地表径流迁移、沉降，逐步转移至湖泊沉积物中，并可能在一定的环境条件下重新释放到上覆水体中，直接或间接地对水生生物产生致毒致害作用，并通过生物富集、食物链放大等过程进一步影响人类健康[3-4].因此，有必要了解湖泊沉积物重金属的污染程度和特性.研究表明，不同形态的重金属具有不同的生物有效性和毒性[5]，因此对沉积物重金属形态提取和分析对于辨识沉积物中重金属的污染状况和释放潜力具有重要的作用.底栖动物作为湖泊生态系统的重要组成部分，长期生活于沉积物表层，生活环境相对固定，并且具有生命周期长、迁移能力差、区域性强等特点，对表层沉积物毒性及污染状况具有直接的指示作用[6-7].因此，研究重金属在湖泊不同介质(沉积物和底栖生物)中的赋存特征对于全面掌握了解重金属迁移规律以及对生物的毒害作用等十分必要.
滆湖(31°29′~31°42′N, 119°44′~119°53′E)俗称西太湖，是苏南地区的第二大湖.位于长江三角洲太湖流域西部，常州市武进区西南部.湖泊总面积为164 km2.滆湖是典型的浅水湖泊，具有饮用水后备水源、旅游休闲、水产养殖和蓄洪灌溉等多种使用功能[8].近几年来随着滆湖周围地区经济的迅速发展和城市化进程的加快，滆湖流域污染负荷不断增加，滆湖水体污染程度也日益加剧，已经严重影响到水生生态环境，长期生活在滆湖底泥表层的底栖生物也难免受到湖泊污染的影响.在滆湖底栖生物中，铜锈环棱螺(Bellamya aeruginosa)的分布较为广泛[9]，其作为以摄食沉积物中有机碎屑、细菌和藻类为生的底栖软体动物，具备分布广、个体大小适中、移动性差、适应性强等特点[10]，同时也被人类食用，在食物链中具有重要作用，能够反映所在水生生态系统的重金属污染特征.
目前，针对滆湖沉积物的研究主要集中在营养盐以及水生生物方面[11-12]，而对沉积物重金属的研究较少[13]，尤其缺乏重金属的生物有效性以及在底栖生物中的富集特征的研究.本文以滆湖为研究对象，测定表层沉积物中Cd、Cr、Cu、Zn、Pb和Ni 6种重金属元素的总量、形态以及在铜锈环棱螺中的富集含量，并通过相关性分析，对滆湖表层沉积物重金属的生物有效性进行探讨，以期为探明滆湖沉积物中重金属污染状况及污染特征提供基础数据.
1 材料与方法 1.1 样品采集于2014年10月在滆湖采集底泥和底栖生物样品，全湖共布设9个采样点(图 1)，分别为北部湖区(G1、G2、G3)、中部湖区(G4、G5、G6)和南部湖区(G7、G8、G9).其中，湖区划分主要依据湖泊水质状况，北部湖区和中部湖区因入湖河流污染物输入以及湖区水产养殖等问题导致水质相对较差[8]，而南部狭长湖区水生植被覆盖率较高，水质相对较好.采用彼得森采泥器采集表层10 cm的沉积物样品，将采集的表层沉积物样品混合均匀后装入聚乙烯自封袋中密封，低温保存送回实验室进行预处理及分析.同样采用彼得森采泥器采集底栖动物(铜锈环棱螺)，每个样点采集6次混合成一个样品，然后经过60目尼龙筛网现场筛洗，剩余物带回实验室进行分拣.
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图 1 滆湖采样点分布 Fig.1 Location of sampling sites in Lake Gehu |
采集的沉积物样品经冷冻干燥机冷冻干燥后，去掉杂物及石块，经玛瑙研钵研磨处理，过200目尼龙筛，贮存备用.采集的底栖样品置入白色盘中，将铜锈环棱螺活体挑出，置于冷冻干燥机内冷冻干燥，之后在无菌操作台上进行解剖，用剪刀将铜锈环棱螺组织剪碎，然后采用玛瑙研钵研磨至粉末状，贮存备用.沉积物重金属形态提取是采用欧共体标准物质局提出的三级四步提取法[14]，简称BCR法，将重金属形态分为弱酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态，前3种形态由于其生物可利用性统称为生物有效态[15-16].沉积物样品、生物样品和各形态提取液中重金属元素含量利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，Agilent 7700cx型)测定[17].为保证分析的准确性，同步分析了由国家地质实验测试中心生产的湖底沉积物顺序提取微量元素标准物质(GBW07436)，各重金属元素不同形态回收率在94.1% ~119.9%范围内，符合美国EPA标准要求的80% ~120%的范围.
沉积物总有机碳(TOC)含量采用重铬酸钾容量法测定[18]；沉积物粒度使用英国Malvern公司的Mastersizer 2000型激光粒度分析仪进行测定[19]，其中粒度 < 2.00 μm为黏土，粒度在2.00~63.00 μm之间为粉砂，粒度 > 63.00 μm为砂砾.
2 结果与讨论 2.1 表层沉积物理化性质及重金属分布沉积物是重金属等环境污染物的源和汇，沉积物粒度和总有机碳含量在一定程度上能够影响对重金属的吸附、解吸以及重金属在环境中的迁移[20].滆湖表层沉积物中黏土含量范围为10.11% ~14.82%，粉砂含量范围为80.98% ~88.11%，砂砾含量范围为1.57% ~6.62%，从黏土含量的空间分布来看，北部湖区>中部湖区>南部湖区，平均含量分别为13.57%、11.31%和11.09%. TOC含量范围为4.31% ~15.43%，南部湖区最高，平均含量为13.59%，其次为北部湖区，平均含量为7.68%，中部湖区最低，平均含量为5.28% mg/kg(表 1). 6种重金属(Cu、Zn、Pb、Cd、Ni和Cr)的含量范围分别为31.02~82.03、90.24~185.73、25.50~63.36、0.25~0.75、38.29~84.05和71.99~168.32 mg/kg(表 1)，6种重金属均表现为北部湖区重金属含量最高，分别是沉积物背景值的3.89、2.76、2.96、2.44、4.77和1.91倍，中部湖区和南部湖区差异较小，南部湖区的Cu、Zn、Pb、Cd 4种金属含量略高于中部湖区，中部湖区的Ni和Cr略高于南部湖区.从金属污染程度来看，3个湖区均呈现出Ni的超标倍数最高，其次是Cu.滆湖北部上游及周围地区城镇化进程的加快和工业企业的快速发展，生活污水和工业废水大量进入湖内是导致滆湖北部重金属污染的重要原因.
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表 1 滆湖沉积物理化性质及重金属含量 Tab.1 Sediment properties and heavy metal contents in sediments of Lake Gehu |
滆湖沉积物中的黏土含量与Zn含量呈极显著相关(P < 0.01)，与Cu、Pb、Cd、Ni和Cr呈显著相关(P < 0.05)，这表明，重金属易于被沉积物中的黏土成分吸附，该分析结果与以往研究发现的沉积物中重金属与黏土成分具有相关性[21]一致.相关性分析(表 2)发现，沉积物中重金属含量与总有机碳含量之间的相关性较差，其原因可能是由于人类活动比较频繁，导致入湖污染物较为复杂，影响了相关性.
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表 2 滆湖沉积物理化性质与重金属含量之间的相关性 Tab.2 Pearson's correlation between sediment properties and metal concentrations in Lake Gehu |
滆湖不同湖区表层沉积物中重金属各形态的分布如图 2所示.重金属Cr和Ni主要以残渣态存在，平均含量占总量的比值分别为59.04%和40.53%.有研究认为残渣态的重金属离子易结合在土壤硅铝酸盐矿物晶格中，性质较为稳定，一般情况下难以释放，对沉积物中重金属的迁移和生物可利用性贡献小[22]，因此，Cr和Ni对环境和生物是比较安全的. Cd元素以弱酸结合态为主，平均含量为58.84%，其次为可还原态，平均含量为20.61%，研究表明，Cd元素在沉积物中易吸附在细颗粒表面，在碳酸盐矿物形成的过程中，Cd易与Ca2+发生替代反应[23]，因而对pH值的敏感度较高，在酸性条件下容易释放，进而对环境和生物可能产生危害和毒性，这表明，Cd和Zn均具有较高的潜在释放风险.与Cd类似，Zn元素的主要形态为弱酸结合态，平均含量为33.70%，其次为可还原态，平均含量为28.60%. Cu和Pb以可还原态为主，含量分别达到53.63%和53.60%，可还原态属于较强的离子键结合的化学形态，通常不易释放，但当水体中氧化还原电位降低或水体严重缺氧情况下，这种结合形态的重金属键被还原，可能对水体造成二次污染.
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图 2 滆湖表层沉积物中重金属各形态的分布特征 Fig.2 Distribution characteristics of heavy metals forms in surface sediments of Lake Gehu |
重金属生物有效态比例越高，表明沉积物中重金属越易释放并造成二次污染，其生物有效性也就越大[24]. 6种重金属的生物有效态含量顺序为Cd > Cu > Zn > Pb > Ni > Cr，其中Cd、Cu、Zn和Pb的生物有效态含量均大于60%，分别占总量的84.15%、78.47%、76.50%和64.29%.这表明，沉积物中Cd、Cu、Zn和Pb有较高的生物有效性，因而在环境中具有较高的释放风险.
2.4 重金属在铜锈环棱螺体内的富集6种重金属在滆湖不同湖区铜锈环棱螺体内的含量呈现不同分布特征，北部湖区为Zn > Cu > Cr > Ni > Pb > Cd，中部湖区为Zn > Cu > Ni > Cr > Pb > Cd，南部湖区为Zn > Cu > Pb > Ni > Cr > Cd.总体而言，滆湖3个湖区均呈现出Zn在铜锈环棱螺体内富集的含量最高，其次是Cu(图 3).
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图 3 滆湖不同湖区重金属在铜锈环棱螺体内的富集含量 Fig.3 Contents of heavy metals in Bellamya aeruginosa from different zones in Lake Gehu |
为了比较水生生物对沉积物中不同污染物的积累能力，一般用生物-沉积物积累因子(biota-sediment accumulation factor, BSAF)来表示[25]. 表 3结果显示，铜锈环棱螺对沉积物中6种重金属的积累水平存在较大差异，其中Cu和Zn的积累量明显高于其他元素，这与Liang等[26]和李丽娜等[27]的研究结果基本一致.
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表 3 铜锈环棱螺对滆湖污染沉积物中重金属的生物-沉积物积累因子* Tab.3 Biota-sediment accumulation factors of Bellamya aeruginosa to heavy metals in the sediments of Lake Gehu |
滆湖中Cr的生物积累量及沉积物中Cr的总量及有效态含量均呈极显著正相关(P < 0.01)；Pb的生物积累量与Pb的有效态含量呈极显著正相关(P < 0.01)，而且也与Pb总量显著相关(P < 0.05)；Cd和Ni的生物积累量与其在沉积物中的总量及有效态含量相关性不显著；Cu和Zn的生物积累与其形态和总量均没有显著相关性，这表明Cr和Pb的有效态含量可以较好地指示重金属的生物可利用性(图 4).
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图 4 滆湖重金属在铜锈环棱螺体内的富集量与沉积物中重金属总量、有效态含量的相关性 Fig.4 Correlation between total and metal concentrations in sediment and metal concentrations in tissue of Bellamya aeruginosa in Lake Gehu |
尽管Cu的有效态含量与在铜锈环棱螺体内的富集含量没有显著相关性，但其在生物体内具有较高的生物积累量，应给予足够的重视.同时，研究发现6种重金属中Cd的生物有效态含量最高，但在铜锈环棱螺中的富集量较低，这是由于生物对重金属的富集不仅与重金属的生物有效性有关，还与环境中金属元素的总量以及生物的生理特征有关.
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