2017, Vol. 29 
因自然或人类活动，有毒重金属进入水环境，经过生物降解等途径，其中不可降解部分最终进入沉积物中.湖泊系统中表层沉积物积累的重金属已占生态系统所负担的大部分[1]，使得沉积物重金属污染成为研究者长期关注的问题之一.由于重金属存在多种赋存形态，容易受外界环境条件影响以及与其他物质形成稳定结合态，且在外界环境条件发生改变后，又会与上覆水界面发生物理、化学和生物条件的相互作用，释放出来造成水体的二次污染，影响上覆水体的水质[2-3].富营养化水体中藻类生物量庞大，其快速繁殖进行光合呼吸作用，使得水体温度、pH、溶解氧等环境理化指标改变，此外，在藻类生长过程中分泌大量溶解性有机质，死亡机体增加表层沉积物有机质含量，改变体系的微生物结构等，这些都对沉积物金属的释放作用产生复杂的耦合效应[4].
巢湖(31°25′~31°43′N，117°16′~117°5′E)位于安徽省中部，处于长江、淮河两河之间，是我国五大淡水湖之一.水域面积769.55 km2，具有航运、渔业、农灌、防洪等多种功能.近年来巢湖频繁暴发以铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)为主的蓝藻水华，尤其是在夏季6-8月期间大量繁殖，西半湖区域内繁殖更加旺盛[5-6].目前对巢湖的研究主要集中在水体的富营养化[7]、沉积环境演化[8-9]以及巢湖重金属的分布及形态特征等方面[10-11].国内外有关藻类吸附重金属的生物吸附研究已有较全面的研究及综述报道[12-13]，Singh等研究发现自然状态下生长的微囊藻比实验室培养的微囊藻具有更强的吸附能力[14]，Rangsayatorn等研究了节旋藻(Arthrospira)对镉的吸收，发现藻细胞吸附重金属的最佳pH值为7[15]，吴文娟等研究了在不同金属离子浓度和不同pH条件下微囊藻水华对重金属Cu2+、Cd2+和Ni2+的吸附效果[16].姜晶等测定了蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidsa)对Pb2+和Cd2+的吸附和脱附动力学[17]，但蓝藻水华及腐殖化过程对巢湖重金属的迁移释放的影响方面的研究未见报道.本研究以巢湖西半湖为研究对象，从蓝藻对重金属的吸附解吸的角度出发，对巢湖表层沉积物的总有机碳(TOC)、总氮(TN)以及7种重金属元素(Cd、Cr、Cu、Zn、Pb、Ni和Mn)的含量进行测定，分析其空间分布特征，并采用BCR连续提取法对Mn和Cd形态指标进行线性相关分析，运用潜在迁移指数(PMI)[18]评价巢湖西半湖水系的重金属生态风险，结合C/N分析重金属的可能来源，同时通过模拟实验研究蓝藻腐殖化过程中水体和藻体的重金属含量变化，验证蓝藻腐殖化过程是否对重金属有吸附释放效果，以期认识水华条件下沉积物中重金属的迁移转化规律，从而为巢湖重金属污染的治理和环境质量的提升提供指导.
1 材料与方法 1.1 样品采集于2013年11月，借助GPS全球卫星定位系统，于巢湖西半湖布设32个采样点(图 1)，使用柱状采样器采集表层沉积物样品，装入洁净的聚乙烯自封袋中密封，低温保存送回实验室进行预处理及后续分析.
1.2 样品处理 1.2.1 沉积物样品采集的样品去掉杂物及石块，经冷冻干燥后，经玛瑙研钵研磨处理，过200目尼龙筛，贮存备用.全湖32个采样点(图 1)表层沉积物样品用于分析重金属总量、重金属Cd与Mn形态以及TOC/TN比值.所有样品分析均重复进行3次，以提高精确度和减小随机误差，试验结果取平均值.采用欧共体标准物质局提出的BCR连续提取法，将重金属形态分为弱酸提取态(F1)、可还原态(F2)、可氧化态(F3) 和残渣态(F4) [19].重金属总量和各形态提取液中重金属元素含量采用HF-HClO4-HNO3(GR)混合酸体系消解，利用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)分析.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(GBW07304a)，各重金属元素不同形态回收率在82.3%~113.1%之间，符合美国国家环境保护局(USEPA)标准要求的80%~120%的范围. TOC与TN含量采用元素分析仪(Vario TOC cube)测定.
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图 1 巢湖采样点分布 Fig.1 Distribution of sampling sites in Lake Chaohu |
实验装置采用圆柱形玻璃容器(图 2)，按1:1比例加入超纯水与新鲜蓝藻，蓝藻于2013年7月取自巢湖西半湖，正值蓝藻暴发期间，经镜检98%以上为蓝藻门微囊藻属(Microcystis)，蓝藻藻密度约为108 cells/L.整个实验分成3组：A组全程好氧；B组好氧30 d，厌氧30 d，避光处理；C组全程厌氧，避光处理.蓝藻反应装置置于30±2℃恒温培养箱中，不加任何营养元素.实验阶段，每隔6 d取样一次，测定上覆水中pH，同时测定上覆水与藻体内重金属Cd与Mn含量.
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图 2 模拟实验装置 Fig.2 The apparatus of laboratorial experiment |
为定量描述重金属的二次释放污染，本研究引入潜在迁移指数(Potential Mobile Index, PMI), 其含义是指沉积物中某种重金属在环境中可能向其他介质(如植物、水体等)迁移的部分占该金属总量的质量百分比，即表示迁移能力的强弱.计算公式为：
| $PMI = \frac{{B1 + B2}}{{\sum {Bi} }}$ | (1) |
式中，PMI为某种重金属的潜在迁移指数，取值0~100%；B1为某种重金属的弱酸提取态的质量分数，(mg/kg)；B2为某种重金属的可还原态的质量分数(mg/kg)；∑Bi为重金属4种形态的质量分数之和，即该金属在沉积物中的质量分数(mg/kg)；i指重金属BCR连续提取中的第i种形态，i＝1、2、3、4.
某种重金属的PMI取值越接近100%，则表示该金属在环境中的潜在迁移性越强(或活性越强)；相反，重金属的PMI值越小(或接近于0)，则表明该金属在环境中的稳定性越强(或惰性越强).这样可以通过比较重金属的PMI值来直观地反映重金属的稳定度高低.
实验数据采用Origin 8.5作图，采用SPSS 19.0软件进行双变量相关性分析，采用Pearson相关系数分析各组数据之间的相关关系.
2 结果与讨论 2.1 表层沉积物中重金属含量分布特征从表 1可以看出，巢湖各采样点表层沉积物中7种重金属含量均不同程度超出背景值[20]，Cd、Mn、Pb和Zn的含量较背景值普遍偏高，距离南淝河越近越突出[21-22].这是由于南淝河与塘西河靠近合肥市，人口密集，此外受夏季东南风及水动力的影响，南淝河入湖口附近为蓝藻水华聚集地，水华蓝藻生物量大且吸附重金属多，死亡后释放重金属，导致重金属在湖泊内显著迁移.李国莲等[23]的研究指出巢湖西半湖南淝河口水体因受到合肥市工业与生活污染排放的直接影响，Cd含量最大值为0.07 μg/L.本研究中，巢湖水华蓝藻中的Cd含量为0.1 mg/kg.藻类体内的微量元素主要源自对水体、沉积物中微量元素的吸收和富集，来源有工业生产、农业活动以及城乡生活等.由此可知，巢湖西半湖岸沉积物重金属除了合肥市的废水污染源外[24]，部分来源于蓝藻水华集聚与腐殖化过程对重金属的迁移与释放作用.
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表 1 巢湖沉积物中重金属含量 Tab.1 Heavy metal contents in sediments of Lake Chaohu |
巢湖表层沉积物中重金属Mn和Cd的F1态为其主要赋存形态，平均含量可达53.24%和45.69%，Cd其次为F2态，平均含量为23.76%，Mn的F2和F4态含量较高，平均为20.55%和27.06%(图 3). Cd易与Ca2+发生替代反应，因此造成沉积物中Cd的F1态较高[25]. F1态的重金属对pH值的敏感度较高，在酸性条件下容易释放，夏季蓝藻腐殖化过程会导致水体pH和溶解氧浓度下降[4, 26]，弱酸提取态较容易被释放出来，同时弱酸提取态会被还原成生物可利用态并由沉积物向水体释放，能被植物吸收.而残渣态比例较高时，在水体理化性质改变时，这部分赋存在原生矿物和次生硅酸盐矿物晶格中的重金属释放到水体，造成水体二次污染，潜在生物迁徙性较大.
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图 3 巢湖各采样点不同形态重金属所占百分比 Fig.3 Percentage of different factions of heavy metals for different sampling sites of Lake Chaohu |
由表 2可知，巢湖西半湖、南淝河入湖口、杭埠河入湖口以及上派河入湖口沉积物中Cd的PMI均值分别为76.9%、74.9%、83.8%和84.7%，各区域均值都较高，但南淝河的最高值(94.8%)明显高于杭埠河(89.5%)及上派河(88.5%)，说明整个西半湖Cd的迁移性较大；西半湖、南淝河入湖口、杭埠河入湖口以及上派河入湖口沉积物中Mn的PMI均值分别为64.5%、67.7%、63.1%和60.2%，说明整个西半湖沉积物中Mn的迁移性相差不大.各采样点Cd的PMI均超出Mn，表明Cd比Mn更易形成二次污染.且西半湖沿岸蓝藻积聚，藻类生长影响了界面pH、DO浓度等水体环境，提高了Cd从沉积物内部向水体系中扩散的速率.因此在藻类生长、迁移和死亡过程中藻细胞可能会吸附积累及释放重金属，从而影响到重金属在水体中的含量分布及形态变化[27].
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表 2 巢湖表层沉积物中重金属潜在迁移指数(PMI)* Tab.2 PMI of heavy metals in surface sediments of Lake Chaohu |
由相关性分析(表 3)可知，除Mn的残渣态含量与总量之间表现出显著正相关(P < 0.05) 外，Mn和Cd的各形态含量和总量之间均表现出极显著正相关(P < 0.01)，同时，这两种重金属的F1态与F2及F3态含量之间表现出极显著正相关(P < 0.01). Cd的F4态含量与其他形态含量之间均存在极显著正相关(P < 0.01)，表明残渣态的稳定性是相对的，在蓝藻水华腐殖化过程中，残渣态则可能被释放到水体.
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表 3 巢湖沉积物中不同形态重金属含量与其他指标之间的相关性分析 Tab.3 Correlations analyses between different heavy metal contents and other indicators in the sediments of Lake Chaohu |
作为可以比较准确判断沉积物有机质来源的指标，TOC/TN比值可以有效区分沉积有机质的藻类和陆生植物来源.重金属Cd和Mn的不同形态含量和总量之间均表现出极显著正相关，其中Mn的残渣态含量和总量之间表现出显著正相关(表 3)，表明重金属不同形态的来源具有一致性并且分布类型比较相似.本文研究发现，巢湖南淝河附近及西部湖心区TOC/TN比值均介于2.03~4.17之间，属于典型的藻型湖[28]，周志华等通过研究判定巢湖西半湖沉积物的物质来源主要是湖泊自身[29]，表明巢湖沉积物有机质来源于蓝藻. Cd的不同形态含量和总量都与TN、TOC含量存在显著正相关，Mn除残渣态以外，其他形态含量和总量均与TOC、TN含量表现出极显著正相关和显著正相关(表 3)，表明Cd、Mn来源和分布与蓝藻有关，蓝藻水华腐殖化过程可能会对水体、沉积物重金属有吸附和释放的影响.
2.3 蓝藻腐殖化过程 2.3.1 蓝藻腐殖化过程中水体pH的变化蓝藻腐殖化过程使水体pH发生了显著的变化(图 4).藻类的代谢随光线变化而变化，光照下，光合作用占优势，吸收水体中的二氧化碳，避光处理，呼吸作用向水体释放二氧化碳. A组与B组前30 d，因实验环境与外界隔离，无外来营养源，光合作用与呼吸作用平衡，两组pH变化不大，且变化较为一致. 30 d以后，A组呈上升趋势，可能是由于前30 d蓝藻消耗体内营养物质较多，后期光合作用强度高于呼吸强度，消耗水体CO2，导致水体pH升高；而B组第30 d后与C组整个阶段均进入厌氧阶段，由于细胞内的聚磷酸体的消耗[30]，同时避光处理，呼吸作用强于光合作用，产生CO2，导致水体pH持续下降；且C组整个阶段厌氧避光，蓝藻腐殖化过程中，元素碳生成CH4和CO2[31]，同时呼吸作用较强，使得实验整个阶段pH值低于A组和B组.
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图 4 上覆水pH值随时间的变化曲线 Fig.4 The curve of pH value of overlying water with the change of time |
好氧过程中，藻体中重金属含量大致呈波动性上升趋势，上覆水中重金属含量呈波动性下降趋势.而B组上覆水中Cd含量则出现了先增加后减少的变化，这可能是由于蓝藻对Cd的吸附最适pH为6[32]，pH偏高会影响蓝藻对重金属的吸附效率.好氧阶段前期可能由于pH的升高影响到重金属离子的解离状态，进而对重金属的吸附作用产生影响，导致A组和B组上覆水中Cd含量先增加后减少(图 5).
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图 5 蓝藻腐殖化过程中藻体和水体重金属含量随时间的变化曲线 Fig.5 The curve of heavy metal content in alga and water with the change of time during the process of the humification of blue-green algae |
厌氧阶段蓝藻细胞裂解，与蓝藻胞内蛋白质、核酸等可溶性有机物结合的重金属会被释放至上覆水.由图 5可以看出，藻体重金属含量呈波动性下降趋势，上覆水中重金属含量则大致表现为上升趋势，与理论结果相一致.其中C组藻体中Cd和Mn含量表现出先上升后下降的曲线，C组上覆水中Mn含量后期出现降低且波动幅度较大，可能是由于死藻细胞壁破碎较多，细胞表面暴露的官能团对上覆水中重金属同样有吸附作用所致[33].后由于微生物的作用，蓝藻残渣被分解，重金属又被重新释放回水体，导致上覆水中Cd和Mn含量的增加.
通过模拟实验可以发现，蓝藻腐殖化过程会导致水体pH的变化，影响到重金属离子的解离状态，同时腐殖化过程中蓝藻会对上覆水重金属产生吸附-释放、再吸附-释放作用.
3 结论1) 巢湖西半湖表层沉积物中重金属(Cd、Cr、Cu、Zn、Pb、Ni和Mn)分布具有明显的空间差异性，靠近南淝河，超出背景值较明显，表明巢湖西半湖岸沉积物中重金属除了来源于合肥市废水，可能部分来源于蓝藻水华集聚与腐殖化过程对重金属的迁移与释放作用.
2) PMI计算表明重金属Cd比Mn更易迁移，Mn和Cd各形态含量和总量之间均表现出极显著正相关，同时这两种重金属的弱酸提取态与可还原态及可氧化态之间表现出极显著正相关，表明这两种重金属的来源和分布具有一致性.
3) 模拟实验发现，蓝藻腐殖化过程会导致水体pH的变化，影响到重金属离子的解离状态，同时腐殖化过程中蓝藻会对上覆水重金属产生吸附-释放、再吸附-释放作用.
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