藍藻水華對沉積物汞遷移釋放的影響

湯雨霖 姜霞 陳春宵

（1.哈爾濱商業大學 生命科學與環境科學研究中心，黑龍江 哈爾濱 150076 ;2.中國環境科學研究院，環境基準與風險評估國家重點實驗室， 北京 100012）

隨著湖泊富營養化程度的加劇，藍藻水華成為了湖泊生態系統中一個普遍存在的問題，也是全世界富營養化湖泊面臨的重大問題。國內外很多專家學者對湖泊藍藻水華機制開展了大量研究，發現沉積物中藍藻的復蘇和分裂是導致藍藻增加的主要原因之一[1]。且藍藻生長迅速，只要在合適的條件下（光照、溫度、營養鹽、水動力），藍藻能迅速增長，并在短期內形成水華[2]。藍藻水華可引起一系列水體環境因子的劇烈變化，如溶解氧（DO）、氧化還原電位（Eh）、pH值、葉綠素含量和可溶性有機質（DOC）的變化等。水華爆發過程中，水體pH值會經歷逐漸上升后又逐漸開始下降的過程[3]。而水體溶解氧（DO）在每次規模性藍藻水華爆發期變化劇烈，白天出現過飽和狀態，夜晚又出現缺氧甚至厭氧狀態，其主要受水華生消過程中藻細胞光合作用產氧的影響[4]。同時在水華爆發后期由于藻類大量死亡導致DO回落至同期最低，甚至轉變成為厭氧條件。而這些環境因子也是影響汞生物地球化學行為的重要因素。

藍藻水華是一個快速增殖的過程，藍藻在白天的光合作用和黑夜的呼吸作用必然會對水-沉積物界面產生影響，從而影響沉積物中汞的遷移釋放[5]。因此，本研究以室內模擬方式開展藍藻水華對沉積物中汞遷移釋放的影響研究，摸清藍藻水華中各形態汞在上覆水及藻類之間的動態分布，及關鍵環境條件的動態變化，從而評估藍藻水華對沉積物汞遷移釋放分布的影響。對研究湖泊富營養化對沉積物中汞的遷移釋放過程影響機制提供重要支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2013年8 月，沉積物采自太湖梅梁灣，用彼得森采泥器采集表層10cm的沉積物樣品，混合均勻后裝入干凈的聚乙烯自封袋中，排出空氣，密封后盡快運回實驗室后濾去水分冷藏保存。試驗前開始解凍，測定其含水率，加入外源性汞（單元素標準溶液，介質為HNO3），使沉積物中的汞含量達到5mg/kg，并機械均化，穩定20天供試。

供試銅綠微囊藻來自中國環境科學研究院湖泊基地藻種庫，采集于太湖上覆水體，經實驗室分離純化培養后得到．使用前用BG-11（中國環境科學研究院湖泊基地提供配方）培養基在光照培養箱中預先培養至對數生長期。

1.2 試驗方法

1.2.1 培養方法

試驗在若干圓形有機玻璃柱中進行，在玻璃柱中添加均勻沉積物至10cm處，小心加入BG-11培養基至于50cm處，使沉積物和水的比例達到1:4。有機玻璃柱分為2組，每組8柱，第一組往里添加適量對數期藻液，使柱子中藻類的初始藻密度為1.2×106個/mL。第二組為不添加藻的對照組。將上述兩組有機玻璃柱置于25℃，光照強度為2500LX的恒溫光照培養箱培養，光照與黑暗比為12h/12h，濕度為75%RH。設定試驗周期32 d。

1.2.2 取樣方法

每隔96h，從每組中取出一個玻璃柱（取出的玻璃柱不再放回培養箱培養），測定上覆水體中的藻密度、DHg、THg等含量；并在此96h內每天測定上覆水體中的DO、pH。取出玻璃柱中的上覆水在48h內離心獲取無藻上覆水（4℃恒溫、轉速3000r/min），無藻上覆水經0.45μm聚酯砜濾膜（millipore）過濾后裝入預先超凈處理的比色管中，加0.5%的超純鹽酸密封保存于冰箱中，水體中的THg為藻體內Hg和水體中的DHg之和。

1.3 樣品的分析方法

1.3.1 水樣

上覆水體中藻密度的測定方法見1.3.2.1。水體中的Hg采用冷原子熒光光譜法（AFS-3100雙道原子熒光光度計）進行測定；藻體內的Hg采用硝酸水浴消解-冷原子熒光光譜法測定。水體中pH和DO的測定采用便攜式SG68多參數測試儀。

1.3.2 藻類生長的測定

浮游植物生物量(N)用藻細胞密度表示。用血球計數板(XB-K-25型)在顯微鏡LEICA DM750)下計數并計算其生物量。每個樣品重復測定3~6次，平行樣之間的相對偏差小于10%。

2 結果與分析

2.1 銅綠微囊藻的生長情況

2.1.1 銅綠微囊藻培養過程中藻密度的變化

從圖1中可以看出，在培養過程中銅綠微囊藻經過短暫適應后迅速生長，早期藻密度隨著培養時間的增加而逐漸增大，由培養初期的1.2×106個/mL上升到了后期的6.1×107-6.4×107個/mL。在培養過程中，銅綠微囊藻類的生長過程明顯表現出三個階段：0-12天呈線性增長階段，銅綠微囊藻的藻密度僅出最初的1.2×106個/mL上升到了9.4×106個/mL；12-24天為快速增殖階段，此階段的增長速率最快，第24天時藻密度已經達到了6.2×107個/mL，該階段為指數型增長；24-32天為穩定階段，銅綠微囊藻的生長進入穩定期，藻密度上下浮動，但整體變化不大。

圖1 銅綠微囊藻培養過程中藻密度的變化

2.1.2 藻類生長對沉積物中汞釋放能力的影響

由于本實驗上覆水為培養基，且所用銅綠微囊藻為實驗室分離純化后得到，因此上覆水體中增加的汞含量主要來自于沉積物的釋放。

加藻組水體中的THg含量明顯高于對照組，這說明藻類的生長促進了沉積物中汞的釋放。從兩組實驗水體中THg含量的差值上看，隨著培養時間的延長，兩組實驗水體中THg含量的差值先升高后降低再逐漸升高。從圖8中可以看出，前12天兩組實驗水體中THg含量的差值上升最快，第12天濃度差達到了27 μg/Lug/L。12-20天兩組實驗水體中THg的濃度差逐漸縮小，第20天濃度差降到了18 μg/L；隨后兩組實驗水體中THg的濃度差又逐漸增大，在培養后期水體THg的濃度差迅速由第28天的19 μg/L上升到了34 μg/L。

圖8 培養過程中加藻組和無藻組水體中THg含量差值的變化

從時間上看，0-12天剛好處于藻類生長的初期，盡管該時期藻類生長速率較慢，但藻類對水體中的汞具有較強的吸附能力，能將沉積物釋放出來的汞迅速吸收自體內，從而維持水與沉積物之間的濃度差，更能有效促進沉積物向水體的釋放，提高水體中汞的含量。12-24天，藻類進入快速增殖期，水體中的藻密度和葉綠素含量均顯著增加，從而提高了水體中溶解性有機碳含量[6]，而升高溶解性有機碳含量有助于上覆水體中的汞以溶解態形式存在[7]，提高水體中溶解態汞的比例，從而降低了水體與間隙水之間的濃度差。同時，隨著培養時間的延長，上覆水體中汞含量增多也降低了水體與沉積物之間的濃度差。因此，該階段沉積物中汞的釋放能力反而有所下降。在培養實驗末期，藻類生長進入穩定期，此階段藻類的生長和死亡量都增加，而死亡藻類對重金屬的吸附能力更強，進一步擴大了沉積物與水之間的濃度梯度，促進了沉積物中汞的進一步釋放。

3 結論

（1）銅綠微囊藻的生長繁殖加大了沉積物中汞的釋放能力，與對照組相比，加藻組上覆水體中汞含量明顯升高。

（2）銅綠微囊藻對汞具有較強的吸附能力，水體中約有64%的汞被其吸收。

（3）沉積物中汞的釋放能力隨著銅綠微囊藻生長先升高后降低。

[1]. Yamamoto Y. Contribution of bioturbation by the red swamp crayfish Procambarus clarkii to the recruitment of bloom –forming cyanobacteria from sediment [J]. Journal of Limnology,2010,69(1):102-111.

[2]. Tan X, Kong F, Zeng Q,et al. Seasonal variation of Microcystis in Lake Taihu and its relationships with environmental factors [J].Journal of Environmental Sciences, 2009, 21(7): 892-899.

[3]黃鈺鈴,紀道斌,陳明曦,劉德富. 水體pH值對藍藻水華生消的影響[J]. 人民長江,2008,02:63-65.

[4]黃鈺鈴,陳明曦. 水華生消模擬及其溶解氧變化過程分析[J]. 環境科學與技術,2013,10:67-72.

[5]李杰穎. 污染土壤中汞的形態特征及其釋放的初步研究[D].貴州大學,2008.

[6]張永亮,張浩江,謝水波,唐東山,陳珊,王水云. 藻類吸附重金屬的研究進展[J]. 鈾礦冶,2009,01:31-37.

[7]何天容,馮新斌,郭艷娜,孟博,李仲根,仇廣樂. 紅楓湖沉積物中汞的環境地球化學循環[J]. 環境科學,2008,07:1768-1774.