背角無齒蚌對養殖池塘底泥釋放重金屬的凈化效果

陳修報，劉洪波，戈賢平，楊健

中國水產科學研究院淡水漁業研究中心，無錫 214081

0 前言

據《中國漁業統計年鑒》[1]和《中國漁業生態環境狀況公報》[2]顯示，我國淡水池塘養殖面積為2.53×106hm2，占淡水養殖總面積的 47.12%，為人類提供 22.86×106t水產品的同時，也面臨著較為突出的重金屬(如 Cu、Cd)污染。底泥是養殖池塘生態系統的重要組成部分[3]，通過吸附、解吸水體、漁藥(如CuSO4)和殘餌中的重金屬，成為水環境重金屬的“匯”與“源”[4-6]，其向水體釋放的重金屬不容忽視(可造成二次污染并對養殖對象產生毒害作用)[4-6]。研究表明，底泥中重金屬如Cu、Zn、Pb和Cd向水體的釋放量可分別高達0.6、0.5、0.76和 0.48 mg·kg-1干重(dry weight，dw)[7]。因此，必須對池塘底泥釋放的重金屬加以有效地防治。同時，這也非常符合國務院《“十三五”生態環境保護規劃》中提出的“加大重金屬污染防治力度”戰略要求。

背角無齒蚌(Anodonta woodiana)原產于中國的長江和黑龍江[8]，現已廣泛分布于我國各地區[9]和亞洲、歐洲、北美洲及中美洲[8-10]的淡水水體，具有培育珍珠[9]、提取抗腫瘤藥物成分[11]、作為食用水產品[9]、作為肉食性魚類和蝦蟹類的餌料[9]、監測水環境[12-13]及凈化水質[14-17]等重要的經濟和生態價值。近年來，其在凈化水質方面的作用受到了極大關注[18]。然而，利用背角無齒蚌凈化水質主要集中于富營養化[14-16]，對于防治日益凸顯的重金屬污染的研究則較少[17，19]。僅見夏天翔等[19]在室內模擬條件下揭示背角無齒蚌對水體Cu、Zn和Cd的去除能力可分別達到 7、43 和 20 μg·kg-1·d-1；筆者曾將背角無齒蚌初步用于凈化養殖水體，發現其對Al、Cr、Fe、Ni、Zn和Mo的最大去除率分別可達到63.0%、78.0%、12.7%、100%、80.6%和4.8%[17]。

作為之前研究工作[16-17]的延續和深入，本研究擬進一步探索代表性大宗淡水魚—團頭魴(Megalobrama amblycephala)養殖池塘底泥釋放重金屬(Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Cd 和Pb)的特征，以及背角無齒蚌對底泥釋放重金屬的凈化效果，以期為漁業生態環境重金屬污染防治與漁業綠色發展提供支撐。

1 材料與方法

1.1 微型生態系統的建立

在室內模擬條件下建立微型生態系統。按照底泥厚度與水深之比為 3:28[20]，向 12個規格為 100×45×50 cm(長×寬×高)的玻璃缸底部鋪上厚度為3.5 cm的底泥(取自中國水產科學研究院淡水漁業研究中心團頭魴養殖池塘0—10 cm的表層泥，質量約25 kg)，然后注入33 cm深的曝氣自來水(150 L)。曝氣自來水中重金屬的背景含量很低:Al、Cr、Fe、Co、Ni、Cu和Pb均未檢出，Mn、Zn、As、Mo和Cd濃度分別為5.5±0.07、19±0.3、0.2±0.02、2.3±0.04和0.02±0.03 μg·L-1(平均值±標準差，下同)。將底泥與水體充分混勻后靜置 72 h，讓底泥中的重金屬充分釋放。實驗組分別放入2、4和6只人工繁育的背角無齒蚌[21](殼長 10.2±0.4 cm，殼寬 4.2±0.3 cm，殼高6.3±0.3 cm，質量為 130±19 g，n=36)，用聚乙烯網籠吊養于微型生態系統的中央位置，養殖密度分別約為13、27和40 只·m-3。對照組不放蚌，僅懸掛聚乙烯網籠，以保證吊養設施對系統的影響均等。對照組和不同養殖密度的實驗組均設置3個重復，實驗過程中不投餌。實驗于底泥較易釋放重金屬的 10 月份開展[7]，周期為 30 d，自然光照，水溫為19—22 ℃，pH 為 7.3—8.0，期間沒有發生蚌死亡現象。

1.2 重金屬檢測

應用虹吸法采集微型生態系統的中層水。水樣經0.22 μm針頭式濾膜過濾器過濾，然后取30 mL于酸洗過的特氟隆定容瓶中，加入 5%的 HNO3(Merck，德國)。應用7500ce型電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS，Agilent，美國)，以 Li、Sc、Ge、Y、In和 Bi為內標，同步測定 Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Cd和 Pb的濃度。通過添加標準溶液(Agilent，美國)分析回收率的方法，確認儀器的測量精度，上述12種重金屬的回收率為98.9%—102.7%。

1.3 去除率計算方法

鑒于微型生態系統中底泥釋放的重金屬受到環境因素和背角無齒蚌作用的共同影響，因此，應用去除率(removal efficiency，RE)[22]分析背角無齒蚌對重金屬的凈化程度:

式中，CB是對照組水環境中重金屬的濃度，CT是處理組水環境中重金屬的濃度。RE＞0表示蚌能夠對重金屬起到凈化作用；RE＜0則表示加劇了水環境重金屬污染。

1.4 凈化效果評價方法

相對污染指數(relative pollution index，RPI)能夠有效評價凈化水環境的效果[17]。RPI的計算公式為[17]:

式中，CB是對照組水環境中重金屬的濃度，CT是處理組水環境中重金屬的濃度，N是檢測出的重金屬種類。RPI＜1，表明蚌對重金屬具有凈化效果；RPI＞1則表明蚌未起到凈化作用甚至加劇了重金屬污染。

1.5 統計分析

應用SPSS 22.0統計軟件的Mann-WhitneyU測驗比較不同水環境的重金屬濃度，two-way ANOVA分析凈化效果與蚌養殖數量和處理時間的關系。應用Design-Expert 8.0統計軟件的最小二乘法擬合蚌養殖數量、處理時間和重金屬去除率之間的回歸關系，進而用響應曲面法(response surface methodology)對各響應值進行優化。

2 結果與分析

2.1 重金屬濃度變化

由表1可見:對照組水環境中As和Mo的最高濃度(即底泥向上覆水體的釋放量最大)(P＜0.05)出現在第 0 d(實驗起始點)，Cr和 Zn的最高濃度(P＜0.05)出現在第 10 d，Al、Fe、Co 和 Cu 的最高濃度(P＜0.05)出現在第30 d；Fe的最低濃度(即底泥向上覆水體的釋放量最小)(P＜0.05)出現在第0 d，Al、Mn、Co、Ni、Cu和 Pb的最低濃度(P＜0.05)出現在第10 d，Cr和Zn的最低濃度(P＜0.05)出現在第20 d。根據微型生態系統中水體體積(150 L)及其重金屬濃度(表1)、底泥濕重(25 kg)及養殖池塘底泥的平均含水率為(40.6%)[6]，按照文獻[7]中底泥重金屬釋放量的計算方法，可以計算出底泥對Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo和 Pb的最大釋放量分別為636、1.5、70.9、34951、10.3、36.9、34.0、53.2、72.4、48.8 和 3.0 μg·kg-1dw。

處理組Ni和Pb濃度變化不明顯，Fe的平均濃度在后期出現下降，而其它重金屬濃度總體呈降低的趨勢(表1)。Al在20 d的4、6只蚌組中顯著低于對照組(P＜0.05)；Cr在10 d的4、6只蚌組和30 d的所有處理組中顯著低于相應的對照組(P＜0.05)；Mn和Co在10 d的6只蚌組高于對照組，而30 d的6只蚌組均顯著低于對照組(P＜0.05)；Cu在10 d的6只蚌組高于對照組，而20 d和30 d的所有處理組均顯著低于對照組(P＜0.05)；Zn在10 d的6只蚌組，20 d的2、4只蚌組及30 d的2只蚌組均顯著低于對照組(P＜0.05)；As在10 d的6只蚌組高于對照組，而20 d和30 d的4只蚌組顯著低于對照組(P＜0.05)；Mo在20 d的4只蚌組和30 d的6只蚌組均顯著低于相應的對照組(P＜0.05)。表明背角無齒蚌能夠對 Al、Cr、Mn、Co、Cu、Zn、As和Mo產生凈化作用，最大去除率分別為 84.7%、98.0%、33.3%、14.3%、23.5%、69.4%、50.0%和13.0%。

表1 背角無齒蚌對不同水環境中重金屬濃度的影響(μg·L-1, n=3)Table 1 Influence of Anodonta woodiana on heavy metal concentrations in different aquatic environments(μg·L-1, n=3)

不同組別的RPI見表1。其中10 d的所有處理組和20 d的4只蚌組的RPI大于1，而20 d的2、4只蚌組和30 d的所有處理組的RPI小于1。RPI的最大值出現在10 d的6只蚌組，由于對照組Mn、Co、Cu和Pb未檢出，RPI高達24.4；最小值出現在30 d的4只蚌組，為0.71。

2.2 響應曲面優化分析

響應曲面法具有能夠同步優化多種因素(減少試驗次數)、對各因素的樣本點需求量少(2個及以上水平即可準確預測響應值)、預測值更可信(比一次次的單因素分析方法更有效)等優點[23]。因此，應用響應曲面法對產生明顯凈化效果的重金屬進行優化分析，結果顯示背角無齒蚌對Al和As的去除率可進一步提升。蚌的養殖數量(q)和處理時間(t)與 Al和As去除率(RE)之間的響應曲面見圖1。模型P＜0.01，表明所建立的回歸模型極顯著。q、t和RE之間的回歸方程為:

據此得出q和t的最優組合分別為6.00只蚌(40 只·m-3)和 24.49 d、3.79 只蚌(25 只·m-3)和 23.96 d，在此最優條件下，對Al和As的去除率可進一步提升至93.8%和60.5%。

2.3 影響凈化效果的因子分析

基于模擬自然條件下養殖池塘底泥釋放的重金屬實際濃度分析，由F值和相伴概率(p)可見:Al、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、As和Mo的凈化效果與養殖數量顯著相關；Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo和Pb的凈化效果與處理時間顯著相關；Cr、Co、Ni、Cu和Zn的凈化效果與養殖數量和處理時間的交互作用顯著相關(表2)。

3 討論

底泥重金屬通常包含 4種形態[24-25]，分別為可提取態、鐵錳氧化結合態、有機結合態和殘渣態。本研究可以認為是養殖池塘底泥在自然條件下釋放重金屬(不加任何浸提劑)，因此，釋放到水體中的重金屬主要來源于可提取態重金屬。可提取態重金屬離子通常被吸附或沉淀于碳酸鈣的表面，容易重新釋放到水體中[24-25]。雖然可提取態重金屬在底泥重金屬總量中所占比率不太高，例如Ni、Cu、Cr、Pb、Mn和Zn的平均比率分別為8.1%、21.8%、2.3%、11.4%、24.0%和 14.5%[24]，但其極易被生物直接吸收利用因而對生物體的危害最大[25]。

圖1 不同養殖數量和處理時間的背角無齒蚌對水環境中Al和As去除率的響應曲面Figure 1 Response surface of the effect of Anodonta woodiana with different quantity and treatment time on removal efficiency of Al and As in aquatic environment

本研究中底泥重金屬總體呈現出前期緩慢釋放、后期加速釋放的特征(表1)，這與魯成秀[7]研究結果相一致。微型生態系統中底泥對Cu、Zn和Pb的釋放量明顯低于太湖和南四湖底泥中 Cu(100—300 μg·kg-1dw)、Zn(120—500 μg·kg-1dw)和 Pb(20—450 μg·kg-1dw)的釋放量[7]，這可能與后者受到工業廢水和生活污水污染有關[7]。底泥釋放至微型生態系統水體中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb的濃度(表1)均未超過我國《漁業水質標準》(GB11607-89)規定的相應限量[26]，這與陳修報等[17]分析養殖池塘水體中 Cr(0.1—1.0 μg·L-1)、Ni(0—0.3 μg·L-1)、Cu(0—0.1 μg·L-1)、As(2.9—3.6 μg·L-1)、Cd(0—0.1 μg·L-1)和 Pb(未檢出)的結果相吻合。盡管如此，對養殖池塘的水體和底泥中重金屬污染動態仍要保持高度重視。例如，賈成霞等[6]就報道北京地區養殖池塘底泥中 Zn(0.01—0.7 mg·kg-1dw)處于污染警戒線，而Cr(50.3—172 mg·kg-1dw)和 Cu(61.1—235 mg·kg-1dw)已達到輕度污染水平。值得注意的是，底泥釋放的Fe濃度(表1)超過了我國《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中 Fe 限量(300 μg·L-1)[27]。這可能與養殖池塘底泥沉降了大量飼料(殘餌)有關。投喂的魚飼料有 65%—75%未被攝食或形成糞便沉降到底泥中[28]，而飼料中 Fe 含量可高達 622 μg·g-1dw[29]，存在Fe污染風險。

表2 背角無齒蚌的養殖數量和處理時間對重金屬濃度的影響Table 2 Effect of culture quantity and treat time of Anodonta woodiana on heavy metal concentrations

背角無齒蚌具有強大的不間斷濾水功能[30]。依據殼長和水溫判斷[30]，本研究中背角無齒蚌的濾水率約為0.6 L·h-1，處理組的養殖數量分別為2、4、6只，即微型生態系統中的水體分別在 5、2.5、1.5 d可被完全過濾一遍。通過濾水、攝食(底泥、浮游動物、藻類和細菌)及體表滲透等途徑[31]，背角無齒蚌可高度富集水環境中的重金屬，如對Cu、Zn和Cd的富集系數為 103—104[19]。同時，貝類對重金屬的排出率很低，僅為1%—3%[32]。因此，微型生態系統水體中重金屬濃度的變化除了受到底泥釋放/吸附的影響，背角無齒蚌的高強度濾水和高效富集起到了重要作用。本研究中所有的微型生態系統均處于相同的環境中，水環境重金屬濃度表現出的差異應歸因于蚌養殖密度和處理時間的不同。

背角無齒蚌能夠有效凈化底泥釋放的Al、Cr、Mn、Co、Cu、Zn、As 和 Mo(表1，圖1)。而且背角無齒蚌對重金屬的凈化效果顯示出優于其它淡水貝類[19，33]以及水生植物[34-35]的趨勢。例如，夏天翔等[19]研究發現背角無齒蚌對Cu、Zn和Cd的去除率分別是三角帆蚌(Hyriopsis cumingii)的1.2、1.9和1.5倍；Królak 等[33]證實背角無齒蚌對 Mn、Fe、Cu、Zn和Cd的積累量分別是斑馬貽貝(Dreissena polymorpha)的71、3、7、6和3倍；何芳芳等[34]報道黃菖蒲(Iris pseudacorus)、水竹芋(Thalia dealbata)、風車草(Cyperus alternifolius)、美人蕉(Canna indica)和菖蒲(Acorus calamus)對模擬重金屬污水(在霍格蘭營養液基礎上添加2.0 mg·L-1的Zn、Cu等重金屬)中Zn的去除率為 48.1%—60.3%，吳玉樹等[35]報道菹草(Potamogeton crispus)和水葫蘆(Eichhornia crassipes)對Zn的去除率分別為14.8%和22.9%，均低于背角無齒蚌對 Zn的去除率(69.4%)。因此，背角無齒蚌有潛力用于養殖水環境重金屬污染的防控。

背角無齒蚌對養殖池塘底泥釋放重金屬的凈化效果與其養殖密度和處理時間呈多項式相關(圖1，表2)，這與陳修報等[17]的研究結果相一致。此外，Brzozowska等[36]也指出海洋貽貝(Mytilussp.)對重金屬(Zn、Pb、Ni)的凈化效果明顯受到處理時間的影響。因而，優化背角無齒蚌養殖密度和處理時間的配比能夠將 Al和 As的去除率進一步提升至93.8%和 60.5%(圖1)，且不同組別微生態系統的重金屬相對污染指數(RPI)顯示出明顯差異(表1)。本研究發現4只蚌組處理30 d的RPI最低，即背角無齒蚌養殖密度為27只·m-3水體、處理時間為30 d對底泥釋放至上覆水體中重金屬的凈化效果最佳，這將對利用背角無齒蚌開展魚、蚌混養的生態養殖模式以及構建漁業生態環境重金屬污染防治模型提供支撐。

4 結論

1)養殖池塘底泥向水體中釋放重金屬總體呈現出前期緩慢釋放、后期加速釋放的特征。底泥對Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo 和 Pb 的最大釋放量分別為 636、1.5、70.9、34951、10.3、36.9、34.0、53.2、72.4、48.8 和 3.0 μg·kg-1dw，Fe的釋放量較大，存在著污染水體的風險。

2)背角無齒蚌有潛力用于防治養殖池塘底泥釋放的重金屬。其對Al、Cr、Mn、Co、Cu、Zn、As和 Mo的去除率可分別有望達到 93.8%、98.0%、33.3%、14.3%、23.5%、69.4%、60.5%和13.0%。

3)基于現實養殖池塘水環境的重金屬含量水平，背角無齒蚌養殖密度和處理時間的配比控制在27只·m-3和30 d較為適宜，相對污染指數可降低至 0.71。這可為利用魚、蚌生態混養防治漁業生態環境重金屬污染提供參考。