生物擾動對污染物環(huán)境行為的影響

生物擾動對污染物環(huán)境行為的影響

水-沉積物界面是連接到底泥和覆蓋水的橋梁，控制著有機、養(yǎng)分和各種污染物的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過程。1。這些過程不僅受到沉積物理化性質(zhì)(如有機質(zhì)含量、滲透性)的影響,同時也受到沉積物生物性質(zhì)(主要指生活于其中的各種生物)的影響［2-3］。底棲動物棲息于沉積物中,它們的各種活動,如攝食、避敵、排泄等行為,被稱之為生物擾動［4］。生物擾動是構(gòu)成河口、近岸和淺海水域關(guān)鍵生態(tài)過程的水層與底棲系統(tǒng)耦合過程的重要環(huán)節(jié)和樞紐［5］。由于生物擾動造成的沉積物變化不明顯,過去經(jīng)常受到忽視［6］。例如,傳統(tǒng)的觀點認為濱海沉積物結(jié)構(gòu)的變化主要是由于海浪等物理作用［7］。直到近十年,生物擾動才得到重新認識,被認為是一個非常重要的生態(tài)過程［8］。一個小尺度(μm—m)的生物擾動同樣是一個關(guān)鍵過程,可以改變大尺度(如50m—100km)的沉積結(jié)構(gòu)［9］。與此同時,生物擾動還影響淺海物質(zhì)交換及生態(tài)系統(tǒng)功能［10-11］。生物擾動因此被稱為“生態(tài)系統(tǒng)工程師”［12］。沉積物是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,蓄積各種污染物。由于生物擾動能改變沉積物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),因而對其中的污染物產(chǎn)生重要影響［13］。近年來,生物擾動對沉積物中污染物的環(huán)境行為的影響受到廣泛研究,本文綜述了該領(lǐng)域若干研究進展,為進一步了解生物擾動對污染物的生物地球化學(xué)循環(huán)提供基礎(chǔ)資料。1生物擾動的概念、作用類型和影響因素1.1海洋生物擾動的應(yīng)用生物擾動是一個古老概念,早在達爾文時代已被提出來,他注意到土壤被蚯蚓擾動后,土壤上層的物質(zhì)被帶到下層,下層的被帶到上層,結(jié)果造成了土壤的均質(zhì)化［14］。隨后,在海洋中也發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象,如在海蚯蚓對海沙的擾動［15］、海參對沉積物的擾動［16］。隨著研究的深入,生物擾動概念得到進一步拓展,即生物對土壤和沉積物的再建過程,不僅包括陸地上,也包括水體中(圖1)［14］。由于目前生物擾動的研究多見于水環(huán)境中,因此,生物擾動一般是指底棲動物由于攝食、建管、筑穴、爬行、避敵、分泌、排泄和遷移等行為造成沉積物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變,進而影響到沉積物中顆粒態(tài)和溶解態(tài)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的過程。1.2洞穴重建主要指底棲動物的顆粒重建和洞穴取水生物擾動作用類型可分為沉積物顆粒重建和洞穴通水兩大類,大類下又分為6個亞類(圖2)［17］。顆粒重建主要指底棲動物各種行為造成的沉積物顆粒移動,洞穴通水是指底棲動物為了呼吸和覓食而對洞穴中水和上覆水進行交換［18］。兩種擾動類型對沉積物產(chǎn)生不同的作用(表1)［19-20］。1.3影響生物干預(yù)的因素1.3.1不同類型的排糞和筑穴行為不同底棲動物有不同的生活習(xí)性,由此產(chǎn)生不同的沉積物混合模式,導(dǎo)致不同的顆粒位移,從而對沉積物產(chǎn)生不同的擾動強度。首先是覓食和攝食習(xí)性。底棲動物的覓食和攝食的活動控制了沉積物顆粒的位移［21］。如攝食和排糞主要發(fā)生在沉積物表層附近,因此沉積物混合模式以水平方向為主［22-23］;其次是筑穴行為,主要取決于巢穴的深度,產(chǎn)生的擾動強度在垂直空間上存在差異。如甲殼、雙殼類動物的巢穴主要分布沉積物淺層,而環(huán)節(jié)動物和其它類似蠕蟲的類群則趨向于分布在深層沉積物,因而前者主要對沉積物淺層產(chǎn)生擾動,后者則對深層產(chǎn)生擾動［24］。此外,底棲動物的體積、生物量等也影響其對沉積物的擾動強度［6］。實際上,動物種類的影響可以歸納為功能群［6］。目前,可將作為生物擾動者的底棲動物分為5個功能群(圖3),即散布者、向下輸送者、向上輸送者、交換者和廊道散布者［25-26］。這些功能群對沉積物產(chǎn)生不同的擾動效果。1.3.2者間相關(guān)性底棲動物的密度對生物擾動強度有顯著影響,兩者間呈正相關(guān)［27］。例如,高密度沙蠶(Hedistediversicolor)對沉積物的擾動強度明顯高于低密度［28］。1.3.3有機質(zhì)含量對沉積物生物擾動強度的影響底棲動物的生物擾動強度受到食物供給的影響［29］。由于沉食底棲動物主要以沉積物為食,因此沉積物中的有機質(zhì)含量直接影響了其生物擾動強度［30］。在有機質(zhì)含量低的沉積物中,底棲動物為了生存不得不攝食大量的沉積物［24］,由此對沉積物產(chǎn)生強烈的擾動作用。相反,在有機質(zhì)含量高的沉積物中,底棲動物只需要取食少量的沉積物即可滿足營養(yǎng)需求,降低了沉積物處理速度,生物擾動強度隨之降低［24］。1.3.4不同類型沉積物對生物擾動強度的影響通常,沉積速率高,為沉食的底棲動物帶來的食物就多,從而能夠供養(yǎng)更多的底棲動物,表現(xiàn)為較強的擾動強度［31］。水深對生物擾動的影響實質(zhì)上與營養(yǎng)供給相關(guān)。水淺,營養(yǎng)物質(zhì)高,生物擾動強度大;水深,營養(yǎng)物質(zhì)少,生物擾動強度小。如在富營養(yǎng)的近岸海域,底棲動物對沉積物的擾動深度可以達到100cm以下［32］;而在貧營養(yǎng)的深海,底棲動物的擾動深度最深只能到20cm左右［33］。沉積物粒徑同樣對生物擾動強度產(chǎn)生影響。由于沉食底棲動物對細顆粒沉積物有優(yōu)先攝食和向下輸送的習(xí)性,因此生物擾動強度表現(xiàn)明顯的粒徑相關(guān)［34］,如在加拿的Fundy灣,生物擾動強度隨沉積物粒徑增大而減弱［35］。2沉積物污染物釋放的影響在生物擾動的作用下,沉積物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生了改變。由此影響蓄積于沉積物中的污染物的各種環(huán)境行為。其中一個非常重要的影響是促進沉積物中的污染物向水體釋放(圖4)［36］;與此同時,沉積物中的污染物還會被生物擾動者所富集;此外,還引起沉積物中含氧量和微生物等變化,從而間接影響污染物的環(huán)境行為。因此,生物擾動使得蓄積于沉積物中的污染物的環(huán)境行為更加復(fù)雜。2.1生物擾動對氮和磷的影響2.1.1生物擾動和生物擾動對沉積物的釋放影響在生物擾動作用下,沉積物一個重要的變化特征是含氧量增加［37-38］。例如,在搖蚊(Chironomidlarvae)擾動沉積物的實驗中,對照組沉積物含氧量隨深度而減少,在4mm處含氧量降低至0,而生物擾動處理的沉積物,在7mm處,含氧量仍可達到5mg/L［39］。沉積物含氧量的變化對其中氮的硝化與反硝化作用產(chǎn)生重要影響［40］。因此,生物擾動影響硝化與反硝化作用。通常,生物擾動顯著提高硝化作用［41］。這種促進作用受到多種因子影響。Pelegri和Blackburn發(fā)現(xiàn),在較低密度時(20000個/m2),正顫蚓(Tubifextubifex)的生物擾動提高氮的硝化,而在高密度時(70000個/m2)卻降低氮的硝化［42］,表明底棲動物密度影響硝化作用。Nogaro和Mermillod-Blondin的研究表明,顫蚓的生物擾動對不同來源的沉積物中的氮的硝化作用影響完全不同,對于來自大學(xué)校園的沉積物,生物擾動顯著提高了氮的硝化,而對來自工業(yè)區(qū)的沉積物,氮的硝化并沒有受到生物擾動的影響［43］,表明沉積物的性質(zhì)也影響到氮的硝化。當(dāng)沉積物中含有硫化物時,由于生物擾動促進硫化物釋放,這些硫化物抑制微生物生長,從而降低了硝化作用［38］?？梢?生物擾動對硝化用影響不同,受多種因素影響。生物擾動也能影響沉積物中氮的反硝化作用。搖蚊的生物擾動能將總反硝化速率從(0.76±0.34)mmolNm－2d－1提高到(5.50±1.30)mmolNm－2d－1,極大提高了反硝作用［39］。最近的研究表,生物擾動對不同深度的沉積物反硝化作用影響不同,在海姑蝦(Neotrypaeacaliforniensis)的擾動下,沉積物深度在13cm以上的反硝化速度低于沒有生物擾動處理,而在13cm以下卻是生物擾動處理高于無生物擾動處理［40］。這一方面表明生物擾動促進深層沉積物中的氮發(fā)生反硝化作用,另一方面也說明生物擾動影響反硝化作用也受到其它因素的影響。生物擾動促進沉積物向水體釋放氮營養(yǎng)鹽。Fanjul等在河口濕地發(fā)現(xiàn),在有無穴居蟹Neohelicegranulate的沉積物間隙水中的氮營養(yǎng)鹽含量存在明顯差異,無論是硝酸鹽還是氨氮,都呈現(xiàn)有蟹居住的洞穴>無蟹居住洞穴>無蟹分布區(qū)的分布特征［44］。表明穴居蟹的生物擾動促進沉積物向水體釋放氮營養(yǎng)鹽。Mermillod-Blondin的室內(nèi)微宇宙研究證明了這一點,顫蚓的生物擾動提高氨氮從沉積物向水體的釋放達到200%［45］;其它底棲動物,如環(huán)節(jié)動物Marenzelleriasp.的生物擾動也顯著提高沉積物中的氨氮向水體釋放量［46］。生物擾動造成沉積物中氨氮釋放主要通過生物淋洗(Bioirrigation)作用完成［40］。例如在淺海灣,76%的氨氮從沉積物向水體的釋放歸結(jié)于生物淋洗作用［47］。生物擾動促進沉積物中的氮向水體釋放的主要原因是生物擾動造成了沉積物的搬運和混合,使沉積物吸附的營養(yǎng)鹽得以釋放,加快間隙水中物質(zhì)的擴散速率和溶解速率,從而增加氮在沉積物-水界面上的交換通量［48］。2.1.2生物擾動對沉積物的影響磷在沉積物中的環(huán)境行為也受到生物擾動的影響。一方面,生物擾動促進沉積物中溶解性磷(SRP)向水體釋放。Mermillod-Blondin的研究表明,顫蚓的生物擾動提高了190%的SRP從沉積物向水體釋放［45］。Swan等發(fā)現(xiàn)在溶解氧較低的水平下,Neanthessuccinea的生物擾動提高SRP的釋放速率達到60%—70%［49］。然而,有些底棲動物的生物擾動卻抑制了SRP向水體釋放［50］。如水絲蚓的生物擾動不但沒有促進沉積物中SRP向水體釋放,相反,還抑制了沉積物中SRP的釋放［51］。造成這種現(xiàn)象的原因是沉積物中的一些礦物質(zhì)在生物擾動的作用下增強對間隙水SRP吸附所導(dǎo)致［50］。間隙水SRP濃度的降低會減小SRP向水體擴散的濃度梯度,從而減小SRP的釋放通量,甚至產(chǎn)生沉積物對水體中SRP的吸附［52-53］。由此可見,生物擾動對沉積物中SRP的促進/抑制釋放作用不僅取決于生物擾動者,還與沉積物特點相關(guān)。另一方面,生物擾動還能改變沉積物中磷的化學(xué)形態(tài)。河蜆的生物擾動增加了沉積物中鐵結(jié)合態(tài)磷含量［54］。這是由于生物擾動提高沉積物中的氧含量,氧化了間隙水中Fe2+,氧化反應(yīng)所生成的水合鐵氧化物對SRP具有良好的吸附作用［50］,從而形成鐵結(jié)合態(tài)磷。此外,生物擾動還促進有機磷降解。Hietanen等的研究表明,加入底棲動物12d后,沉積物中的有機磷發(fā)生了降解［46］。由于有機磷包括多種物質(zhì),生物擾動對有機磷不同組分影響不同。目前,磷脂和DNA在生物擾動下能發(fā)生快速分解或轉(zhuǎn)化得到證實［55］。對于其它有機磷,生物擾動是否能促進其降解并不清楚。2.2生物擾動對重金屬的影響2.2.1海姑蝦的生物擾動Benoit等發(fā)現(xiàn)美國波士頓港的沉積物中甲基汞的垂直分布受片腳類動物生物擾動的影響,隨著生物擾動強度的增大,甲基汞含量最高值點向下遷移［56］。Klerks等對海姑蝦的生物擾動對美國Tampa灣沉積物中鋅與鎘的分布研究表明,在有海姑蝦活動區(qū)域的沉積物中鋅與鎘的含量是沒有海姑蝦活動區(qū)域的3倍,說明生物擾動顯著改變了重金屬在沉積物中的水平分布［57］。室內(nèi)的實驗研究表明,顫蚓的生物擾動能促進水體中的Pb向沉積物深層擴散［58］?？梢?生物擾動不僅改變重金屬在沉積物中的垂直分布,也改變其在沉積物中的水平分布。2.2.2生物擾動和再懸浮試驗Simpson等對悉尼港的5個河口沉積物鋅釋放研究表明,5周后,沒有生物的對照組中鋅的釋放速率為27mgm－2d－1,而有生物的釋放速率為71mgm－2d－1,說明生物擾動顯著增強沉積物向水體釋放重金屬［59］。Ciutata等研究表明,顫蚓生物擾動促進沉積物中的鎘向水體釋放,但以顆粒態(tài)為主,與生物擾動導(dǎo)致沉積物的再懸浮相關(guān)［60］。同樣的結(jié)果見路永正和閻的研究,他們發(fā)現(xiàn)顫蚓的生物擾動顯著提高了上覆水中顆粒態(tài)鎘的濃度［58］。生物擾動還通過改變沉積物的理化性質(zhì),從而促進沉積物向水體釋放重金屬。例如,生物擾動增加沉積物的氧含量,增強生物擾動強度,促進沉積物中甲基汞向水體遷移［61-62］。2.2.3生物擾動和沉積物中甲基汞的影響在水環(huán)境中,硫酸鹽還原菌是控制甲基汞生成的重要因子［63］。由于生物擾動能為間隙水提供氧化劑,降低二價硫離子的生成,從而減少了甲基汞形成［56］。然而,Nogaro等的研究卻得到相反的結(jié)論,他們發(fā)現(xiàn)生物擾動增強沉積物中微生物的有氧吸吸,促進甲基汞形成［64］。兩個截然不同的結(jié)論,表明生物擾動對沉積物中甲基汞的影響錯綜復(fù)雜。鎘是沉積物中常的污染物,在不同的條件下具有不同的化學(xué)形態(tài)。由于生物擾動改變沉積物的pH值、氧化還原電位等,因而對蓄積于沉積物中的鎘的化學(xué)形態(tài)產(chǎn)生重要影響。顫蚓的生物擾動提高鎘從沉積物內(nèi)部微孔向溶液中擴散的速率,進而提高沉積物中鎘的遷移能力,促進鎘從鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)向可交換態(tài)轉(zhuǎn)移。由于生物擾動增大沉積物比表面積,不斷更新沉積物顆粒上的吸附點位,有利于碳酸鹽礦物顆粒對鎘離子的再吸附,形成碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘;與此同時,呼吸作用產(chǎn)生的CO2能增加其中CO-32濃度,也有利于增加碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘?？梢?生物擾動增強沉積物碳酸鹽礦物對鎘的吸附能力,對于控制水-沉積物界面鎘的交換具有重要作用。2.3生物擾動對稀疏水和有機污染物的影響2.3.1生物擾動影響沉積物的釋放生物擾動促進沉積物中的疏水性有機污染物(Hydrophobicorganiccontaminants,HOCs)向水體釋放已成為共識［66］。Schaanning等發(fā)現(xiàn),大型底棲動物的生物擾動可以使挪威奧斯陸港沉積物的PAHs、PCBs和DDT等污染物分別以每天243、19.6pmol/m2和13.6pmol/m2的速度向水體釋放［67］。Menone等野外調(diào)查了穴居蟹Chasmagnathusgranulate的生物擾動對阿根廷的BahíaBlanca河口沉積物中的有機氯農(nóng)藥影響,結(jié)果表明,生物擾動顯著提高沉積物向水體釋放有機氯農(nóng)藥［68-69］。Granberg等研究發(fā)現(xiàn),生物擾動促進波羅的海沉積物中的PCBs向水體釋放［70］。類似的結(jié)果在Josefsson等的研究中也得到,他們發(fā)現(xiàn),在利用活性炭對受二苯并二惡英和二苯并呋喃(PCDD/Fs)污染的沉積物進行原位修復(fù)時,由于底棲動物的存在,它們的生物擾動促進沉積物中的PCDD/Fs向水體遷移,影響了修復(fù)效果［71］,因此,在對沉積物進行修復(fù)時,應(yīng)該考慮底棲動物生物擾動的影響［72-73］。研究表明,底棲動物的排泄物中含有許多溶解性有機質(zhì)(DOC)及小分子的物質(zhì),提高間隙水中的DOC含量,由于DOC對有機物具有很強的吸附能力,由此引發(fā)PAHs在沉積物-間隙水的重新分配,從而提高了水相中的PAHs含量［74］。即,生物擾動打破了有機污染物在沉積物-水界面的動力學(xué)平衡,使沉積物中的HOCs發(fā)生解吸［74-76］。其它一些HOCs,如多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)［77］、醫(yī)藥品和個人護理品(PPCPs)［75］,生物擾動也能促進它們向水體釋放。然而,HOCs的釋放還受到其化學(xué)性質(zhì)影響。通常,疏水性高的有機污染物,不易發(fā)生解吸。例如,底棲動物Chironomusdilutus和Hyalellaazteca的生物擾動并不能顯著提高乙炔基雌二醇(EE2)從沉積物向水體釋放,與EE2具有較高的疏水性特點相關(guān)［75］。此外,沉積物的特點也影響生物擾動促進HOCs釋放的效果。如沉積物中的黑炭由于具有較強的吸附能力,抑制生物擾動促進沉積物中HOCs解吸［78］。傳統(tǒng)的觀點認為,生物擾動主要是增加水體中顆粒態(tài)污染物［70］。筆者的研究得到類似的結(jié)論,在天津厚蟹(Helicetientsinensis)的生物擾動下,水體中PAHs的顆粒態(tài)是其溶解態(tài)的4倍,表明生物擾動以促進顆粒態(tài)污染物釋放為主［12，60］。生物擾動主要促進顆粒態(tài)HOCs釋放也得到Josefsson等的研究結(jié)果支持［77］。然而,近年的研究表明,生物擾動也增加水體中溶解態(tài)的污染物［70，79］。Granberg等研究發(fā)現(xiàn),Marenzellerianeglecta的生物擾動釋放的溶解態(tài)PCBs要高于其顆粒態(tài)一個數(shù)量級,表明生物擾動促進沉積物PCBs釋放以溶解態(tài)為主［70］。這種差異可能與動物種類、密度、沉積物性質(zhì)以及水化學(xué)條件相關(guān)［13］。生物擾動無論是促進溶解態(tài)還是顆粒態(tài)HOCs釋放,都造成二次污染。特別是溶解態(tài)的HOCs,生物擾動提高了它們的生物有效性［76］。如夾雜帶絲蚓(Lumbriculusvariegatus)的生物擾動顯著提高了美洲鉤蝦(Hyalellaazteca)對PAHs的富集［80］。通常認為顆粒態(tài)HOCs不易被生物利用,但最近的研究表明,顆粒態(tài)的多溴聯(lián)苯醚也能被鯉魚(Cyprinuscarpio)所富集［81］。由此可見,生物擾動促進沉積物的HOCs釋放,這些HOCs能被水生生物所利用,最終通過食物鏈傳遞到人類,對人類健康造成潛在的風(fēng)險。2.3.2其他底棲動物代謝能力由于底棲動物幾乎終生生活于沉積物中,因此通過體表吸收和攝食沉積物,使得HOCs更容易富集于其體內(nèi)。一項對日本Ariake海濱的生物體PCBs和PAHs的調(diào)查研究表明,PCBs在比目魚體內(nèi)的含量為3.6ng/g(濕重)、蛤為68ng/g、彈涂魚為1700ng/g脂肪;PAHs在沙躅屬動物體內(nèi)含量為24ng/g(濕重)、牡蠣為6.3ng/g、蛤為6.3ng/g、蟹為4.2ng/g、彈涂魚為2.9ng/g［82］。在渤海灣的北塘河口附近的天津厚蟹,總PAHs含量達到(8816±2885)ng/g脂肪［74］。水絲蚓［81］、沙蠶［83］對多溴聯(lián)苯醚也具有不同的富集能力。某些底棲動物對HOCs還具有代謝能力。穴居蟹［68-69］、藍蟹［84］對有機機氯農(nóng)藥具有代謝能力。一些環(huán)節(jié)動物(如Clymenellatorquata,Nereisvirens,N.succinea,Nephtysincisa,Spiosetosa,Cirriformiagrandis)、雙殼類(如Macomabalthica,Myaarenaria,Mulinialateralis)以及一些片腳類動物(如Ampeliscaabdita,Leptocheirusplumulosus)可以代謝PAHs［85］。此外,一些蝦類可以代謝PCBs［86］。沙蠶對多溴聯(lián)苯醚也具有一定的代謝能力［83］。2.3.3助溶劑對hocs生物降解的影響底棲動物的生物擾動可以間歇性地向深層的無氧區(qū)輸送氧、直接或者間接影響微生物菌群變化,使顆粒物縱向遷移［87-88］;同時,底棲動物的排泄物有助于HOCs從沉積物中解吸［74-76］,促進HOCs與微生物接觸;此外,底棲動物消化液中的助溶劑對生物降解有很好的促進作用［89］;這些因