搖蚊幼蟲擾動對沉積物-水微界面氧化還原特征的影響

燕文明,麻 林,王 汗,楊家亮,楊艷青

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2.湖南省水利廳,湖南 長沙 410007; 3.湖南省水利水電勘測設計研究院,湖南 長沙 410007)

搖蚊幼蟲擾動對沉積物-水微界面氧化還原特征的影響

燕文明1,麻 林2,王 汗1,楊家亮3,楊艷青1

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2.湖南省水利廳,湖南 長沙 410007; 3.湖南省水利水電勘測設計研究院,湖南 長沙 410007)

生物擾動是影響沉積物-水微界面反應的重要因素,為了明確生物擾動作用對沉積物-水微界面氧化還原特征的影響機制,從環(huán)境微界面角度出發(fā),以搖蚊幼蟲為例,借助高分辨率的微電極系統(tǒng)解析沉積物-水微界面O2、pH、氧化還原電位(Eh)的垂向分布特征。結果表明,搖蚊幼蟲的生物擾動作用顯著增加了沉積物-水微界面處的溶解氧濃度;降低了上覆水的pH值,提高了沉積物的pH值,且上覆水pH時空變化較大,沉積物pH值變化較小;廊道里O2增加,使Eh值也相應地提高,而沒有生物擾動到的地方Eh值偏低。搖蚊幼蟲通過呼吸和攝食作用將富含氧氣的上覆水引進廊道,充入的氧氣改變了微界面的氧化還原條件。

搖蚊幼蟲;沉積物-水微界面;生物擾動;垂向分布

生物擾動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構和性質的改變,進而影響到沉積物中顆粒態(tài)和溶解態(tài)物質遷移轉化的過程。生物擾動能改變沉積物的結構和性質,因而對其中的污染物產生影響。Hughes等[1]發(fā)現(xiàn)大型底棲動物的筑穴行為增加了沉積物-水界面可交換態(tài)氮的交換通量。Welsh[2]的研究指出霍普水絲蚓擾動帶動了其周圍顆粒物質的遷移,增加了間隙水中氨氮。搖蚊屬幼蟲通過生物引灌、吸收、消化、排便、分泌等過程影響著湖泊沉積環(huán)境[3-5]。搖蚊幼蟲把上覆水引灌入廊道獲得食物和O2,同時間隙水中的溶解物質隨著引灌作用被輸出到上覆水中[6],搖蚊攝食浮游植物、沉積物微粒和細菌[7-8]吸收攝食微粒中的部分營養(yǎng)物質,其余部分被排泄出來[9],其棲息場所比較固定,主要集中在沉積物-水界面處[10],生存廊道只有2 mm直徑[6]。

沉積物-水界面的O2控制著許多重要的生物地球化學過程,對沉積物-水界面生物群落的生物學特征與生態(tài)特性有著重要的影響。底棲動物利用富含O2的上覆水通風或引灌,以使得其通道或洞穴內保持較高的O2水平[11]。搖蚊幼蟲大量存在于富營養(yǎng)化底泥U形廊道里,通過改變沉積物的氧化-還原條件來影響氨化速率、硝化速率。為測定U形廊道周邊的環(huán)境,引入了微電極測量系統(tǒng),其中,O2微電極的尖端直徑只有10 μm[12-13],可在無損或微損的情況下檢測微界面環(huán)境中O2。Finke等[14]利用微電極測定了墨西哥灣深海高鹽地區(qū)光合作用過程中生物墊的O2,并進行了定量描述。Hulth等[15]采用pH微電極測定了海洋沉積物-水微界面pH值的分布。微電極的應用使對沉積物-水界面的研究尺度從常規(guī)尺度的厘米級減少為微觀尺度的數(shù)十微米,可以大幅度提高微界面研究過程的微觀性、多維性和準確性。本文通過采集表層沉積物收集搖蚊幼蟲并進行室內培養(yǎng),運用微電極技術,對沉積物-水微界面的O2、pH、氧化還原電位(Eh)進行測定,以期探明搖蚊幼蟲擾動作用對沉積物-水微界面氧化還原特征的影響機制。

1 材料與方法

1.1 樣品來源

在里下河的大縱湖湖心(31°30′31.1″N,120°10＇31.0″E)采集6根沉積物柱樣,沉積物深度不小于30 cm,同時采集湖心上覆水用于室內培養(yǎng)。本研究中采用的搖蚊幼蟲,用彼得森采樣器在采樣點采集少量表層沉積物用于收集搖蚊幼蟲,沉積物過2 mm篩獲得4齡期幼蟲,好氧5℃暫養(yǎng)[16-17]。所有樣品采集后立即運回實驗室。對于需要做實驗室靜態(tài)培養(yǎng)的部分采樣點沉積柱則另取完整的沉積物柱(保留原位的上覆水,并在原采樣點位置另取適量上覆水作為備用)直接運回實驗室進行培養(yǎng)實驗。

表1 不同處理組沉積物溶解氧滲透深度

1.2 實驗方法

實驗采用微電極技術測定沉積物-水微界面的DO、pH和Eh。構建實驗系統(tǒng),將培養(yǎng)管全部放入水槽恒溫培養(yǎng),并用微孔曝氣頭輕微曝氣,溫度控制在15±1°C,光照周期LD 12∶12,預培養(yǎng)16 d以使沉積物穩(wěn)定。挑選過2 mm篩的4齡期搖蚊幼蟲,計數(shù)、稱重后引入到搖蚊幼蟲組的6根預培養(yǎng)柱中(對照組每根柱子添加個數(shù)為零),10 min/h曝氣培養(yǎng),搖蚊幼蟲密度1 887 ind/m2。進行微界面數(shù)據分析及相應的氧化還原指標測定,所使用的3種微電極尖端直徑均為50 μm,電極使用前需要極化和校正。實驗主要分為3個階段,分別是加入搖蚊幼蟲前5天,加入搖蚊幼蟲后的第5天、第15天。

2 實驗結果與分析

2.1 沉積物-水微界面DO垂向分布

由于沉積物中微生物的有氧呼吸作用以及從下層擴散而來還原物質的氧化,湖泊沉積物-水界面的O2滲透深度,一般僅有數(shù)毫米。在本研究中,對照組和搖蚊組的氧氣滲透深度(OPD)如表1所示。

搖蚊組和對照組沉積物-水界面中DO的垂向剖面分布情況如圖1所示,正值代表是上覆水,負值代表沉積物,下同。通過分析前5天和第5天發(fā)現(xiàn),對照組和搖蚊組DO值無顯著性差異(Pgt;0.05),搖蚊組在搖蚊幼蟲剛加入時,對原沉積物環(huán)境產生較大擾動,呈不規(guī)則的波狀變化,對照組DO值隨時間變化不大;到了第15天,對照組和搖蚊組-3.3 mm以下DO值成顯著性差異(Plt;0.05)。

圖1 不同處理組在不同時段DO垂直剖面分布Fig.1 The vertical distributions of DO values at different times for different treatments

從圖1可以看出,搖蚊幼蟲的擾動改變了間隙水DO的垂向分布,增加了O2在沉積物局部的滲透深度,搖蚊幼蟲構筑的廊道中富含O2,同時,搖蚊幼蟲的引灌作用增大了搖蚊組的OPD,使得搖蚊組沉積物OPD大于6 mm。有研究表明生物引灌不斷將廊道中的水排出,同時引灌進來新鮮上覆水沖刷廊道管壁,使廊道內維持較高的DO水平[4，11,18]。Lagauzere等[19]利用平板氧電極的研究結果表明搖蚊幼蟲沒有顯著增加沉積物OPD,與本文研究結果不同。這可能是因為,本文試驗將搖蚊幼蟲的活動通道作為DO測定的剖面,所測定的數(shù)據反映的是搖蚊幼蟲所構建廊道里面的DO垂向分布情況,與平板氧電極的測定結果存在一定的差異。搖蚊幼蟲的生物擾動作用顯著增加了沉積物-水界面處的DO濃度,搖蚊幼蟲特殊的生活廊道造成了沉積物內溶解氧分布的不均衡,隨著洞穴的開拓,將上覆水引入管穴中,形成引灌效果,使表層沉積物間隙水中溶解氧增加。

雖然搖蚊幼蟲的擾動作用能夠增加沉積物中DO,但其生命活動也需要耗氧。搖蚊幼蟲的引灌和筑穴行為增加了底層上覆水懸浮顆粒物的含量,還原態(tài)的沉積物顆粒以及附著的還原態(tài)離子被氧化,同時搖蚊幼蟲的好氧呼吸作用也會消耗底層上覆水中的溶解氧,造成底層上覆水溶解氧濃度低于上層上覆水。本試驗中,雖然柱狀樣受風浪擾動較小,但搖蚊幼蟲的引灌和擾動作用明顯促進了上覆水的富氧效果,上覆水中的DO增加后,通過擴散進入間隙水中的DO也會增加。對照組和搖蚊組間隙水中的DO在整個試驗期間隨深度的增加而降低,這是由于沉積物-水界面處的DO水平較高導致硝化作用強于反硝化作用,且氨氮的硝化作用消耗溶解性氧,使間隙水中的DO隨深度增加而降低。

2.2 沉積物-水微界面pH垂向分布

搖蚊組和對照組沉積物-水界面中pH的分布情況如圖2所示。可以看出,對照組和搖蚊組沉積物中pH值隨深度的增加而減小,3個階段表層沉積物-45 mm以上的pH值垂向變幅較大,-45 mm以下基本上穩(wěn)定。在3個時段對照組的pH平均值為6.9、7.5、7.4,搖蚊組為6.8、7.7、7.5。加入搖蚊幼蟲后的前5天,上覆水pH值無顯著變化,沉積物0～-20 mm的pH值迅速減小,后變化趨勢減弱,-25 mm處又開始緩慢回升;在加入搖蚊幼蟲后的第5天,兩組間隙水中的pH多分布在7.3～8.4之間;在加入搖蚊幼蟲后的第15天,對照組0～-10 mm變幅較大,搖蚊組在0～-8 mm的pH隨深度增加呈波狀變化,且在-6～-12 mm處搖蚊組和對照組pH差值為0.3～0.5。從加入搖蚊幼蟲的第5天到加入搖蚊幼蟲的第15天,搖蚊擾動深度的逐漸加深,搖蚊組與對照組間隙水pH值的最大差異點也隨之加深。

圖2 不同處理組沉積物pH剖面分布Fig.2 The vertical distributions of pH values in sediments for different treatments

通過分析可知,在前兩個階段搖蚊組和對照組沉積物-水界面中pH值無顯著變化(Plt;0.05),加入搖蚊幼蟲后的第15天,搖蚊組上覆水中的pH值小于同期對照組,搖蚊組沉積物中的pH值大于同期對照組,均呈顯著性差異(Pgt;0.05)。在加入搖蚊幼蟲的第15天,搖蚊組上覆水pH值降低,可能是因為沉積物整體的pH值較低。pH的變化趨勢可以在一定程度上反映水體堿度的變化趨勢。在這3個階段沉積物pH值呈現(xiàn)表層相對略高而下層略低的趨勢,上覆水的pH較高而沉積物的pH較低,且上覆水pH的時空變化較大而沉積物pH的變化較小,這主要是由體系中的各種物理化學反應所引起的。

在加入搖蚊幼蟲后的第5天,兩組pH值隨深度增加變化較小;在加入搖蚊幼蟲的第15天,沉積物-水界面處的pH呈波動變化,這可能是因為此階段搖蚊幼蟲在沉積物中的引灌作用較強,且活動范圍不固定,而沉積物-水界面和沉積物-40 mm以下,沉積物中pH的空間分布重新趨于均勻,這可能是因為搖蚊幼蟲的擾動作用減少,垂向上的物質混合作用趨于平衡,這一結果與Anschutz等[20]對顫蚓的研究相似;在加入搖蚊幼蟲的初期,上覆水中的pH值降低,沉積物表層的pH值增加。一方面,實驗系統(tǒng)均是敞開體系,直接與空氣接觸,隨著空氣中的CO2進入上覆水并大量積累,上覆水中pH值降低,同時,氨氮的氧化的過程要消耗堿度降低系統(tǒng)的pH值,文獻[21]指出每1 mg氨氮氧化為硝酸根需消耗7.1 mg的堿度;另一方面,搖蚊幼蟲擾動加快了間隙水與上覆水的交換,搖蚊幼蟲的呼吸作用及其帶來的有機質促進反硝化作用的發(fā)生[22],使體系中的氮主要以氨的形式存在并釋放到上覆水中,進而提高沉積物或上覆水的 pH。系統(tǒng)脫氮過程是消耗堿度的過程,導致了底層間隙水中的pH值下降。

2.3 沉積物-水微界面Eh垂向分布

沉積物-水界面Eh分布如圖3所示。3個時段的對照組和搖蚊組上覆水均在350 mV以上,屬于強氧化狀態(tài),但是隨著沉積物深度的增加,Eh垂向剖面分布發(fā)生了明顯的改變。

圖3 不同處理組沉積物Eh剖面分布Fig.3 The vertical distributions of Eh values in sediments for different treatment groups

在加入搖蚊幼蟲的前5天,對照組和搖蚊組沉積物中的Eh隨著深度的增加而降低,分別在拐點-19 mm和-25 mm處迅速下降。在加入搖蚊幼蟲后的第5天,對照組與搖蚊組0～-12 mm的沉積物同一分層處的Eh值較為接近,無顯著性差異(Pgt;0.05);表層-12 mm以下同一分層處的Eh值呈顯著性差異(Plt;0.05)。其中,搖蚊組在-20～-25 mm處Eh值迅速減小,而對照組在-13～-24 mm之間隨深度增加急劇減小,在-25 mm以下,兩組的Eh隨深度小幅減小,并趨于穩(wěn)定。在加入搖蚊幼蟲后的第15天,搖蚊組沉積物的Eh值在-25～-37 mm處迅速減小,對照組沉積物的Eh值在-12～-20 mm處迅速減小,對照組與搖蚊組同一分層處的Eh值在-12～-40 mm差異性顯著(Plt;0.05),其他深度搖蚊組的Eh值均小于同一分層處對照組的Eh值,且無顯著性差異(Pgt;0.05)?？梢?搖蚊幼蟲的擾動作用改變了沉積物的Eh值。

在搖蚊擾動到的地方由于生物引灌作用,廊道里的O2增加,Eh也相應的增加,而沒有生物擾動到的地方Eh偏低。沉積物中Eh的大小影響著沉積物中硝化和反硝化過程,侯紅勛等[23]指出在完成同步硝化反硝化的氧化溝中,Eh在30 mV以上即可取得較好的硝化效果;Charpentier等[24]認為Eh=100 mV時硝化開始,200 mV時達到最佳。本試驗中所測得的Eh值較大,沉積物中表層-60 mm以上的沉積物中Eh值均在150 mV以上,表層-20 mm以上的氧化還原電位均在400 mV左右,依據前人的研究結果,可知本試驗中沉積物-水界面有硝化反應。在加入搖蚊幼蟲后第15天,搖蚊幼蟲的呼吸作用及其生命活動所帶來的有機質改變了沉積物的氧化還原條件,降低沉積物的Eh。

3 結 論

搖蚊幼蟲的擾動作用改變了沉積物-水界面處的溶解氧、酸堿度以及氧化還原條件。本文試驗結果表明,搖蚊幼蟲的引灌和擾動作用明顯促進了上覆水的富氧效果,改變了間隙水DO的垂向分布,增加了O2在沉積物局部的滲透深度,使得搖蚊組沉積物OPD大于6 mm。搖蚊幼蟲擾動初期沉積物-水界面處的pH呈波動變化,隨后重新趨于穩(wěn)定。搖蚊幼蟲的擾動作用使得沉積物-水界面中Eh值的垂向分布發(fā)生了明顯改變,由于生物引灌作用,廊道里的O2增加,Eh也相應增加。

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·簡訊·

第四批世界灌溉工程遺產公布

在墨西哥召開的國際灌排委員會第68屆執(zhí)行理事會，于當?shù)貢r間2017年10月10日上午的全體會議上公布了2017年度的世界灌溉工程遺產名單。中國申報的寧夏引黃古灌區(qū)、陜西漢中三堰和福建黃鞠灌溉工程3個項目全部入選。

國際灌排委員會名譽主席高占義告訴記者，世界灌溉工程遺產的設立為水利遺產保護提供了一個良好的開端，使社會各界認知了獨特的遺產類型，讓人們走進灌溉工程遺產，從中了解區(qū)域歷史、文化和水利，領略它的風采，感知它的博大。這些灌溉工程不僅是水利工程遺產，也是各國文化遺產體系的重要組成部分。世界灌溉工程遺產的評選，必將促進灌溉工程的保護和發(fā)展，同時也有利于傳播、交流、弘揚水文化。

國際灌排委員會(ICID)成立于1950年，是以國際灌溉、排水及防洪前沿科技交流及應用推廣為宗旨的專業(yè)類國際組織，目前有約100個會員國。

世界灌溉工程遺產名錄是國際灌排委員會為保護、挖掘和推廣具有歷史價值的可持續(xù)灌溉工程及其科學經驗而設立，自2014年開始在全球范圍評選。每年由各國家委員會組織申報，經由國際專家組評審提出推薦名單，國際執(zhí)行理事會投票通過后正式列入遺產名錄。第四批入選遺產名錄的工程還有其他4個國家的10個工程。

目前，我國陜西鄭國渠、四川東風堰等10個已成功申報，加上此次成功申報的3個，我國已有13個世界灌溉工程遺產。

(本刊編輯部供稿)

EffectsoftheChironomusplumosusontheredoxcharacteristicsofSediment-watermicrointerface

YANWenming1,MALin2,WANGHan1,YANGJialiang3,YANGYanqing1

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.HunanProvincialDepartmentofWaterResources,Changsha410007,China; 3.HunanHydroamp;PowerDesignamp;ResearchInstitute，Changsha410007,China)

Bioturbation is one of the important influence factors in the sediment-water interface reaction. To identify the influence mechanism of bioturbation on redox characteristics in the sediment-water interface, Chironomus plumosus is selected to examine its effect on the vertical distribution characteristics of O2, pH and Eh using the high resolution microelectrode system. The result shows that the concentration of dissolved oxygen at the sediment-water interface is significantly increased, and the pH value of the overlying water is reduced together with increased pH value in the sediments. Moreover, due to the bioturbation of the Chironomus plumosus, the temporal and spatial variation of pH value in the overlying water becomes large, which is however less significant in the sediments. The Eh value appears to be significantly increased due to the increment of the Oxygen content in the corridor, which is low instead in the places without bioturbation. In general, the sediment-water micro interface is influenced by changing its redox conditions due to the oxygen, the latter is introduced into the corridor through breathing and ingestion of the Chironomus plumosus.

Chironomus plumosus; sediment-water micro interface; bioturbation; vertical distribution

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.06.003

2016-10-12

國家自然科學基金(41301531); 湖南省水利基金(201524507)

燕文明(1982—),女,江蘇沛縣人,高級實驗師,博士,主要從事環(huán)境水文及水環(huán)境保護研究。E-mail:ywm0815@163.com

麻林,博士。E-mail:155327259@qq.com

X171.1

A

1000-1980(2017)06-0489-06