水生态系统砷蓄积思考范文

1材料与方法(Materialsandmethods)

1．1供试材料供试洛克沙胂含As28．5%(广州市惠华动物保健品公司)。供试底泥采自华南农业大学校园池塘，采用多点采样法，每个样点采集底泥1kg。风干后将多个样点的底泥样品混合、粉碎、过2mm筛，备用。底泥基本理化性质为:pH，4．69;总砷，1．41mg•kg-1;有机质，42．3g•kg-1;全氮2．78g•kg-1;全磷，0．42g•kg-1。

1．2试验设计试验在华南农业大学玻璃温室内进行。采用玻璃水族箱模拟水生态系统，水族箱容积为65L(0．6m×0．3m×0．4m)。试验开始前，于水族箱底部均匀铺上约5cm厚的底泥(重量7kg)，然后缓慢加入50L自来水，待水体稳定7d后，加入适量的KNO3、NaH2PO4和NaHCO3，使水体全氮和全磷浓度分别为1mg•L-1和0．1mg•L-1，达到中富营养水平。模拟水生态系统在自然光照件下稳定30d后，向每个水族箱放入40g金鱼藻及20尾个体均一的鲫鱼(每尾60±2g)，再次平衡7d后，加入不同用量的ROX，使水生态系统初始ROX浓度分别达到10、20、40、80和160mg•L-1，以不加ROX的处理为对照。试验共设6个处理，每处理三个水族箱，即三次重复。试验期间，水温23±2℃，每隔3天用自来水补充蒸发失水。分别于ROX加入水体后的0、2、4、8、16和32d动态采集底泥样品;于0、2、4、8、16和21d采集鲫鱼样品，前5次采样中每次采集3尾鲫鱼用于分析，第6次采集全部剩余5条鲫鱼。

1．3分析测定指标及方法水样、底泥、金鱼藻和鲫鱼样品中总砷含量均采用二乙基二硫代氨基甲酸银比色法［16］(最低检出浓度0．007mg•L-1，测定上限浓度0．05mg•L-1)进行测定。鲫鱼以整个鱼体为样品测定总砷含量。底泥细菌、放线菌、真菌、氨化细菌及反硝化细菌数量测定均采用《污染控制微生物学实验》中相关方法。其中，细菌总数测定采用平板倾注混合法(牛肉膏蛋白胨琼脂培养基)，放线菌总数测定采用平板计数法(高氏一号培养基)，真菌总数测定采用平板计数法(查氏培养基)，氨化细菌总数测定采用酒石酸钾钠硝酸盐培养基MPN法测定，反硝化细菌总数测定采用MPN法(酒石酸钾钠硝酸盐培养基)。

1．4数据分析采用excel2010和SAS10．1软件对数据进行方差分析。

2结果与分析(Resultsandanalysis)

2．1水体和底泥砷含量动态变化外源ROX进入水生态系统后水体砷变化动态如表1所示。对照处理未检出砷，ROX处理的水体砷含量随ROX用量增加而显著增加。其中，160mg•L-1ROX处理的水体砷含量达到80．2～116．5mg•L-1。随培养时间延长，水体砷含量总体呈降低变化。第32天，各ROX处理的砷浓度较相应0d的降幅为31．2%～62．4%。水体中砷浓度的降低除挥发损失外，可能与其向其他介质中转移、分配有关。底泥总砷含量随ROX用量增加而显著增加(表1)。其中，160mg•L-1ROX处理的底泥总砷含量是对照处理的40．1～110．0倍。随暴露时间延长，不同用量ROX处理的底泥总砷含量呈增加趋势。20～160mg•L-1ROX处理下，试验末期(第32天)砷含量较初始含量(第1天)增幅为7．9%～94．0%。对照和10mg•L-1ROX处理的底泥砷含量变化较小。底泥砷含量变化结果表明，添加的外源ROX从水体向底泥进行转移和分配。

2．2鲫鱼和金鱼藻砷含量动态变化对照处理鲫鱼体内未检出砷(图1A)，不同浓度ROX处理的水体中鲫鱼体内均出现明显的砷蓄积现象。试验初始(0d)，10～80mg•L-1ROX处理的鲫鱼体内砷含量在0．37～0．97mg•kg-1，而160mg•L-1ROX处理下鲫鱼砷含量高达11．36mg•L-1，且此处理的鲫鱼均于试验第1天全部死亡。随暴露时间延长，10～80mg•L-1ROX处理的水生态系统中鲫鱼体内砷含量明显增加，并在试验第21天，鲫鱼均出现不同程度的毒性反应，部分处理出现死鱼现象。基于各处理间分析比较需要，于21d对所有处理鲫鱼全部进行收集与分析。试验结果说明，水生态系统添加的外源ROX从水体向鲫鱼体内发生了转移和分配，并最终导致鲫鱼出现砷中毒现象。基于水生态系统生态平衡及鲫鱼生长需要，仅于试验末期进行金鱼藻采集与砷累积量的分析，结果如图1B所示。对照处理的金鱼藻累积的砷含量较低，为1．71mg•kg-1。外加不同浓度ROX显著增加金鱼藻砷累积量，且随ROX添加量增加而显著升高。其中，10mg•L-1ROX处理下金鱼藻砷含量为398．1mg•kg-1，160mg•L-1ROX处理的金鱼藻砷含量高达1538．91mg•kg-1，是10mgL-1处理的900倍。整个试验期间，不同浓度的ROX处理下，金鱼藻未表现出明显的毒性症状，说明金鱼藻具有较强的砷耐受能力。

2．3ROX对底泥微生物的影响试验期间水生态系统底泥真菌数量变化如图2A。各处理底泥真菌数量随暴露时间延长总体呈下降趋势。第32天，各处理底泥真菌数量在0．02×104～0．27×104间，相比试验初期降幅在83．7%～99．7%之间，说明在厌氧环境下，底泥中真菌的生长受到显著抑制。与对照相比，ROX处理的底泥真菌含量随ROX浓度增加而明显降低，说明ROX对底泥真菌生长具有抑制作用，且存在浓度和时间效应。底泥细菌含量动态变化如图2B所示。对照和10mg•L-1ROX处理的底泥细菌数量在培养的第2天出现显著增加，说明短时间内底泥细菌对厌氧环境及低浓度ROX具有积极响应。随着暴露时间延长，不同ROX处理下底泥细菌数量明显降低，培养末期细菌数量较起始阶段降低88．6%～97．7%。总体上，长时间暴露后，ROX对底泥细菌生长具有较强的抑制作用。底泥放线菌分析结果(图2C)显示，培养期间，低浓度ROX(10mg•L-1)处理的底泥放线菌数量为44．97×104～988．77×104，明显高于对照处理(8．16×104～202．95×104)，说明适宜的ROX浓度对放线菌的生长具有一定的促进作用。其他ROX处理的底泥放线菌数量在培养第4d均大幅降低，培养第8天，放线菌数量又出现明显增加，之后至培养结束总体呈降低变化。这一现象说明，随ROX浓度升高，其对底泥放线菌生长的促进效应具有阶段性。底泥中两种氮转化微生物分析结果如图2D和E所示。ROX处理的底泥反硝化细菌数量(图2D)随暴露时间延长总体呈降低趋势，培养第32天反硝化细菌数量在0．28×104～22．1×104间，较初始阶段降低64．2%～98．3%，而不加ROX的对照处理在培养末期底泥反硝化细菌数量显著增加1168倍。试验结果说明，反硝化细菌作为一种兼厌氧性微生物，在底泥这种厌氧环境下，其生长被促进，而添加外源ROX显著抑制了反硝化细菌的生长。底泥氨化细菌的分析结果(图2E)显示，试验起始，高量ROX(80和160mg•L-1)处理的底泥氨化细菌数量明显较高，均达到600×104，高于其他处理9倍之多。其他浓度的ROX处理下，底泥氨化细菌数量在培养的第8天均出现明显增加，其中40mg•L-1ROX处理的底泥氨化细菌达517．5×104，之后明显降低。试验结果说明，底泥氨化细菌受ROX浓度影响较大，高浓度ROX在试验初期可显著促进氨化细菌生长，而10～40mg•L-1ROX对氨化细菌生长的促进效应出现在第8天。

3讨论(Discussion)

3．1水生态系统中砷的分配特征研究显示，洛克沙胂作为一种环境污染物对水生态系统具有毒性效应。本文中，外源ROX进入水体明显增加水体砷含量，但随时间推移，水体砷浓度虽逐渐降低(表1)，并不能说明水生态系统砷污染及其毒性效应随之降低。针对水体生物及非生物介质砷含量的分析表明，底泥(表1)、鲫鱼和金鱼藻(图1)砷含量随ROX暴露时间及其浓度增加均呈明显增加趋势，说明水体砷向其他生物及非生物媒介中进行了转移和分配，并表现出明显的剂量-时间效应特征。ROX的生态毒性可从高浓度ROX(160mg•L-1)处理下鲫鱼的快速死亡现象得到验证。ROX主要通过抑制鲫鱼肝脏、肾及鳃细胞的Na+-K+-ATP酶活性并导致肾DNA损伤等对鲫鱼产生毒性效应。薛培英［20］研究表明，金鱼藻地上部具有较强的As富集能力，在10μmol•L-1As溶液中暴露4d后，砷富集量＞1000mg•kg-1。本文中，金鱼藻在10～160mg•L-1ROX溶液中暴露32d后，As累积量达到398．1～1538．9mg•kg-1，但并无明显的毒害症状，说明金鱼藻对砷具有一定的耐性，可作为砷污染水体净化植物。水体底泥是外源ROX的重要蓄积库，ROX进入底泥后主要以物理吸附为主［13］。本试验中，水生态系统底泥砷含量随外源ROX浓度增加及培养时间延长逐步增加(表1)，说明底泥蓄积了一定量的砷。研究显示，ROX在底泥土壤中的降解是微生物主导的生物降解过程［21］。针对农田沟渠底泥中ROX及其代谢物的研究表明，在底泥的厌氧环境下，细菌可促进ROX主要的无机代谢物之一—As(V)还原为另一种代谢物—As(Ⅲ)，并使As(V)甲基化形成二甲基砷。通常，ROX原形毒性较低，而转化为无机砷的ROX代谢产物毒性较强。本文中，水体底泥的厌氧环境导致其蓄积的ROX可能发生一系列的生物、化学转化和降解，生成毒性更强的无机砷，从而对水生生物如鲫鱼等造成毒害效应。

3．2ROX对底泥微生物的影响ROX作为一种有机胂制剂具有较强的杀菌性，对环境中微生物生长、繁殖产生抑制效应。张帆等研究显示，洛克沙胂可导致土壤微生物群落结构多样性及其碳代谢能力改变，且暴露浓度越高其作用越强。土壤中ROX降解产物As(V)与细菌Shannon-Weiner指数存在一定的负相关关系，而另一降解产物As(Ⅲ)与细菌Shannon-Weiner指数无明显的相关性。本文中，不同ROX处理下底泥真菌、细菌和反硝化细菌数量随培养时间延长总体呈降低趋势(图2)，说明ROX及其降解产物对底泥微生物生长产生了不同程度的抑制作用。张雨梅等［14］研究表明，施用80～150mg•kg-1ROX对土壤硝化和氨化作用均产生极显著抑制作用。土壤硝化作用的抑制，导致反硝化细菌的作用底物—硝态氮生成量降低，一定程度上影响反硝化细菌的繁殖，与本文研究结果类似。氨化细菌作为参与土壤氨化作用的主要生理菌群，其数量在培养的第8天出现明显增加变化(图2)，与目前已有研究结果有所差异。不同ROX处理的底泥放线菌数量出现与氨化细菌相似的变化(图2)。已有研究表明，低浓度砷对土壤大多数微生物的生长具有刺激作用，一些异化的原核生物以还原的砷作为生长代谢的营养物质。本文中可观察到底泥放线菌在低浓度ROX(10mg•L-1)处理下其生长受到促进，而培养第8天时放线菌和氨化细菌数量增加(图2)，究竟与哪一种ROX的代谢物作用有关，尚有待进一步的研究和探索。试验结果表明，外源洛克沙胂进入水生态系统后，从水体向底泥及生物体如鲫鱼和金鱼藻发生了迁移和分配，且表现出时间－剂量依赖效应。鲫鱼暴露在160mg•L-1ROX水体中1d全部死亡，在10～80mg•L-1ROX的水体暴露21d也出现不同程度的死亡现象。金鱼藻具有较强的耐砷能力，在10～160mg•L－1ROX水体暴露32d，其砷累积量达398．1～1538．91mg•kg-1，且表观上无明显的毒害症状，可作为砷污染水体净化植物。水生态系统中底泥对水体中ROX的蓄积导致底泥真菌、细菌和反硝化细菌生长受到不同程度抑制，而ROX对底泥放线菌和氨化细菌的生长具有一定的促进作用。对ROX在水生态系统毒性作用机理的全面了解，尚需开展进一步的研究和探索。

作者：王素芬 宁建凤 崔理华 许巧玲 李国婉 单位：华南农业大学资源与环境学院 河南科技学院资源与环境学院 广东省农业科学院农业资源与环境研究所