2016, Vol. 37
磷是生物体生长最基本的营养元素之一，也是造成地表水体富营养化的主要营养元素[1].水体磷含量过高会导致水生植物以及藻类大量生长繁殖，严重破坏水体生态平衡，导致水体富营养化.因此，为防止水体富营养化首先要控制水体磷元素的含量.而随着外源污染的控制，底泥中磷的释放已成为导致水体磷含量过高的最主要因素[2].所以，只有采取合理技术抑制底泥磷的释放才能从根本上解决水体磷元素超标问题，防治水体富营养化.
现有的治理技术主要分为原位控制技术及异位控制技术.原位处理技术包括化学控制技术[3, 4]、生物控制技术[5~7]及原位覆盖技术[8~11]；异位控制技术为底泥疏浚处理技术[12, 13].异位控制技术费用较高，疏浚效果不确定；化学控制技术对生态系统存在潜在威胁，且技术要求较高，易受到气候、底泥中微生物及水生动物的影响；生物控制技术具有投资小、操作简便、无二次污染等优点，但生物修复需要周期较长，且易受环境因素影响；原位覆盖技术具有控制效果好、有效性长等优点，已成为底泥污染物治理的主要方法之一.而选择低成本、易操作的高效活性覆盖材料将决定原位覆盖的实际效用.
紫色母岩是广泛分布于西南地区的一种沉积岩，其矿物成分比砾石复杂，含有较多的黏粒矿物，风化形成的紫色土磷含量低且相对不易淋失[14]，能吸附水体中的磷素[15]，且已有研究表明利用紫色母岩作为基质，可有效去除微污染景观水体中的总磷[16].因此，本研究选择西南地区普遍存在的飞仙关组、蓬莱镇组、遂宁组这3种紫色母岩，和2种经众多研究证明可有效控制底泥磷释放的岩石——石灰石和方解石[17~19]作为活性覆盖材料，室内模拟底泥生态环境，研究3种紫色母岩和2种常用岩石覆盖层对底泥总磷释放的控制效果及机制，以期获得一种可高效抑制底泥污染物释放的廉价紫色母岩，解决富营养化问题.
1 材料与方法 1.1 样品采集及预处理活性覆盖材料包括石灰石、方解石、以及3种紫色母岩(蓬莱镇组、飞仙关组、遂宁组).石灰石采自四川省泸州市泸县境内，方解石采自四川省泸州市境内方解石场.飞仙关组紫色母岩采自重庆市北碚区鸡公山，遂宁组和蓬莱镇组紫色母岩采自重庆市巴南区界石镇与南岸区长生镇之间的倒置低山区.紫色母岩均采集自地表 10 cm以下地区.各活性覆盖材料均置于阴凉通风处干燥后，研磨，过60目筛备用.覆盖材料的基本理化性状包括全氮、全磷、有机质及pH，主要化学成分包括SiO2、Al2O3、CaO等，所有指标均参照文献[20]进行测定，结果分别见表 1、表 2.底泥采自四川省玉龙湖中心部位，水底6~7m处.样品在实验当天采集，密封保存送往实验室进行底质分析和底泥总磷模拟释放控制实验.供试底泥的初始pH、总氮、总磷、有机质分别为7.0、2.53 g ·kg-1、1.29 g ·kg-1、212.95 g ·kg-1.
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表 1 活性覆盖材料的基本性状 Table 1 Basic properties of the active barrier material |
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表 2 活性覆盖材料的主要化学成分/% Table 2 Chemical composition of the active barrier material/% |
1.2 活性覆盖材料原位覆盖模拟实验
实验分为对照组(CK)、方解石覆盖组(P1)、石灰石覆盖组(P2)、飞仙关覆盖组(P3)、蓬莱镇覆盖组(P4)、遂宁覆盖组(P5).采用15 L广口玻璃瓶(内径20 cm)作为底泥覆盖模拟实验的反应器，将1 L完全混合均匀(将采集到的底泥放入干燥的50 L广口塑料桶中，并用干净木棒搅拌均匀)的新鲜底泥自反应器口部用漏斗管道直接导入底部，使底泥层厚度保持约为4 cm.空白组加入底泥后通过虹吸式加入10 L去离子水，各活性材料覆盖组分别添加500 g对应覆盖材料，再通过虹吸式向各覆盖组中加入10 L去离子水, 密封后放入恒温培养箱中(20±1)℃黑暗培养，每个处理3次重复.并定期于水面下5 cm处采用虹吸法取样测定上覆水体总磷及pH，模拟期间上覆水体保持厌氧状态(采用氮气吹脱实现).
实验结束后，通过虹吸式吸取各实验组上覆水体，用于上覆水体微生物磷脂脂肪酸(PLFA)分析.吸取完上覆水体后，去掉上部覆盖层，收集底泥进行底泥微生物群落磷脂脂肪酸(PLFA)分析.覆盖层及剩余底泥于通风阴凉处晾干，用于各种磷形态测定.
1.3 分析方法 1.3.1 水质理化指标测定上覆水体pH及总磷(TP)均按照国家标准进行测定[21].
1.3.2 底泥及母岩中磷形态测定实验前后底泥以及3种紫色母岩中总磷的含量参照文献[20]进行测定.实验前后3种紫色母岩以及底泥中铁/铝/锰结合态磷(NaOH-P)、钙结合态磷(Ca-P)、无机磷(IP)以及有机磷(OP)的含量均采用SMT法[22]测定.
底泥中NaOH-P含量(mg ·g-1)计算公式：
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底泥中Ca-P、IP、OP含量(mg ·g-1)计算公式：
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式中，S为提取液提取的磷浓度(mg ·g-1)；V为所加提取液的体积(20 mL)；m为底泥干重.
1.3.3 磷脂脂肪酸(PLFA)分析微生物群落结构每个处理组分别取2 L水样及50 g底泥进行微生物群落结构分析.水样用醋酸纤维滤膜(0.22 μm)抽滤，将抽滤后的滤膜进行提取、皂化、甲基化、萃取及碱洗涤后获得上机样品.将底泥直接进行提取、皂化、甲基化、萃取及碱洗涤后获得上机样品.用Agilent 6850气相色谱仪(FID检测器)分析磷脂脂肪酸(PLFA)的成分.色谱条件为： HP-5柱(25.0 m×200 μm×0.33 μm)，进样量1 μL，分流比10 :1，载气(H2)，尾吹气高纯N2，助燃气空气，流速0.8 mL ·min-1；汽化室温度250℃、检测器温度300℃，柱前压10.0 psi (1 psi=6.895 kPa)，质谱全扫描范围30~600 m/z；二阶程序柱温170℃(5 min)→260℃→310℃，维持1.5 min.各成分脂肪酸通过MIDI Sherlock微生物鉴定系统(Version 6.1, MIDI, Inc., Newark, DE)进行.标准品购于美国MIDI公司的C9-C20的脂肪酸甲酯，PLFA用C19:0做内标换算PLFA的绝对含量.
1.4 数据处理与分析采用Excel、SPSS Statistics 17.0和Origin 8.6软件对实验结果进行统计分析与作图.
2 结果与讨论 2.1 不同活性覆盖材料覆盖后上覆水体中pH值的变化已有研究表明水体pH对底泥磷释放具有重大影响[23, 24].本实验测定了不同活性覆盖材料覆盖后上覆水体中pH值的变化，发现各覆盖组上覆水体中pH值在前5 d均呈较显著下降，显弱酸性. 5 d后均有所上升，在5~32 d时均为中性，32~46 d时上升幅度较大，由中性逐渐转变为弱碱性.而对照组上覆水体中pH值在整个实验区间内变化不大，均为中性(图 1).相比于对照组，本实验各覆盖组水体均呈弱碱性，说明利用5种活性覆盖材料覆盖均会提高上覆水体pH值，这是由于5种活性覆盖材料均呈碱性(见表 1)，其内碱性物质会溶解进入上覆水体，从而使水体pH升高.
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图 1 不同覆盖材料下上覆水体中pH随时间变化 Fig. 1 Variation of pH of the overlying water with different covering materials |
图 2为不同活性覆盖材料层对底泥TP向上覆水体释放的影响.各实验组上覆水体TP质量浓度在整个实验过程均呈上升趋势，其中对照组上覆水体中TP的增长趋势最显著. 46 d时，以对照组为参照，各活性覆盖材料层对底泥TP向上覆水体释放的抑制率由高到低依次为P3(94.4%)>P5(91.3%)>P4(88.8%)>P2(68.9%)>P1(57.8%).说明3种紫色母岩作为活性覆盖材料对底泥TP向上覆水体释放具有很好的抑制效果.其中P3组覆盖层对底泥TP向上覆水体释放的抑制作用最强.许多研究表明石灰石和方解石可有效抑制底泥TP释放[25, 26]，而本研究发现在同一实验条件下，3种紫色母岩对TP释放的抑制效果均比石灰石和方解石好.而且优于众多别的活性覆盖材料，如Kim等[27]研究发现铁石膏覆盖对底泥磷释放的抑制率仅为40%，颗粒石膏与砂子联合覆盖对底泥磷释放的抑制率有所提高，超过50%以上，远远低于紫色母岩对底泥磷释放的抑制率. Meis等[28]研究发现锁磷剂Phoslock®对底泥磷释放的最高抑制率为61%，也明显低于紫色母岩对底泥磷释放的抑制率，说明紫色母岩可有效抑制景观水体底泥污染物释放，在景观水体治理中具有很好的应用前景.
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图 2 不同覆盖材料下上覆水体中TP随时间变化 Fig. 2 Variation of TP of the overlying water with different covering materials |
本研究发现在同一实验条件下3种紫色母岩覆盖层对底泥TP向上覆水体释放的抑制效果均比石灰石和方解石覆盖层好(见图 2)，但紫色母岩覆盖层对底泥TP向上覆水体释放的抑制机制并不清楚.为此，测定了覆盖前后底泥及5种覆盖材料中不同磷形态的含量，结果如图 3、图 4所示.
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图 3 5种覆盖材料覆盖后底泥中不同形态磷含量 Fig. 3 Contents of different phosphorus forms in sediment after capped with the five kinds of covering materials |
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图 4 覆盖前后5种覆盖材料中不同形态磷含量的变化 Fig. 4 Variation in the contents of different phosphorus forms before and after capped with the five kinds of covering materials |
从图 3中可看出，46 d后，与初始底泥TP含量相比，各处理组底泥中TP含量均降低，降低量为P3(300.27 mg ·kg-1)>P5(260.53 mg ·kg-1)>P4(134.08 mg ·kg-1)>P2(111.65 mg ·kg-1)>P1(93.49 mg ·kg-1).说明通过5种活性覆盖材料覆盖均会促进底泥TP的释放，其中P3组覆盖层的效果最强，而P1组覆盖层最弱.实验结束后，不同形态磷含量所占TP含量的比例也发生改变. 5种活性材料覆盖组底泥中NaOH-P含量均减少，而已有研究表明水体碱性条件有助于底泥中NaOH-P的释放[29]，这与5种活性材料覆盖后水体pH值升高(图 1)，同时底泥中NaOH-P含量减少的结果一致.相对于对照组底泥中OP含量，覆盖组中底泥OP含量明显下降，IP含量显著上升，Ca-P含量明显增加.说明5种覆盖材料有促进底泥中OP分解直接在原位转化成Ca-P，导致底泥中Ca-P含量明显增加，其中P1、P2处理组促进OP原位形成Ca-P能力更强，这与两种覆盖材料中CaO含量高成正相关，详细机制需进一步研究.
2.4 覆盖前后覆盖材料中不同形态磷含量的变化图 4所示为5种活性材料覆盖前后不同形态磷含量的变化.覆盖后，5种活性覆盖材料中TP及其他形态磷的含量都明显增加. TP的增加量分别为P3(185.69 mg ·kg-1)>P5 (181.11 mg ·kg-1)>P4 (127.16 mg ·kg-1)>P2(70.27 mg ·kg-1)>P1(58.33 mg ·kg-1), IP的增加量分别为P3(134.24 mg ·kg-1)>P5(131.26 mg ·kg-1)>P4(83.34 mg ·kg-1)>P2(58.49 mg ·kg-1)>P1(53.72 mg ·kg-1), OP的增加量分别为P3(51.45 mg ·kg-1)>P5(49.85 mg ·kg-1)>P4(43.82 mg ·kg-1)>P2(11.78 mg ·kg-1)>P1(4.61 mg ·kg-1).可见IP的增加是导致5种覆盖材料中TP增加的主要原因，而IP中Ca-P的增加量较大，且覆盖层中OP含量也明显增加，说明5种覆盖材料通过机械拦截、物理吸附或者化学吸收将底泥中释放出来的各种形态的磷以Ca-P和OP形态保留在覆盖层中，从而减少底泥中TP含量.覆盖后蓬莱镇组和遂宁组母岩中Ca-P增加量比飞仙关组母岩、方解石和石灰石中Ca-P增加量大，说明蓬莱镇组和遂宁组母岩有利于底泥释放扩散到覆盖层的正磷酸盐形成Ca-P的磷结晶.覆盖后飞仙关组母岩中Ca-P和NaOH-P增加量总和远低于IP增加量，而其余各覆盖材料中Ca-P和NaOH-P增加量总和与IP增加量基本一致，表明飞仙关组中增加的IP除Ca-P和NaOH-P外还有其他形态磷，如闭蓄态磷.覆盖后3种紫色母岩中OP的增加量也明显高于方解石和石灰石，这可能与3种紫色母岩组成成分复杂，有利于覆盖层中微生物的生长与积累有关.
2.5 覆盖后底泥及上覆水体中微生物群落结构微生物是影响底泥磷释放的主要因素之一[30].为确定活性覆盖材料覆盖层是否会改变底泥或上覆水体中微生物的群落结构，从而影响底泥磷素的释放，本研究测定了5种覆盖材料覆盖后底泥及上覆水体中微生物的磷脂脂肪酸，结果如表 3、表 4所示.从中可看到，与对照组相比，P2组底泥中细菌含量减少，而其他各处理组底泥中细菌含量均增加；P5组底泥中未检测到真菌，P4组底泥中真菌含量降低，而其余各处理组底泥中真菌含量无太大变化；5个处理组上覆水体中细菌含量均大大增加；除P5组上覆水体中未检测到革兰氏阴性菌外，其余处理组上覆水体中革兰氏阴性菌的数量均有较大增加；P1、P2组上覆水体中未检测到真菌，P3组上覆水体中真菌含量无明显变化，而P4、P5组上覆水体中真菌含量增加较多.这说明使用5种活性覆盖材料进行底泥覆盖后均会影响底泥及上覆水体中的微生物群落结构及数量，有可能会影响底泥污染物的释放.将底泥及上覆水体中均能检测到，且含量较高的6种磷脂脂肪酸标记与上覆水体TP含量进行相关性分析(表 5)，结果发现底泥及上覆水体中PLFA 16:0标记的细菌含量均与上覆水体TP含量呈显著负相关(P < 0.05)，说明底泥或上覆水体PLFA 16:0标记的细菌增加均会降低上覆水体TP含量.从检测结果发现P3及P5组上覆水体及底泥中的PLFA 16:0标记含量比其他覆盖组高，其中P3组最高，可见P3组对底泥TP向上覆水体释放的抑制作用最强，与图 2结果一致.说明P3和P5组除通过机械拦截、物理吸附或者化学吸收及覆盖层微生物作用降低底泥TP含量外，还通过改变底泥及上覆水体微生物的群落结构，使底泥释放出的部分磷素与微生物作用形成絮体等降低上覆水体TP的含量.
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表 3 覆盖后底泥中PLFA标记组群的分布/nmol ·g-1 Table 3 Distribution of PLFA groups in sediments after capped with the five kinds of covering materials/nmol ·g-1 |
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表 4 紫色母岩覆盖后上覆水体中PLFA标记组群的分布/nmol ·g-1 Table 4 Distribution of PLFA groups in the overlying water after capped with the five kinds of covering materials/nmol ·g-1 |
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表 5 微生物与上覆水体中总磷含量的相关性分析1) Table 5 Correlation between microbes and TP content in the overlying water |
3 结论
(1) 在投加量相同时，紫色母岩对底泥中磷的抑制效果优于方解石和石灰石.其中飞仙关组紫色母岩覆盖层对底泥总磷向上覆水体释放的抑制效果最好，抑制率为94.4%.因此，可选用紫色母岩做为活性覆盖材料，抑制底泥总磷向上覆水体释放.
(2) 5种覆盖材料均可促进底泥总磷的释放与转化，显著促进底泥OP原位转化为Ca-P，同时3种紫色母岩覆盖层更有利于底泥释放出的磷转化为无机磷和有机磷.
(3) 5种覆盖材料均会改变底泥及上覆水体微生物的群落结构，其中PLFA16:0标记的细菌数量与上覆水体的总磷含量呈显著负相关.
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