河湖沉积物中重金属污染及其对微生物群落结构的影响

朱小杰,陶传奇,周宇,孙翠丽,殷鸿炜

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院,安徽 合肥 230601)

随着工业污水和城市生活废水的大量排放,导致河流、湖泊等受到了不同程度的环境污染,其中底泥污染及其重金属污染问题尤为突出,进而给人类的生产生活带来严重的影响[1].重金属具有难降解、不可逆性和易吸附等特性,一旦进入河湖水环境中,便很难排解出去.微生物作为河湖生态系统中的重要一员,在生物地球化学循环和营养物质转化循环过程中扮演着至关重要的角色,其群落结构会受到周围生态环境类型、沉积物性质以及重金属污染程度的影响[2].经过岩石风化、土壤侵蚀、空气尘埃输送及其他人类活动排放等各种途径进入水体中的重金属,很容易与水体悬浮颗粒发生吸附作用、络合作用、沉降作用[3].同时,不同种类和含量的重金属会对河湖水沉积物中微生物群落产生不同程度的影响[4].有些重金属作为微生物生长的必需元素,当沉积物环境中的重金属含量较低时,可以促进微生物的生长繁殖.然而,当水体中重金属浓度较高时,会破坏微生物体内核酸和蛋白质合成,抑制微生物的生长代谢,导致微生物活性、丰度、结构和多样性发生改变[5].

重金属在水环境中的含量、形态及迁移转化都会对微生物产生不同的影响.研究河湖沉积物重金属的释放规律、迁移转化机制及其对微生物的影响,有助于我们进一步采取相应的措施保护水体资源和维护河湖生态系统的稳定.本文综述了国内外关于重金属在河湖沉积物中重金属的污染特征及其对微生物群落结构影响的研究,并对水体重金属污染治理和维护河湖生态系统的稳定进行了展望.

1 河湖沉积物中重金属的污染特征

1.1 沉积物中重金属污染研究现状

重金属具有毒性、持久性、普遍性和不可逆性.经过不同途径进入河湖水环境中的重金属,一般会在沉积物与水界面上发生吸附、积累、转化等[6].经过各种物理化学过程沉积物中的重金属,在水环境理化性质改变时,会再次释放到水中产生“二次”污染[7].国内外学者对河流沉积物重金属的分布特征、污染程度、重金属的赋存形态及示踪重金属来源等方面已开展了大量研究.例如Lee等用地累积指数(Igeo)等评价方法研究韩国某水库时,发现水库中重金属离子Mn、Zn、Pb、Ni、Cu污染较为严重[7];盛维康等分析湘江河段的重金属污染程度时,发现湘江处于中下游河段的沉积物存在明显的Cd、Pb、Hg等重金属污染[8].学者们评价重金属的污染程度通常采用富集系数、地累积指数、单因子指数法、综合污染指数以及潜在生态风险评价指数等方法,而在研究沉积物中重金属的赋存形态和生态效应时,主要采用Tessier五步法、BCR三步法、元素地球化学分析等方法[9].Garcia-Pereira等利用BCR分离法分析西班牙某河床沉积物时,发现沉积物中Cd、Zn主要在酸溶性部分被提取,Cu、Ni、Pb等主要与无定形Fe和Mn的氢氧化物(可还原部分)结合[10].此外,同位素示踪等方法通常被用来分析重金属来源.如Potra等在研究流经美国阿肯色州铅锌矿矿区的河流沉积物中Zn、As、Pb等重金属,发现沉积物中的铅含量与采矿和汽油燃烧等活动有关[11].科学家们一直在探索和寻找各种方法去研究和分析重金属污染对环境的影响.

1.2 沉积物重金属的污染来源及危害

进入河湖的重金属来源广泛,主要分为两部分:大部分主要来自生活垃圾、农业废弃物和工业废水等人为来源;另一部分主要来自土壤质地、大气降水及地表有机物等自然来源[12].近些年来人为活动包括肥料浸出、污水排放、工业废水和城市建设等[13]已成为全球许多湖泊重金属污染的主要来源[14].其中,人为活动带来的重金属污染如图1所示.

图1 人为活动带来的重金属污染

大多数重金属会对环境和人类带来长期毒性和有害影响.在很多国家,重金属污染都被视为严重的环境污染问题.其中,重金属Cd、As、Pb、Hg和Cr被认为是毒性最大的物质,主要通过食物链和饮用水进入生物体,进一步破坏生态系统.例如,Cd已被国际原子研究委员会列为第1组人类致癌物,它会干扰金属Ca的代谢,这可能导致肾脏和骨骼损伤;摄入无机砷会导致胃肠道症状、心血管疾病和神经疾病;无机铅会穿透儿童的血脑屏障;急性汞中毒会导致肺损伤.日本发生的水俣病(重金属Hg污染)和骨痛病(重金属Cd污染)等公害病,都是由重金属污染引起的.重金属极难降解,人体内重金属有些会和体内的蛋白质及参与生命活动的一些酶发生强烈作用致使蛋白质和酶失去活性[15].进入人体的重金属浓度过高时,它们会富集在人体器官上,从而使人体发生中毒现象.重金属对人体的毒性不仅取决于他们的种类和含量,而且与它们在人体内的价态和赋存形态等特征也有极大关系.

1.3 沉积物中重金属的形态

沉积物中重金属的污染危害不仅与含量有关,其在水环境中的迁移转化、吸附释放以及产生的毒性危害都会受到重金属赋存形态的影响[16].目前,我国沉积物主要通过重金属的总含量及时空变化来评价其污染风险,赋存形态占比还不到25%.河湖沉积物中重金属的可提取态占比越大,重金属的迁移能力越强,越易从沉积物中二次释放出来,对生物有着更高的潜在生态风险[17].河湖沉积物中重金属除Pb和Cd的可提取态占比相对较大外,其它重金属主要以残渣态存在于沉积物中.其次,重金属的形态受地理位置和水文条件影响.例如,长江中下游湖泊重金属的可提取态比例大于内陆湖泊,内陆湖泊的重金属可提取态比例比高原湖泊大.枯水期的重金属可提取态比例一般要大于丰水期,主要原因是在丰水期有较大的水量,会带走部分表层沉积物中的一些重金属悬浮颗粒物,还会有一部分进入上覆水体.目前应用最广泛的方法是采用Tessier五步提取法提取沉积物中重金属的形态,具体为通过5次提取,将重金属划分为5个部分,依次为,可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态、残渣态[18].而在国内外研究土壤和水环境中重金属污染方面,普遍采用的是BCR提取法.BCR提取法将重金属形态分为可溶解态、可氧化态、可还原态和残渣态.不同的重金属形态具有不同的污染特征:溶解态的重金属在水环境中容易转化,易被生物利用,通常在重金属形态中毒性最强;可氧化态重金属能够反映水生生物活动及人类排放富含有机物的含量;可还原态重金属比表面积较大,能够反映人文活动对重金属的污染;而残渣态重金属较为稳定,受自然条件的影响较小.

1.4 沉积物重金属的迁移转化过程

沉积物控制水环境中物质在水相和沉积相之间进行物质循环和能量流动.沉积物在水环境中既是重金属的“源”又是重金属的“汇”[19].重金属是一类难降解的污染物,主要通过物理、化学、生物等过程附着于沉积物上.当上覆水环境理化性质如pH、氧化还原电位、盐度、有机质等环境参数发生改变时,吸附于沉积物上的重金属又会被释放到水相中,因此,重金属在沉积物水环境中的迁移转化是个复杂的过程[20].进入河湖的重金属一部分被生物摄取,一部分溶解态的重金属经过吸附作用形成悬浮物态,然后悬浮物经过沉积、絮凝、沉降到沉积物中;还有一部分直接吸附、沉淀到沉积物上.同时,少数沉积物经过释放,重金属又从沉积态变成悬浮态,悬浮态重金属经过溶解释放变成溶解态重金属,溶解态重金属经过挥发又回到大气中[21].重金属的迁移转化过程的主要影响因素及机制如表1所示.

表1 重金属迁移转化的影响因素及机制

2 河湖沉积物中微生物的丰度、多样性和结构研究现状

河湖水环境沉积物是一个复杂的生态系统,能将水环境中的营养物质和污染物聚集在一起,与上覆水环境间不断进行物质和能量交换,因此成为了微生物的密集居住地[27].研究发现,沉积物的优势种菌多数为变形菌门、浮霉菌门、酸杆菌门、绿弯菌门和拟杆菌门[28].郭秋平在对河湖交错带中重要缓冲带的生态系统进行研究时,发现变形菌门和拟杆菌门为优势菌门[29].Zhang等对鄱阳湖沉积物中细菌群落的研究发现优势菌门为变形菌门和放线菌门[30].有研究发现咸水沉积物中变形菌门、拟杆菌门、绿弯菌门和厚壁菌门为其主要菌门[31].微生物的群落结构和多样性描述了微生物群落组成种类、丰度及其在不同条件下的更替,是反应环境变化的一个重要信号,也在生态毒理学风险效应评估过程扮演重要角色.因此,探索沉积物与微生物群落结构的关系,在判断污染物的潜在威胁和进行生物修复等方面具有一定的实际应用意义[32].

沉积物中微生物结构和功能往往能较好的反映周围区域受重金属污染的程度[33].沉积物中的微生物通过同化、异化等作用能够影响水环境中重金属等物质的分布、迁移和转化[34].沉积物微生物群落的结构和多样性一直以来是研究河湖生态系统和环境污染治理的热点.过去,由于受技术的限制,人们只能通过传统的微生物培养方法,如直接观察测定、培养研究、生理生化鉴定等对微生物进行研究.目前,由于受到纯培养分离技术的限制,自然界中绝大部分的微生物是人们还无法纯培养的,甚至是不认识的,能够进行培养的微生物仅占自然界存在微生物的1.0%或更少,从而导致人们对微生物群落结构和多样性的认知始终不够全面.随着以分子生态学为基础的研究方法不断发展,研究者们越来越多的采用高通量测序等方法直接对环境生态系统的沉积物中微生物群落进行研究,灵敏地探测出环境微生物群落结构随外界环境改变而发生的极其微弱的变化,对于进一步研究微生物与环境间关系、环境治理和微生物资源利用有着重要的理论指导和现实意义[35].

3 河湖沉积物中重金属对微生物群落结构的作用机理

微生物群落结构和丰度易受重金属污染的影响,不同微生物对重金属的耐受力也不同[36].Feris等分析重金属污染梯度下潜流带微生物群落结构的差异时,发现变形菌门对重金属污染有高强度的耐受性[37].Matyar等研究地中海分离的细菌对重金属污染的耐受性时,发现变形菌门中最大的门革兰氏阴性菌对重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg都有较强的耐受力,其中对金属Cu的耐受力最强[38].此外,重金属可能对微生物在门、纲、属等不同水平上的群落丰度具有重要意义.江玉梅等在研究鄱阳湖重金属的污染情况时发现,鄱阳湖沉积物中变形菌门有接近13个种属与重金属元素有高度的相关性[39].重金属对微生物的多样性有着显著影响,不同微生物对重金属的耐受程度也不同[40].重金属浓度高的地区往往微生物多样性比较低,而重金属浓度较低的地区,微生物多样性相对较高.张建等在研究鄱阳湖河湖交错带重金属污染对微生物群落和多样性影响时发现,污染比较严重区域的微生物多样性比受重金属污染较轻区域的高,说明微生物多样性并不完全与重金属污染程度呈线性关系,也可能与其他因素有关[41].

一般来说,重金属的积累会对微生物的活性产生毒害作用[42].随着沉积物中重金属浓度不断积累,周围环境中的微生物活性受到显著影响,甚至能够毒害某些微生物,严重改变微生物群落结构.不同重金属抑制微生物细胞或酶活性的作用也不同,例如,沉积物中Zn离子的存在会抑制微生物细胞活性,阻止细胞正常代谢分裂,甚至在Zn离子浓度过高时,会对微生物群落结构和功能产生消极影响[43].某些重金属如Hg、Cd、Pb能在微生物细胞中形成特定复杂的化合物对微生物产生毒性.其原理为这些重金属离子在沉积物积累浓度较高时,能够与微生物体内核酸蛋白酶类等大分子结合,将能够维持微生物活性的金属离子从其位点上替换出来,从而使微生物活性丧失[44].重金属对微生物的毒害具体表现为:重金属离子浓度过高会损伤微生物的细胞膜结构,阻止胞外营养物质的主动运输(如Pb离子);还会使细胞分裂停止,中断细胞的氧化运动(如典型重金属Hg离子);金属Mg还会使微生物基因突变,DNA链条断裂,甚至抑制微生物体内蛋白质和核酸等生物大分子的合成[45].也有研究发现,有些微生物长期生活在高浓度的重金属污染环境下会产生抗性,含有与DNA修复和重金属抗性相关的基因[46].研究表明,从长期重金属污染区分离的假单胞菌,硫杆菌和红毛虫的细菌菌株具有抵抗和减少重金属的能力[47].大量研究表明微生物对重金属的抵抗力代谢机制包括:①直接和完全地输出离子,如Cd2+和Zn2+;②将离子输出到周质,然后还原到较低的毒性和可溶性状态,如Cr6+;③将离子转化为毒性较小的形式,然后外排,如Hg2+.常见重金属对微生物的毒性机制如图2所示.

图2 常见重金属对微生物的毒性作用机制图

4 展 望

河湖水环境重金属的污染愈来愈严重,研究者们对重金属的污染特征做了大量研究.微生物群落对生态系统中的生物地球化学循环有着重要的调节作用.在受重金属污染的环境中,水环境中的微生物会通过吸收、沉淀、氧化还原等作用降低受污染水体及沉积物环境中的重金属浓度或毒性来维护河湖生态系统的稳定性.河湖生态系统具有整体性,重金属对微生物的作用机理是一个系统复杂的过程,受多方面协同作用的影响.沉积物中的重金属和微生物受到沉积物-水界面的物理、化学、生物等多种因素影响.未来在河湖治理方面,深入研究河湖沉积物中重金属与微生物群落相互作用关系,探讨重金属对微生物的作用机理.一方面可以对沉积物中单一重金属污染或多种重金属复合污染下微生物作用机理的差异性进行研究,另一方面可以利用基因组学和分子生物学等先进技术深入研究超富集微生物在重金属胁迫下所表现的重要生态学功能,利用生物修复技术采取相应的措施保护净化水体资源和维护河湖生态系统的稳定性.