底棲藻毯聯合底泥覆蓋對水絲蚓生物擾動的抑制效果研究

（北京交通大學附屬中學，北京 100081）

0.引言

很多研究發現底泥覆蓋是有效的內源污染釋放控制手段，有助于水體恢復。但是，實際情況下，大量底棲生物的存在可能對這種覆蓋層效果產生負面效應。本項目通過室內模擬實驗，發現了這種負面效應，會增加上覆水中氮磷的濃度，刺激浮游藻類的生長，惡化水質。

水絲蚓是污水型河道與景觀湖內常見的水體底棲動物。能夠通過攝食、匍行、筑穴、鉆孔等形式對沉積物顆粒產生搬運和混合[1]，促進沉積物中營養鹽向上覆水的釋放，從而直接或間接的提高水體的營養鹽水平[2]。同時，這些營養鹽被浮游植物利用后會促進浮游植物的生長，不利于生態系統由“濁水態”到“清水態”轉換[3]。

研究發現,通過底棲藻類的繁殖形成藻毯，可以有效保護覆蓋層，緩解水絲蚓挖掘及排泄作用帶來的水體污染物濃度升高的現象。因此通過實施“藻毯+底泥覆蓋”的聯合修復方式，運用“有機生物+無機礦物”的雙重控制模式，抑制底泥污染物釋放，達到生態修復的目的。

1.實驗及研制過程

1.1 實驗材料

（1）覆蓋材料。天然沸石購自河北省靈壽縣（見圖1）。主要組分49%為斜發沸石，21%為絲光沸石，30%為二氧化硅。沸石粒徑為1mm～2mm，使用前，沸石用去離子水清洗2遍后，105℃烘24h。

圖1 天然沸石

（2）試驗底泥。底泥為北京某公園景觀湖，用彼得遜底泥采集器采集表層（0cm～10cm）淤泥。用孔徑2 mm的篩網濾去大顆粒物、根系殘屑和大型底棲動物，如圖2。

圖2 表層底泥樣品

（3）湖水。用200目篩網過濾后裝入25L干凈塑料桶中，冷藏4℃保存。

（4）水絲蚓。購買自北京某花卉市場，每天更換曝氣除氯的自來水，用熱帶魚飼料飼養，如圖3。

圖3 市場購得水絲蚓

（5）底棲藻類。試驗用底棲藻采集自北京某河道底部，室內培養。

1.2 實驗過程

本研究設置4個處理組：對照組、覆蓋組、水絲蚓+覆蓋組、水絲蚓+覆蓋+底棲藻處理組。每組3個重復。

底泥預處理：底泥在-20℃條件下冷凍2d，消除未挑出的底棲動物，在實驗前2d將底泥取出、解凍。經過測定底泥含水率43.6%，有機質含量為11.22g/kg，TN和TP含量分別為2.06g/kg、1.15g/kg。

底泥混合均勻后裝入12根有機玻璃柱中（內徑8.4cm，高50cm），填裝厚度為10cm。之后輕輕加入0.45μm濾膜過濾后的湖水高度30cm，置于黑暗中靜置3d，如圖4。

圖4 有機玻璃柱

底棲藻類預處理：實驗前兩天將底棲藻放入試驗有機玻璃柱沉積物水界面上，沉降、固著。底棲藻經過鏡檢主要由水綿、剛毛藻、絲藻以及鞘藻等組成，其中水綿約占群落體積80%以上，其次分別為剛毛藻(10%)和絲藻(9%)，其他藻類約占1%。

12跟柱子中分四組分別加入組分如下：

第一組（對照組），三根柱子，只加入底泥和過濾湖水。

第二組（覆蓋組），三根柱子，其中的底泥覆蓋材料為粒徑1mm的沸石顆粒，覆蓋厚度1cm。

第三組和第四組，六根柱子中放入平均體重在10mg/條的水絲蚓20條。

第四組，上述步驟中的三根柱子，加入濕重為5.0g的底棲藻類，沉降到覆蓋層表面。

采樣：試驗日期15d，分別于0d、3d、6d、9d、12d、15d取樣分析。實驗期間每次采樣后補加同體積過濾景觀水，每2d用軟質毛刷輕刷管壁以抑制附著生物的生長。實驗期間平均水溫為20.0℃。采樣測定水體總氮(TN)、總磷(TP)和溶解氧（DO）濃度。

2.結果與討論

2.1 水體中TN濃度的變化

所有處理中，對照處理的TN濃度最高，覆蓋組TN濃度最低，表明覆蓋處理顯著降低了底泥中氮磷營養物質向水體的釋放。覆蓋、水絲蚓和底棲藻對水體TN 濃度均具有較大影響。同覆蓋組相比，水絲蚓顯著提高了覆蓋組水體TN 濃度，實驗結束時，水絲蚓+覆蓋處理組TN 濃度要顯著高于覆蓋處理組(見圖5)。底棲藻毯的形成顯著降低了水體中總氮的濃度，大大削弱了水絲蚓對覆蓋層挖掘造成的破壞效應。四種處理中TN濃度由高到低的順序依次為對照組＞水絲蚓+覆蓋組＞水絲蚓+覆蓋+藻毯組＞覆蓋組。

圖5 不同處理組水體中TN濃度變化（n=3）

2.2 水體中TP濃度的變化

前期TP濃度的變化同TN的變化趨勢有些類似，但有意思的是到后期（15d），水絲蚓+覆蓋+藻毯組處理組TP濃度顯著低于覆蓋組。藻毯的存在不但緩解了水絲蚓擾動造成的總磷濃度的升高，而且由于底棲藻的生長大量吸收水體中原先的磷，造成水體中磷濃度反而低于覆蓋處理。總體看來，對照處理的TP濃度最高，覆蓋、水絲蚓和底棲藻毯對水體TP 濃度均具有較大影響。同覆蓋組相比，水絲蚓顯著提高了覆蓋組水體TP 濃度，實驗結束時，水絲蚓+覆蓋處理組TP濃度要顯著高于覆蓋處理組(見圖6)。底棲藻毯的形成顯著降低了水體中TP的濃度，大大削弱了水絲蚓對覆蓋層挖掘造成的破壞效應。實驗結束時四種處理中TP濃度由高到低的順序依次為對照組＞水絲蚓+覆蓋組＞覆蓋組＞水絲蚓+覆蓋+藻毯組。

圖6 不同處理組水體中TP濃度變化（n=3）

2.3 水體中DO濃度的變化

通過對試驗期間所有處理組上覆水中DO 的監測發現，覆蓋處理顯著提升水體中的DO水平。水絲蚓的存在由于自身的呼吸作用及排泄帶來的有機質的氧化分解，導致水絲蚓+覆蓋處理組的DO明顯低于覆蓋處理。隨著底棲藻毯的生長，光合作用不斷增強，在試驗第12d時，水絲蚓+覆蓋+藻毯處理組的溶解氧已經高于覆蓋處理組，到15d時已經是處理組中DO最高的。濃度由高到低的順序依次為水絲蚓+覆蓋+藻毯組＞覆蓋組＞對照組＞水絲蚓+覆蓋組。

2.4 不同覆蓋處理表面形貌的變化

底泥表層覆蓋1cm后的沸石覆蓋層后，其表層形貌發生顯著改變，由底泥變為顆粒為主的沸石層。內源污染釋放受到限制。但加入水絲蚓后，在3d時，觀察到部分水絲蚓開始挖通覆蓋層，開始排泄行為。糞便開始在覆蓋表層累積（見圖8），水中氮磷濃度也隨之上升（見圖5和圖6）。在第15d時，無底棲藻毯的覆蓋層幾乎已經被糞便覆蓋完畢，形成夾層結構，大大削弱覆蓋層的抑制效果。而底棲藻毯存在的處理組，由于藻類能夠覆蓋水絲蚓糞便，且通過光合作用釋放大量氧氣（見圖7），而且自身生長大量吸收水中的氮磷，對水絲蚓的擾動產生了很好的抑制效果。

圖7 不同處理水體中DO 濃度的變化情況

圖8 覆蓋處理與底棲藻毯對水絲蚓擾動的抑制形態圖

3.結語

在接種底棲藻類之后，在覆蓋層表面形成了一層底棲藻毯，同覆蓋層進行耦合，形成雙重覆蓋層，對水絲蚓的擾動起到了很好的抑制效果，底棲藻類的存在使得上覆水中氮磷濃度沒有上升。因此，在實際工程中可以采用底棲藻+覆蓋層的工程手段對淺水污染底泥進行雙重覆蓋處理，削弱水絲蚓擾動帶來的破壞擾動效應。