污泥重金属在河蚬体内富集及毒性研究

丁 园，赵帼平，刘运坤，张 昊，刘 青

(1.南昌航空大学 环化学院，江西 南昌 330063;2.石家庄德润环保科技有限公司，河北 石家庄 050091)

污泥是各种工业和生活污水处理后产生的废弃物，因含有丰富的有机质和植物营养成分而被称为生物固体。依据我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)，达标排放的污泥仍含有一定量、种类各异的重金属，因此限制了污泥的再利用［1］。近年来，利用生物方法指示和去除重金属越来越受到关注［2］。后生动物因为个体较大、生活史长、适应性强、活动性差、容易采集，成为重要的供试对象。目前，国内外已针对多种大型后生动物如颤蚓、红斑瓢体虫、水蚤、卷贝、石田螺等对污泥重金属的活性变化和迁移规律、污泥养分和含固率等理化性质的变化进行研究［3-7］。然而污泥重金属对供试生物体的胁迫和毒害作用却鲜见报道。

河蚬广泛分布于世界各地，是河流中重要的底栖动物和江河水库等淡水生态系统的优势贝类。由于河蚬以水中的浮游生物(如硅藻、绿藻、原生动物、轮虫等)为食料，能直接反映水体的污染状况，因此河蚬已作为指示生物应用于水体污染研究［8-9］。但目前对河蚬的研究主要集中在生物学特性、分类、胚胎发育、人工繁殖、时空分布、营养成分分析、呼吸和排泄等生理生化活性方面，其对重金属的富集研究较少［1，10］。

论文以河蚬为供试生物，投加污水处理厂曝气池污泥，恒温、曝气培养60 d，分析河蚬软体组织内重金属质量分数的变化，采用扫描电镜观察河蚬滤食污泥后肌肉组织表面超微结构的变化，明确污泥重金属对河蚬的胁迫和毒害作用。

1 材料与方法

1.1 供试材料

污泥:2011 年6 月在南昌市朝阳州污水处理厂曝气池采集供试污泥，因污泥含水率较高，取回静置24 h 后分离上清液与污泥。其中上清液溶解性化学需氧量(SCOD)、全氮(TN)、全磷(TP)的含量分别为148，8.28，2.29 mg/L。污泥的pH、含水率和有机质含量、全氮、全磷和全钾的含量分别为6.68、99.2%、386.3 g/kg、75.89 g/kg、25.14 g/kg 和9.01 g/kg。污泥中重金属含量如表1 所示。供试污泥重金属与其它理化性质的分析方法参见文献［11］。

表1 曝气池污泥重金属含量Tab.1 Heavy metal content of sludge in aeration tank

河蚬(Corbicula fluminea):俗称沙蜊、蜊潦，取自南昌市塔城乡青岚湖。为了提高供试河蚬的抗胁迫能力，选取活力好、单只质量2.5～4.0 g 的个体，先用软刷除去表面附着物，再用污水处理厂曝气池上清液暂养一周备用。

1.2 主要分析设备

上海佑科UV752 型紫外/可见分光光度计;PE 公司原子吸收分光光度计AA800;北京博医康实验仪器有限公司FD-1-50 型真空冷冻干燥机;SYQ-DSX-280B 手提式不锈钢压力蒸汽灭菌器。

1.3 分析方法

污泥和河蚬的重金属全量测定:前处理方法参见文献［5］，采用原子吸收分光光度法分析。河蚬肌肉组织观察:美国FEI 公司Quanta 200 型扫描电镜观察。

1.4 实验设计

在规格为26.3 cm×16.5 cm×16.0 cm 的塑料箱内投加(150±2)g 左右(约50 个)河蚬(河蚬养殖密度是以存活率为评价指标，通过预实验确定)。参考文献［12］，实验用水为供试污水处理厂曝气池上清液，水深8 cm 左右(有效用水体积3.47×10-3m3)，水温25 ℃。每天曝气23 h，停曝1 h，曝气量为3.5 L/min。每日投加污泥1 次，投加量为河蚬生物量的10%。实验周期为60 d，每隔15 d 取一定量的河蚬冷冻干燥后备用，分别测定原始污泥、河蚬软体肌肉组织中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd 和Ni 等6 种重金属的质量分数，并在第60 天用扫描电镜观察河蚬肌肉组织结构。同时做空白实验。

2 结果

2.1 重金属在河蚬体内的积累

河蚬活动力差，无回避能力，能直接反映沉积物中重金属的污染情况。依据1.4 节的实验设计，每天重复投加污泥，每隔15 d 测定河蚬软体肌肉组织重金属的含量，结果见图1。

由图1 可知，第0 天即实验开始，河蚬体内已积累了一定量的重金属，这可能是由于供试河蚬经污水处理厂曝气池上清液暂养一周，也可能是由于供试河蚬体内重金属含量本底值较高。但论文主要是探讨连续投喂曝气池污泥对河蚬的胁迫和毒害作用，故仍以第0 天为对照处理。Cu、Zn、Pb、Cr、Cd 和Ni 等6 种重金属元素在河蚬体内都有一定程度的累积，且含量差别较大，Zn 的含量最高，Cu 次之，Cr、Ni、Pb、Cd 的含量远低于Cu 和Zn 的含量。造成这种差别的主要原因:供试污泥Zn 和Cu 的含量较高(表1)，而Pb、Cr、Cd 和Ni 的含量相对较低。动物体内的重金属含量往往与环境中重金属含量呈显著的正相关关系［13］，且河蚬体内的Zn 含量与基质中有机质含量存在正相关关系［14］。

图1 河蚬体内重金属含量随时间的积累量Fig.1 Aged accumulation of heavy metal content in Corbicula fluminea

连续投加污泥60 d 后，河蚬体内Zn、Cu、Cr、Ni、Pb 和Cd 的质量分数分别由:142.21±11.74，92.55±8.63，5.34±0.77，7.48±1.12，6.56±1.16，1.12±0.41 mg/kg 积累至270.93±42.56，122.79±11.71，10.04±1.15，25.40±1.40，6.56±1.16，3.59±0.84 mg/kg。

由各重金属随时间积累的折线图的斜率看出:Ni 和Pb 在胁迫的初始阶段(0～30 d)积累量增加较大，Cr 和Zn 的积累量在后期(45～60 d)变化较大。但考虑到整个投喂时间相对较短，故未深入分析积累量变化差异的原因。

2.2 重金属对河蚬软体组织的损伤

河蚬的软体组织主要包括:紧贴两壳内面外套膜、斧足和内脏组织等几部分。采用常规电镜扫描观察污泥重金属对河蚬软体组织表面超微结构的变化，如图2～图4 所示。

在未投加污泥(对照组)条件下，河蚬外套膜可见清晰的纹理(图2-1)，1 000倍下外套膜上有排列较规则、分布较均匀的皱褶(图2-2)，放大6 000倍时，表面光滑平整，未有损伤(图2-3)。经污泥饲养后，河蚬外套膜纹理清晰，但凹凸度增大(图2-4)，放大到1 000倍下可观察到其表面有明显肿胀，形成起伏不平的组织，并有侵蚀剥落的现象(图2-5)，6 000倍时显示外套膜表面粗糙，有凹凸相间的褶皱(图2-6)。

图2 污泥对河蚬外套膜的损伤Fig.2 Damage of the mantle C.fluminea with sewage sludge

河蚬足呈斧状，左右侧扁，富肌肉，位内脏团腹侧，向前下方伸出，为河蚬的运动器官，是直接接触外界环境最多的部位。对照组河蚬的斧足肌肉组织平整光滑紧实(图3-1)，处理组的斧足整体皱缩粗糙，有较多裂痕(图3-4)。放大到1 000倍时，处理组肌肉组织有丝状脱落物，并且显露出未被分解的组织颗粒(图3-5);但对照组的肌肉组织沟回明显均匀，有清晰的纹路(图3-2)。6 000倍下空白组足部肌肉为成行的平滑肌纤维，排列很整齐(图3-3)，处理组足部肌肉变成明显的杂乱丝条状(图3-6)。

图3 污泥对河蚬斧足的损伤Fig.3 Damage of axe foot C.fluminea with sewage sludge

图4 污泥对河蚬内脏团的损伤Fig.4 Damage of visceral organs C.fluminea with sewage sludge

内脏是河蚬重要的解毒器官，河蚬之所以能在重金属胁迫的环境中存活，依赖于体内大量的金属硫蛋白酶［10］。对照组内脏团表面光滑(图4-1)，1 000倍下可见到许多纵行排列的纹理有序的小丘状突起，颗粒均匀，质地紧密(图4-2)，在6 000倍下为较均匀的致密结构(图4-3)。而处理组的内脏团表面有略微变形，致密纹路变得模糊粗糙不平(图4-4)，表面还有很多大小不等、分布不匀的孔洞(图4-5)。高倍下可观察到内脏表面组织细胞被侵蚀，并且孔洞明显，出现肿大的峭状突起等病理变化(图4-6)。

3 结论与讨论

河蚬对污泥重金属有富集作用，顺序依次为:Zn、Cu、Ni、Pb、Cr 和Cd。河蚬软体组织内各重金属依次增加了1.91、1.32、1.88、3.99、1.98 和3.20 倍。这与污泥中Ni 和Cd 的移动性较强的结论是一致的［15-16］。但与关于Zn 的移动性强，而Pb、Cu 移动性较弱［16］的结论是相悖的，说明河蚬对不同重金属的吸收具有选择性。梁敏等［5］的研究表明，石田螺对城市剩余污泥中Cr、Cu、Zn、Pb 和Cd 有较强的富集，对Ni 可能无富集作用。这都说明不同种生物对重金属的选择性吸收。

在重金属胁迫条件下，河蚬外套膜、斧足和内脏器官均出现肿胀现象、侵蚀剥落和峭状突起等病理变化。说明污泥重金属对河蚬产生了明显的胁迫作用，处理后的河蚬不适于再食用，可进一步加工生产花卉草坪肥料等不进入食物链的产品。

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