硫酸铜和过氧化钙对海水及沉积物磷赋存形态的影响

黄桂芳，魏祥涛，李林蔚，梁介宁，白伟浩，葛长字

（1福建省水产研究所，福建厦门 361013；2山东大学海洋学院，山东威海 264209）

0 引言

磷作为重要生源要素在维持生态系统初级生产、驱动食物链（网）正常运行等层面具有重要意义[1]，然而，磷过多又对生物有毒害作用[2-4]，容易导致有害藻华等海洋灾害的暴发[5]。陆源输入是海洋中磷的直接来源，其中含磷洗涤剂就是重要来源，在禁用含磷洗剂背景下，部分初级生产受氮限制的海区转为受磷限制[6]；部分水域因人类活动，磷富营养化日益严重[7]。磷的增加或缺乏会产生不同的生态功能，而磷的生态功能取决于其赋存形态[8]，故磷赋存形态转化是磷生物地球化学研究的热点之一[9-11]，溶解氧(DO)、pH、金属阳离子及生物扰动等均影响磷的赋存形态[12-13]，理论上影响这些因子的物质可致磷赋存形态转化。为了防治鱼病、改善鱼类生长性状，渔民普遍使用渔药、鱼用添加剂[14]，例如硫酸铜(CuSO4)和过氧化钙(CaO2)。两者通过增加金属阳离子(Cu2+、Ca2+)、改变pH及氧化还原状况，影响磷的赋存形态。目前为止，相关研究多集中于Cu2+和Ca2+对淡水水体及其沉积物的研究，对海水及其沉积物影响的研究并不多见，而海水有显著不同于淡水的pH 和金属阳离子含量。渔村支柱产业的海水养殖是国民经济的重要组成，相关研究的匮乏不利于正确评估两者对海水养殖体系的生态效应、制定其使用规范等。

为验证CuSO4、CaO2对海水养殖区的生态效应，本研究将沉积物及其上覆水暴露于CuSO4和CaO2，测定不同DO水平下的暴露体系中磷的赋存形态。研究结果有助于认知CuSO4、CaO2作用下海水体系中磷的生物地球化学行为，进而为磷污染的防除、生境修复等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

2020 年12 月于山东威海小石岛潮间带采集表层沉积物(0～10 cm)，沉积物曝晒2 d后用孔径1 mm的底栖生物筛去除贝壳、大型底栖动物等。实验海水采自威海近岸且经脱脂棉过滤。其中海水盐度为29.8‰，总磷(TP)、无机磷(IP)浓度为0.059、0.014 mg/L，沉积物总磷(TP)、盐酸可浸取态磷(HCl-P)、可交换态磷(Ex-P)含量分别为0.25、0.14、0.002 mg/g。

1.2 沉积物的CuSO4、CaO2暴露

参考CuSO4、CaO2常用剂量，设CuSO4浓度为0、0.35、0.70、1.05 mg/L；CaO2浓度为0、5.00、35.00、50.00 mg/L。将400 g沉积物（粒径148.82～218.14 μm，有机物含量2.2%～2.5%，含水率25%～35%）放入1000 mL烧杯中，加入800 mL 海水，静置1 d。单独加入CuSO4、CaO2溶液并使上覆水CuSO4、CaO2浓度达到设计水平。海水养殖区在高氧和低氧间转换，因此进行充气和不充气的处理。其中，烧杯用聚乙烯膜封口以模拟DO 不足；充空气模拟好氧环境。为防止水分蒸发导致的盐度升高，每天补充蒸馏水。自然光照、室温培养21 d，其中温度(14.94±2.20)℃，白天光强(107.80±86.25)lx。每个处理设3个平行。暴露结束后，采集沉积物上覆水，并混匀沉积物，以离心法获取间隙水(3000 r/min，10 min)，在60℃下将沉积物烘至恒重。实验于2020 年12 月—2021 年1 月在山东大学海洋学院609实验室进行。

1.3 测定方法

磷的赋存形态是指利用不同的化学试剂浸取沉积物、氧化水体等方法而获得的，因浸取剂及获得方法的不同而有不同的内涵和生态学意义。以MgCl2浸取的磷（可交换态磷，Ex-P）和以HCl 浸取的磷是沉积物中最具生物活性的磷，这2 种赋存形态的磷直接与维持微藻初级生产的磷的供应相关。本研究中将沉积物中以碱性K2S2O4浸取的磷称为总磷(TP)，HCl 浸取的磷称为可浸取态磷(HCl-P)，MgCl2浸取的磷称为可交换态磷(Ex-P)[15]。此外，以过硫酸钾氧化法、磷钼酸蓝法测定水体TP、活性磷酸盐(IP)含量，均在波长882 nm处测定各磷赋存形态的含量，电极法测定pH[16]。

1.4 统计分析

基于SPSS 25.0进行统计分析，其中方差齐性满足时进行单因素方差分析，以Bonferrioni 检验进行多重比较；若方差不齐，以Dunnett’s-T3检验分析处理间差异。以独立样本T检验分析充气与否的差异。差异显著性水平为0.05，数值为均值±标准误差。

2 结果与分析

2.1 沉积物上覆水磷的赋存形态

充气时，随CuSO4的浓度变化上覆水TP浓度无显著性差异；不充气时，空白组上覆水TP 浓度显著高于CuSO4浓度为0.35、1.05 mg/L 组上覆水TP 浓度(P＜0.05)；空白组中充气下上覆水TP 浓度小于不充气的(P＜0.05)；CuSO4浓度为0.35 mg/L 时，充气下上覆水TP浓度大于不充气的(P＜0.05)（图1）。

图1 CuSO4下上覆水TP浓度

充气时，空白组上覆水IP 浓度高于CuSO4浓度为0.35、1.05、0.70 mg/L 的(P＜0.05)；不充气时，随CuSO4浓度变化上覆水IP浓度无显著性差异；空白组中充气下上覆水IP 浓度大于不充气的(P＜0.05)；CuSO4浓度为0.35、0.70 mg/L 时，充气下上覆水IP 浓度小于不充气的(P＜0.05)（图2）。

图2 CuSO4下上覆水IP浓度

充气时，CaO2浓度为50.00 mg/L时的上覆水TP浓度低于空白组的(P＜0.05)；不充气时，各CaO2浓度下上覆水TP浓度无差异；空白组中充气下上覆水IP浓度小于不充气的(P＜0.05)；CaO2浓度为35.00 mg/L时，充气的上覆水TP浓度大于不充气的(P＜0.05)（图3）。

图3 CaO2下上覆水TP浓度

充气时，上覆水IP 浓度在CaO2浓度为5.00、50.00 mg/L 时低于空白组的(P＜0.05)；不充气时，随CaO2浓度变化上覆水IP 浓度无显著性差异；空白组和CaO2浓度为35.00 mg/L 时，充气下上覆水IP 浓度大于不充气的(P＜0.05)（图4）。

图4 CaO2下上覆水IP浓度

2.2 间隙水磷的赋存形态

充气时，随CuSO4浓度变化，间隙水TP 浓度无显著性差异；不充气时，CuSO4浓度为0.35 mg/L 下的间隙水TP 浓度高于CuSO4浓度1.05 mg/L 的(P＜0.05)（图5）。

图5 CuSO4下间隙水TP浓度

充气时，随CuSO4浓度变化间隙水IP 浓度无显著性差异；不充气时，CuSO4为0.35 mg/L 下的间隙水IP 浓度高于其他处理组的(P＜0.05)；CuSO4浓度为0.35 mg/L 时，充气下间隙水中IP 浓度小于不充气的(P＜0.05)（图6）。

图6 CuSO4下间隙水IP浓度

充气时，随CaO2浓度变化间隙水TP 浓度无显著性差异；不充气时，间隙水TP浓度随CaO2暴露浓度变化而出现显著性差异(P＜0.05)；CaO2浓度为35.00 mg/L时，充气下间隙水中TP 浓度低于不充气的(P＜0.05)（图7）。

图7 CaO2下间隙水TP浓度

充气时，间隙水IP浓度不随CaO2浓度变化而出现显著性差异；不充气时，CaO2浓度为35.00 mg/L 的间隙水IP 浓度高于空白组和CaO2浓度为5.00 mg/L 的(P＜0.05)；CaO2浓度为5.00、35.00、50.00 mg/L 时，充气下间隙水IP浓度低于不充气的(P＜0.05)（图8）。

图8 CaO2下间隙水IP浓度

2.3 沉积物中磷的赋存形态

充气时，空白组沉积物TP含量高于CuSO4浓度为0.35、1.05 mg/L 的(P＜0.05)；不充气时CuSO4浓度为0.70 mg/L 下的沉积物TP 含量低于空白组的(P＜0.05)；CuSO4浓度为0.70 mg/L时，充气下沉积物TP含量高于不充气的(P＜0.05)（图9）。

图9 CuSO4下沉积物TP含量

充气时，CuSO4浓度为0.70 mg/L 的沉积物HCl-P含量高于空白组和CuSO4浓度为1.05 mg/L 的(P＜0.05)（图10）；不充气时，随CuSO4浓度变化，沉积物HCl-P含量无显著性差异；CuSO4浓度为0.35 mg/L时，充气下沉积物HCl-P含量高于不充气的(P＜0.05)。

图10 CuSO4下沉积物HCl-P含量

充气时，CuSO4浓度为0.70 mg/L下的沉积物Ex-P含量低于CuSO4浓度为0.35 mg/L的(P＜0.05)；不充气时，空白组和CuSO4浓度为0.70 mg/L 下的Ex-P 含量高于CuSO4浓度为0.35、1.05 mg/L 下的(P＜0.05)；CuSO4浓度为0.35 mg/L时，充气下的沉积物Ex-P含量高于不充气的(P＜0.05)，CuSO4浓度为0.70 mg/L时的沉积物Ex-P 含量在充气下的低于不充气的(P＜0.05)（图11）。

图11 CuSO4下沉积物Ex-P含量

不同CaO2浓度下沉积物TP 含量无差异；同一浓度CaO2下，充气作用不显著（图12）。充气下沉积物HCl-P含量随CaO2浓度变化(P＜0.05)；不充气下，HCl-P 含量不随CaO2变化；同一CaO2浓度下，充气并无作用（图13）。

图12 CaO2下沉积物TP含量

充气下，空白组沉积物Ex-P 含量小于其他CaO2浓度下的(P＜0.05)，CaO2浓度为35.00、50.00 mg/L 处理间有差异(P＜0.05)；不充气时，空白组沉积物Ex-P含量低于CaO2浓度为5.00、35.00 mg/L时的(P＜0.05)；CaO2浓度为50 mg/L 时，充气高于不充气的(P＜0.05)（图14）。

图14 CaO2下沉积物Ex-P含量

2.4 暴露体系的pH

充气与否，培养时间相同时，pH 不随CuSO4浓度变化；充气下CuSO4浓度0 mg/时，21 d 的pH 高于11 d的(P＜0.05)；不充气下，相同CuSO4下的pH 不随时间变化。除14 d 的空白组及11 d 的CuSO4浓度为1.05 mg/L 时，pH 和充气无关，其余时间和CuSO4浓度下，充气下的pH大于不充气的(P＜0.05)（图15）。

图15 CuSO4下上覆水pH经时变化

如图16 所示，充气下，相同时间时，pH 不随CaO2变化。CaO2浓度0 mg/时，21 d 的pH 高于11 d 的(P＜0.05)；CaO2浓度5.00、50.00 mg/L 时，pH 不随时间变化；CaO2浓度35.00 mg/L 时，14、21 d 的pH 高于11 d的(P＜0.05)；不充气，14 d 时CaO2浓度5.00、35.00、50.00 mg/L 下的pH 大于浓度0 mg/L 下的(P＜0.05)；CaO2浓度50.00 mg/L 时，14 d 的pH 大于11、21 d 的(P＜0.05)；除11 d，CaO2浓度5.00、35.00 mg/L下，以及14 d，CaO2浓度5.00 mg/L 时，pH 不随充气条件变化，其余时间和CaO2浓度下充气下的pH 大于不充气的(P＜0.05)。

图16 CaO2下上覆水pH经时变化

3 讨论

CuSO4溶于水解离出Cu2+与水体中磷酸根(PO43-)形成络合物[17-19]，CaO2溶于水解离出Ca2+和水体中磷酸根(PO43-)形成Ca-P沉淀[20-23]，沉积于沉积物而减少上覆水体磷的含量。故本研究中上覆水、间隙水TP、IP 浓度，沉积物HCl-P、Ex-P 含量随CuSO4和CaO2浓度变化。Cu2+、CaO2与水反应生成的H2O2抑制微生物活性[24-25]，不同类群的微生物对磷赋存形态有不同的作用[26]。CuSO4下的水体偏中性，CaO2溶液普遍呈碱性，低pH使Ca-P自沉积物向水体释放，高pH使沉积物中铁/铝结合态磷(Fe/Al-P)从沉积物中析出[27]。这些作用共存，因主导因素的强弱而使不同因素下的磷赋存形态变化的作用呈强弱变化，使培养体系中不同介相（上覆水、间隙水和沉积物）磷赋存形态含量改变，故CuSO4和CaO2作用下的水体、沉积物中磷的赋存形态和CuSO4或CaO2浓度间的响应关系并非线性，这种现象在其他外源物质作用下也有所表现[28]。

pH 影响沉积物对磷的吸附、迁移和转化[29]。高pH 下，水体OH-与PO43-、H2PO4-等争夺沉积物吸附点位，使沉积物中活性磷酸盐得以释放[30]，故本实验中空白组在充气时水体IP浓度高于不充气的(P＜0.05)。然而，充气下水体的高DO 会促进水体和沉积物中微生物的新陈代谢，加速微生物将水体中无机磷合成磷酸酯（如磷脂、甘油磷酸盐、卵磷脂和核酸）储存于体内[31]，部分微生物会被0.45 μm 的滤膜截留，故本实验中空白组在充气条件下，水体中TP浓度小于不充气条件下的(P＜0.05)。不同充气条件会影响部分浓度的CuSO4和CaO2下的培养体系中的磷（图1～9、11、14）然而，充气如何影响这2种渔药对磷的作用，还需进一步探究。

常投放CuSO4和CaO2改善水质，减少养殖中的鱼病害。CuSO4用于富营养化导致的藻华的治理[24,32]，停用CuSO4后藻类却迅速生长繁殖[33-35]，Nalewajko 等[35]推测由于再悬浮，底部磷酸盐和微量铜离子会提供营养物质又加重了水体富营养化。本实验中，相较于空白组，不充气条件下浓度0.35 mg/L的CuSO4提高间隙水中IP 浓度，充气条件下浓度0.70 mg/L 的硫酸铜提高沉积物中IP 含量，该结果能够较好地证实上述推测，也潜在表明了铜离子与磷的络合，由水相到沉积相具有不稳定性。

CaO2与水反应生成氧气[36]，氧气的增加促使有机磷(OP)耗氧分解[37]进而导致沉积物的HCl-P和Ex-P含量增加[38]，氧气的增加使沉积物-水界面处于氧化状态，Fe2+被氧化为Fe3+，而Fe3+及其氧化物和氢氧化物对磷有很强的亲和力，生成Fe-P 沉降至沉积物，沉积物或颗粒物中Fe-P 含量随沉积环境氧化性的增强而升高[39]。故CaO2会提高沉积物生物活性磷HCl-P、Ex-P含量，这与之前研究中表明的外源性Ca2+影响表层沉积物中生物活性磷含量[26]的结论相符。因此，CaO2可能是藻类暴发的潜在因素。

海水中氢氧根、碳酸根等阴离子含量随盐度增加而增多，这些阴离子会与磷酸根离子竞争沉积物表面交换“活性点位”，磷酸根也可能会与盐形成可溶性物质，进而减少沉积物对磷的吸附量[40-41]，诸多研究表明表层沉积物对磷的吸附量与盐度呈负相关[42-43]。因此盐度的减小能够加大沉积物对磷的吸附，海水中的沉积物对磷的吸附能力小于淡水的。

4 结论

是否充气会影响空白组的上覆水TP、IP 浓度，影响CuSO4作用下的上覆水TP、IP浓度、间隙水IP浓度、沉积物TP、HCl-P、Ex-P含量，影响CaO2作用下上覆水TP、IP浓度、间隙水TP、IP浓度、沉积物Ex-P含量。充气条件下，CuSO4会影响上覆水IP浓度、沉积物TP、HCl-P、Ex-P 含量；CaO2会影响上覆水TP、IP 浓度、沉积物HCl-P、Ex-P含量。不充气条件下，CuSO4会影响上覆水TP浓度、间隙水TP、IP浓度、沉积物TP、Ex-P含量；CaO2会影响间隙水IP浓度、沉积物Ex-P含量。因此CuSO4和CaO2能够影响海水养殖体系磷的赋存形态，降低水体磷浓度，进而将水体中磷转化到沉积相中，而这种转化并不稳定，有使藻华复发的潜在生态风险。