硫酸銅和過氧化鈣對海水及沉積物磷賦存形態(tài)的影響

黃桂芳，魏祥濤，李林蔚，梁介寧，白偉浩，葛長字

（1福建省水產(chǎn)研究所，福建廈門 361013；2山東大學海洋學院，山東威海 264209）

0 引言

磷作為重要生源要素在維持生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)、驅(qū)動食物鏈（網(wǎng)）正常運行等層面具有重要意義[1]，然而，磷過多又對生物有毒害作用[2-4]，容易導致有害藻華等海洋災害的暴發(fā)[5]。陸源輸入是海洋中磷的直接來源，其中含磷洗滌劑就是重要來源，在禁用含磷洗劑背景下，部分初級生產(chǎn)受氮限制的海區(qū)轉(zhuǎn)為受磷限制[6]；部分水域因人類活動，磷富營養(yǎng)化日益嚴重[7]。磷的增加或缺乏會產(chǎn)生不同的生態(tài)功能，而磷的生態(tài)功能取決于其賦存形態(tài)[8]，故磷賦存形態(tài)轉(zhuǎn)化是磷生物地球化學研究的熱點之一[9-11]，溶解氧(DO)、pH、金屬陽離子及生物擾動等均影響磷的賦存形態(tài)[12-13]，理論上影響這些因子的物質(zhì)可致磷賦存形態(tài)轉(zhuǎn)化。為了防治魚病、改善魚類生長性狀，漁民普遍使用漁藥、魚用添加劑[14]，例如硫酸銅(CuSO4)和過氧化鈣(CaO2)。兩者通過增加金屬陽離子(Cu2+、Ca2+)、改變pH及氧化還原狀況，影響磷的賦存形態(tài)。目前為止，相關(guān)研究多集中于Cu2+和Ca2+對淡水水體及其沉積物的研究，對海水及其沉積物影響的研究并不多見，而海水有顯著不同于淡水的pH 和金屬陽離子含量。漁村支柱產(chǎn)業(yè)的海水養(yǎng)殖是國民經(jīng)濟的重要組成，相關(guān)研究的匱乏不利于正確評估兩者對海水養(yǎng)殖體系的生態(tài)效應、制定其使用規(guī)范等。

為驗證CuSO4、CaO2對海水養(yǎng)殖區(qū)的生態(tài)效應，本研究將沉積物及其上覆水暴露于CuSO4和CaO2，測定不同DO水平下的暴露體系中磷的賦存形態(tài)。研究結(jié)果有助于認知CuSO4、CaO2作用下海水體系中磷的生物地球化學行為，進而為磷污染的防除、生境修復等提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

2020 年12 月于山東威海小石島潮間帶采集表層沉積物(0～10 cm)，沉積物曝曬2 d后用孔徑1 mm的底棲生物篩去除貝殼、大型底棲動物等。實驗海水采自威海近岸且經(jīng)脫脂棉過濾。其中海水鹽度為29.8‰，總磷(TP)、無機磷(IP)濃度為0.059、0.014 mg/L，沉積物總磷(TP)、鹽酸可浸取態(tài)磷(HCl-P)、可交換態(tài)磷(Ex-P)含量分別為0.25、0.14、0.002 mg/g。

1.2 沉積物的CuSO4、CaO2暴露

參考CuSO4、CaO2常用劑量，設(shè)CuSO4濃度為0、0.35、0.70、1.05 mg/L；CaO2濃度為0、5.00、35.00、50.00 mg/L。將400 g沉積物（粒徑148.82～218.14 μm，有機物含量2.2%～2.5%，含水率25%～35%）放入1000 mL燒杯中，加入800 mL 海水，靜置1 d。單獨加入CuSO4、CaO2溶液并使上覆水CuSO4、CaO2濃度達到設(shè)計水平。海水養(yǎng)殖區(qū)在高氧和低氧間轉(zhuǎn)換，因此進行充氣和不充氣的處理。其中，燒杯用聚乙烯膜封口以模擬DO 不足；充空氣模擬好氧環(huán)境。為防止水分蒸發(fā)導致的鹽度升高，每天補充蒸餾水。自然光照、室溫培養(yǎng)21 d，其中溫度(14.94±2.20)℃，白天光強(107.80±86.25)lx。每個處理設(shè)3個平行。暴露結(jié)束后，采集沉積物上覆水，并混勻沉積物，以離心法獲取間隙水(3000 r/min，10 min)，在60℃下將沉積物烘至恒重。實驗于2020 年12 月—2021 年1 月在山東大學海洋學院609實驗室進行。

1.3 測定方法

磷的賦存形態(tài)是指利用不同的化學試劑浸取沉積物、氧化水體等方法而獲得的，因浸取劑及獲得方法的不同而有不同的內(nèi)涵和生態(tài)學意義。以MgCl2浸取的磷（可交換態(tài)磷，Ex-P）和以HCl 浸取的磷是沉積物中最具生物活性的磷，這2 種賦存形態(tài)的磷直接與維持微藻初級生產(chǎn)的磷的供應相關(guān)。本研究中將沉積物中以堿性K2S2O4浸取的磷稱為總磷(TP)，HCl 浸取的磷稱為可浸取態(tài)磷(HCl-P)，MgCl2浸取的磷稱為可交換態(tài)磷(Ex-P)[15]。此外，以過硫酸鉀氧化法、磷鉬酸藍法測定水體TP、活性磷酸鹽(IP)含量，均在波長882 nm處測定各磷賦存形態(tài)的含量，電極法測定pH[16]。

1.4 統(tǒng)計分析

基于SPSS 25.0進行統(tǒng)計分析，其中方差齊性滿足時進行單因素方差分析，以Bonferrioni 檢驗進行多重比較；若方差不齊，以Dunnett’s-T3檢驗分析處理間差異。以獨立樣本T檢驗分析充氣與否的差異。差異顯著性水平為0.05，數(shù)值為均值±標準誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物上覆水磷的賦存形態(tài)

充氣時，隨CuSO4的濃度變化上覆水TP濃度無顯著性差異；不充氣時，空白組上覆水TP 濃度顯著高于CuSO4濃度為0.35、1.05 mg/L 組上覆水TP 濃度(P＜0.05)；空白組中充氣下上覆水TP 濃度小于不充氣的(P＜0.05)；CuSO4濃度為0.35 mg/L 時，充氣下上覆水TP濃度大于不充氣的(P＜0.05)（圖1）。

圖1 CuSO4下上覆水TP濃度

充氣時，空白組上覆水IP 濃度高于CuSO4濃度為0.35、1.05、0.70 mg/L 的(P＜0.05)；不充氣時，隨CuSO4濃度變化上覆水IP濃度無顯著性差異；空白組中充氣下上覆水IP 濃度大于不充氣的(P＜0.05)；CuSO4濃度為0.35、0.70 mg/L 時，充氣下上覆水IP 濃度小于不充氣的(P＜0.05)（圖2）。

圖2 CuSO4下上覆水IP濃度

充氣時，CaO2濃度為50.00 mg/L時的上覆水TP濃度低于空白組的(P＜0.05)；不充氣時，各CaO2濃度下上覆水TP濃度無差異；空白組中充氣下上覆水IP濃度小于不充氣的(P＜0.05)；CaO2濃度為35.00 mg/L時，充氣的上覆水TP濃度大于不充氣的(P＜0.05)（圖3）。

圖3 CaO2下上覆水TP濃度

充氣時，上覆水IP 濃度在CaO2濃度為5.00、50.00 mg/L 時低于空白組的(P＜0.05)；不充氣時，隨CaO2濃度變化上覆水IP 濃度無顯著性差異；空白組和CaO2濃度為35.00 mg/L 時，充氣下上覆水IP 濃度大于不充氣的(P＜0.05)（圖4）。

圖4 CaO2下上覆水IP濃度

2.2 間隙水磷的賦存形態(tài)

充氣時，隨CuSO4濃度變化，間隙水TP 濃度無顯著性差異；不充氣時，CuSO4濃度為0.35 mg/L 下的間隙水TP 濃度高于CuSO4濃度1.05 mg/L 的(P＜0.05)（圖5）。

圖5 CuSO4下間隙水TP濃度

充氣時，隨CuSO4濃度變化間隙水IP 濃度無顯著性差異；不充氣時，CuSO4為0.35 mg/L 下的間隙水IP 濃度高于其他處理組的(P＜0.05)；CuSO4濃度為0.35 mg/L 時，充氣下間隙水中IP 濃度小于不充氣的(P＜0.05)（圖6）。

圖6 CuSO4下間隙水IP濃度

充氣時，隨CaO2濃度變化間隙水TP 濃度無顯著性差異；不充氣時，間隙水TP濃度隨CaO2暴露濃度變化而出現(xiàn)顯著性差異(P＜0.05)；CaO2濃度為35.00 mg/L時，充氣下間隙水中TP 濃度低于不充氣的(P＜0.05)（圖7）。

圖7 CaO2下間隙水TP濃度

充氣時，間隙水IP濃度不隨CaO2濃度變化而出現(xiàn)顯著性差異；不充氣時，CaO2濃度為35.00 mg/L 的間隙水IP 濃度高于空白組和CaO2濃度為5.00 mg/L 的(P＜0.05)；CaO2濃度為5.00、35.00、50.00 mg/L 時，充氣下間隙水IP濃度低于不充氣的(P＜0.05)（圖8）。

圖8 CaO2下間隙水IP濃度

2.3 沉積物中磷的賦存形態(tài)

充氣時，空白組沉積物TP含量高于CuSO4濃度為0.35、1.05 mg/L 的(P＜0.05)；不充氣時CuSO4濃度為0.70 mg/L 下的沉積物TP 含量低于空白組的(P＜0.05)；CuSO4濃度為0.70 mg/L時，充氣下沉積物TP含量高于不充氣的(P＜0.05)（圖9）。

圖9 CuSO4下沉積物TP含量

充氣時，CuSO4濃度為0.70 mg/L 的沉積物HCl-P含量高于空白組和CuSO4濃度為1.05 mg/L 的(P＜0.05)（圖10）；不充氣時，隨CuSO4濃度變化，沉積物HCl-P含量無顯著性差異；CuSO4濃度為0.35 mg/L時，充氣下沉積物HCl-P含量高于不充氣的(P＜0.05)。

圖10 CuSO4下沉積物HCl-P含量

充氣時，CuSO4濃度為0.70 mg/L下的沉積物Ex-P含量低于CuSO4濃度為0.35 mg/L的(P＜0.05)；不充氣時，空白組和CuSO4濃度為0.70 mg/L 下的Ex-P 含量高于CuSO4濃度為0.35、1.05 mg/L 下的(P＜0.05)；CuSO4濃度為0.35 mg/L時，充氣下的沉積物Ex-P含量高于不充氣的(P＜0.05)，CuSO4濃度為0.70 mg/L時的沉積物Ex-P 含量在充氣下的低于不充氣的(P＜0.05)（圖11）。

圖11 CuSO4下沉積物Ex-P含量

不同CaO2濃度下沉積物TP 含量無差異；同一濃度CaO2下，充氣作用不顯著（圖12）。充氣下沉積物HCl-P含量隨CaO2濃度變化(P＜0.05)；不充氣下，HCl-P 含量不隨CaO2變化；同一CaO2濃度下，充氣并無作用（圖13）。

圖12 CaO2下沉積物TP含量

充氣下，空白組沉積物Ex-P 含量小于其他CaO2濃度下的(P＜0.05)，CaO2濃度為35.00、50.00 mg/L 處理間有差異(P＜0.05)；不充氣時，空白組沉積物Ex-P含量低于CaO2濃度為5.00、35.00 mg/L時的(P＜0.05)；CaO2濃度為50 mg/L 時，充氣高于不充氣的(P＜0.05)（圖14）。

圖14 CaO2下沉積物Ex-P含量

2.4 暴露體系的pH

充氣與否，培養(yǎng)時間相同時，pH 不隨CuSO4濃度變化；充氣下CuSO4濃度0 mg/時，21 d 的pH 高于11 d的(P＜0.05)；不充氣下，相同CuSO4下的pH 不隨時間變化。除14 d 的空白組及11 d 的CuSO4濃度為1.05 mg/L 時，pH 和充氣無關(guān)，其余時間和CuSO4濃度下，充氣下的pH大于不充氣的(P＜0.05)（圖15）。

圖15 CuSO4下上覆水pH經(jīng)時變化

如圖16 所示，充氣下，相同時間時，pH 不隨CaO2變化。CaO2濃度0 mg/時，21 d 的pH 高于11 d 的(P＜0.05)；CaO2濃度5.00、50.00 mg/L 時，pH 不隨時間變化；CaO2濃度35.00 mg/L 時，14、21 d 的pH 高于11 d的(P＜0.05)；不充氣，14 d 時CaO2濃度5.00、35.00、50.00 mg/L 下的pH 大于濃度0 mg/L 下的(P＜0.05)；CaO2濃度50.00 mg/L 時，14 d 的pH 大于11、21 d 的(P＜0.05)；除11 d，CaO2濃度5.00、35.00 mg/L下，以及14 d，CaO2濃度5.00 mg/L 時，pH 不隨充氣條件變化，其余時間和CaO2濃度下充氣下的pH 大于不充氣的(P＜0.05)。

圖16 CaO2下上覆水pH經(jīng)時變化

3 討論

CuSO4溶于水解離出Cu2+與水體中磷酸根(PO43-)形成絡合物[17-19]，CaO2溶于水解離出Ca2+和水體中磷酸根(PO43-)形成Ca-P沉淀[20-23]，沉積于沉積物而減少上覆水體磷的含量。故本研究中上覆水、間隙水TP、IP 濃度，沉積物HCl-P、Ex-P 含量隨CuSO4和CaO2濃度變化。Cu2+、CaO2與水反應生成的H2O2抑制微生物活性[24-25]，不同類群的微生物對磷賦存形態(tài)有不同的作用[26]。CuSO4下的水體偏中性，CaO2溶液普遍呈堿性，低pH使Ca-P自沉積物向水體釋放，高pH使沉積物中鐵/鋁結(jié)合態(tài)磷(Fe/Al-P)從沉積物中析出[27]。這些作用共存，因主導因素的強弱而使不同因素下的磷賦存形態(tài)變化的作用呈強弱變化，使培養(yǎng)體系中不同介相（上覆水、間隙水和沉積物）磷賦存形態(tài)含量改變，故CuSO4和CaO2作用下的水體、沉積物中磷的賦存形態(tài)和CuSO4或CaO2濃度間的響應關(guān)系并非線性，這種現(xiàn)象在其他外源物質(zhì)作用下也有所表現(xiàn)[28]。

pH 影響沉積物對磷的吸附、遷移和轉(zhuǎn)化[29]。高pH 下，水體OH-與PO43-、H2PO4-等爭奪沉積物吸附點位，使沉積物中活性磷酸鹽得以釋放[30]，故本實驗中空白組在充氣時水體IP濃度高于不充氣的(P＜0.05)。然而，充氣下水體的高DO 會促進水體和沉積物中微生物的新陳代謝，加速微生物將水體中無機磷合成磷酸酯（如磷脂、甘油磷酸鹽、卵磷脂和核酸）儲存于體內(nèi)[31]，部分微生物會被0.45 μm 的濾膜截留，故本實驗中空白組在充氣條件下，水體中TP濃度小于不充氣條件下的(P＜0.05)。不同充氣條件會影響部分濃度的CuSO4和CaO2下的培養(yǎng)體系中的磷（圖1～9、11、14）然而，充氣如何影響這2種漁藥對磷的作用，還需進一步探究。

常投放CuSO4和CaO2改善水質(zhì)，減少養(yǎng)殖中的魚病害。CuSO4用于富營養(yǎng)化導致的藻華的治理[24,32]，停用CuSO4后藻類卻迅速生長繁殖[33-35]，Nalewajko 等[35]推測由于再懸浮，底部磷酸鹽和微量銅離子會提供營養(yǎng)物質(zhì)又加重了水體富營養(yǎng)化。本實驗中，相較于空白組，不充氣條件下濃度0.35 mg/L的CuSO4提高間隙水中IP 濃度，充氣條件下濃度0.70 mg/L 的硫酸銅提高沉積物中IP 含量，該結(jié)果能夠較好地證實上述推測，也潛在表明了銅離子與磷的絡合，由水相到沉積相具有不穩(wěn)定性。

CaO2與水反應生成氧氣[36]，氧氣的增加促使有機磷(OP)耗氧分解[37]進而導致沉積物的HCl-P和Ex-P含量增加[38]，氧氣的增加使沉積物-水界面處于氧化狀態(tài)，F(xiàn)e2+被氧化為Fe3+，而Fe3+及其氧化物和氫氧化物對磷有很強的親和力，生成Fe-P 沉降至沉積物，沉積物或顆粒物中Fe-P 含量隨沉積環(huán)境氧化性的增強而升高[39]。故CaO2會提高沉積物生物活性磷HCl-P、Ex-P含量，這與之前研究中表明的外源性Ca2+影響表層沉積物中生物活性磷含量[26]的結(jié)論相符。因此，CaO2可能是藻類暴發(fā)的潛在因素。

海水中氫氧根、碳酸根等陰離子含量隨鹽度增加而增多，這些陰離子會與磷酸根離子競爭沉積物表面交換“活性點位”，磷酸根也可能會與鹽形成可溶性物質(zhì)，進而減少沉積物對磷的吸附量[40-41]，諸多研究表明表層沉積物對磷的吸附量與鹽度呈負相關(guān)[42-43]。因此鹽度的減小能夠加大沉積物對磷的吸附，海水中的沉積物對磷的吸附能力小于淡水的。

4 結(jié)論

是否充氣會影響空白組的上覆水TP、IP 濃度，影響CuSO4作用下的上覆水TP、IP濃度、間隙水IP濃度、沉積物TP、HCl-P、Ex-P含量，影響CaO2作用下上覆水TP、IP濃度、間隙水TP、IP濃度、沉積物Ex-P含量。充氣條件下，CuSO4會影響上覆水IP濃度、沉積物TP、HCl-P、Ex-P 含量；CaO2會影響上覆水TP、IP 濃度、沉積物HCl-P、Ex-P含量。不充氣條件下，CuSO4會影響上覆水TP濃度、間隙水TP、IP濃度、沉積物TP、Ex-P含量；CaO2會影響間隙水IP濃度、沉積物Ex-P含量。因此CuSO4和CaO2能夠影響海水養(yǎng)殖體系磷的賦存形態(tài)，降低水體磷濃度，進而將水體中磷轉(zhuǎn)化到沉積相中，而這種轉(zhuǎn)化并不穩(wěn)定，有使藻華復發(fā)的潛在生態(tài)風險。