漁業養殖水域沉積物指標分析技術及其應用綜述

李志波　宋超　裘麗萍　等

摘要：隨著工業化發展，我國漁業養殖水平日益提高，但漁業養殖水域污染情況也較嚴重。養殖水體的沉積物是各種污染物的最終歸趨，因此沉積物的指標分析技術能被用于評估污染物對養殖水體產生的影響。本研究從理化指標、酶指標、污染物指標方面介紹了目前沉積物指標的分析技術，并闡述其應用做了展望。

關鍵詞：沉積物；理化指標；酶；污染物；應用

中圖分類號： X524；X714文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0006-04

收稿日期：2014-03-28

基金項目：現代農業產業技術體系建設專項（編號：CARS-49）。

作者簡介：李志波（1989—），男，湖南湘鄉人，碩士研究生，主要從事漁業生態環境研究。Tel：（0510）85559936；E-mail：495110900@qq.com。

通信作者：陳家長，碩士，研究員，主要從事漁業生態環境研究。Tel：（0510）85559936；E-mail：chenjz@ffrc.cn。改革開放以來，我國水產養殖業發展十分迅速，成為世界上最大的水產養殖國家。水產品產量的不斷增高不僅為我國農業經濟發展提供了持續推力，更為滿足世界動物性蛋白需求貢獻巨大來源[1]。但是，近年來我國頻頻出現的水產品質量安全問題在很大程度上制約我國水產養殖業的進一步發展，主要表現在水產品中含有過量的有害物質如農藥、有機類物質、魚類禁用藥物等，致使水產品質量下降或不合格而難以上市[2]。這一問題的出現客觀上是源于我國漁業養殖水域環境的日益惡化，漁用水源的嚴重污染是其主要因素，但近年來集約化模式和高密度技術在池塘養殖上推廣和應用，使養殖水體受到外部水源污染和內部水質營養失衡的雙重脅迫。在這種背景下，對我國漁業養殖水域環境進行研究十分有意義[3]。

漁業養殖水域系統分為2部分，即上層的水體部分和下層的沉積物部分。目前國內外對于上層水體水質已有大量研究，但對下層沉積質部分的研究則較為匱乏。在漁業養殖水域環境問題的研究中，沉積物應當被作為一個重要研究對象，因為它是各類污染形式或污染物的一個最終的匯。首先，底層沉積物是由上層水體中過量的養殖投入品、魚類排泄物沉積物、生物尸體等共同沉積而構成，間接反映了上層水體的營養狀況。再者，來自外部水源的有機物、重金屬等具有一定毒性而又難分解的污染物沉降蓄積于底泥，直接影響沉積物的理化性質及微生物群落結構，并對上層水質及養殖動物健康產生潛在威脅[4]。沉積物的研究指標多種多樣，具體可分為理化指標、酶指標和各類污染物指標。這幾類指標基本涵蓋了沉積物須要的分析內容。其中理化指標可以細分為粒徑分析、總有機碳（TOC）、總氮、磷及其形態分析；酶指標主要分為蛋白酶、磷酸酶、脲酶以及微生物活性等；各類污染物指標不盡相同，大致有重金屬類、農藥類、多環芳烴類以及其他有機污染物及持續性有機污染物等。研究漁業養殖水域沉積物指標分析技術及其應用，對于監測并改善水產養殖水體環境很有幫助[5]。但是由于我國養殖水域的地域性強以及有關沉積物的研究起步較晚，目前國內有關沉積物的一些指標分析技術尚不完善，并且有些指標的分析方法還處于建立過程中。本研究綜述了目前有關漁業養殖水域沉積物指標分析技術及其應用現狀，以期對促進沉積物相關研究有所幫助。

1關于理化指標的分析

1.1TOC測定

沉積物中的碳主要有2種，一種是有機質含有的碳，稱為有機碳，另一種是無機碳。利用燒失量的方法，在溫度達到900 ℃甚至1 000 ℃時，可以將有機碳、無機碳均燃燒成CO2，這樣獲得的是總碳（TC）。獲得總碳數據的關鍵是一定要保證沉積物得到充分燃燒?？偀o機碳（TIC）數據的獲取方式是對另一份樣品用酸處理，使無機碳轉變為CO2。利用儀器測得CO2的量，TC與TIC之間的差值即為TOC，這是英國標準的間接法測定TOC[6]。

通過測定CO2量來計算樣品中TOC含量是比較準確的，然而燒失量方法還有一定的局限性。因為燒失量包括有機碳、碳酸鹽（鈣鹽、鎂鹽）、硫化物，以及在烘干不完全下少量的結合態水。Walter用如下方法測定TOC含量：取預先處理好的樣品10 g，用HCl、HF去除礦物質，得出樣品中間質量，然后放入陶瓷坩堝，加熱至435 ℃，過夜；移至干燥器中冷卻，稱質量；有機質含量=（樣品中間質量-樣品最終質量）/樣本初始質量[7]。該方法不科學，因為這只是一個折中的TOC測定方法。加酸去除的是 TIC，435 ℃ 燃燒的是有機質、碳酸鹽和水合水的總量的大部分，即非完全燃燒。樣品中間質量減去最終質量得出的是大部分TOC，該結果或許剛好會與真實的TOC 值接近，但其很難與真實的TOC值呈很好的正相關。有些測定TOC的方法是將溫度控制在550 ℃，測定值與真實值很接近，可能是因為在該溫度下，TIC還沒有燒出來，溫度須要達到更高；在105 ℃溫度下烘12 h，水合水基本被烘干。所以相對來說，后者應該是最接近TOC儀器的手工方法[8-9]。

重鉻酸鉀法測定TOC的原理是用一定濃度的過量重鉻酸鉀-硫酸溶液，在加熱條件下氧化有機質中的碳，用已知濃度的硫酸亞鐵溶液滴定剩余的重鉻酸鉀，用消耗的重鉻酸鉀量計算所氧化的有機碳含量。該方法氧化沉積物中的有機質，氧化程度為90%，因此測定結果應乘以氧化校正系數1.1或1.3[10]。

1.2總氮測定

水體富營養化是由于水質中氮磷負荷增加所致。沉積物中的氮磷在水體環境條件發生改變時會大量侵入上腹水，這也是造成養殖水富營養化的重要原因。水體底質變化趨勢大致與自然土壤情況一致，但是由于人為污染造成污染地區明顯反常，尤其在湖泊底質中有大量氮、磷營養鹽存在。因此掌握底質中的氮磷分布和含量意義重大[11]。

沉積物中的氮一般可以分為有機氮、無機氮，以有機氮為主。有機氮包括蛋白質、核酸、氨基酸、腐殖質，以腐殖質為主。有機氮必須經過沉積物中的微生物轉化才變為無機氮，為水生生物所利用。各種含氮有機物的分解與其分子結構和環境條件有很大相關性。無機氮主要是銨態氮和硝態氮，還有一小部分氮被固定在礦物晶格，稱之為固定態氮，這種氮須要用HF-H2SO4溶液破壞礦物晶格，才能釋放出來。凱氏定氮法測定的是土壤全氮含量[12]。

1.3磷及其形態分析

沉積物中磷的含量及其形態分布是影響水體富營養化進程的極重要因素，尤其對城市湖泊和水生植物大量繁殖的湖泊的影響尤為深刻。底質中的磷一般來源于土壤顆粒物、懸浮污染物的絮凝沉降、水生生物殘骸的堆積，同時顆粒物吸附溶解性的磷，隨后轉入底質，也是底質磷的重要來源。這些存在于底質中的磷在一定條件下又會逐步地釋放出來，成為導致水體富營養化的磷的來源，稱之為水體磷的內負荷。

總磷同樣包括無機磷、有機磷兩大部分。無機磷又可以分為與鈣、鎂、鐵、鋁等結合的磷酸鹽；有機磷往往以核酸、植素以及磷脂等為主，不同形態的磷在釋放特征、生物有效性以及對水體富營養化的影響等方面都存在很大差別。

高氯酸-硫酸消化法的原理是，用強酸、強氧化劑的高氯酸分解樣品，使有機質、礦物質完全分解而全部轉化為正磷酸鹽進入溶液，然后用鉬銻抗比色法測定。高氯酸的脫水作用很強，有助于膠狀硅的脫水，并能與Fe3+絡合，在磷的比色中抑制了硅和鐵的干擾。硫酸的存在可以提高消化液的溫度，同時防止消化過程中溶液蒸干，以利于消化作用的順利進行。用鉬銻抗法測定磷的原理是，在一定酸度和銻離子存在的情況下，磷酸根與鉬酸銨形成銻磷混合雜多酸，它在常溫下可迅速被抗壞血酸還原為鉬藍，在700 nm波長下比色測定[13-16]。

沉積物的磷形態分析主要是利用蒸餾水、酸、堿等依次提取的方式獲得可溶性磷、鋁磷、鐵磷、鈣磷。沉積物中的磷可以分為有機磷、無機磷，無機磷可分為鋁磷、鐵磷、鈣磷、閉蓄磷等，以這種方式劃分的意義是磷酸鋁、磷酸鐵、磷酸鈣都是有利于生物吸收的有效成分，它們在不同水體環境中的釋放速率也不盡相同。磷的形態分析一直是沉積物指標分析的難點。很多研究者采取不同方式解決這個問題，例如利用各種酸堿形式的配比以及在提取步驟上的細化與合并。還有研究利用磷酸酶等酶促方法對磷形態進行分級處理。多種嘗試并未對此研究形成標準性的操作步驟，主要原因是基于不同沉積物基質的磷類型的差異[17]。

2關于酶指標的分析

2.1磷酸酶的測定

沉積物中磷酸酶可以分為酸性、中性、堿性3種。一般各類沉積物中都有最活躍的一種磷酸酶活性。但有些沉積物對酸堿度的適應性大，在較大的pH值范圍（4～9）均能測得酸性、中性、堿性磷酸酶的活性。在測定磷酸酶活性時，目前常見方法是以苯磷酸酯等水溶性鈉鹽作為基質，當它們受磷酸酶酶促反應水解時，能析出無機磷和有機基團（苯酚），用苯酚生成量可表示土壤中的磷酸酶活性[18-21]。

2.2脲酶的測定

脲酶存在于大多數細菌、真菌、高等植物里。它是一種酰胺酶，作用極為專性，僅能水解尿素，水解的最終產物是氨、二氧化碳、水。沉積物中的脲酶活性與微生物數量和有機物質、全氮、速效磷含量等呈正相關。目前常用土壤脲酶活性表征氮素狀況。沉積物中脲酶活性的測定是以尿素為基質，利用氨能與苯酚-次氯酸鈉等物質作用生成藍色靛酚類物質的原理，測定酶促產物生成氨的量，或通過測定未水解的尿素量計算[22]。

2.3蛋白酶的測定

在進入沉積物的各類有機物中含有一定數量的蛋白物質。沉積物蛋白酶對這類物質進行酶促反應的分解，從而對沉積物的氮素轉化及水體環境的氮素營養起重要作用。因此蛋白酶活性也可以從另一個角度來表征沉積物氮素狀況及轉化進程。測定蛋白酶活性時可以以白明膠、胳朊等蛋白類或某些肽類物質作為基質，加入蛋白酶進行水解，然后測定分解產物的量或根據其物理特性的變化度來計算酶活性大小[23-25]。

2.4過氧化氫酶的測定

沉積物中過氧化氫酶的活性與底質的生物呼吸強度及微生物存在狀態有很大相關性，在一定程度上能表征沉積物中微生物活動過程的強弱。底質過氧化氫酶活性的大小與水生植物根系的分布及底質有機質含量呈正相關，因而測定底質中過氧化物酶的活性可以反映底質肥力狀況?？梢圆捎玫味ǚy定過氧化氫酶活性，即先以過氧化氫為基質進行酶促反應，再定量滴定反應后剩余的過氧化氫量[26-27]。

3關于污染物指標的測定

3.1石油烴與多環芳烴

利用GC-MS法測定沉積物中多環芳烴各組分的分布水平已經不是難點，其主要操作過程有冷凍干燥、索氏提取、儀器分析等[28]。涵蓋多環芳烴、直鏈烷烴在內的石油烴等污染是我國主要湖泊及河流的主要污染類型，特別是近年來漁業生態環境的調查數據顯示，石油類污染已成為漁業水域有機污染的主要類型，主要表現形式是水產品食用過程中有很濃重的柴油味，在太湖流域養殖池塘的南美白對蝦中表現尤為明顯。魚類的柴油味和土腥味已經成為水產品質量改進中亟待解決的環節。對沉積物中石油烴進行測定的皂化方法的原理是，用石油醚萃取經過氫氧化鈉-乙醇皂化處理后的非皂化物，旋轉蒸發，減壓蒸干，用石油醚溶解并定容，萃取物在紫外線照射下產生熒光，在一定濃度范圍內，熒光強度與石油烴含量呈正比。通過測量熒光強度來測定水產品中石油烴含量[29]。

3.2重金屬的測定

沉積物中重金屬較難遷移，具有殘留時間長、隱蔽性強、毒性大等特點，并且可經食物鏈的形式進入魚體內，或通過某些遷移方式進入水中，從而威脅人類健康與其它動物繁衍生息。因此治理重金屬污染的沉積層一直是國內外矚目的熱點和難點。重金屬的生物毒性不僅與其總量有關，更大程度上由其形態分布所決定[30]。不同的重金屬形態產生不同的環境效應，直接影響到重金屬的毒性、遷移及其在自然界的循環。在測定沉積物介質的重金屬含量時，主要采用ICP-MS的儀器分析方法，因為利用原子吸收或原子熒光光譜的方法已經不能滿足樣品大批量和高精度分析的需求，這在沉積物基質、生物組織基質等分析上是一致的。前處理過程的樣品消化方法因基質不同而不同，基于硝酸和雙氧水的消化方法可以使組織樣品能夠被完全消化，但沉積物樣品無法獲得全部溶解，但可溶性重金屬可以被較完全提取出來，如想使沉積物樣品得到完全的消解，必須使用氫氟酸的消解方法[31]。

4沉積物指標分析技術的應用

沉積物指標分析技術應用很廣泛，如可以應用該技術進行水域底質成分檢測，探究重金屬遷移和轉化過程，建立健康水產養殖模式等，最為重要的是可以為漁業養殖水域的底泥環境進行有效監測提供手段。隨著國內整個水體環境污染形勢日益嚴峻，以及高密度和集約化水產養殖模式不斷發展，我國以池塘養殖為主的水產養殖環境遭到較為嚴重的破壞。為了提高水產品質量，保證水產行業的可持續發展，迫切須要建立一個比較有效且統一的沉積物指標質量水平標準，協助控制和改善水產養殖環境。沉積物指標分析技術的發展就是這一標準建立的基礎，利用沉積物指標分析技術試圖尋找各指標間的相互關系，并發展1個或幾個較為靈敏的沉積物指標作為環境檢測的標記物，可以降低沉積物監測的復雜度。

沉積物中微生物含量十分豐富，其對水體生態系統的穩定與否起著很大作用。尤其對于漁業養殖水體而言，底泥中微生物產生的生物效應更不容忽視。一方面，微生物對高飼料量投入的漁業養殖水體中各類剩余的營養因子進行分解，促進了物質循環，并減少了沉積量；另一方面，微生物群體對伴隨養殖投入品進入養殖水體的一些有害物質可能起到一定程度降解作用，從而降低了這些物質的蓄積量。微生物分泌的磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶等胞外酶就是其產生作用的直接體現，這些酶再通過催化沉積物中氮磷化合物和有機物等的分解，對沉積物理化性質產生影響[32]。所以筆者認為，對漁業養殖水域沉積物指標分析技術的研究以微生物研究作為重點，然后以此為中心擴展到其他沉積物指標的分析，可能是一條很有效的研究途徑?，F今可以利用高通量的測序技術對沉積物微生物群落結構特征進行分析，比以往的方法（如DGGE）更加簡單、快速、準確。利用高通量技術分析微生物群落的多樣性，再以此為基礎試圖推斷化學污染物的生態保護質量基準，可作為今后的研究方向之一[33-36]。另外，在生物多樣性和群落敏感性的基礎上推導沉積物質量基準，能除去地域差異因素，有利于建立國內統一的沉積物指標分析監測標準。如能在這一研究上取得突破，不僅可以通過測定微生物群落狀況來分析沉積物的其他指標，更重要的是可以通過人為引導微生物的群落結構來改善養殖水域的環境條件提供理論基礎。

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