1 引言
20世紀(jì)80年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在北美和北歐一些新建的水庫以及一些遠(yuǎn)離汞污染源的湖泊中，某些魚汞含量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了世界衛(wèi)生組織建議的食用水產(chǎn)品汞含量標(biāo)準(zhǔn)，這一現(xiàn)象引起了人們對水環(huán)境系統(tǒng)中汞的生物地球化學(xué)循環(huán)的極大關(guān)注，特別是汞的甲基化途徑和機(jī)制問題.在汞甲基化的途徑中，有生物作用和非生物作用，其中生物作用起主導(dǎo)作用.研究表明，在淡水體系中硫酸鹽還原菌和鐵還原菌均是重要的汞甲基化細(xì)菌，尤其是硫酸鹽還原菌一直被認(rèn)為是淡水體系中主要的汞甲基化細(xì)菌，因此硫循環(huán)在汞形態(tài)分布和汞甲基化過程中也起到至關(guān)重要的作用.認(rèn)為SO42-在20~50 mg · L-1時(shí)，最適合SRB的甲基化活動.在近期的一些研究中，鐵還原菌也被證實(shí)可進(jìn)行數(shù)量可觀的甲基化，尤其在富含鐵的沉積物中.雖然關(guān)于硫酸還原菌和鐵還原菌在汞甲基化中的作用研究很多，但大多數(shù)結(jié)論都基于實(shí)驗(yàn)室研究，對野外兩種微生物和甲基汞間的關(guān)系研究較少.阿哈、百花和紅楓水庫為貴陽市飲用水源地，其受酸性礦山廢水(阿哈水庫)、含汞廢水(百花水庫)、生活污水(紅楓水庫)嚴(yán)重污染，造成這些水庫某些理化特征差異明顯，這些都將可能顯著影響汞的甲基化過程.本研究旨在這些不同理化特征基礎(chǔ)上弄清兩種還原性微生物在這些水庫中的分布及其對汞甲基化的影響，可為這些水庫的治理提供一定科學(xué)依據(jù)，以保障貴陽市人民的用水安全.
2 樣品采集與分析
2.1 樣品采集
采樣點(diǎn)分布如圖 1所示.阿哈水庫和百花水庫采樣時(shí)間為2012年2月、6月、9月3個季節(jié)，紅楓水庫作為對比參照點(diǎn)僅在2012年6、9月份進(jìn)行采樣.水庫水樣從表層到底層每4 m取一個樣，需測溶解態(tài)物質(zhì)樣品用0.45 μm濾膜(Millipore)現(xiàn)場過濾.水樣用0.5%鹽酸酸化存于經(jīng)過超凈技術(shù)處理過的硼硅玻璃瓶中，然后放在冰箱中冷藏避光保存.微生物測定水樣用裝有稀釋液的厭氧管或裝有培養(yǎng)液的測試瓶采集.沉積物柱采用SWB-1型便攜式不擾動湖泊沉積物采樣器采集.快速將沉積物樣品在氮?dú)鈼l件下按1 cm或2 cm的間距分割，裝入經(jīng)過酸預(yù)處理的50 mL聚乙烯離心管中，蓋緊并用parafilm®密封，放置在冷卻箱中低溫保存.提取孔隙水的樣品，必須在48 h內(nèi)按以下方法處理：首先在4 ℃恒溫、轉(zhuǎn)速3000 r · min-1的條件下離心30 min，然后用0.45 μm 濾膜(Millipore)過濾提取孔隙水.提取孔隙水后的沉積物樣品用真空冷凍干燥儀(FD-3-85D-MP型冷凍干燥儀，-80 ℃)干燥，并研磨至150目以供分析.
圖1 水庫采樣點(diǎn)分布圖
2.2 樣品測定
(1)沉積物及水庫水樣中SRB的測定 充氮條件下稱取10 g沉積物于裝有100 mL無菌無氧水的厭氧三角瓶中，搖床上振蕩20 min后，用1 mL無菌注射器取1 mL上清液于KBC-SRB試劑瓶(北京華運(yùn)安特科技有限責(zé)任公司)中進(jìn)行梯度稀釋，每個樣品做6個梯度，3個平行.水庫水樣直接進(jìn)行梯度稀釋.將注射好的試劑瓶放入35 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d.根據(jù)試劑瓶的陽性反應(yīng)數(shù)(出現(xiàn)黑色沉淀或者鐵釘變黑)查MPN計(jì)數(shù)表確定其MPN數(shù)，再計(jì)算其實(shí)際含量(按沉積物濕重計(jì)).
(2)沉積物及水庫水樣中DIRB的測定 樣品中DIRB采用滾管培養(yǎng)法測定.將沉積物懸濁液或水樣在裝有無菌無氧稀釋液(NaCl 0.85 g，Na2HPO4 0.25 g，NaH2PO4 0.56 g，蒸餾水100 mL)的厭氧管中進(jìn)行梯度稀釋.用1 mL無菌注射器分別吸取不同稀釋梯度的稀釋液各0.5 mL于裝有融化的檸檬酸鐵培養(yǎng)基(檸檬酸鐵3.3 g，NH4Cl 1 g，CaCl2 · 2H2O 0.07 g，MgSO4 · 7H2O 0.6 g，K2HPO4 · 3H2O 0.722 g，KH2PO4 0.25 g，葡萄糖10 g，瓊脂粉10 g)厭氧管中，而后將其平放于盛有冰塊的盤中迅速滾動至培養(yǎng)基在試管內(nèi)壁均勻凝固，然后將厭氧管置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)4 d，根據(jù)不同梯度厭氧管中長出的菌落數(shù)，計(jì)算其實(shí)際菌落數(shù)量(按沉積物濕重計(jì)).
(3)樣品中甲基汞測定：沉積物甲基汞采用硝酸和硫酸銅溶液浸提，CH2Cl2萃取并結(jié)合水相乙基化、恒溫氣相色譜、冷原子熒光(GC-CVAFS)的方法測定沉積物中的微量甲基汞.水庫水樣及孔隙水甲基汞采用蒸餾乙基化結(jié)合GC-CVAFS法測定.
(4)其它參數(shù)測定：硫酸根采用離子色譜法測定.硫離子采用對氨基二甲基苯胺比色法測定.孔隙水中鐵采用ICP-AES測定.水體中pH、溫度(T)、溶解氧(DO)采用便攜式水質(zhì)參數(shù)儀測定.
3 結(jié)果
3.1 水庫基本理化參數(shù)分布特征
3個水庫采樣點(diǎn)在采樣期間水深變化范圍為14~32 m，溶解氧含量范圍為0.05~10.52 mg · L-1，pH范圍為7.26~9.14.在春夏季，溶解氧和pH均有從上到下減少的趨勢，表明3個水庫都是季節(jié)缺氧分層型水庫.百花、紅楓和阿哈水庫沉積物有機(jī)質(zhì)含量范圍分別為8.08%~13.04%、8.94%~11.99和8.05%和8.30%，均遠(yuǎn)高于同一流域的東風(fēng)水庫(2.20%~4.88%)，表明3個水庫都曾受嚴(yán)重污染.各水庫水體中硫酸根和硫離子含量見圖 2和圖 3.
圖2 貴陽市水庫中硫酸根含量分布特征(注：縱坐標(biāo)0 m為水-沉積物界面處，深度數(shù)值越小，表明水體或沉積物深度越大)
圖3 貴陽市水庫中硫離子含量分布特征(注：縱坐標(biāo)0 m為水-沉積物界面處，深度數(shù)值越小，表明水體或沉積物深度越大)
雖然現(xiàn)在阿哈水庫流域內(nèi)煤礦也全部關(guān)閉，但水庫上覆水體中硫酸根含量明顯高于其它兩個水庫(非參數(shù)獨(dú)立樣本檢驗(yàn)，p<0.001)，表明采樣期間阿哈水庫仍然受到流域內(nèi)酸性礦山廢水的影響.在9月份，阿哈、百花和紅楓水庫湖水總汞含量分別為1.9~14.6 ng · L-1(平均值5.2 ng · L-1)、4.3~12.5 ng · L-1(平均值7.8 ng · L-1)、2.3~4.4 ng · L-1(平均值3.4 ng · L-1);沉積物總汞含量分別為0.12~0.33 μg · g-1(平均值0.24 μg · g-1)、0.19~7.18 μg · g-1(平均值1.62 μg · g-1)、0.36~0.57 μg · g-1(平均值0.43 μg · g-1)，表明百花水庫歷史上曾遭受嚴(yán)重的汞污染.
3.2 水庫硫酸鹽還原菌及鐵還原菌分布特征
2月份水體SRB含量非常低，僅在阿哈水庫界面水處達(dá)到1100 cells · mL-1的最大值，其他位置基本檢測不出.水庫上覆水體中，阿哈水庫SRB在任意月份都高于其他兩個未受污染的水庫.6月份，阿哈水庫水體中SRB含量均大于2.5×104 cells · mL-1;9月份，阿哈水庫水體中部SRB含量達(dá)到4.5×104 cells · mL-1;而在百花和紅楓水庫，上覆水中SRB最大值為2.5×104 cells · mL-1.各水庫沉積物中硫酸還原菌季節(jié)分布特征見圖 4.在沉積物中，SRB受溫度(T)、溶解氧(DO)影響極大，夏秋季節(jié)表層沉積物SRB含量高于冬季500~1000倍左右.2月份所有水庫中SRB僅為約950 cells · g-1左右，而6、9月份沉積物SRB含量約在104~105 cells · g-1左右.盡管阿哈水庫由于礦山廢水污染使得孔隙水硫酸根含量高于其他兩個水庫，但沉積物SRB僅在上部高于其他兩個水庫，在中下部沒有明顯差異.
圖4 貴陽市不同水庫沉積物中SRB含量的季節(jié)變化特征(羅光俊等，2014)(注：0 cm為沉積物表層，深度數(shù)值越大，表明沉積物深度越大)
各水庫上覆水體DIRB在同一季節(jié)相差不大.同時(shí)，水庫中所呈現(xiàn)出的季節(jié)分布規(guī)律基本為：6月份>9月份>2月份；除2月份外，水庫上覆水體中的DIRB數(shù)量明顯低于SRB含量.各水庫沉積物中鐵還原菌季節(jié)分布特征見圖 5(羅光俊等，2014). 水庫沉積物中DIRB由于受DO及T的影響，6月份與9月份DIRB含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2月份，同時(shí)由于其他電子供體(如O2)的影響，沉積物DIRB剖面峰值有隨季節(jié)變化遷移到沉積物上部的趨勢.在冬季，沉積物孔隙水中鐵與DIRB分布一致；而在春夏季，由于受其他厭氧微生物生長影響(如硫酸鹽還原菌)，其分布規(guī)律不相一致.曾受煤礦廢水污染的阿哈水庫，其DIRB峰值含量明顯高于其他兩個水庫.
圖5 貴陽市不同水庫沉積物中DIRB含量的季節(jié)特征(羅光俊等，2014)(注：0 cm為沉積物表層，深度數(shù)值越大，表明沉積物深度越大)
3.3 水庫中甲基汞的分布特征
在水庫上覆水體及沉積物孔隙水中，阿哈溶解態(tài)甲基汞(DMeHg)的峰值隨著厭氧-好氧界面的遷移從孔隙水頂部遷移到上覆水體底部.在2月份，孔隙水-水體剖面甲基汞峰值出現(xiàn)在沉積物表層或次表層;在6月份，甲基汞峰值上移到孔隙水表層或沉積物-水體界面處;而在9月份，甲基汞峰值上移至上覆底層水體中.同時(shí)，其表層孔隙水最大DMeHg值出現(xiàn)在2月份，與其他水庫出現(xiàn)在6、9月份不同，并且明顯低于其他兩個水庫孔隙水甲基汞(圖 6).和阿哈水庫相反，紅楓水庫孔隙水-水體剖面DMeHg峰值一直位于孔隙水上部.在百花水庫，其水體中DMeHg嚴(yán)重超出了水體背景值，加之其孔隙水中下部出現(xiàn)異常峰值，說明百花水庫受汞污染嚴(yán)重.
圖6 貴陽市各水庫上覆水體及孔隙水中DMeHg季節(jié)分布(注：縱坐標(biāo)0 m為水-沉積物界面處，深度數(shù)值越小，表明水體或沉積物深度越大)
水庫中沉積物甲基汞分布趨勢和孔隙水中甲基汞分布有明顯的相關(guān)性(r=0.43，p<0.001)，主要表現(xiàn)為百花水庫>紅楓水庫>阿哈水庫(圖 7).在阿哈水庫，6、9月份表層沉積物甲基汞含量明顯低于2月份，且明顯低于其他兩個水庫，表明6、9月份阿哈水庫表層沉積物汞甲基化受到明顯抑制.百花水庫由于受到汞的嚴(yán)重污染，其整體甲基汞含量都比較高，8月份平均值為8.02 ng · g-1，2月份為4.51 ng · g-1.紅楓水庫沉積物甲基汞在6月份表層達(dá)到了14.04 ng · g-1的最大值，其后隨著深度的增加逐漸降低，在其中下部，6、9月份沉積物甲基汞分布差異不大.
圖7 貴陽市水庫沉積物中甲基汞季節(jié)分布特征(注：縱坐標(biāo)0 cm為沉積物表層，深度數(shù)值越大，表明沉積物深度越大)
4 討論
4.1 上覆水體中SRB、DIRB和甲基汞分布的關(guān)系
由于3個水庫污染基本得到控制，各水庫水質(zhì)都明顯好轉(zhuǎn)，且3個水庫都處于同一流域，故各水庫水體理化特征相差不大.運(yùn)用SPSS軟件對水體中DMeHg與微生物關(guān)系進(jìn)行分析得出，水體中DMeHg與SRB呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.398，p<0.05，n=37)，而水體DMeHg與DIRB不存在相關(guān)性.雖然淡水體系中硫酸鹽還原菌和鐵還原菌均被證明是重要的汞甲基化細(xì)菌，但相對DIRB與其他微生物而言，SRB被證明是水環(huán)境中產(chǎn)生甲基汞的主要微生物.本研究中兩種還原微生物和水體甲基汞的關(guān)系也表明，相對DIRB，SRB在這些水庫汞的甲基化過程中扮演了更重要的角色.
4.2 沉積物中SRB、DIRB和甲基汞分布的關(guān)系
雖然歷史上各種較重污染源已得到遏制，但歷史上各種污染物大部分都以顆粒物形式沉降到沉積物中，使得沉積物中各種污染依然嚴(yán)重，如阿哈水庫孔隙水硫酸根、鐵錳及百花水庫沉積物高汞污染依然存在.這些較大濃度的污染物在一定程度上影響著微生物的生長及其對汞的甲基化，使得沉積物中微生物與甲基汞的關(guān)系遠(yuǎn)遠(yuǎn)比水體中的關(guān)系復(fù)雜，沒有在整體上表現(xiàn)出簡單的相關(guān)性，而是在不同污染物積累的水庫中表現(xiàn)出不同的影響特征： 在受酸性礦山廢水污染的阿哈水庫沉積物中，硫酸根、SRB、硫離子和沉積物及孔隙水甲基汞均沒有顯示簡單的相關(guān)性.大量研究已表明，硫酸鹽還原細(xì)菌在水體系統(tǒng)中是主要的汞甲基化細(xì)菌之一.在一定范圍內(nèi)，甲基汞濃度會隨硫酸鹽還原活動的增加而增加，但當(dāng)硫酸鹽還原活動太強(qiáng)烈，過量積累的硫離子(>10 μmol · L-1)會和二價(jià)汞結(jié)合生成不能被微生物利用的汞化合物，從而減少甲基汞的產(chǎn)生.可見硫酸鹽還原活動對汞甲基化的影響不是簡單的線性關(guān)系.
從阿哈水庫甲基汞季節(jié)變化和垂向分布看，在春夏季SRB的還原活動嚴(yán)重抑制了沉積物表層汞的甲基化.在2月份，沉積物表層處于好氧狀態(tài)，溫度低，SRB含量低，SRB 活性受到抑制，使得硫酸根濃度明顯高于其它兩個季節(jié);此時(shí)孔隙水-水體剖面甲基汞峰值位于沉積物表層或次表層.到了6、9 月份，SRB數(shù)值急劇增大，孔隙水中硫酸根顯著降低，表明此時(shí)表層硫酸根還原非常強(qiáng)烈.強(qiáng)烈的硫酸鹽還原活動使得硫離子大量積累，達(dá)到16~21 μmol · L-1.此時(shí)，沉積物中甲基汞峰值和表層孔隙水甲基汞峰值均明顯低于2月份，且表層孔隙水中甲基汞明顯低于中部，并低于上覆底層水體甲基汞，表明孔隙水-水體剖面甲基汞峰值遷移到上覆底層水體中.而在典型的孔隙水甲基汞剖面中，甲基汞通常位于表層幾cm，且通常為春夏季大于冬季，也通常高于上覆水體甲基汞(e.g..同時(shí)，6，9月份阿哈水庫沉積物和孔隙水表層甲基汞均低于紅楓水庫，表明在6，9月份，阿哈水庫過量積累的硫離子(16~21 μmol · L-1)明顯抑制了沉積物表層汞的甲基化.而在阿哈湖上覆水體中，雖然也發(fā)生了強(qiáng)烈的硫酸鹽還原，但底層硫離子多在10 μmol · L-1左右，沒有對甲基化造成抑制，適宜的硫酸鹽還原活動正好促進(jìn)了汞的甲基化，使得在孔隙水-水體剖面中，甲基汞峰值從沉積物表層遷移到上覆底層水體中.可見，在受到高硫酸鹽污染的水庫中，SBR活動很大程度上影響著水‐沉積物界面甲基汞的分布.而且，在這種高硫酸鹽污染的水庫中，汞的甲基化和硫酸鹽的還原程度并不是簡單的線性相關(guān)性，這和Mack的研究一致.雖然阿哈水庫沉積物DIRB和沉積物及孔隙水甲基汞沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，但從DIRB和甲基汞分布規(guī)律可看出，除阿哈大壩9 月份外，其它鐵還原菌峰值都分布在10 cm左右，也就是沉積物柱中部，這和6、9 月份阿哈水庫大壩和長灘孔隙水甲基汞分布規(guī)律一致，表明鐵還原菌活動對沉積物中下部汞的甲基化有一定的促進(jìn)作用.
在紅楓水庫，各季節(jié)硫酸根含量均低于阿哈水庫，表層沉積物中的SRB數(shù)量也明顯低于阿哈水庫.從春季明顯降低的硫酸根可以看出，紅楓水庫春季沉積物中也發(fā)生了明顯的硫酸鹽還原，但其產(chǎn)生的硫離子大多低于10 μmol · L-1，處于對汞甲基化產(chǎn)生抑制的臨界點(diǎn)，處于最有利于汞甲基化的適宜范圍，使得水體-孔隙水剖面中甲基汞峰值出現(xiàn)在沉積物表層，且明顯高于同季節(jié)的阿哈水庫.雖然9月份紅楓湖孔隙水中也出現(xiàn)了大量的硫離子，但并沒有觀察到汞甲基化的抑制現(xiàn)象，這可能是由于在高含量的硫離子出現(xiàn)以前，就已經(jīng)形成了高含量的甲基汞.同時(shí)，在紅楓水庫，硫酸鹽還原菌的主要產(chǎn)物硫離子與其孔隙水甲基汞表現(xiàn)出了顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.674，p<0.001，n=31)，此結(jié)果也說明，在硫酸鹽含量較低的紅楓水庫，SRB的還原活動對沉積物汞的甲基化起強(qiáng)烈的促進(jìn)作用.另一方面，在紅楓水庫，由于其硫酸鹽含量低于阿哈水庫，其SRB 活動不如阿哈水庫強(qiáng)烈，SRB 對DIRB 生長的抑制作用較小或不受抑制，通過相關(guān)性分析可知，DIRB與沉積物甲基汞表現(xiàn)出了顯著正相關(guān)性(r=0.562，p<0.05，n=14)，說明DIRB 對汞甲基化的形成也有一定的促進(jìn)作用.
百花水庫沉積物中甲基汞與所研究的兩種還原性微生物，孔隙水中甲基汞與總鐵/硫離子均不存在顯著相關(guān)性.在百花水庫，其沉積物中總甲基汞和DMeHg峰值除了出現(xiàn)在表層，還出現(xiàn)在沉積物中下部，這與紅楓水庫分布在表層或次表層完全不同.雖然在沉積物表層也出現(xiàn)了不連續(xù)的硫離子高值(>10 μmol · L-1)，但在孔隙水表層仍然檢測到了明顯高于其它兩個水庫的甲基汞峰值，同時(shí)在上覆底層水體中甲基汞也遠(yuǎn)大于其它兩個水庫，這可能和百花水庫曾受貴州水晶廠嚴(yán)重汞污染有關(guān)，其較高的底物活性汞為汞甲基化提供了充足的原料.具體參見污水寶商城資料或http://m.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。
5 結(jié)論
硫酸還原菌和鐵還原菌均是汞的甲基化細(xì)菌.阿哈、百花和紅楓水庫都位于貴陽市喀斯特地區(qū)，其pH等基本理化特征相似，但由于這些水庫受酸性礦山廢水(阿哈水庫)、含汞廢水(百花水庫)、生活污水(紅楓水庫)污染嚴(yán)重，造成這些水庫某些理化特征差異明顯，這些都將可能顯著影響汞的甲基化過程.本研究探討了兩種還原性微生物在這些水庫中的分布及其對汞甲基化的影響，得出以下主要結(jié)論.
1)在上覆水體中，SRB為主要的汞甲基化細(xì)菌，而在污染嚴(yán)重且差異明顯的沉積物中，兩種微生物對甲基汞的分布影響各不相同.
2)在受礦山酸性廢水污染的阿哈水庫，由于其過高的硫酸根及其硫酸鹽還原活動，導(dǎo)致夏季沉積物表層硫離子大量積累，嚴(yán)重抑制了汞的甲基化過程.
3)在紅楓水庫，適宜的SRB活動促進(jìn)了汞的甲基化，同時(shí)鐵還原菌對汞甲基化的形成也有一定的促進(jìn)作用.
4)在百花水庫，由于沉積物曾受到嚴(yán)重汞污染，甲基汞峰值主要受到沉積物總汞的影響，和兩種微生物活動均未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性.
