李志波　宋超　裘麗萍　等

摘要：隨著工業(yè)化發(fā)展，我國(guó)漁業(yè)養(yǎng)殖水平日益提高，但漁業(yè)養(yǎng)殖水域污染情況也較嚴(yán)重。養(yǎng)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(biāo)分析技術(shù)能被用于評(píng)估污染物對(duì)養(yǎng)殖水體產(chǎn)生的影響。本研究從理化指標(biāo)、酶指標(biāo)、污染物指標(biāo)方面介紹了目前沉積物指標(biāo)的分析技術(shù)，并闡述其應(yīng)用做了展望。

關(guān)鍵詞：沉積物；理化指標(biāo)；酶；污染物；應(yīng)用

中圖分類號(hào)： X524；X714文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）01-0006-04

收稿日期：2014-03-28

基金項(xiàng)目：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（編號(hào)：CARS-49）。

作者簡(jiǎn)介：李志波（1989—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要從事漁業(yè)生態(tài)環(huán)境研究。Tel：（0510）85559936；E-mail：495110900@qq.com。

通信作者：陳家長(zhǎng)，碩士，研究員，主要從事漁業(yè)生態(tài)環(huán)境研究。Tel：（0510）85559936；E-mail：chenjz@ffrc.cn。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展十分迅速，成為世界上最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖國(guó)家。水產(chǎn)品產(chǎn)量的不斷增高不僅為我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了持續(xù)推力，更為滿足世界動(dòng)物性蛋白需求貢獻(xiàn)巨大來(lái)源[1]。但是，近年來(lái)我國(guó)頻頻出現(xiàn)的水產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題在很大程度上制約我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，主要表現(xiàn)在水產(chǎn)品中含有過(guò)量的有害物質(zhì)如農(nóng)藥、有機(jī)類物質(zhì)、魚(yú)類禁用藥物等，致使水產(chǎn)品質(zhì)量下降或不合格而難以上市[2]。這一問(wèn)題的出現(xiàn)客觀上是源于我國(guó)漁業(yè)養(yǎng)殖水域環(huán)境的日益惡化，漁用水源的嚴(yán)重污染是其主要因素，但近年來(lái)集約化模式和高密度技術(shù)在池塘養(yǎng)殖上推廣和應(yīng)用，使養(yǎng)殖水體受到外部水源污染和內(nèi)部水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)失衡的雙重脅迫。在這種背景下，對(duì)我國(guó)漁業(yè)養(yǎng)殖水域環(huán)境進(jìn)行研究十分有意義[3]。

漁業(yè)養(yǎng)殖水域系統(tǒng)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(guó)內(nèi)外對(duì)于上層水體水質(zhì)已有大量研究，但對(duì)下層沉積質(zhì)部分的研究則較為匱乏。在漁業(yè)養(yǎng)殖水域環(huán)境問(wèn)題的研究中，沉積物應(yīng)當(dāng)被作為一個(gè)重要研究對(duì)象，因?yàn)樗歉黝愇廴拘问交蛭廴疚锏囊粋€(gè)最終的匯。首先，底層沉積物是由上層水體中過(guò)量的養(yǎng)殖投入品、魚(yú)類排泄物沉積物、生物尸體等共同沉積而構(gòu)成，間接反映了上層水體的營(yíng)養(yǎng)狀況。再者，來(lái)自外部水源的有機(jī)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(zhì)及微生物群落結(jié)構(gòu)，并對(duì)上層水質(zhì)及養(yǎng)殖動(dòng)物健康產(chǎn)生潛在威脅[4]。沉積物的研究指標(biāo)多種多樣，具體可分為理化指標(biāo)、酶指標(biāo)和各類污染物指標(biāo)。這幾類指標(biāo)基本涵蓋了沉積物須要的分析內(nèi)容。其中理化指標(biāo)可以細(xì)分為粒徑分析、總有機(jī)碳（TOC）、總氮、磷及其形態(tài)分析；酶指標(biāo)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(biāo)不盡相同，大致有重金屬類、農(nóng)藥類、多環(huán)芳烴類以及其他有機(jī)污染物及持續(xù)性有機(jī)污染物等。研究漁業(yè)養(yǎng)殖水域沉積物指標(biāo)分析技術(shù)及其應(yīng)用，對(duì)于監(jiān)測(cè)并改善水產(chǎn)養(yǎng)殖水體環(huán)境很有幫助[5]。但是由于我國(guó)養(yǎng)殖水域的地域性強(qiáng)以及有關(guān)沉積物的研究起步較晚，目前國(guó)內(nèi)有關(guān)沉積物的一些指標(biāo)分析技術(shù)尚不完善，并且有些指標(biāo)的分析方法還處于建立過(guò)程中。本研究綜述了目前有關(guān)漁業(yè)養(yǎng)殖水域沉積物指標(biāo)分析技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀，以期對(duì)促進(jìn)沉積物相關(guān)研究有所幫助。

1關(guān)于理化指標(biāo)的分析

1.1TOC測(cè)定

沉積物中的碳主要有2種，一種是有機(jī)質(zhì)含有的碳，稱為有機(jī)碳，另一種是無(wú)機(jī)碳。利用燒失量的方法，在溫度達(dá)到900 ℃甚至1 000 ℃時(shí)，可以將有機(jī)碳、無(wú)機(jī)碳均燃燒成CO2，這樣獲得的是總碳（TC）。獲得總碳數(shù)據(jù)的關(guān)鍵是一定要保證沉積物得到充分燃燒?？偀o(wú)機(jī)碳（TIC）數(shù)據(jù)的獲取方式是對(duì)另一份樣品用酸處理，使無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2。利用儀器測(cè)得CO2的量，TC與TIC之間的差值即為TOC，這是英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的間接法測(cè)定TOC[6]。

通過(guò)測(cè)定CO2量來(lái)計(jì)算樣品中TOC含量是比較準(zhǔn)確的，然而燒失量方法還有一定的局限性。因?yàn)闊Я堪ㄓ袡C(jī)碳、碳酸鹽（鈣鹽、鎂鹽）、硫化物，以及在烘干不完全下少量的結(jié)合態(tài)水。Walter用如下方法測(cè)定TOC含量：取預(yù)先處理好的樣品10 g，用HCl、HF去除礦物質(zhì)，得出樣品中間質(zhì)量，然后放入陶瓷坩堝，加熱至435 ℃，過(guò)夜；移至干燥器中冷卻，稱質(zhì)量；有機(jī)質(zhì)含量=（樣品中間質(zhì)量-樣品最終質(zhì)量）/樣本初始質(zhì)量[7]。該方法不科學(xué)，因?yàn)檫@只是一個(gè)折中的TOC測(cè)定方法。加酸去除的是 TIC，435 ℃ 燃燒的是有機(jī)質(zhì)、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(zhì)量減去最終質(zhì)量得出的是大部分TOC，該結(jié)果或許剛好會(huì)與真實(shí)的TOC 值接近，但其很難與真實(shí)的TOC值呈很好的正相關(guān)。有些測(cè)定TOC的方法是將溫度控制在550 ℃，測(cè)定值與真實(shí)值很接近，可能是因?yàn)樵谠摐囟认?，TIC還沒(méi)有燒出來(lái)，溫度須要達(dá)到更高；在105 ℃溫度下烘12 h，水合水基本被烘干。所以相對(duì)來(lái)說(shuō)，后者應(yīng)該是最接近TOC儀器的手工方法[8-9]。

重鉻酸鉀法測(cè)定TOC的原理是用一定濃度的過(guò)量重鉻酸鉀-硫酸溶液，在加熱條件下氧化有機(jī)質(zhì)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(jì)算所氧化的有機(jī)碳含量。該方法氧化沉積物中的有機(jī)質(zhì)，氧化程度為90%，因此測(cè)定結(jié)果應(yīng)乘以氧化校正系數(shù)1.1或1.3[10]。

1.2總氮測(cè)定

水體富營(yíng)養(yǎng)化是由于水質(zhì)中氮磷負(fù)荷增加所致。沉積物中的氮磷在水體環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)會(huì)大量侵入上腹水，這也是造成養(yǎng)殖水富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因。水體底質(zhì)變化趨勢(shì)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(qū)明顯反常，尤其在湖泊底質(zhì)中有大量氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽存在。因此掌握底質(zhì)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(jī)氮、無(wú)機(jī)氮，以有機(jī)氮為主。有機(jī)氮包括蛋白質(zhì)、核酸、氨基酸、腐殖質(zhì)，以腐殖質(zhì)為主。有機(jī)氮必須經(jīng)過(guò)沉積物中的微生物轉(zhuǎn)化才變?yōu)闊o(wú)機(jī)氮，為水生生物所利用。各種含氮有機(jī)物的分解與其分子結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件有很大相關(guān)性。無(wú)機(jī)氮主要是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，還有一小部分氮被固定在礦物晶格，稱之為固定態(tài)氮，這種氮須要用HF-H2SO4溶液破壞礦物晶格，才能釋放出來(lái)。凱氏定氮法測(cè)定的是土壤全氮含量[12]。

1.3磷及其形態(tài)分析

沉積物中磷的含量及其形態(tài)分布是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程的極重要因素，尤其對(duì)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(zhì)中的磷一般來(lái)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(shí)顆粒物吸附溶解性的磷，隨后轉(zhuǎn)入底質(zhì)，也是底質(zhì)磷的重要來(lái)源。這些存在于底質(zhì)中的磷在一定條件下又會(huì)逐步地釋放出來(lái)，成為導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的磷的來(lái)源，稱之為水體磷的內(nèi)負(fù)荷。

總磷同樣包括無(wú)機(jī)磷、有機(jī)磷兩大部分。無(wú)機(jī)磷又可以分為與鈣、鎂、鐵、鋁等結(jié)合的磷酸鹽；有機(jī)磷往往以核酸、植素以及磷脂等為主，不同形態(tài)的磷在釋放特征、生物有效性以及對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)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(qiáng)酸、強(qiáng)氧化劑的高氯酸分解樣品，使有機(jī)質(zhì)、礦物質(zhì)完全分解而全部轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽進(jìn)入溶液，然后用鉬銻抗比色法測(cè)定。高氯酸的脫水作用很強(qiáng)，有助于膠狀硅的脫水，并能與Fe3+絡(luò)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(shí)防止消化過(guò)程中溶液蒸干，以利于消化作用的順利進(jìn)行。用鉬銻抗法測(cè)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(lán)，在700 nm波長(zhǎng)下比色測(cè)定[13-16]。

沉積物的磷形態(tài)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(jī)磷、無(wú)機(jī)磷，無(wú)機(jī)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?cè)诓煌w環(huán)境中的釋放速率也不盡相同。磷的形態(tài)分析一直是沉積物指標(biāo)分析的難點(diǎn)。很多研究者采取不同方式解決這個(gè)問(wèn)題，例如利用各種酸堿形式的配比以及在提取步驟上的細(xì)化與合并。還有研究利用磷酸酶等酶促方法對(duì)磷形態(tài)進(jìn)行分級(jí)處理。多種嘗試并未對(duì)此研究形成標(biāo)準(zhǔn)性的操作步驟，主要原因是基于不同沉積物基質(zhì)的磷類型的差異[17]。

2關(guān)于酶指標(biāo)的分析

2.1磷酸酶的測(cè)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(duì)酸堿度的適應(yīng)性大，在較大的pH值范圍（4～9）均能測(cè)得酸性、中性、堿性磷酸酶的活性。在測(cè)定磷酸酶活性時(shí)，目前常見(jiàn)方法是以苯磷酸酯等水溶性鈉鹽作為基質(zhì)，當(dāng)它們受磷酸酶酶促反應(yīng)水解時(shí)，能析出無(wú)機(jī)磷和有機(jī)基團(tuán)（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(cè)定

脲酶存在于大多數(shù)細(xì)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(chǎn)物是氨、二氧化碳、水。沉積物中的脲酶活性與微生物數(shù)量和有機(jī)物質(zhì)、全氮、速效磷含量等呈正相關(guān)。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(cè)定是以尿素為基質(zhì)，利用氨能與苯酚-次氯酸鈉等物質(zhì)作用生成藍(lán)色靛酚類物質(zhì)的原理，測(cè)定酶促產(chǎn)物生成氨的量，或通過(guò)測(cè)定未水解的尿素量計(jì)算[22]。

2.3蛋白酶的測(cè)定

在進(jìn)入沉積物的各類有機(jī)物中含有一定數(shù)量的蛋白物質(zhì)。沉積物蛋白酶對(duì)這類物質(zhì)進(jìn)行酶促反應(yīng)的分解，從而對(duì)沉積物的氮素轉(zhuǎn)化及水體環(huán)境的氮素營(yíng)養(yǎng)起重要作用。因此蛋白酶活性也可以從另一個(gè)角度來(lái)表征沉積物氮素狀況及轉(zhuǎn)化進(jìn)程。測(cè)定蛋白酶活性時(shí)可以以白明膠、胳朊等蛋白類或某些肽類物質(zhì)作為基質(zhì)，加入蛋白酶進(jìn)行水解，然后測(cè)定分解產(chǎn)物的量或根據(jù)其物理特性的變化度來(lái)計(jì)算酶活性大小[23-25]。

2.4過(guò)氧化氫酶的測(cè)定

沉積物中過(guò)氧化氫酶的活性與底質(zhì)的生物呼吸強(qiáng)度及微生物存在狀態(tài)有很大相關(guān)性，在一定程度上能表征沉積物中微生物活動(dòng)過(guò)程的強(qiáng)弱。底質(zhì)過(guò)氧化氫酶活性的大小與水生植物根系的分布及底質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)，因而測(cè)定底質(zhì)中過(guò)氧化物酶的活性可以反映底質(zhì)肥力狀況。可以采用滴定法測(cè)定過(guò)氧化氫酶活性，即先以過(guò)氧化氫為基質(zhì)進(jìn)行酶促反應(yīng)，再定量滴定反應(yīng)后剩余的過(guò)氧化氫量[26-27]。

3關(guān)于污染物指標(biāo)的測(cè)定

3.1石油烴與多環(huán)芳烴

利用GC-MS法測(cè)定沉積物中多環(huán)芳烴各組分的分布水平已經(jīng)不是難點(diǎn)，其主要操作過(guò)程有冷凍干燥、索氏提取、儀器分析等[28]。涵蓋多環(huán)芳烴、直鏈烷烴在內(nèi)的石油烴等污染是我國(guó)主要湖泊及河流的主要污染類型，特別是近年來(lái)漁業(yè)生態(tài)環(huán)境的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，石油類污染已成為漁業(yè)水域有機(jī)污染的主要類型，主要表現(xiàn)形式是水產(chǎn)品食用過(guò)程中有很濃重的柴油味，在太湖流域養(yǎng)殖池塘的南美白對(duì)蝦中表現(xiàn)尤為明顯。魚(yú)類的柴油味和土腥味已經(jīng)成為水產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)中亟待解決的環(huán)節(jié)。對(duì)沉積物中石油烴進(jìn)行測(cè)定的皂化方法的原理是，用石油醚萃取經(jīng)過(guò)氫氧化鈉-乙醇皂化處理后的非皂化物，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，減壓蒸干，用石油醚溶解并定容，萃取物在紫外線照射下產(chǎn)生熒光，在一定濃度范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度與石油烴含量呈正比。通過(guò)測(cè)量熒光強(qiáng)度來(lái)測(cè)定水產(chǎn)品中石油烴含量[29]。

3.2重金屬的測(cè)定

沉積物中重金屬較難遷移，具有殘留時(shí)間長(zhǎng)、隱蔽性強(qiáng)、毒性大等特點(diǎn)，并且可經(jīng)食物鏈的形式進(jìn)入魚(yú)體內(nèi)，或通過(guò)某些遷移方式進(jìn)入水中，從而威脅人類健康與其它動(dòng)物繁衍生息。因此治理重金屬污染的沉積層一直是國(guó)內(nèi)外矚目的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。重金屬的生物毒性不僅與其總量有關(guān)，更大程度上由其形態(tài)分布所決定[30]。不同的重金屬形態(tài)產(chǎn)生不同的環(huán)境效應(yīng)，直接影響到重金屬的毒性、遷移及其在自然界的循環(huán)。在測(cè)定沉積物介質(zhì)的重金屬含量時(shí)，主要采用ICP-MS的儀器分析方法，因?yàn)槔迷游栈蛟訜晒夤庾V的方法已經(jīng)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(zhì)、生物組織基質(zhì)等分析上是一致的。前處理過(guò)程的樣品消化方法因基質(zhì)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(wú)法獲得全部溶解，但可溶性重金屬可以被較完全提取出來(lái)，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(biāo)分析技術(shù)的應(yīng)用

沉積物指標(biāo)分析技術(shù)應(yīng)用很廣泛，如可以應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行水域底質(zhì)成分檢測(cè)，探究重金屬遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程，建立健康水產(chǎn)養(yǎng)殖模式等，最為重要的是可以為漁業(yè)養(yǎng)殖水域的底泥環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)提供手段。隨著國(guó)內(nèi)整個(gè)水體環(huán)境污染形勢(shì)日益嚴(yán)峻，以及高密度和集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖模式不斷發(fā)展，我國(guó)以池塘養(yǎng)殖為主的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境遭到較為嚴(yán)重的破壞。為了提高水產(chǎn)品質(zhì)量，保證水產(chǎn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，迫切須要建立一個(gè)比較有效且統(tǒng)一的沉積物指標(biāo)質(zhì)量水平標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)助控制和改善水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境。沉積物指標(biāo)分析技術(shù)的發(fā)展就是這一標(biāo)準(zhǔn)建立的基礎(chǔ)，利用沉積物指標(biāo)分析技術(shù)試圖尋找各指標(biāo)間的相互關(guān)系，并發(fā)展1個(gè)或幾個(gè)較為靈敏的沉積物指標(biāo)作為環(huán)境檢測(cè)的標(biāo)記物，可以降低沉積物監(jiān)測(cè)的復(fù)雜度。

沉積物中微生物含量十分豐富，其對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與否起著很大作用。尤其對(duì)于漁業(yè)養(yǎng)殖水體而言，底泥中微生物產(chǎn)生的生物效應(yīng)更不容忽視。一方面，微生物對(duì)高飼料量投入的漁業(yè)養(yǎng)殖水體中各類剩余的營(yíng)養(yǎng)因子進(jìn)行分解，促進(jìn)了物質(zhì)循環(huán)，并減少了沉積量；另一方面，微生物群體對(duì)伴隨養(yǎng)殖投入品進(jìn)入養(yǎng)殖水體的一些有害物質(zhì)可能起到一定程度降解作用，從而降低了這些物質(zhì)的蓄積量。微生物分泌的磷酸酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶等胞外酶就是其產(chǎn)生作用的直接體現(xiàn)，這些酶再通過(guò)催化沉積物中氮磷化合物和有機(jī)物等的分解，對(duì)沉積物理化性質(zhì)產(chǎn)生影響[32]。所以筆者認(rèn)為，對(duì)漁業(yè)養(yǎng)殖水域沉積物指標(biāo)分析技術(shù)的研究以微生物研究作為重點(diǎn)，然后以此為中心擴(kuò)展到其他沉積物指標(biāo)的分析，可能是一條很有效的研究途徑?，F(xiàn)今可以利用高通量的測(cè)序技術(shù)對(duì)沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，比以往的方法（如DGGE）更加簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確。利用高通量技術(shù)分析微生物群落的多樣性，再以此為基礎(chǔ)試圖推斷化學(xué)污染物的生態(tài)保護(hù)質(zhì)量基準(zhǔn)，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(chǔ)上推導(dǎo)沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)，能除去地域差異因素，有利于建立國(guó)內(nèi)統(tǒng)一的沉積物指標(biāo)分析監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。如能在這一研究上取得突破，不僅可以通過(guò)測(cè)定微生物群落狀況來(lái)分析沉積物的其他指標(biāo)，更重要的是可以通過(guò)人為引導(dǎo)微生物的群落結(jié)構(gòu)來(lái)改善養(yǎng)殖水域的環(huán)境條件提供理論基礎(chǔ)。

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