Cd、Cu污染对玄武湖底泥甲烷产生的影响变化规律
- 研究背景和目的
近年来，随着全球气候变化日趋明显，对温室气体等影响全球气候变化因素的研究也越来越深入，湿地在全球碳循环中起着重要作用，其在固碳的同时还会释放大量的甲烷等温室气体，因此，湖泊湿地的碳源和碳汇功能成为全球气候变化的重点研究问题之一。城市湖泊多属静止或缓流水体，由于地理位置的特殊性，相对封闭，交换能力差，底泥较厚，是温室气体重要的源和汇。因其位于内陆，受人为影响较大，与陆地生态系统的物质、能量、信息交换强烈，有机质和 N、P 等营养物质丰富，常处于富营养状态，陆源有机物的大量输入及其在底泥中的储存会刺激水生生物和微生物的新陈代谢，是温室气体的重要排放源[1]。湖泊底泥是水体污染物的重要载体，积聚了大量的Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和Ni等重金属污染物，其成分和结构相对稳定，不易发生变化，底泥中重金属污染问题是全世界环境研究人员长期关注的重要问题之一[2]，但是关于其对湖泊湿地中甲烷产生的影响的相关研究目前鲜有报道。因此，选择Cd、Cu等重金属污染对玄武湖底泥甲烷产生的影响的研究对于阐明湖泊湿地产生甲烷具有重要意义。
甲烷（CH4）是厌氧条件下微生物对有机物分解而产生的，它对全球气候变暖和对流层臭氧破坏具有重要的影响，其增温效应约占所有温室气体总效应的15%~20%[3]，对全球变暖的贡献仅次于CO2，若考虑20年时间尺度，单位质量CH4的增温潜势为CO2的62倍[4]。在中国，湿地总面积为32.4万km2，其中以内陆沼泽(35%)和湖泊湿地(26%)为面积最大、分布最广的两类湿地，共计占到全国湿地总面积的61%。其中，中国境内(包括香港、澳门和台湾)共有1.0 km2 以上的自然湖泊2693个, 总面积 81414.6 km2 , 约占全国国土面积的 0.9%[5]。但是迄今为止，国内对湖泊水体甲烷释放的研究主要集中在太湖、乌梁素海等湖泊，对其他湖泊(特别是大型湖泊)CH4释放的研究则鲜见报道[6]。
研究表明，甲烷是大气温室气体中增长速率最快的一种，其浓度已经从1750年的0.722 micro;L L-1增加到2011年的1.803 micro;L L-1，100年尺度下的增温潜势是二氧化碳的25倍[7]。自然湿地是最大的甲烷排放源，其甲烷排放量为177~284 Tg yr-1，占全球甲烷年总排放量的21~40%。长期以来，湖泊等淡水生态系统甲烷排放的研究还相对较少。然而，湖泊水-气界面的碳释放也是全球碳循环的重要组成部分，其温室气体的排放和全球变暖直接相关。湖泊底泥有机碳固定速率受水体营养程度、农业集约化程度及土地利用类型的变化等因素显著影响，人为活动的增强有利于湖泊底泥有机碳固定[8]。而城市湖泊往往受人类干扰强度高、物质循环机制复杂，与流域性湖泊相比，城市湖泊直接受纳城市生活污水、城市地表径流污水等，污染物类型和数量更丰富、更复杂。本文选取玄武湖为研究对象，采集城市湖泊不同区域底泥土样，研究城市湖泊底泥产甲烷潜力与Cd、Cu重金属污染物之间的关系及其响应机制，对于控制含重金属的污水排放，优化湖泊环境和湖泊治理方案更新提供科学依据。
- 研究现状概括
目前，城市湖泊水体的富营养化及重金属的污染已经逐渐成为我国湖泊水体面临的主要问题[9]。
2.1湖泊底泥甲烷排放的相关研究
湖泊底泥中甲烷的排放主要由甲烷产生、甲烷的氧化和甲烷向大气排放3个相互联系的基本过程组成。甲烷产生是产甲烷菌在厌氧条件下分解有机物而代谢产生，部分甲烷由甲烷氧化菌氧化成二氧化碳间接排放到大气，甲烷的排放还包括植物吸收后间接排放至大气和直接排放至大气两种方式[10]。目前对于湿地甲烷排放的相关研究集中于湿地甲烷排放通量相关方面。对于湖泊湿地产甲烷潜力的研究鲜有报道，对于甲烷排放潜力的研究也有助于甲烷排放模型更好地搭建。
对于湖泊底泥产甲烷的研究主要集中于产甲烷菌和甲烷氧化菌。湖泊底泥DOC含量是控制湖泊产甲烷菌的关键因素，外源有机碳添加能增强湖泊底泥产甲烷菌活性，进而显著提高底泥的产甲烷潜力[11]。Sanchez等(1996)证实Cu和Zn污染对主要产甲烷菌产生明显的影响，且抑制作用会随着厌氧条件的变化而扭转[12]。Sarioglu等(2010)则发现Cu、Zn、Ni、Pb等重金属抑制底泥产甲烷潜力的浓度不同，产甲烷潜力对Pb污染最敏感，对Cu的耐受能力最强[13]。然而，研究表明在无外源有机碳输入的情况下，Cu污染能显著降低湿地甲烷排放。随着Cu污染浓度的增加抑制效果越明显，但甲烷氧化菌活性对Cu污染的敏感性较产甲烷菌更甚。淡水湿地中，甲烷的氧化主要由好氧氧化菌驱动完成。研究表明不同重金属污染物对甲烷氧化活性影响不同，或抑制或刺激[14]。然而，最新的研究发现淡水湖泊底泥中普遍存在着反硝化型的甲烷厌氧氧化，但Ba、Cu、Zn等重金属污染物对甲烷的厌氧氧化均表现为抑制作用，其抑制效果与重金属污染物浓度有关。可见，湖泊底泥重金属污染物对甲烷产生、氧化的影响因污染物形态类型的不同而不同，其影响机制尚有待揭示。
2.2重金属与甲烷排放的关系
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