CN102344200A

CN102344200A - 一种海洋污染沉积环境的原位生物修复方法

Info

Publication number: CN102344200A
Application number: CN2011101918727A
Authority: CN
Inventors: 周一兵; 杨大佐; 何洁; 王斌; 陈雪; 周笑笑; 刘海映
Original assignee: Dalian Ocean University
Current assignee: Dalian Ocean University
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: CN102344200B

Abstract

一种海洋污染沉积环境的原位生物修复方法，其主要是：在受重金属污染或富营养化程度高的滩涂即修复区构筑长堤，并对滩涂进行机械翻耕；于春季在修复区进行翅碱蓬人工播种、建群；在移殖沙蚕苗种前向修复区滩面施加经发酵、晒干并碾碎的畜禽类有机肥，向上述修复区移入10刚节以上的沙蚕苗种。本发明采用沙蚕和翅碱蓬构建沙蚕—翅碱蓬原位联合生物修复***，通过对滩涂改造为沙蚕和翅碱蓬生长提供适宜的条件；强化沙蚕在沉积环境中对如重金属等污染物生物利用的优点，从而促进翅碱蓬对污染物的生物可利用性，以及生物富集过程。实现沙蚕与翅碱蓬相互之间在沉积环境中的生态与代谢途径互补，从而提高原位联合生物修复过程的效率。

Description

一种海洋污染沉积环境的原位生物修复方法

技术领域

本发明涉及一种治理环境污染的方法，特别是治理海洋环境污染的方法。

背景技术

由于沿海城镇工业和生活污水的排放以及海水养殖业的发展，使近海滩涂污染严重，特别是碳、氮、磷富营养化问题。目前尚无有效地大面积治理该污染问题的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适应性强、生物利用性高、能大面积治理海洋污染沉积环境的原位生物修复方法。本发明主要是：建立沙蚕—翅碱蓬原位联合生物修复体系，即让沙蚕与翅碱蓬在被污染的海洋沉积环境中生长、代谢，同时它们又将海洋沉积环境进行原位生物修复的方法。

本发明的具体内容如下：

1、修复区改造：在受重金属污染或富营养化程度高的滩涂即修复区构筑长堤，最好修复区下限（即远离岸边的界限）构筑高10 cm ～20 cm长堤；并对长堤内的滩涂进行机械翻耕，最好松土深度大于30 cm，营造有利于沙蚕潜居的滩涂沉积环境。

2、修复区滩面栽种翅碱蓬：于春季在修复区进行翅碱蓬人工播种、建群。最好播种密度为1kg/亩～2kg/亩；播种时滩面温度3～4℃，底质5cm，土温约-2℃。

3、修复区施肥：在移殖沙蚕苗种前，最好一周内，按450～750kg/公顷向修复区滩面施经发酵、晒干并碾碎的畜禽类有机肥，最好30-50目，该有机肥占沉积物质量百分比的1%～5%，其计算方法为单位面积（如1平方米内）取样，分离以后计算有机肥与沉积物质量比。

4、投放沙蚕苗种：向上述修复区移入10刚节以上的沙蚕苗种，最好投放密度为15万条/公顷～45万条/公顷。该沙蚕苗种为沙蚕科围沙蚕属的双齿围沙蚕、多齿围沙蚕，或刺沙蚕属的日本刺沙蚕。

5、修复区管理：修复区禁止人工采捕沙蚕及破坏滩涂表面刺碱蓬植被。再是大潮来临后，进行滩面检查，发现冲毁的刺碱蓬，要及时进行补种。

生物修复技术可分为原位生物修复和异位生物修复。原位生物修复方法适合大面积污染的治理，且具有勿需移动沉积质、成本低、操作简单等优点。在我国北方沿海，潮间带、河口潮滩生物区系植被多以翅碱蓬为典型代表，具有顽强的生命力、高产力和扩张优势。这些特点为海滨湿地的保护与生态修复提供了先锋植物种质资源的保证。同时，在其分布的滩涂沉积质中，有机质丰富，土壤通气、保水、保肥，这种综合的改土作用又形成了有利于多毛类沙蚕的生境，可使沙蚕生物量较大幅度上升。另一方面，沙蚕和翅碱蓬对多种典型污染物具有较强的富集能力和耐受性，尤其，沙蚕在重金属污染土壤中能通过多种机理使难溶态重金属活化为有利于植物吸收的溶解态和易溶态，提高植物对重金属的生物利用性，并通过提高土壤中速效养分含量，促进翅碱蓬生长，显著提高植物的修复效果。因此，将广泛分布于我国北方河口潮滩、湿地的特有优势种双齿围沙蚕（Perinereis aibuhitensis Grube）和翅碱蓬（suaeda heteroptera kitag）作为生物资源恢复与沉积生境修复类群，一方面，具有重要的经济意义，形成滩涂沙蚕、翅碱蓬资源生物的可持续利用和开发模式，构成低碳渔业的重要组成；另一方面，构建、开发原位联合生物修复***及其相关工程强化措施，使之成为河口陆海交错带沉积环境的重要碳汇，可对富营养化（C、N、P）、污染严重的滩涂沉积质进行生境修复，为我国滩涂、浅海和湿地污染沉积质恢复和重建提供有效途径。

本发明具有如下优点：本发明采用沙蚕和翅碱蓬构建沙蚕—翅碱蓬原位联合生物修复***，通过各种滩涂改造工程强化措施，保持拟修复滩涂中沙蚕和翅碱蓬种群的生产力、及其发展的适宜条件；强化沙蚕在沉积环境中对如重金属等污染物活化的优点，从而促进翅碱蓬对污染物的生物可利用性，以及生物富集过程。实现沙蚕与翅碱蓬相互之间在沉积环境中的生态合作与代谢途径互补，从而提高原位联合生物修复过程的效率。

附图说明

图1是本发明中双齿围沙蚕干重与湿重的关系图。

图2是本发明中接入沙蚕翅碱蓬地上部分铜蓄积量图。

图3是本发明沙蚕对翅碱蓬地上部分铜蓄积的影响图。

图4是本发明沙蚕对翅碱蓬地下部分铜蓄积的影响图。

图5是本发明沙蚕对沉积土壤中有效铜含量的影响图。

图6是本发明沙蚕在沉积土壤不同铜浓度下的生物富集图。

具体实施方式

实施例1

选择辽宁省盘山县双台子河口位于辽东湾的1000亩地势平坦、靠近河口、大潮汛可自然纳潮4次以上、适宜翅碱蓬生长，且富含有机质的中高潮滩涂作为修复区。该修复区滩凃总有机碳（TOC）含量因季节不同而变化，变化范围8.28mg/g～19.02mg/g；总磷含量变化范围为0.37mg/g～0.53 mg/g；总氮含量0.512mg/g。

在上述修复区下限构筑高10 cm 长堤；并对长堤内的滩涂进行机械翻耕，松土深度需大于30 cm。并于翌年3月中旬始于修复区表层开始解冻时进行翅碱蓬人工播种，撒播密度为1kg/亩。播种时滩面温度3℃，底质5cm，土温约-2℃。在移殖沙蚕苗种前一周内按450kg/公顷向修复区滩面施经发酵、晒干并碾碎过30目筛的畜禽类有机肥，该有机肥占沉积物质量的1%。在滩涂退潮后于傍晚向上述修复区移入10刚节以上的双齿围沙蚕苗种，投放密度为15万条/公顷。然后就进行常规的管理，即修复区禁止人工采捕沙蚕及破坏滩涂表面刺碱蓬植被。再是大潮来临后，进行滩面检查，发现冲毁的刺碱蓬，要及时进行补种。

沙蚕和翅碱蓬生物资源种群的评价：选取试验滩涂于翌年春季（5月）、夏季（8月）和秋季（10月）进行沙蚕和翅碱蓬密度和生物量调查。调查共设置 3 个站位。每站位均采用0.25m×0.25m×0.30m采样框取样4次，经孔径1mm分样筛筛选，做定量测定。根据沙蚕和翅碱蓬平均密度(N，ind/m²)和平均个体重量（W，g），估算沙蚕和翅碱蓬生产量。

沙蚕和翅碱蓬C、N、P的含量：取滩涂采集的双齿围沙蚕和翅碱蓬进行湿重与干重关系测定，结果表明，沙蚕和翅碱蓬干组织比例分别为24.8%和23.3%；对沙蚕和翅碱蓬组织干重进行生化分析表明，沙蚕组织干重中N、P和C含量分别为81.3mg/g、0.58mg/g和346mg/g；翅碱蓬组织干重中N、P和C含量分别为：25.6mg/g、0.16mg/g和375mg/g。参见下表：

附表1 双齿围沙蚕和翅碱蓬生物体的生化组成

另在图1所示的本发明双齿围沙蚕干重与湿重的关系图中，干重（dw）单位g，湿重（ww）单位g，回归关系式:dw=0.2578ww-0.0098,R²=0.9216.

本发明试验表明，由沙蚕年产量平均为44kg/亩，翅碱蓬产量平均为106.7kg/亩；可推算出整个试验区1000亩沙蚕、翅碱蓬资源总产量分别为44000kg和106700kg。沙蚕对C、N、P的年积累量分别为：

碳：44kg/亩×1000亩×24.8%×34.6% = 3775.55kg；

氮：44kg/亩×1000亩×24.8%×8.13%= 887.15kg；

磷：44kg/亩×1000亩×24.8%×0.058%= 6.33kg；

翅碱蓬对C、N、P的年积累量分别为：

碳：106.7kg/亩×1000亩×23.3%×37.5% = 9322.9kg；

氮：106.7kg/亩×1000亩×23.3%×2.56%= 636.44kg；

磷：106.7kg/亩×1000亩×23.3%×0.016%= 3.98kg；

二者可以生产量的形式积累试验区滩涂土壤碳合计为13098.45kg；氮1523.59kg；磷10.31kg。

实例2

取辽宁省盘山县双台子河口位于辽东湾滩涂表层0-30cm沉积质，其各项指标如下： Ph=8.3，重金属铜30.068mg/kg，镉0.224mg/kg，铅10.125mg/kg，锌42.765mg/kg，有机质3.67%，总氮0.07%，用其进行处理重金属试验。

向该试验土壤中施入经发酵、晒干并碾碎过50目筛的畜禽类有机肥。称取0.5kg的风干磨碎沉积质于塑料盆钵（直径10cm）中，依据《海洋沉积物质量标准》（GB 18668-2002），分别以CuSO₄形式加入0mg/kg，100mg/kg，200mg/kg，400mg/kg的二价铜离子（Cu²⁺），室内干湿交替培养1个月，达到平衡后，移栽具有6片真叶的翅碱蓬幼株（每盆20株），并在每盆中接入沙蚕2条，平均体重为1.5g；以不接入沙蚕的相应处理为对照；光照培养箱内培养，培养条件为：每天光照14小时，光强8800Lux，白天温度为22℃，夜晚温度为18℃，生长4周收获。每天用1.5%的稀释海水浇灌两次，保持沉积质维持滩涂土壤持水量的70%左右，实验每个处理组设20个重复。试验结束时，收获翅碱蓬，分别测定翅碱蓬地上部分和地下部分二价铜离子（Cu²⁺）含量，地上部分和地下部分植株鲜重和干重及翅碱蓬体内的N、P含量；同时取各处理组沉积质样品，测定沉积质中有效态铜含量，pH值及有效N、P含量。沙蚕每隔2d取样一次，每次随机取沙蚕3尾，称量其湿重后，经烘干称重、消化、中和、定容后用原子火焰吸收法测定沙蚕体铜含量。以时间对铜蓄积量作图。

本发明试验表明：

1、沙蚕可显著促进翅碱蓬对二价铜离子（Cu²⁺）的蓄积。在未接入沙蚕组中，翅碱蓬地下部分对铜的蓄积平均为115.91mg/kg，极值为92.59+8.63mg/kg和189.0+48.53mg/kg；在接入沙蚕组中，翅碱蓬地下部分铜蓄积平均为237.99mg/kg，变化范围是127.1+6.8mg/kg～429.9+15.6mg/kg；接入沙蚕翅碱蓬地下部分蓄积的铜平均要高出122.07mg/kg，二者表现出极显著差异（P＜0.01），参见附图3、4。同样，接入沙蚕亦能显著增加翅碱蓬地上部分对铜的蓄积，未接入沙蚕，翅碱蓬铜含量平均为39.06mg/kg，变化范围17.85+1.304mg/kg～63.69+4.798mg/kg；接入沙蚕，翅碱蓬地上部分铜蓄积平均是99.33mg/kg，极值为48.64+4.024mg/kg和134.9+22.90mg/kg，亦高出60.27mg/kg，二者之间亦表现出极显著差异（P＜0.01），参见附图2。

2、沙蚕的生物扰动可促进翅碱蓬对重金属的生物利用性。沙蚕对沉积土壤中CaCl₂-Cu和DTPA-Cu含量的影响参见附图5：土壤中DTPA-Cu含量均随处理浓度升高而增加；未接入沙蚕，各处理组土壤DTPA-Cu平均为34.573mg/kg，极值为1.292+0.31mg/kg～79.94+6.2mg/kg，最高值存在于铜400mg/kg条件下；接入沙蚕，土壤中DTPA-Cu平均为31.72mg/kg，变化于1.662+0.011mg/kg和58.59+4.60。两者差异虽未见显著，但在200mg/kg处理条件下，接入沙蚕组高于未接入沙蚕组9.57mg/kg。

沙蚕对土壤中CaCl₂-Cu含量的影响则极其显著，参见附图5。由附图5可见，土壤CaCl₂-Cu含量亦随铜的处理浓度升高而增加。在接入沙蚕条件下，土壤中CaCl₂-Cu含量平均为0.531mg/kg，极值为0.209mg/kg和0.751mg/kg；未接入沙蚕，CaCl₂-Cu平均为0.397mg/kg，变化于0.194mg/kg～0.569mg/kg之间；总体来看，接入沙蚕交换态Cu浓度较未接入高出0.01mg/kg～0.18mg/kg。二者存在显著差异（P＜0.01）。

3、于土壤不同浓度二价铜离子（Cu²⁺）处理条件下，沙蚕随时间对二价铜离子（Cu²⁺）蓄积的变化趋势参见附图6。由附图6可见，不同处理浓度下沙蚕对铜的蓄积顶点时间相似，均于试验第18天左右达到蓄积最高水平，但蓄积量则与土壤铜浓度呈正相关。在蓄积顶点，各处理浓度沙蚕体内二价铜离子（Cu²⁺）的蓄积分别达到72.66mg/kg，85.76mg/kg和96.66mg/kg；分别为对照组的3倍～7倍。其中，土壤处理浓度400mg/L下，蓄积浓度为96.66mg/kg，可见沙蚕对二价铜离子（Cu²⁺）的蓄积是随着处理浓度升高而增加的。由图5数据，可计算出沙蚕对铜蓄积的生物浓缩系数（BCF）和蓄积平衡状态下的最大蓄积量（C_Amax，mg/kg），结果参见下表：

浓度（mg/kg）	100	200	400
				BCF	1.28	0.78	0.36
C_Amax(mg/kg)	58.62	71.45	82.44

附表2 在土壤不同铜浓度下沙蚕对二价铜离子（Cu²⁺）的生物浓缩系数和最大蓄积量

由上表可见，在沉积土壤铜100mg/kg～400mg/kg范围内（分别为海洋沉积质第二类标准、第三类标准和超海洋沉积质第三类标准2倍），沙蚕对铜的最大蓄积量平均为70.84mg/kg。

由上述结果，根据试验区潮滩沙蚕产量44kg/亩、翅碱蓬产量106.7kg/亩，当土壤铜含量为200mg/kg（海洋沉积质第二类标准）时，以沙蚕蓄积平衡的最大蓄积量71.45mg/kg和翅碱蓬平均蓄积量168.66mg/kg计，整个示范区（1000亩）沙蚕对铜的蓄积量为：44kkg/亩×1000亩×24.8%×71.45mg/kg ÷1000= 779.66g；翅碱蓬对铜的积累量为：106.7kg/亩×1000亩×23.3%×168.66mg/kg ÷1000=4193.7 g。二者合计可蓄积重金属铜为4972.73g。需要指出，此种状况下，沙蚕和翅碱蓬不应作为渔业产品收获，其生产量可采取焚烧、大尺度空间分散或填埋等后处理方式，使之再释放到环境中的重金属含量低于环境背景值水平（安全标准）。

Claims

1.一种海洋污染沉积环境的原位生物修复方法，其特征在于：

1）、在受重金属污染或富营养化程度高的滩涂即修复区构筑长堤，并对长堤内的滩涂进行机械翻耕；

2）、于春季在修复区进行翅碱蓬人工播种、建群；

3）、在移殖沙蚕苗种前向修复区滩面施加经发酵、晒干并碾碎的畜禽类有机肥，

4）、向上述修复区移入10刚节以上的沙蚕苗种。

2.根据权利要求1所述的一种海洋污染沉积环境的原位生物修复方法，其特征在于：在修复区下限构筑高10 cm ～20 cm长堤。

3.根据权利要求1或2所述的一种海洋污染沉积环境的原位生物修复方法，其特征在于：松土深度大于30 cm。

4.根据权利要求3所述的一种海洋污染沉积环境的原位生物修复方法，其特征在于：翅碱蓬人工播种密度为1kg/亩～2kg/亩。

5.根据权利要求4所述的一种海洋污染沉积环境的原位生物修复方法，其特征在于：翅碱蓬人工播种时滩面温度3～4℃，底质5cm，土温-2℃。

6.根据权利要求5所述的一种海洋污染沉积环境的原位生物修复方法，其特征在于：在移殖沙蚕苗种前一周内施有机肥。

7.根据权利要求6所述的一种海洋污染沉积环境的原位生物修复方法，其特征在于：按450～750kg/公顷向修复区滩面施有机肥。

8.根据权利要求7所述的一种海洋污染沉积环境的原位生物修复方法，其特征在于：该有机肥占沉积物质量百分比的1%～5%。

9.根据权利要求8所述的一种海洋污染沉积环境的原位生物修复方法，其特征在于：沙蚕苗种投放密度为15万条/公顷～45万条/公顷。