全 文 ：沈阳西部污灌渠沉积物中污染物积累与
生态毒性研究 3
宋玉芳1 ,2 3 3 　周启星1 ,2 　宋雪英1 ,3 　张　薇1 ,3 　孙铁珩1 ,2
(1 中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程重点实验室 ,沈阳 110016 ;2 沈阳大学沈阳环境工程
重点实验室 ,沈阳 100041 ;3 中国科学院研究生院 ,北京 100039)
【摘要】　沉积物样品采自沈阳西部污水灌渠的上、中、下游. 进行了污染物 (重金属和矿物油) 含量分析和
生态毒性试验. 结果表明 ,所有沉积物中均有污染物的积累 ,矿物油含量在 400～12500 mg·kg - 1 ,重金属
Cd 为 116～2712 mg·kg - 1 . 沉积物对植物和蚯蚓都有明显的毒性效应. 种子发芽根伸长抑制率为 10 %～
60 % ,蚯蚓试验 14 d 和 28 d 死亡率分别为 0 %～70 %和 0 %～85 %. 体重增长抑制率为 - 2119 %～1717 %
和 - 1816 %～3710 %. 研究表明 ,长期污灌导致河道沉积物中污染物积累和较强生态毒性. 沉积物作为重
要的污染源 ,其污染物迁移与释放对地下水和土壤具有潜在危害.
关键词 　沉积物 　污水灌溉 　蚯蚓 　高等植物 　生态毒性
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 10 - 1926 - 05 　中图分类号 　X17115 　文献标识码 　A
Accumulation of pollutants in sediments and their eco2toxicity in the wastewater irrigation channel of western
Shenyang. SON G Yufang1 ,2 ,ZHOU Qixing1 ,2 ,SON G Xueying1 ,3 ,ZHAN G Wei1 ,3 ,SUN Tieheng1 ,2 (1 Key L ab2
oratory of Terrest rial Ecological Process , Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang
110016 , China ;2 Key L aboratory of Envi ronmental Engineering of S henyang , S henyang U niversity , S henyang
100041 , China ; 3 Graduate School of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100039 , China) . 2Chin. J . A ppl .
Ecol . ,2004 ,15 (10) :1926～1930.
Sediment samples were collected from several sites in the upper ,mid and lower reaches of the petroleum wastewa2
ter irrigation channel in western Shenyang of China ,and the concentrations of their heavy metal Cd and mineral
oil were determined. The results showed that pollutants were accumulated in all test sediments ,with 400～12
500 mg·kg - 1 mineral oil and 116～2712 mg·kg - 1 Cd. The sediments had significant inhibition effects on plant
and earthworm. The inhibition rate of root elongation based on germination test was 10 %～60 %. During 14 d
and 28 d exposure ,the mortality rate of earworm was 0 %～70 % and 0 %～85 % ,and the inhibition rate of its
body weight growth was - 2119 %～1717 % and - 1816 %～3710 % ,respectively. It indicated that a long2term
irrigation with wastewater resulted in the accumulation of pollutants in channel sediments and enhanced eco2toxi2
city. As an important source of pollution ,the migration and release of pollutants in sediments possessed potential
risks to underground water and soil.
Key words 　Sediments , Wastewater irrigation , Earthworm , Higher plant , Eco2toxicity.3 国家自然科学基金项目 (20337170 ,20277041 ,20077029) 、沈阳大
学沈阳环境工程重点实验室基金项目和中国科学院沈阳应用生态研
究所海外留学基金资助项目.3 3 通讯联系人.
2004 - 01 - 04 收稿 ,2004 - 05 - 13 接受.
1 　引 　　言
长期以来中国北方地区面临水资源短缺与水污
染的严重矛盾. 城市污水作为一种重要的资源用于
农业灌溉已有 50 多年历史[6 ,8 ,10 ,25 ] . 污水灌溉使污
水中的水肥资源得到充分利用 ,但污水中的污染物
在土壤积累 ,或沉积在灌渠沉积物 ,这些污染沉积物
通过水流作用重新溶解和分配到水体中 ,通过灌溉
再次进入土壤 ,导致污染物在土壤2植物系统中的迁
移和食物链传输 , 将给人类健康带来潜在风
险[2 ,4 ,11 ,26 ,28 ] .
浑蒲污灌区位于沈阳市西部郊区 ,灌溉面积约 311
×104 hm2 ,灌溉历史长达 40 余年. 该灌区污水为工业
和城市混合污水 ,其中工业污水与城市污水比例 7∶3 ,
工业污水主要来自沈阳市西部重工业区.有关灌区土
壤污染物的积累曾有研究[13 ,16 ,17～19] ,但灌渠沉积物或
底泥的污染状况及生态毒性很少报道[4 ,15 ,22 ,27 ,30].本文
针对浑蒲污灌区污水中污染物的特点 ,通过化学指标
与生态毒理指标结合的方法 ,对沈阳市浑蒲污灌区上、
中、下游沉积物中有代表性污染物的积累与生态毒性
进行研究 ,旨在对长期污水灌溉导致沉积物整体污染
的程度以及生态毒性给予评价.
应 用 生 态 学 报 　2004 年 10 月 　第 15 卷 　第 10 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2004 ,15 (10)∶1926～1930
2 　材料与方法
211 　沉积物
分别于浑蒲污灌区渠道的上、中、下游采集了沉积物 (0
～10 cm)样品 ,并以中国科学院沈阳生态实验站采集的清洁
农业土壤 (0～20 cm) 为对照. 所有样品经过 5 mm 筛 ,使用
前于 4 ℃保存.
212 　试验植物和蚯蚓
供试小麦 ( Triticum aestivum ) 种子购自辽宁省阜新种
子站. 试验开始前进行种子发芽率实验. 将种子放置在潮湿
的滤纸上 ,于暗处 25 ±2 ℃培养 ,种子发芽率 ≥95 %. 供试蚯
蚓 ( Eisenia f etide)购于当地市场 ,蚯蚓重量为 300 ±10 mg.
213 　种子发芽试验
参照国际标准方法组织和 OECD 指南 [9 ,14 ] . 选 20 粒长
势均匀的种子于 60 g 供试沉积物和对照土壤中. 加入适量
蒸馏水使沉积物达到 50 %最大持水量 ( WHC) . 试验使用 9
cm 玻璃培养皿. 对照土壤中种子初生根达 2～3 cm 长后终
止试验. 计算发芽种子数 ,并测定根伸长值. 整个试验在暗处
25 ±2 ℃进行 ,以避免污染物的光诱导植物毒性. 根据初始
试验结果确定小麦根伸长试验周期为 50 h. 沉积物样品和对
照发芽试验均为 3 个重复.
214 　蚯蚓毒性试验
蚯蚓毒性试验参照国际标准方法组织草案 [10 ] . 取事先
在对照土壤中倾吐杂物的蚯蚓 10 条 ,放置在潮湿的滤纸上
吸干水分去除杂物后 ,分别放入装有 500 g 沉积物的棕色广
口瓶中 ,瓶口盖上医用纱布以使瓶内外的空气流通 ,并用橡
皮筋套紧. 试验开始前 ,加入适量蒸馏水保持沉积物湿度为
最大持水量的 60 %. 试验在 20 ±2 ℃进行 ,光照强度为 400
～800 Lx ,光/ 暗交替时间 12 h∶12 h 或 16 h∶8 h. 试验进行
至 7 d 后 ,记数每个试验处理的活蚯蚓数 ,将死亡蚯蚓从容
器中取走. 继续进行试验至 14 d 后记数每个处理的活蚯蚓
数和蚯蚓死亡率 ,同时测定活蚯蚓重量. 试验设 4 个重复 ,对
照土壤与供试沉积物同步进行.
蚯蚓 14 d 毒性试验结束后 ,将活蚯蚓继续保持在试验
容器中培养 2 周. 除了上述条件外 ,每个容器中加入 5 ml 蒸
馏水. 在整个试验过程中 ,蚯蚓不喂养 ,沉积物水分含量通过
定期称重方式检查 ,当水分丢失量超过原始值的 10 %时 ,补
充水含量. 在试验进行的第 2 周记数并计算每个容器中供试
沉积物中蚯蚓死亡率、体重变化率 ,以及可能产生的子代数 ,
沉积物和对照土壤的理化性质见表 1.
215 　污染物成分分析
21511 矿物油含量 　称取 5 g 过 110 mm 筛风干沉积物于
150 ml 三角玻璃瓶中 ,加入 30 ml 三氯苯于恒温水浴 70 ℃
提取 1 h. 提取液通过装有 5 g 无水硫酸钠的容器中过滤水
分 ,重提取步骤 2 次 ,合并有机提取相. 样品的矿物油含量用
紫外分光光度仪测定 [3 ] .
21512 Cd 含量　称取 015 g过 1 mm风干沉积物于 100 ml 烧
杯中 ,加入 20 ml 王水 (HNO3∶HClO4 V∶V ,3∶1)在 180 ℃砂浴
上硝化 18 h ,提取液转移到 100 ml 容量瓶中 ,用去离子水稀释
定溶至 100 ml ,原子吸收分光光度计测定 Cd 含量[24 ] .
3 　结果与讨论
311 　沉积物中污染物的积累
由图 1 可见 ,重金属 Cd 在沉积物中均有明显
积累. 最高积累量达 2713 mg·kg - 1 . 从污染物的迁
移分布规律可见 ,重金属 Cd 在灌渠中发生了至上
而下的迁移 ,即在灌渠上、中游沉积物中的积累量比
较高. 灌渠下游含量明显减少. 从表 1 可见 ,下游沉
积物的酸度较低 ,p H 值在 4164～5107 之间. 这对沉
积物中重金属的重新溶解与释放提供了有利条件 ,
将加剧其向土壤和地下水迁移 ,造成较为严重的生
态危害[5 ,23 ] .
图 1 　污灌渠沉积物中 Cd 含量
Fig. 1 Content of Cd in sediments of wastewater irrigation channel.
表 1 　沉积物的某些物理化学性质
Table 1 Some selected physico2chemical properties of sediments tested
采样点 3
Sample sites
p H 有机质 Organic
matter ( %)
物理性质 Physical properties( %)
粘粒 Clay 粉砂粒 Silt 砂粒 Sand
土壤质地
Soil texture
1 5198 10140 14161 25137 60102 砂质壤土 Sandy loam
2 5160 14130 23179 56164 19157 粉 (砂)质粘土 Silt sandy clay
3 5162 11411 19105 58161 22134 粉 (砂)质粘壤土 Silt sandy clay loam
4 5193 28161 19107 29102 51191 粘壤土 Clay loam
5 5166 17103 22169 27127 50104 粘土 Clay
6 5170 1195 16159 18171 64170 砂质粘壤土 Sandy clay loam
7 4164 1144 11179 14115 74106 砂质壤土 Sandy loam
8 5107 7127 29138 62194 7168 粉 (砂)壤土 Silt sandy loam3 样品沿灌渠首自上而下采集 1 渠首为 1 号 ,渠尾为 8 号 ,其他位于两者之间 Samples collected from head to the lower reach along the channel ,
No. 1 was collected from the head and No. 8 was from the end of channel ,and the others were obtained between these two points.
729110 期 　　　　　　　　　　宋玉芳等 :沈阳西部污灌渠沉积物中污染物积累与生态毒性研究 　　　　　　　　　　　
312 　沉积物中的矿物油
由图 2 可见 ,多数沉积物样品中有矿物油积累 ,
但渠首和渠尾沉积物中矿物油含量大致相当 ,分别
为 5 024 和 3 639 mg·kg - 1 ,灌渠中游沉积物的矿物
油含量最高 ,分别为 10 936 和 12 304 mg·kg - 1 . 灌
渠中游沉积物矿物油含量高与沉积物的物理化学性
质有关. 例如 ,中游沉积物有机质含量高 ,物理性状
为粘壤土和粘土 (表 1) ,对污水中的污染物具有更
强的吸附性能 ,导致污染物在细小沉积物颗粒上沉
淀并积累. 在此条件下 ,矿物油的降解速率也受到一
定限制. 而其他沉积物中有机质含量较低 ,物理性状
属砂质壤土或粉 (砂)质粘土 (表 1) . 此外 ,沉积物中
矿物油含量的增加也可能与非点源污染有关. 由图
2 可见 ,沉积物中矿物油的积累与分布特性与污水
沿灌渠至上而下的分布与自净作用规律不相关 ,这
可能受不同条件下有机污染物的光降解、好氧和厌
氧生物降解速率等因素影响[12 ,29 ] .
图 2 　污灌渠沉积物中矿物油含量
Fig. 2 Content of mineral oil in sediments of wastewater irrigation chan2
nel.
313 　沉积物的植物毒性
由图 3 可见 ,所有沉积物都对植物生长产生毒
性 ,导致对小麦根伸长不同程度的抑制效应. 从小麦
根伸长抑制率结果看 ,采自灌渠之首的沉积物并没
有显示最大的毒性效应 ,其根伸长抑制率仅为 22 %
和 35 %. 同样 ,采自灌渠之尾的沉积物的植物根伸
长抑制率为 37 %和 17 %. 河道的净化与稀释作用并
没有使其毒性减少. 采自灌渠中的沉积物 (3 号和 4
号)对植物生长的毒性抑制作用最强 ,抑制率分别达
58 %和 51 %. 按照抑制率大小排列 ,沉积物的植物
毒性强度依次为 :4 > 5 > 7 > 2 > 1 > 8 > 3 > 6. 植物毒
性代表了沉积物整体的环境质量性质 ,与所有污染
物组分的生物有效性有关. 宋玉芳等[20 ]以投加重金
属进行的实验室植物毒性结果表明 ,单一污染物导
致白菜根伸长抑制率 Cd 为 30 mg·kg - 1 ,Cu 为 100
mg·kg - 1 ,Zn 为 200 mg·kg - 1[5 ] .
图 3 　沉积物对小麦根伸长抑制率
Fig. 3 Inhibition rate of sediments on root elongation of wheat .
314 　沉积物对蚯蚓的毒性致死效应
由图 4 可见 ,有 4 组沉积物对蚯蚓产生致死毒
性效应. 其中 5 号沉积物的毒性最强 ,14 d 和 28 d
致死率分别为 70 %和 85 %. 4 号沉积物毒性其次.
14 d 死亡率为 30 % ,28 d 达 4215 % ,采自灌渠首的
沉积物的毒性明显低于上述 2 个样品. 2 号沉积物
14 d 致死率为 15 % ,28 d 死亡率未见增加. 1 号沉积
物 14 d 和 28 d 蚯蚓致死率均低于 10 %. 3 号、7～8
号沉积物对蚯蚓的致死率为零. 在 28 d 试验期内 ,
对照土壤蚯蚓死亡率为零. 以蚯蚓致死率划分沉积
物的毒性 ,其顺序依次为 :5 > 4 > 2 > 1 > 6 ,7 ,8 ,3. 从
图 1、2 所得重金属和矿物油的总量可见 ,这两类污
染物的总浓度不高 ,从已有的实验室结果分析可见 ,
单一有机物产生 10 %的蚯蚓死亡率的浓度均很高 ,
菲为 50 mg·kg - 1 ,1 ,2 ,42三氯苯为 100 mg·kg - 1 ,而
芘的浓度为 2000 mg·kg - 1时仅有 5 %的蚯蚓死亡.
可见上述沉积物对蚯蚓的致死效应来自沉积物的综
合毒性[21 ] .
图 4 　沉积物中蚯蚓死亡率动态变化
Fig. 4 Dynamic variation of mortality rate of earthworms in sediments.3 n1～n4 为样品的 4 个平行 n1～n4 were 4 replicates. 下同 The same
below. a)样点 1 Site 1 ;b)样点 2 Site 2 ;c)样点 4 Site 4 ;d)样点 5 Site
5.
315 　沉积物对蚯蚓体重增长的抑制效应
由图 5 可见 ,所有沉积物都对幸存蚯蚓生长显
示毒性作用 ,但毒性响应不同. 14 d 时多数沉积物
(1～3 和 6～8 号) 对蚯蚓有生长刺激作用 ,导致蚯
8291　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
蚓体重明显增加. 28 d 后一部分 (3、6、8 号) 沉积物
对蚯蚓体重的刺激作用转为抑制作用. 另一部分刺
激作用 (1、7 号)减弱或增强 (2 号) ,表明这些沉积物
中污染物含量总体水平较低. 研究表明 ,在一定时间
内 ,低剂量毒物对生物有机体的毒作用主要表现形
式为刺激作用 ,而高剂量时表现为抑制作用[12 ,13 ] .
随时间延长毒性作用的形式会发生分化 ,这取决于
污染物的性质. 例如 ,随时间延长本实验中的某些沉
积物对蚯蚓生长的抑制作用增强 ,说明这些沉积物
对蚯蚓的毒性在增强 ,刺激作用减弱也是抑制作用
的一种表现形式.
图 5 　沉积物中蚯蚓体重增长抑制率
Fig. 5 Inhibition rate of body weight of earthworms in sediments.
a)样点 1 Site 1 ;b)样点 2 Site 2 ;c)样点 3 Site 3 ;d)样点 6 Site 6 ;e)样
点 7 Site 7 ;f)样点 8 Site 8.
　　当蚯蚓在 14 d 实验中产生 10 %的致死率 ,这表
明这种环境介质有较强的毒性 [7 ,10 ,21 ] . 这种情况
下 ,亚急性毒性效应只能反映幸存生物个体对毒性
环境的特殊适应性 ,不代表沉积物的实际毒性. 在本
实验中 ,代表性沉积物有 4、5 号. 在 28 d 实验期内 ,
对照土壤蚯蚓体重略有增加 ,但总体变化不大. 整个
实验过程中所有蚯蚓都没有喂养 ,受到的饥饿状态
相同. 从对照蚯蚓体重的微小变化说明 ,单纯饥饿对
蚯蚓生长的影响明显不同于污染胁迫的影响. 显然 ,
沉积物中蚯蚓体重的变化与污染胁迫密切相关 ,而
饥饿状态下只能使这种胁迫的作用加强[6 ] .
316 　污染物含量与毒性的相关性分析
试验结果表明 ,供试沉积物中污染物积累程度
与毒性之间存在相互关系. 具体分为以下情况 :1)污
染物高积累 ,其植物毒性和/ 或动物毒性也高 ,代表
性沉积物为 4、5 号 (Cd 和矿物油含量高) ,这类沉积
物属显性毒性污染物 ;2)污染物低积累 ,植物毒性和
蚯蚓亚急性毒性明显. 代表性沉积物为 7 号 ,其植物
生长抑制率 36168 % ,体重增长抑制率 - 2118 %. 该
沉积物具有明显的急性和亚急性毒性. 这类从化学
尺度上轻度污染的沉积物 ,其潜在的毒性属性需进
一步界定 ;3)污染物中等积累 (3、6、8 号) ,植物毒性
和动物毒性都不高. 代表性沉积物为 1、2 号. 这说明
这类沉积物整体的毒性组分相对少.
4 　结 　　论
411 　本研究表明 ,沉积物中各类污染物有明显积
累 ,所有沉积物都显示不同程度的植物毒性和土壤
动物毒性. 其中 ,亚急性毒性效应更为明显.
412 　污染物高积累的沉积物 ,其植物毒性和动物毒
性也高 ;污染物低积累的沉积物 ,其植物毒性和动物
毒性也明显. 污染物积累中等水平的沉积物 ,其植物
毒性和动物毒性较低. 污染物含量水平相当的一类
沉积物 ,它们的毒性效应有明显差别.
413 　本研究表明 ,以化学分析和生态毒理指标结合
的方法 ,可以对环境样品的整体毒性和环境危害性
给予科学的评价 ,以避免单纯化学分析对其生态风
险及危害的片面分析.
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作者简介 　宋玉芳 ,女 ,1954 年 10 月出生 ,博士 ,研究员. 从
事陆地生态系统污染生态学研究 ,发表论文 50 余篇. E2mail :
Songyufang @hotmail. com
0391　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷