玄武湖重金属污染物对底泥甲烷产生的影响研究
1.大气甲烷的变化
气候变化是当今世界面临的重大挑战。由于大气中的温室气体不断增加而导致全球变暖，所引发的环境问题越来越收到人们的重视[1-3]。而温室气体的不断增加，主要是由于人类社会生产生活排放导致。遏止全球气候变暖的趋势，是当前所有人的使命。随着全球气候变化问题越来越成为全球关注的热点，为了应对这一人类共同难题，全球跨区域合作也在不断加强。自从1992年里约热内卢环境发展大会以来，国际先后制定了《蒙特利尔议定书》、《联合国气候变化框架公约》、《马拉喀什协定》、《京都议定书》、《巴黎协定》、《巴厘行动计划》、《哥本哈根协议》等一系列重要文件协定[4]。在过去的130年里，地球地表温度上升了约0.85℃[5]。甲烷(Methane,CH4 )是全球第二大温室气体，仅次于二氧化碳，虽然在大气中的含量远不如二氧化碳，但其增温的潜力是二氧化碳的28倍左右[6]。有研究表明,自工业革命以来,大气中CH4的浓度已从722 mu;g/L增至1830 mu;g/L，虽然其仅占全球人为温室气体年排放总量的16%,但其对温室效应贡献率高达30%,且大气中CH4的浓度以每年1.0%～1.2%的速度持续增长[7]。在这样一个严峻的情势下，全球的气候科学家们都表示必须阻止温室气体含量的不断增加，并在2015年~2020年间开始减少排放。全球气候不断变暖，温度在逐年升高。科学家们预计要想阻止全球平均气温再上升2℃，到2050年，全球温室气体减排量需要达到1990年水平的80%。
2.重金属对产甲烷的影响
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[8]。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。有研究发现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[9]。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。湿地土壤甲烷氧化菌的氧化作用是甲烷唯一的生物汇，甲烷氧化分为好氧氧化和厌氧氧化。淡水湿地中，甲烷的氧化主要由好氧氧化菌驱动完成[10]。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[11]。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[12]。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。玄武湖和莫愁湖均位于南京城区，周边人口稠密，为典型的城市浅水湖泊。污染物随生活污水和地表径流污水排入湖内，湖泊底泥作为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，其形态以有机结合态和残渣态为主。
3.水生生态系统的重金属污染
地表水是我们平时生活用水、工业用水、灌溉用水的主要水源，所以对地表水资源的保护是广大水利部门和水利工作者的关注重点。我国地表水资源丰富，但是地域分布差异大，这就导致了不同地域之间对水资源的利用方式有所不同，正是由于这些客观原因，导致我国的地表水资源质量状况不容乐观[13]。而城市湖泊是重要的地表水资源，对城市有着包括调节径流、维持生物多样性、补充地下水等重要的作用[14]。城市湖泊受人为影响较大，随着经济的发展与人口的增加，大量的污染物排入到水体中，超过了水环境容量，改变了水体的自净模式，导致城市湖泊受污染严重。还有的城市采用城市垃圾回填，进一步导致了水体恶化。目前，我国城市湖泊的污染问题主要为富营养化和重金属污染[15]。重金属是一种典型的累积性污染物。有不可降解、毒性大、易积累和能通过食物链富集放大等特点。不仅可能进入人体对人体健康造成极大的危害，同时对环境也会造成极大的威胁。所以，重金属污染一直是全球环境科学研究的热点之一[16]。而沉积物是湖泊的重要组成部分，同时也是湖泊水体中重金属源和汇，是水生态系统中重金属污染程度的指示剂，也是水体环境中重金属的主要储存介质。在一定的条件下，储存在沉积物中的重金属会再度的释放出来，在富集作用下造成湖泊水体的二次污染[17]。因此，了解城市湖泊的重金属污染状况是十分有必要的。
4.玄武湖概况
玄武湖（32°04rsquo;N,118°48rsquo;E）位于江苏省南京市玄武区，是国家4A级风景区，属于典型的城市湖泊，人工控制型浅水湖泊，面积3.7km2，平均水深1.14m，最大水深为2.31m [13]。玄武湖区域属于湿暖的亚热带区域，近年来年平均气温为15~16℃，最高气温为28℃左右，一般在七月至八月期间达到。年均降水量1000mm左右[14]。玄武湖汇水主要来自紫金山北麓雨水和流域内工业废水及生活污水，湖泊中沉积物较厚[15] 。富营养化一直是玄武湖存在的主要环境问题。从20世纪50年代开始，玄武湖原有水生生态系统逐渐崩溃，大型水生植物开始消失，逐渐形成了以浮游植物为唯一生产者的水生生态系统。三十年后，玄武湖呈现重度富营养化，90年代死鱼现象严重。2005年夏季更是爆发大面积以微襄藻属为主要优势物种的蓝藻水华，造成水质恶化，部分区域恶臭，严重破坏了玄武湖的水生生态系统[16]。除富营养化外，玄武湖还面临着重金属污染的问题。目前已有关于玄武湖沉积物中重金属含量分布的相关报告，已表明玄武湖沉积物中Zn的污染程度较轻，而Cd和Ni的污染程度较重[17]。湖泊水深56cm~72cm为底层厌氧环境，以厌氧微生物为主，也是重要的产甲烷带[18]。玄武湖的沉积物中储存了各种不同形态重金属，重金属的毒性会导致厌氧发酵不稳定，他们的存在影响着产甲烷菌的活性。为了探明玄武湖底泥土壤产甲烷潜力对不同重金属离子胁迫的响应，开展了此项研究。
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