封功成，侯詒然，李 冰，季 鵬，駱加偉，陶 冶，張明豪，朱 健，

(1.南京農業(yè)大學無錫漁業(yè)學院，江蘇無錫 214081；2.中國水產科學研究院淡水漁業(yè)研究中心，農業(yè)農村部淡水漁業(yè)和種質資源利用重點實驗室，江蘇無錫214081)

近年來，隨著社會經濟的快速發(fā)展，傳統(tǒng)水產養(yǎng)殖模式中，自然和人為輸入養(yǎng)殖池塘中的氮、磷，至少有50%富集到池塘沉積物中[1]。大量沉降在塘底的殘餌、糞便、尸體等在腐敗分解過程中產生大量有毒物質，直接影響著水產養(yǎng)殖物的存活和生長[2]。底棲動物作為沉積物-水界面的有機組成部分，其生命活動對改變沉積物的理化性質和結構，加速沉積物-水界面間的物質交換，具有非常重要的生態(tài)學意義[3]。研究表明，底棲生物攝食、避敵、排泄等行為，會對水體沉積物具有一定的擾動作用，影響有機質、營養(yǎng)鹽等各種污染物的遷移轉化[4]。Webb等[5]通過對長腕和尚蟹(Mictyrislongicarpus)的研究發(fā)現(xiàn)底棲動物的鉆孔、筑洞等行為能夠加速有機物質的降解；Plante等[6]研究發(fā)現(xiàn)底棲動物能夠改變微生物群落結構，促進微生物對有機顆粒的降解。

青蝦，學名日本沼蝦(Macrobrachiumnipponense)，是一種典型的底棲生物。具有食性雜、生長快、適應性強、營養(yǎng)豐富、養(yǎng)殖經濟效益高等特點，是我國淡水蝦類的一個重要養(yǎng)殖品種[7,8]。研究表明，通過蝦類擾動作用，經再懸浮、礦化分解、釋放等過程，養(yǎng)殖池塘底部沉積物中的碳、氮、磷等物質會回到水體中，減少沉積物的有機負荷[9]。因此，青蝦不僅是一種重要的養(yǎng)殖經濟品種，而且也是一種潛在的生物修復種。

脂類化合物相對于蛋白質和糖類有較高的穩(wěn)定性，其作為生物標記物在全球碳循環(huán)和古海洋學研究中已被廣泛應用[10,11]，但在淡水養(yǎng)殖領域中，通過脂肪酸變化指征沉積物中有機質降解的研究鮮有報道。本研究選用青蝦作為試驗對象，室內模擬池塘養(yǎng)殖環(huán)境，通過對沉積物理化性質、脂肪酸組成的分析，探究青蝦擾動作用對沉積物中有機質降解的影響，為淡水池塘養(yǎng)殖的綠色可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論基礎和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

實驗在中國水產科學研究院淡水漁業(yè)研究中心進行，實驗所需青蝦和底泥均來自中國水產科學研究院淡水漁業(yè)研究中心宜興大浦科研實驗基地。選取健康無病、規(guī)格一致(3.00±0.10)g的青蝦作為養(yǎng)殖對象，在(26.5±0.5)℃水溫下，于玻璃缸中暫養(yǎng)14 d。實驗設置試驗組和空白對照組，每組3個平行，試驗在6個長方體有機玻璃缸(63 cm×43 cm×43 cm)進行，玻璃缸中均鋪設5.5 cm底泥，為保證底泥的一致性和均一性，所需底泥在使用前需自然曬干，粉碎研磨過100目篩后完全混勻。鋪設完成后，統(tǒng)一加水至30 cm，自然沉降14 d，每個玻璃缸中設置3個規(guī)格一致的PVC管(直徑5.0 cm，長5.0 cm)作為青蝦人工巢穴。挑選18只活力充沛青蝦，隨機放入3個玻璃缸中，每缸6只，飼養(yǎng)90 d。

選用江蘇冠乾特種水產飼料有限公司的配合飼料(粗蛋白36%，粗脂肪6%)作為暫養(yǎng)以及實驗期間投喂料，具體脂肪酸組成及含量見表1。本實驗為嚴格的單因素對照實驗，除青蝦外其余實驗條件均嚴格控制一樣。實驗期間實驗組和空白組每天16 ∶00投料一次，將飼料按青蝦總重量的3%稱取兩份，并和少量水混合均勻，每個玻璃缸均勻潑灑投喂；實驗期間不進行補水、換水操作，水溫保持在(26.5±0.5)℃，并保持連續(xù)充氧狀態(tài)。

1.2 樣品采集與處理

實驗周期90 d，實驗第90天進行樣品采集。用2 cm直徑的塑料針管式采泥器對玻璃缸內沉積物進行采集，每個玻璃缸中隨機選取6個點，采集表層0～1 cm沉積物，將同一玻璃缸中采集的6份樣品混合均勻，冷凍干燥研磨過100目篩后，放入樣品袋中，放置于-80℃冰箱保存待測。

1.3 指標測定

沉積物中脂肪酸提取與測定參照葉新榮[12]的氣相色譜法，并稍作修改。稱取約5.0 g沉積物干樣于50 mL玻璃試管中，首先加入1.0 mL配制的內標溶液，然后加入15 mL氯仿-甲醇溶液(氯仿/甲醇=2 ∶1，體積比)振蕩提取，過濾，再用10 mL氯仿-甲醇溶液重復振蕩提取過濾2次，合并濾液并揮干。加入2 mL 0.5 mol/L氫氧化鈉-甲醇溶液，60 ℃水浴30 min，冷卻至室溫。加入2 mL 25%三氟化硼-甲醇溶液，60 ℃水浴20 min，冷卻至室溫。加入2 mL正己烷和2 mL飽和氯化鈉，振蕩萃取，靜止分層。小心吸取上層正己烷和脂肪酸甲酯混合物，用微量進樣器吸取1μL注入氣相色譜儀(島津Nexis GC-2030，日本)，采用火焰電離檢測器。最后，根據(jù)標準脂肪酸出峰時間確定脂肪酸種類，通過內標法測定脂肪酸含量。

沉積物中有機碳(TOC)及總氮(TN)含量測定參照白亞之[13]的沉積物TOC和TN分析方法。將沉積物樣品加入5%的稀鹽酸多次攪拌后在低溫水浴環(huán)境中靜置3 h以上，以便完全去除碳酸鹽。然后將樣品置于離心管內，用蒸餾水離心清洗，使其呈中性，低溫干燥去除碳酸鹽的樣品，研磨至粉末狀。取10 mg的樣品，通過元素分析儀(EA3000，意大利)測定TOC及TN含量，其中TOC、TN分析誤差小于0.5%。

沉積物含水率(moisture content，MC)采用105 ℃烘干恒重法測定(GB/T50123-1999)；沉積物pH和氧化還原電位(oxidation-reduction potential，ORP)選用METTLER TOLEDO InLab?進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)計算

1.4.1 含水率

沉積物含水率(MC)按下式計算：

式中：W1—烘干前樣品重量(g)；

W2—烘干后樣品重量(g)。

1.4.2 脂肪酸降解參數(shù)

脂肪酸降解參數(shù)主要包括：脂肪酸的平均碳鏈長度(average carbon length，ACL)；短鏈脂肪酸之和(∑

(1)ACL=∑(zn×n)/∑zn

式中：Zn—具有n個碳的脂肪酸含量

(2)L/H=(C12+C14+C15+C16+C17+C18+C20)/(C22+C24)

(3)C20 ∶1-5/C20 ∶0=(C20 ∶1+C20 ∶2+C20 ∶3+C20 ∶4+C20 ∶5)/C20 ∶0

1.4.3 碳氮比

沉積物碳氮比(C/N)[16]公式如下：

C/N=TOC/TN

1.4.4 有機指數(shù)

為評價水環(huán)境沉積物有機污染狀況，引入有機指數(shù)(organic index，OI)[16]，其公式為：

OI=WTOC×WTON

WTON=TN×0.95

式中：OI為有機指數(shù)；WTOC為有機碳質量分數(shù)；WTON為有機氮質量分數(shù)；TN為總氮含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

本文使用Excel、GraphPad Prism6進行常規(guī)數(shù)據(jù)計算、相關性分析及作圖，并使用SPSS 20.0 統(tǒng)計分析軟件對實驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(One way ANOVA)及相關性分析，用Duncan’s多重比較分析組別的差異顯著性，P<0.05則為有顯著差異，P<0.01則為有極顯著差異，實驗數(shù)據(jù)以平均值±標準差(Mean±SD)表示，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析前，實驗數(shù)據(jù)要進行正態(tài)性和方差齊性檢驗。

2 結果

2.1 沉積物理化性質

表2為第90天實驗組與空白組沉積物pH、ORP及MC分析結果，從表中可以看出，實驗組與空白組沉積物pH、ORP及MC均存在顯著差異，其中pH與ORP呈極顯著差異，MC呈顯著差異。實驗組pH較空白組顯著降低0.93，ORP較空白組顯著增加54.34，MC較空白組顯著增加6.59%。

表2 沉積物理化參數(shù)Tab.2 Physical and chemical parameters of sediments

注：*表示差異顯著(P<0.05)；**表示差異極顯著(P<0.01)，下同。

2.2 沉積物脂肪酸組成及降解參數(shù)

2.2.1 沉積物脂肪酸組成及其含量

將沉積物中游離態(tài)脂肪酸(fatty acid，F(xiàn)A)分為飽和脂肪酸(SFA)、單不飽和脂肪酸(MUFA)、多不飽和脂肪酸(PUFA)。由表3可見，本實驗鑒定出沉積物中18種脂肪酸，所有樣品均顯示以低碳數(shù)脂肪酸占絕對優(yōu)勢，SFA為9種，MUFA為4種，PUFA為5種。其中，實驗組SFA、MUFA及PUFA分別占實驗組FA的58.57%、35.45%及5.98%，空白組SFA、MUFA及PUFA占空白組FA的57.06%、32.16%及10.78%；實驗組FA、SFA及PUFA含量較空白組顯著降低81.60 μg/g、45.39 μg/g及12.53 μg/g。

表3 沉積物脂肪酸組成及含量(干重)Tab.3 Composition and content of fatty acids in sediments(dry weight) μg/g

2.2.2 脂肪酸降解常數(shù)

沉積物脂肪酸降解參數(shù)主要為ACL,L/H，C20 ∶1-5/C20 ∶0。其中實驗組ACL為17.46±0.01，空白組為17.30±0.05，存在極顯著差異；實驗組與空白組L/H分別為：8.91±2.09、9.43±0.66；實驗組C20 ∶1-5/C20 ∶0為0.97±0.11，空白組為0.97±0.11，無顯著差異。

結合沉積物理化參數(shù)，分析脂肪酸降解參數(shù)ACL與MC、ORP之間的關系，ACL與MC呈顯著正相關(MC=39.76ACL-614.6，R2=0.8126，n=6，P<0.05)，與ORP呈顯著正相關(ORP=290.3ACL-5179，R2=0.7756，n=6，P<0.05)。

2.3 沉積物碳氮含量及有機指數(shù)

表4 沉積物碳氮含量及有機指標Tab.4 Carbon and nitrogen content and organic index in sediments

注：有機污染評價標準參考文獻[16]：OI≥0.50為有機污染；0.20≤OI<0.50為尚清潔。

實驗組與空白組沉積物碳氮含量及有機指數(shù)如表4所示，其中TOC和TN含量差異不顯著；實驗組和空白組C/N存在顯著差異，實驗組C/N較空白組顯著降低0.25。實驗組與空白組沉積物OI計算結果如表4所示，實驗組沉積物OI均值為0.48，空白組沉積物OI均值為0.53，實驗組沉積物處于尚清潔狀態(tài)，空白組沉積物處于有機污染狀態(tài),這表明青蝦擾動作用對養(yǎng)殖環(huán)境沉積物有機污染狀況起到一定的改善作用。

3 討論

3.1 脂肪酸組成

實驗結果表明，實驗組與空白組沉積物中C16 ∶0含量占脂肪酸總含量比例最大，產生這種現(xiàn)象的主要原因有以下兩點：一是由于C16 ∶0來源主要包括藻類和微生物[17]，沉積物中微生物除了通過去飽和等一系列過程將C16 ∶0轉化成各種不飽和脂肪外，還能夠通過碳鏈的延長合成不同形式的脂肪酸，這種延長往往在合成到C16 ∶0后終止，由于C16 ∶0在新陳代謝過程中的獨特地位，使其在沉積物中具有積聚并且較長時間以較高濃度存在的可能[18]，二是C16 ∶0是長鏈脂肪酸氧化降解的產物[19]。在這兩個過程共同作用下，沉積物中C16 ∶0含量最高現(xiàn)象是合理的。

研究結果顯示，青蝦擾動作用顯著降低沉積物中FA、SFA、PUFA含量，與Ding等[20]研究結果類似；孫立群等[18]通過模擬試驗研究刀額新對蝦(Metapenaeusensis)對微藻脂肪酸在沉積物中降解影響時發(fā)現(xiàn)，刀額新對蝦擾動作用能顯著加快藻類中脂肪酸降解。實驗組C16 ∶1含量較空白組存在顯著差異，但MUFA較空白組無顯著差異，與不飽和脂肪酸較飽和脂肪酸更易降解的研究結論不一致[19]，其原因可能是沉積物及飼料中MUFA含量相對較低、室內模擬試驗的局限性等造成的。

3.2 脂肪酸降解參數(shù)

眾多研究表明，沉積物游離態(tài)脂肪酸降解參數(shù)ACL、C20 ∶1-5/C20 ∶0和L/H一定程度上可以反應沉積物有機質的降解變化[14,15]。短鏈脂肪酸相對于長鏈脂肪酸更易降解[21]，易于降解的短鏈脂肪酸的減少以及長鏈脂肪酸的選擇性富集，導致脂肪酸降解參數(shù)ACL值會隨沉積物有機質降解程度的增加而升高[22]。本研究結果顯示，實驗組ACL明顯大于空白組，這表明青蝦擾動作用促進沉積物有機質的降解，與李芳芳[21]研究結果類似。不飽和脂肪酸的化學鍵易斷裂，使得沉積物中不飽和脂肪酸含量減少，從而導致C20 ∶1-5/C20 ∶0值的減少[23]。本實驗中L/H以及C20 ∶1-5/C20 ∶0值無顯著差異，未產生差異可能與實驗周期長短、指標適用性和敏感程度不同及室內模擬實驗的局限性等因素有關。

3.3 沉積物理化參數(shù)

青蝦擾動作用能顯著增加沉積物含水率，分析原因是青蝦的攝食、爬行等擾動作用使沉積物表層變得疏松，促進了沉積物-水界面的物質交換，使得沉積物有較高的含水量，這與張雷等[24]研究一致。其他研究表明，生物擾動作用能顯著增加沉積物的含水率及總微生物活性，從而促進沉積物中有機質的降解[25,26]。實驗組ORP顯著大于空白組，其原因可能是生物體通過攝食和爬行等活動產生的擾動作用可以增加沉積物中的氧含量，提供更多的電子受體，提高沉積物的ORP[27]；吳金浩等[28]研究表明，沉積物ORP與有機質含量呈負相關，即沉積物較強的氧化狀態(tài)是其有機質降解的有利條件。本實驗中青蝦擾動作用促使沉積物pH顯著降低，這與李耀睿等[29]研究結果一致，分析原因可能有以下幾點：較多氧氣進入沉積物后，加速沉積物中有機物的有氧分解，產生較多CO2；沉積物氧化作用提高，硝化作用增強需消耗堿性物質，進而導致pH下降；低價金屬(Fe2+和Mn2+)發(fā)生氧化反應，導致沉積物酸化；沉積物釋放的鐵錳離子與OH-的結合作用大于H+和OH-的結合作用，因此其水解作用使得沉積物中H+增加，導致pH值較低[30,31,32]。通過相關性分析，結合ACL指征作用，青蝦擾動作用顯著提高沉積物MC和ORP，為促進有機質降解創(chuàng)造有利條件。

3.4 沉積物碳氮含量

TOC是描述沉積物有機質含量的重要指標，C/N除了能有效指示沉積物有機質來源外，還能描述沉積物有機質分解速度。Nickell等[33]研究表明，C/N低意味著沉積物中含有較高的不穩(wěn)定有機物，其含量的增加有利于有機質的礦化反應，C/N的變化與有機質分解速度之間呈反比關系[34]。本研究結果顯示，青蝦擾動作用顯著降低沉積物C/N，增強沉積物中有機質的降解程度，與李芳芳[21]研究結果類似。實驗組與空白組沉積物TN和TOC均無顯著差異，可能與實驗周期較短有關。青蝦除通過擾動作用改變沉積物微環(huán)境來促進沉積物中有機質降解外，其攝食行為也能造成沉積物中有機質含量的減少，以及在沉積物表層爬行等活動可能造成沉積物的再懸浮，一些不能被攝食的食物雜質會被直接噴射到上層水體中，造成上層水體的渾濁，部分飼料殘餌及少量沉積物也由此轉移到上層水體中，Webb等[5]研究生物擾動時發(fā)現(xiàn)底棲甲殼動物能夠擴大溶質運輸、加速有機物降解。影響沉積物有機質降解的因素除擾動、氧化還原環(huán)境、酸堿度及含水率外，沉積物中礦物含量、顆粒粒徑大小、微生物含量及活性等因素也可能對有機質的保存與降解起著重要的控制作用，有待于進一步研究以便更好解釋沉積物中有機質的保存與降解機理[35]。

綜上所述，青蝦擾動作用改變了沉積物的MC、ORP等理化指標，為沉積物中有機質的降解創(chuàng)造了有利條件。同時，ACL值的差異性也說明青蝦擾動作用可以促進沉積物中有機質的降解，從而在一定程度上避免因沉積物中有機質過度積累所導致的養(yǎng)殖環(huán)境有機污染的風險。但不可忽視的是，實驗組和空白組脂肪酸降解參數(shù)中，L/H與C20 ∶1-5/C20 ∶0指標無顯著差異，可能與實驗周期長短、指標適用性和敏感程度不同等因素有關，實驗室模擬試驗為下一階段野外實驗時，更好的開展針對性實驗和分析提供寶貴經驗。