沉積物是自然水體的重要組成部分，水-沉積物界面附近的物理化學(xué)特征變化會(huì)對水體環(huán)境質(zhì)量、營養(yǎng)組成以及環(huán)境污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程等方面產(chǎn)生顯著的影響。在水-沉積物界面生活著數(shù)量巨大的水體底棲生物，它們的攝食、排泄、筑穴和呼吸等生命活動(dòng)，會(huì)直接或間接地對水-沉積物界面附近的理化特征以及污染物的環(huán)境行為產(chǎn)生影響。因此，生物擾動(dòng)是影響自然水-沉積物體系和其中污染物的環(huán)境行為的重要因素。正因?yàn)槿绱耍飻_動(dòng)作用受到廣泛的關(guān)注，在水體污染物、水環(huán)境營養(yǎng)組成、沉積物生物地球化學(xué)特征和水生生態(tài)系統(tǒng)等多方面的科學(xué)研究工作中，生物擾動(dòng)都被視為重要的研究對象。

在自然淡水水體當(dāng)中，寡毛綱底棲生物顫蚓的生物擾動(dòng)具有很強(qiáng)的代表性，顫蚓在全球范圍內(nèi)分布非常廣泛，雖然生物個(gè)體較小，但生物密度較高。在相對平靜的水體環(huán)境中，如湖泊、水庫、池塘以及水流較緩的河流等，顫蚓生物擾動(dòng)作用對水體的理化特征和污染物的環(huán)境行為會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響。目前，顫蚓生物擾動(dòng)對水體中部分污染物遷移轉(zhuǎn)化過程的影響已經(jīng)基本明確，但作用機(jī)制尚未清楚。因此，本論文以顫蚓作為擾動(dòng)生物，從以下幾方面內(nèi)容進(jìn)行研究。為了研究顫蚓擾動(dòng)對沉積物內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)的影響，研究了在顫蚓存在的條件下，沉積物孔穴和孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立微宇宙模擬實(shí)驗(yàn)體系，在保持沉積物的完整性不受到破壞的前提下，利用X射線連續(xù)斷層掃描(CT)技術(shù)和數(shù)碼圖像技術(shù)，研究顫蚓孔穴和沉積物內(nèi)部較大孔隙結(jié)構(gòu)的分布和變化特征;通過添加人工污染沉積物，研究在重金屬污染的沉積物體系中，沉積物孔穴和孔隙的變化情況。

結(jié)果表明，沉積物孔穴和孔隙結(jié)構(gòu)的截面積所占沉積物斷層面積的比例，會(huì)隨顫蚓擾動(dòng)時(shí)間的延長而增加，同時(shí)孔穴和孔隙結(jié)構(gòu)也隨著生物密度的增大而增加。不同深度范圍內(nèi)沉積物中的孔穴和孔隙分布同樣與顫蚓的擾動(dòng)時(shí)間密切相關(guān):在顫蚓擾動(dòng)初期0-10 mm深度范圍內(nèi)的孔隙比例較高，0-30 mm范圍內(nèi)孔穴較多，在11-19 d時(shí)30-60 mm深度范圍內(nèi)孔穴和孔隙都有明顯增加;且孔隙分布與顫蚓孔穴的分布密切相關(guān)。顫蚓擾動(dòng)還使沉積物的氧化帶厚度增加。在顫蚓擾動(dòng)體系中，受到重金屬污染沉積物的氧化帶厚度減小，顫蚓孔穴結(jié)構(gòu)的截面積減小，但孔隙截面積增加。在Cu、Cd和Pb單一重金屬污染物當(dāng)中，Cu對顫蚓生物擾動(dòng)體系中孔穴和孔隙的影響最強(qiáng)，三種重金屬聯(lián)合污染的影響大于單一重金屬污染。為了研究顫蚓對水-沉積物體系中物質(zhì)交換作用的影響，通過對分層填加含有Ba SO4標(biāo)記物的沉積物進(jìn)行CT掃描，研究了不同深度范圍的沉積物顆粒在顫蚓擾動(dòng)作用下的遷移規(guī)律;通過在指定深度添加重金屬污染沉積物層，研究顫蚓對重金屬污染物在沉積物內(nèi)部遷移作用的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，顫蚓擾動(dòng)使沉積物內(nèi)部的顆粒物發(fā)生遷移，特別是使20-50 mm深度范圍內(nèi)的沉積物顆粒向上遷移，并不斷沉積于水-沉積物界面附近，原有的水-沉積物界面在這種沉積作用下向下遷移，出現(xiàn)在20-50 mm深度范圍，從而使沉積物顆粒在一定深度范圍內(nèi)持續(xù)循環(huán)。在含有重金屬Pb和Cd污染的沉積物中，顫蚓的擾動(dòng)在促進(jìn)沉積物表層的污染物向上覆水釋放的同時(shí)，會(huì)使Pb和Cd隨沉積物顆粒一起向沉積物內(nèi)部遷移。在顫蚓擾動(dòng)下，20-50 mm深度范圍的重金屬污染向沉積物表層遷移。在單位時(shí)間內(nèi)，重金屬污染物的遷移量會(huì)隨顫蚓擾動(dòng)強(qiáng)度的增大而增加，但兩者并不存在明顯的比例關(guān)系。為了探究顫蚓對水-沉積物體系化學(xué)成分的影響，以顫蚓孔穴為中心，研究孔穴附近微環(huán)境的部分化學(xué)特征指標(biāo)的分布和變化規(guī)律。通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，使用剖面微電極工作系統(tǒng)，研究了顫蚓孔穴附近微環(huán)境的p H、DO和氧化還原電位值，在水平和垂直方向上的分布和變化規(guī)律。

研究結(jié)果表明，上覆水和沉積物的p H會(huì)隨時(shí)間的延長，呈現(xiàn)出先升高再降低隨后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，而在顫蚓擾動(dòng)下，p H的降低會(huì)出現(xiàn)滯后性。在水平方向上，顫蚓擾動(dòng)使沉積物表面的p H以顫蚓孔穴為中心出現(xiàn)下降(最多達(dá)0.3 p H單位)，這種下降作用可影響孔穴周圍半徑1 mm的范圍。擾動(dòng)時(shí)間相同時(shí)，顫蚓孔穴處的p H在垂直方向上變化較小。在無顫蚓的體系中，上覆水的DO濃度和氧化還原電位值變化較小，但沉積物DO濃度和氧化還原電位值均隨時(shí)間的延長而逐漸降低。顫蚓擾動(dòng)降低了上覆水DO濃度和氧化還原電位值，但且使顫蚓孔穴附近沉積物表面DO濃度和氧化還原電位的升高，與無顫蚓的體系相比，顫蚓孔穴附近DO濃度可升高9.2-17.0μmol/L。同時(shí)，顫蚓增加了DO在沉積物中的滲透深度，使最大滲透深度從3 mm增加到5 mm。顫蚓孔穴附近沉積物的氧化還原電位與DO濃度的變化規(guī)律相似。

因此，沉積物中顫蚓的存在可通過改變上覆水和沉積物微環(huán)境的p H、DO和氧化還原電位的分布特征，進(jìn)而影響水-沉積物界面附近污染物的環(huán)境行為。為了了解顫蚓擾動(dòng)的生物化學(xué)作用，研究了顫蚓產(chǎn)生的溶解性有機(jī)物(DOM)溶液對重金屬污染在沉積物上吸附作用的影響。在室內(nèi)對顫蚓生物樣品進(jìn)行培養(yǎng)，獲取其產(chǎn)生的DOM溶液樣品，測量其TOC含量，并采用紫外-可見吸收、三維熒光和同步熒光光譜技術(shù)，對不同培養(yǎng)時(shí)間的DOM溶液進(jìn)行表征。在具有顫蚓DOM溶液的條件下，進(jìn)行Pb和Cd在沉積物中的吸附動(dòng)力學(xué)和吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，顫蚓產(chǎn)生的DOM中很可能含有色氨酸和酪氨酸結(jié)構(gòu)，且DOM中色氨酸和酪氨酸結(jié)構(gòu)會(huì)隨培養(yǎng)時(shí)間的延長而增加。顫蚓產(chǎn)生的DOM抑制了沉積物顆粒對重金屬Pb和Cd的吸附作用，并且對Pb的抑制作用更加明顯。