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特征變化會對水體環(huán)境質量、營養(yǎng)組成以及環(huán)境污染物的遷移轉化過程等方面產(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，會直接或間接地對水-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。正因為如此，生物擾動作用受到廣泛的關注，在水體污染物、水環(huán)境營養(yǎng)組成、沉積物生物地球化學特征和水生生態(tài)系統(tǒng)等多方面的科學研究工作中，生物擾動都被視為重要的研究對象。

在自然淡水水體當中，寡毛綱底棲生物顫蚓的生物擾動具有很強的代表性，顫蚓在全球范圍內分布非常廣泛，雖然生物個體較小，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，顫蚓生物擾動作用對水體的理化特征和污染物的環(huán)境行為會產(chǎn)生不可忽視的影響。目前，顫蚓生物擾動對水體中部分污染物遷移轉化過程的影響已經(jīng)基本明確，但作用機制尚未清楚。因此，本論文以顫蚓作為擾動生物，從以下幾方面內容進行研究。為了研究顫蚓擾動對沉積物內部物理結構的影響，研究了在顫蚓存在的條件下，沉積物孔穴和孔隙結構的變化規(guī)律。在實驗室內建立微宇宙模擬實驗體系，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)技術和數(shù)碼圖像技術，研究顫蚓孔穴和沉積物內部較大孔隙結構的分布和變化特征;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。

結果表明，沉積物孔穴和孔隙結構的截面積所占沉積物斷層面積的比例，會隨顫蚓擾動時間的延長而增加，同時孔穴和孔隙結構也隨著生物密度的增大而增加。不同深度范圍內沉積物中的孔穴和孔隙分布同樣與顫蚓的擾動時間密切相關:在顫蚓擾動初期0-10 mm深度范圍內的孔隙比例較高，0-30 mm范圍內孔穴較多，在11-19 d時30-60 mm深度范圍內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。顫蚓擾動還使沉積物的氧化帶厚度增加。在顫蚓擾動體系中，受到重金屬污染沉積物的氧化帶厚度減小，顫蚓孔穴結構的截面積減小，但孔隙截面積增加。在Cu、Cd和Pb單一重金屬污染物當中，Cu對顫蚓生物擾動體系中孔穴和孔隙的影響最強，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-沉積物體系中物質交換作用的影響，通過對分層填加含有Ba SO4標記物的沉積物進行CT掃描，研究了不同深度范圍的沉積物顆粒在顫蚓擾動作用下的遷移規(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部遷移作用的影響。

實驗結果表明，顫蚓擾動使沉積物內部的顆粒物發(fā)生遷移，特別是使20-50 mm深度范圍內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，顫蚓的擾動在促進沉積物表層的污染物向上覆水釋放的同時，會使Pb和Cd隨沉積物顆粒一起向沉積物內部遷移。在顫蚓擾動下，20-50 mm深度范圍的重金屬污染向沉積物表層遷移。在單位時間內，重金屬污染物的遷移量會隨顫蚓擾動強度的增大而增加，但兩者并不存在明顯的比例關系。為了探究顫蚓對水-沉積物體系化學成分的影響，以顫蚓孔穴為中心，研究孔穴附近微環(huán)境的部分化學特征指標的分布和變化規(guī)律。通過室內模擬實驗，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。

研究結果表明，上覆水和沉積物的p H會隨時間的延長，呈現(xiàn)出先升高再降低隨后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，而在顫蚓擾動下，p H的降低會出現(xiàn)滯后性。在水平方向上，顫蚓擾動使沉積物表面的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。擾動時間相同時，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間的延長而逐漸降低。顫蚓擾動降低了上覆水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，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。為了了解顫蚓擾動的生物化學作用，研究了顫蚓產(chǎn)生的溶解性有機物(DOM)溶液對重金屬污染在沉積物上吸附作用的影響。在室內對顫蚓生物樣品進行培養(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，對不同培養(yǎng)時間的DOM溶液進行表征。在具有顫蚓DOM溶液的條件下，進行Pb和Cd在沉積物中的吸附動力學和吸附熱力學實驗。研究結果表明，顫蚓產(chǎn)生的DOM中很可能含有色氨酸和酪氨酸結構，且DOM中色氨酸和酪氨酸結構會隨培養(yǎng)時間的延長而增加。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。