櫛孔扇貝對(duì)無(wú)機(jī)砷的富集與排出特征研究

(山東省海水養(yǎng)殖研究所,山東 青島 266002)

砷(As)是一種毒性較高的污染元素。自然狀態(tài)下,轉(zhuǎn)移到生物體內(nèi)的砷可能會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N價(jià)態(tài)的砷化物形式。一般認(rèn)為,砷原子以共價(jià)形式與其他物質(zhì)形成的砷化合物統(tǒng)稱(chēng)為有機(jī)砷,如甲基砷酸(DAM)、砷甜菜堿(AsB)等;以離子鍵結(jié)合形成的砷化合物和砷單質(zhì)通常稱(chēng)為無(wú)機(jī)砷,通常指As3+、As5+。其中無(wú)機(jī)砷具有較高的毒性,有機(jī)砷則相對(duì)毒性較低。近幾年,研究者通過(guò)反復(fù)抽樣研究了不同食品種類(lèi)及人們?nèi)粘ｏ嬍持袩o(wú)機(jī)砷和有機(jī)砷化合物的個(gè)體含量水平,表明人們?nèi)粘ｏ嬍持写蠖鄶?shù)含有砷,其中大約90%的砷來(lái)自于水產(chǎn)品[1],因此砷也就成為水產(chǎn)品檢驗(yàn)的一項(xiàng)必檢項(xiàng)目。

入土壤的As將被帶入海中。這是造成部分海灣貝類(lèi)體中As含量高于其他生物非必需元素的主要原因之一。

目前對(duì)雙殼貝類(lèi)重金屬積累的研究已諸多報(bào)道,如陸超華[2-4]等將近江牡蠣作為海洋重金屬Zn、Cu、Pb污染檢測(cè)生物的研究;王凡[5-7]等關(guān)于櫛孔扇貝對(duì)Pb、Cu、Cd積累排放規(guī)律的研究,但是關(guān)于無(wú)機(jī)砷的富集與代謝規(guī)律的研究甚少。筆者認(rèn)為,這應(yīng)該與砷在水產(chǎn)品中以多種形態(tài)存在有關(guān),增加了研究的難度。項(xiàng)目作者研究無(wú)機(jī)砷在櫛孔扇貝體內(nèi)的富集與代謝情況,目的在于揭示櫛孔扇貝對(duì)無(wú)機(jī)砷的生物富集規(guī)律及特征,以期為海洋環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考,為人們防止砷污染、安全食用水產(chǎn)品提供建議,為貝類(lèi)養(yǎng)殖水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)用扇貝

櫛孔扇貝(Chlamys farreri)來(lái)自青島即墨鰲山衛(wèi)養(yǎng)殖場(chǎng),12月齡,大小基本一致(殼寬4.90 ～ 5.90cm;殼高5.20 ～6.08cm;體質(zhì)量19.0 ～25.2 g),隨機(jī)分組。

1.1.2 海水

海水采自山東省海水養(yǎng)殖研究所鰲山基地育苗場(chǎng)。海水先逐級(jí)沉淀,后經(jīng)砂濾池處理制得。水質(zhì)分析結(jié)果:pH 7.96～8.20;鹽度31.18±0.34;氨氮 2.97～4.54 μg/L;亞硝酸鹽 0.005～0.010 mg/L;溶解氧大于 6.0 mg/L;砷本底值 0.905 μg/L;符合 GB 3097-1997國(guó)家一類(lèi)海水標(biāo)準(zhǔn)[8]。

1.1.3 試劑與儀器

As2O3為水口山礦務(wù)局衡陽(yáng)實(shí)業(yè)總公司(A．R)生產(chǎn),用去離子水配成含As3+質(zhì)量濃度為810 mg/L的儲(chǔ)備液,然后再稀釋成實(shí)驗(yàn)所需要的各質(zhì)量濃度。

充氧泵、鹽度計(jì)、溫度計(jì)、電子天平和pH計(jì)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 櫛孔扇貝的暫養(yǎng)

試驗(yàn)前將櫛孔扇貝表面附著物刷洗干凈,于池中暫養(yǎng)一周。暫養(yǎng)期間,水溫 12.0℃±0.7℃,pH8.14±0.03,保持充氧,自然光照下進(jìn)行。每天8:00時(shí)定時(shí)投喂小球藻,并且及時(shí)剔除暫養(yǎng)階段死亡的櫛孔扇貝。

1.2.2 暴露液的質(zhì)量濃度梯次設(shè)定

暴露液由 1.1中新鮮海水和 As2O3儲(chǔ)備液(質(zhì)量濃度810 mg/L)配制。設(shè)4個(gè)試驗(yàn)組和1個(gè)對(duì)照組,試驗(yàn)組質(zhì)量濃度分別為0.006 mg/L,0.06 mg/L,0.3 mg/L,0.6 mg/L,對(duì)照組采用新鮮海水。

1.2.3 櫛孔扇貝對(duì)無(wú)機(jī)砷的富集和排出試驗(yàn)

試驗(yàn)在5個(gè)300 L的聚乙烯水族箱中進(jìn)行,養(yǎng)殖水體 270 L,各放入 200只經(jīng)暫養(yǎng)凈化后的櫛孔扇貝。保持室溫和自然光照,期間海水平均溫度為19.25℃±0.86℃。富集階段進(jìn)行 35 d,各水箱加入270 L含有不同質(zhì)量濃度的As3+暴露溶液;排出階段進(jìn)行30 d,將各試驗(yàn)箱中換成270 L自然海水。采用半靜態(tài)法,每隔24 h更換1次實(shí)驗(yàn)海水。每天8:00時(shí)和17 :00時(shí)投喂餌料。

1.2.4 試驗(yàn)取樣

試驗(yàn)過(guò)程中分別在第0、5、10、15、20、25、30、35、40、50、55、65天取樣,每次取樣 5個(gè),用不銹鋼刀剝?nèi)馊ず蟠驖{,打漿后的樣品裝入密封的塑料瓶,置于-20℃的冰箱中保存至帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

1.3 分析方法

生物樣品采用微波消解,無(wú)機(jī)砷含量參照GB5009.11-2003《食品中總砷及無(wú)機(jī)砷的測(cè)定》[9]中無(wú)機(jī)砷氫化物原子熒光光度法測(cè)定。

1.4 生物富集雙箱動(dòng)力學(xué)模型

生物富集系數(shù)BCF測(cè)定采用修正的雙箱動(dòng)力學(xué)模型方法[10]。

實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)階段用方程描述為:

富集階段(0

C0為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前櫛孔扇貝體內(nèi)無(wú)機(jī)砷的含量(μg/g,干質(zhì)量),Cw為水體中 As3+質(zhì)量濃度(mg/L),CA為櫛孔扇貝體內(nèi)無(wú)機(jī)砷的含量(μg/g,干質(zhì)量)。

排出階段(t>t* ):

式中,k1為生物吸收速率常數(shù),k2為生物排出速率常數(shù)。

由公式(1)、(2)對(duì)富集和排出過(guò)程中櫛孔扇貝體內(nèi)無(wú)機(jī)砷含量的動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行非線性擬合得到k1、k2值。

生物富集系數(shù)BCF由公式(3)計(jì)算:

金屬的生物學(xué)半衰期指的是生物體內(nèi)的金屬排出一半所需的時(shí)間,用公式(4)計(jì)算:

富集達(dá)到平衡時(shí),生物體內(nèi)重金屬的含量CAmax由公式(5)計(jì)算:

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬富集與排出試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中養(yǎng)殖水體較清澈,投餌量適宜,未有殘餌污染水質(zhì)情況。沒(méi)有出現(xiàn)扇貝異常死亡情況,實(shí)驗(yàn)組的最高死亡率與對(duì)照組的死亡率相差 18%,差異不大。

櫛孔扇貝對(duì)無(wú)機(jī)砷的生物富集曲線如圖1所示,由圖1a可以看出扇貝在天然海水中,對(duì)無(wú)機(jī)砷的富集量很少,且沒(méi)有顯著的規(guī)律性。當(dāng)暴露于As3+溶液質(zhì)量濃度為 0.006 mg/L、0.06 mg/L、0.3 mg/L、0.6 mg/L時(shí),生物富集擬合曲線如圖1b、圖1c、圖1d和圖1e所示。

2.2 重金屬富集與排出試驗(yàn)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

海洋生物對(duì)砷的吸收實(shí)際上取決于砷進(jìn)出生物體內(nèi)的速率,相對(duì)的速率變化決定了生物對(duì)砷的積累。Zauke等[11]認(rèn)為,不同作者應(yīng)用雙箱動(dòng)力學(xué)模型得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在差異,原因包括實(shí)驗(yàn)生物的種屬差異,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)或室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn))及實(shí)驗(yàn)裝置差異,海水中金屬質(zhì)量濃度,以及不同作者對(duì)模型的不同修正。筆者認(rèn)為因?yàn)閷?duì)于無(wú)機(jī)砷的富集階段和排出階段,櫛孔扇貝處于不同的水環(huán)境下,應(yīng)該存在兩階段各自的吸收速率和排出速率,因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分段擬合。

圖1 櫛孔扇貝對(duì)無(wú)機(jī)砷的生物富集與排出擬合曲線Fig.1 The bio-enrichment of inorganic arsenic by Chlamys farreri

由圖1的擬合曲線,得到吸收速率k1(k1′),排出速率k2(k2′),然后根據(jù)方程(3)、(4)、(5)得到櫛孔扇貝對(duì)無(wú)機(jī)砷生物富集動(dòng)力學(xué)參數(shù)BCF、CAmax、B1/2。表1為櫛孔扇貝對(duì)無(wú)機(jī)砷富集階段的動(dòng)力學(xué)參數(shù),表2為櫛孔扇貝無(wú)機(jī)砷排出階段的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

櫛孔扇貝在不同質(zhì)量濃度的 As3+溶液中,富集達(dá)到平衡時(shí),體內(nèi)無(wú)機(jī)砷的含量CAmax與外部水體質(zhì)量濃度的關(guān)系如圖2所示。

由表1可以看出,無(wú)機(jī)砷在櫛孔扇貝體內(nèi)的BCF值較小。陸超華[2]等研究表明近江牡蠣對(duì)Cu的生物富集系數(shù) BCF可達(dá) 2 765;張少娜[12]等研究表明紫貽貝在As質(zhì)量濃度為100 μg/L的情況下,BCF為15.41,而同樣質(zhì)量濃度下對(duì)Cd的BCF達(dá)到851.3,紫貽貝對(duì)其他重金屬Hg、Pb的富集能力要更強(qiáng),紫貽貝富集重金屬的能力為Hg>Pb>Cd>As。王曉麗[10]等對(duì)牡蠣重金屬生物富集動(dòng)力學(xué)特性研究表明,牡蠣的富集能力為Hg>Cd>Pb>As。說(shuō)明貝類(lèi)對(duì)無(wú)機(jī)砷的富集能力要較低。對(duì)于本試驗(yàn)來(lái)說(shuō),也符合這一規(guī)律。這一方面表明貝類(lèi)對(duì)重金屬的積累情況與重金屬種類(lèi)有關(guān),另一方面也表明貝類(lèi)體內(nèi)毒性強(qiáng)的無(wú)機(jī)砷含量不高。張毅等[13]在海洋調(diào)查中也表明有10種海洋動(dòng)物體內(nèi)的無(wú)機(jī)砷占總砷百分率均小于1.8%,有機(jī)砷百分率均高于98.2%。

表1 櫛孔扇貝在不同質(zhì)量濃度As3+溶液中富集階段各動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab.1 The kinetic parameters of inorganic arsenic at the accumulation period of Chlamys farreri

表2 櫛孔扇貝在不同質(zhì)量濃度As3+溶液中富集后的排出階段各動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab.2 The kinetic parameters of inorganic arsenic at the elimination period of Chlamys farreri

圖2 櫛孔扇貝體內(nèi)無(wú)機(jī)砷含量與暴露水體中As3+質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.2 The relationship between the concentrations of inorganic arsenic in the tissue of Chlamys farreri and the concentrations of As3+ in the exposure water

由表2可以看出,無(wú)機(jī)砷在櫛孔扇貝體內(nèi)的代謝速率相對(duì)來(lái)說(shuō)較快,As3+的質(zhì)量濃度越低,無(wú)機(jī)砷在櫛孔扇貝體內(nèi)的半衰期B1/2也越長(zhǎng)。造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于在砷的毒性作用下,櫛孔扇貝自身的代謝機(jī)制受到無(wú)機(jī)砷的影響而發(fā)生改變。砷的代謝速率隨著體內(nèi)無(wú)機(jī)砷含量的下降,櫛孔扇貝要把富集到體內(nèi)的無(wú)機(jī)砷完全排出體外需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

由圖2 可以看出,櫛孔扇貝富集無(wú)機(jī)砷,在平衡狀態(tài)下,體內(nèi)金屬含量CAmax隨著外部水體As3+質(zhì)量濃度的增大而增大,R2=0.9267,呈正相關(guān)性。

2.3 重金屬的排出情況

在富集階段扇貝體內(nèi)蓄積的無(wú)機(jī)砷含量隨著時(shí)間的增加而增加,并且在第35天達(dá)到積累最大值,表3計(jì)算了在不同質(zhì)量濃度 As3+溶液中富集后的最終排出率。排出率最高可達(dá)到84.17%。雖然在排出階段結(jié)束后,櫛孔扇貝體內(nèi)無(wú)機(jī)砷含量都高于試驗(yàn)前櫛孔扇貝體內(nèi)的初值,但是最終值都低于安全限量的值(0.5mg/kg),已達(dá)到食用標(biāo)準(zhǔn)[14]。

2.4 櫛孔扇貝養(yǎng)殖水體中As安全限量討論

重金屬污染物通過(guò)食物鏈的傳遞進(jìn)入人體,給人類(lèi)的安全和健康造成了潛在危害,引起了世界各國(guó)的高度重視,但由于生物的多樣性,重金屬代謝的復(fù)雜性,以及各地飲食習(xí)慣的差異等因素,有關(guān)重金屬安全限量的標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一[15]。中國(guó)雖有海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等,但是對(duì)于具體的養(yǎng)殖品種水體的要求沒(méi)有統(tǒng)一。目前雖然有關(guān)于 Hg、Pb、Cd的安全限量的討論,但是關(guān)于As的少有人討論。

NY5062-2008《無(wú)公害食品扇貝》[14](適用于櫛孔扇貝、海灣扇貝、蝦夷扇貝)中安全指標(biāo)中指出無(wú)機(jī)砷≤0.5 mg/kg,通過(guò)無(wú)機(jī)砷的的生物富集參數(shù)(取最大值)可以換算出櫛孔扇貝養(yǎng)殖水體中的安全限量為0.08 mg/L。這一數(shù)值與GB3097-1997海水二類(lèi)砷限量為0.03 mg/L比較,發(fā)現(xiàn)本研究的最低限量值比GB3097-1997規(guī)定的適宜水產(chǎn)養(yǎng)殖的二類(lèi)海水限量值高出1.6倍。因此在二類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下養(yǎng)殖的櫛孔扇貝符合食用標(biāo)準(zhǔn)。

表3 櫛孔扇貝在不同質(zhì)量濃度As3+溶液中富集后對(duì)無(wú)機(jī)砷的排出率Tab.3 The elimination rates of inorganic arsenic after accumulation in different concentrations of As3+

3 結(jié)論

富集階段初期,在高質(zhì)量濃度 As3+的脅迫下,進(jìn)入櫛孔扇貝體內(nèi)的無(wú)機(jī)砷遠(yuǎn)大于代謝排出的無(wú)機(jī)砷,造成無(wú)機(jī)砷在櫛孔扇貝體內(nèi)的快速積累,如果無(wú)機(jī)砷在櫛孔扇貝體內(nèi)蓄積的質(zhì)量濃度達(dá)到一定值,會(huì)對(duì)櫛孔扇貝產(chǎn)生毒害作用,影響到櫛孔扇貝的代謝活動(dòng)和攝食活動(dòng)等,最終導(dǎo)致死亡。本實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)櫛孔扇貝大量異常死亡,說(shuō)明所采用的 As3+質(zhì)量濃度還不足以使無(wú)機(jī)砷在櫛孔扇貝體內(nèi)產(chǎn)生致命的毒害作用,說(shuō)明櫛孔扇貝對(duì)砷具有一定的耐受性。

富集階段,櫛孔扇貝對(duì)無(wú)機(jī)砷的吸收速率k1隨著外部水體 As3+質(zhì)量濃度的增加而減小,櫛孔扇貝對(duì)無(wú)機(jī)砷的排出速率k2隨著水體As3+質(zhì)量濃度的增加而減小;排出階段,櫛孔扇貝對(duì)無(wú)機(jī)砷的吸收速率k1′隨著富集狀態(tài)下水體中As3+質(zhì)量濃度的增加而減小,而排出速率k2′基本上是隨著富集狀態(tài)下水體中As3+質(zhì)量濃度的增加而增加。

櫛孔扇貝對(duì)無(wú)機(jī)砷的富集系數(shù)BCF隨著外部水體As3+質(zhì)量濃度的增加而減小。

櫛孔扇貝富集無(wú)機(jī)砷,在平衡狀態(tài)下,體內(nèi)金屬含量CAmax隨著外部水體As3+質(zhì)量濃度的增大而增大,呈正相關(guān)性。

無(wú)機(jī)砷在櫛孔扇貝體內(nèi)的半衰期較短,且半衰期隨著As3+質(zhì)量濃度的增大而縮短。

櫛孔扇貝對(duì)無(wú)機(jī)砷的排出率較高,最高可達(dá)到84.17%。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推算,在二類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下養(yǎng)殖的櫛孔扇貝完全食用標(biāo)準(zhǔn)。

本試驗(yàn)研究了無(wú)機(jī)砷在櫛孔扇貝體內(nèi)的富集與排出規(guī)律,但鑒于水體的環(huán)境體系往往是多種金屬離子的混合體系,多種離子共存時(shí)可能存在某種協(xié)同、拮抗或加和作用,另外餌料、試驗(yàn)器材等對(duì)重金屬有一定的吸附作用,鹽度、溫度等也會(huì)影響貝類(lèi)代謝,這些因素都可能會(huì)對(duì)櫛孔扇貝對(duì)無(wú)機(jī)砷的富集產(chǎn)生一定影響,諸多問(wèn)題還有待我們?nèi)プ鲆徊降难芯俊?/p>

[1]Adams,M A,Bolger P M,Gunderson E L.Dietary intake and hazards of arsenic [C]// Chappell W R,Abernathy C O,Cothern C R.Arsenic:Exoposure and Health Science and Technology Letter.England:Northwood,1994:41-49.

[2]陸超華,謝文造,周?chē)?guó)君,等.近江牡蠣作為海洋重金屬 Cu污染監(jiān)測(cè)生物的研究[J].海洋環(huán)境科學(xué),1998,17(3):17-23.

[3]陸超華,周?chē)?guó)君,謝文造,等.近江牡蠣對(duì)Pb的累積和排出[J].海洋環(huán)境科學(xué),1999,18(1):33-38.

[4]陸超華,謝文造.近江牡蠣作為海洋重金屬鋅污染監(jiān)測(cè)生物[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),1998,18(6):527-530.

[5]王凡,趙元鳳,吳益春,等.櫛孔扇貝對(duì)海水中Pb積累排放規(guī)律[J].水產(chǎn)養(yǎng)殖,2005,26(2):1-6.

[6]王凡,趙元鳳,呂景才.銅在櫛孔扇貝組織蓄積、分配、排放的研究[J].水利漁業(yè),2007.27(3):84-87.

[7]王凡,趙元鳳,吳益春.櫛孔扇貝對(duì) Cd的累積和排出[J].湛江海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(4):95-98.

[8]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB3097-1997海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1997.

[9]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB5009.11-2003食品中總砷及無(wú)機(jī)砷的測(cè)定[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[10]王曉麗,孫耀,張少娜.牡蠣對(duì)重金屬生物富集動(dòng)力學(xué)特性研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2004,24(5):1086-1090.

[11]Zauke G P,von Lemm R,Meurs H G, et al.Validation of estuarine gammarid collectives (Amphipoda:Crustacea) as biomonitors for cadmium in semi-controlled toxicokinetic flowthrough experiments[J].Environ Pollut,1995,90:209-219.

[12]張少娜,孫耀,宋云利.紫貽貝(Mytilus edulis)對(duì)4種重金屬的生物富集動(dòng)力學(xué)特性研究[J].海洋與湖沼,2004,35(5):438-444.

[13]張毅.渤海灣砷的生物富集及其在底泥中的積累[J].海洋環(huán)境科學(xué),1990,9(4):24-29.

[14]中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).NY5062-2008無(wú)公害食品扇貝[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[15]ROESIJADIG. Metallothione in metal regulation and toxicity in aquticanimals[J].Mar Environ Res,1984,13:177-194.