東湖移殖背角無齒蚌中重金屬的含量變化

孫 磊陳修報蘇彥平劉洪波倪樂意楊 健,

(1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)無錫漁業(yè)學(xué)院, 無錫 214081; 2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心, 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院內(nèi)陸漁業(yè)生態(tài)環(huán)境與資源重點(diǎn)開放實驗室, 無錫 214081; 3. 中國科學(xué)院水生生物研究所, 武漢 430072)

東湖移殖背角無齒蚌中重金屬的含量變化

孫 磊1陳修報2蘇彥平2劉洪波2倪樂意3楊 健1,2

(1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)無錫漁業(yè)學(xué)院, 無錫 214081; 2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心, 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院內(nèi)陸漁業(yè)生態(tài)環(huán)境與資源重點(diǎn)開放實驗室, 無錫 214081; 3. 中國科學(xué)院水生生物研究所, 武漢 430072)

貝類具有分布廣泛、活動性差、對污染物耐受性強(qiáng)等特點(diǎn)被作為“生物指示物”, 廣泛用于監(jiān)測水體中持久性污染物的背景[1], 如著名的“貽貝觀察[2]”(Mussel Watch)監(jiān)測工作等。近年來進(jìn)一步發(fā)展起來的“貝類移殖監(jiān)測”的嘗試由于具有將貝移殖到待測地點(diǎn)[3]、免受水體理化(鹽度等)條件的影響[4]、能夠評價可控時間段內(nèi)的污染情況等優(yōu)點(diǎn)[3,5,6]逐漸受到了重視。2003年以來筆者研究室利用野生淡水背角無齒蚌系統(tǒng)進(jìn)行了太湖重金屬[7—9]的“淡水貝類觀察”研究, 成功證明了背角無齒蚌適于監(jiān)測淡水中持久污染物的生物積累。然而由于野生背角無齒蚌有可能規(guī)格不一, 污染背景的個體差異過大,甚至在某些待測水域已無法采樣等不足, 因此野外采樣的監(jiān)測受到了很大的限制。針對相關(guān)問題, 筆者研究室近期應(yīng)用人工繁育技術(shù)成功建立了“標(biāo)準(zhǔn)化”背角無齒蚌養(yǎng)殖種群。其個體具有親本來源相同, 污染背景相同且可控于低水平, 大小規(guī)格相同等特點(diǎn)。此外, 養(yǎng)殖的三角帆蚌個體還被移殖到太湖中進(jìn)行了環(huán)境重金屬監(jiān)測的可行性研究[10]。本研究首次將“標(biāo)準(zhǔn)化”背角無齒蚌個體移殖到武漢市東湖水域, 以期了解東湖中重金屬污染的背景, 以及探究重金屬在背角無齒蚌體內(nèi)生物積累的動態(tài)。東湖位于武漢東北部, 面積32 km2, 平均水深2.5 m[11],劉振東等研究發(fā)現(xiàn)東湖周圍的人類活動是最主要重金屬污染源, 56%污染來自工業(yè)燃燒塵埃, 東湖的主體湖區(qū)沉積物污染為輕度污染[12]。本研究擬將移殖到東湖的個體和作為對照無錫市南泉養(yǎng)殖基地養(yǎng)殖的同一批次的個體進(jìn)行對照, 通過定時采樣分析體內(nèi)重金屬的含量差異來監(jiān)測移殖對蚌個體重金屬積累的空間和時間的變化特征, 以期為今后大規(guī)模的野外移殖監(jiān)測打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2011年3月, 將在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心南泉養(yǎng)殖基地人工繁育的背角無齒蚌121只, 移殖到武漢市東湖(中國科學(xué)院水生生物研究所東湖湖泊生態(tài)試驗站)水域(圖1)作為移殖組, 并用懸浮式網(wǎng)箱吊養(yǎng)。用相同的網(wǎng)箱在南泉養(yǎng)殖基地池塘吊養(yǎng)相同數(shù)量、親本相同且同一批次人工繁育、規(guī)格一致的背角無齒蚌作為對照組(圖1); 到2012年4月為止, 每三個月從兩組蚌中隨機(jī)采集一次樣本(10只/次)開展重金屬含量比較研究。

活蚌采回實驗室后在充分曝氣的自來水環(huán)境中暫養(yǎng)72h, 以便排出殼內(nèi)和消化道內(nèi)雜質(zhì)。蚌樣先測量其殼長、殼高、殼寬、帶殼重和軟組織重等生物學(xué)性狀, 再解剖后取出軟組織置于–20℃冰柜中保存用于分析(表1)。蚌樣解凍后用Milli-Q 水沖洗6遍, 放入80℃的干燥箱中烘24h至恒重。計算出濕重和干重比率, 以便濕、干重含量值的換算(表1)。將干樣放入瑪瑙研缽中研磨至粉末狀使其均一化、用稱量紙包好放入干燥器中保存。

圖1 本研究樣點(diǎn)示意圖Fig. 1 Sketch map of sampling sites in the present study

1.2 消化和測定方法

精確稱量干樣0.1 g, 放入酸洗過的特氟隆消解管中,加入 10 mL純硝酸(Merck公司, 德國)。用微波消解儀(ETHOS A T260, Milestone公司, 意大利)進(jìn)行徹底消解(10min, 120 ℃ ; 15min, 170 ℃ ; 再次15min, 170 ℃ )。最后,轉(zhuǎn)移至酸洗過的聚丙烯定容瓶, 并用 Milli-Q水定容至200 mL。應(yīng)用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(7500ce ICP-MS, Agilent公司, 美國), 以Li、Sc、Ge、Y、In和Bi為內(nèi)標(biāo),同時測定重金屬(Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Ag、Cd、Ba、Tl和Pb)的含量。通過標(biāo)準(zhǔn)添加回收所得各重金屬的回收率為92.3%—106.7%。除特別說明外, 本文的含量結(jié)果一律為干重形式。

表1 本研究中背角無齒蚌的生物學(xué)特征(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Tab. 1 Biological characteristics Anodonta woodianain the present study(Mean±SD)

1.3 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 16.0的ANOVA分析或STATVIEW5.0的Wilcoxon符號秩檢驗進(jìn)行含量數(shù)據(jù)的差異性比較, 以了解不同水域背角無齒蚌重金屬的積累特征。采用金屬污染指數(shù)(Metal Pollution Index, MPI)總體評價移殖和對照組背角無齒蚌重金屬污染情況。根據(jù)Usero, et al.[13]的計算方法, MPI=(Cf1×Cf2×··×Cfn)1/n其中Cfn是指樣品中第n種重金屬的含量。

2 結(jié)果

2.1 重金屬含量的時間動態(tài)

南泉養(yǎng)殖的背角無齒蚌 起始組(CA0組)背角無齒蚌個體軟組織中重金屬含量由高到低順序為 Mn＞Fe＞Ba＞Zn＞Al＞Mo＞Cr＞Pb＞As＞Tl＞Cd。3個月后南泉組個體(CN3組)重金屬含量由高到低為 Mn＞Fe＞Ba＞Zn＞Al＞As＞Pb＞Mo＞Cr＞Ni＞Tl＞Cd。6個月后(CN6組)相應(yīng)的順序為Mn＞Fe＞Ba＞Zn＞Al＞Pb＞Mo＞As＞Cd＞Cr。9個月后(CN9組)記錄到的順序為 Mn＞Ba＞Fe＞Zn＞Al＞Mo＞As＞Tl＞Cu＞Ni＞Cd＞Pb＞Cr。12個月后(CN12組)相應(yīng)的順序則為Mn＞Fe＞Mg＞Ba＞Zn＞Al＞Mo＞Tl＞Pb＞As＞Cr＞Ni＞Cu。在周年的監(jiān)測結(jié)果中, Mn、Fe、Ba、Zn、Al的含量遠(yuǎn)高于其他重金屬(表2), 而 Cu、Cd的順序以及含量變化起伏比較大。此外, Mn、Al、Pb、As、Tl、Mo的含量隨養(yǎng)殖時間增長而增長, 其中 Al、Tl、Pb、Mo元素濃度增長顯著(P＜0.05);而Fe、Zn、Ba、Cr的元素濃度卻下降, 其中Fe、Cr元素濃度下降差異顯著(P＜0.05)。不同元素含量的最高值出現(xiàn)在監(jiān)測的不同時段, 如Al值在12個月后, 而Mn、Zn、Ba值則在3個月后, Ni、Cu、Cd、Pb、Tl、As、Cr、Mo的值則出現(xiàn)在9個月后。

東湖移殖的背角無齒蚌 東湖移殖組(TD3)蚌個體3個月后重金屬含量由高到低順序為Mn＞Fe＞Ba＞Zn＞Al＞As＞Mo＞Cu＞Cr＞Pb。6個月后(TD6組), 重金屬含量由高到低為Mn＞Ba＞Zn＞Fe＞Al＞Mo＞As。9個月后(TD9), 相應(yīng)的含量順序為Mn＞Fe＞Ba＞Zn＞Al＞Mo＞As＞Tl＞Cu＞Cd＞Ni＞Pb＞Cr。12個月后(TD12組)觀察到的順序則為Mn＞Fe＞Ba＞Zn＞Al＞Mo＞As＞Pb＞Tl＞Cr。與南泉養(yǎng)殖一樣, Mn、Fe、Ba、Zn、Al的含量均較其他重金屬為高(特別是Mn)。在監(jiān)測一年期間內(nèi), Mn、Fe、Zn、Pb、Tl、As、Cr、Mo濃度增高(P＜0.05); 而元素Al則出現(xiàn)了極其明顯的下降(P＜0.01)。和南泉對照組一樣, 各重金屬含量的峰值也出現(xiàn)在不同期間內(nèi), 其中Al、Ba含量在起始組中最高, 而Mn濃度峰值則出現(xiàn)在移殖3個月之后; Ni、Cu、Cd、Tl、As、Cr、Mo的峰值出現(xiàn)在移殖9個月之后, Fe、Zn、Pb的濃度峰值則出現(xiàn)在移殖12個月之后(表2)。

2.2 重金屬含量的空間動態(tài)

南泉對照組和東湖移殖組蚌個體相比較發(fā)現(xiàn), 經(jīng)過3個月后東湖移殖個體中Al、Mn、Zn、Ba和Pb的含量低于南泉組個體(P＜0.05), 其他重金屬含量則相近(P＞0.05)。南泉對照組和東湖移殖組 MPI分別為 8.6和1.6(表2)。經(jīng)過6個月后兩水域雖然Cr、Mo、Cd、Tl、Al、Mn、Zn、Ba和 Pb含量相類似, 但東湖移殖組個體的Fe和As含量顯著低于南泉組(P＜0.05)。其余重金屬的含量東湖移殖組個體為低。9個月后, 南泉組中 Al含量顯著高于東湖移殖組(P＜0.05), 特別是Ni、Cu和Cd的含量極顯著地高于后者(P＜0.01)。相反, 東湖移殖組中Mg、Ca、Mn、Zn和Sr含量卻極顯著地高于南泉組(P＜0.01)。南泉對照組的重金屬元素Cd、Cu含量要顯著的高于東湖組(P＜0.05)。在12個月后, 南泉對照組中Na, Al含量極顯著高于東湖移殖組(P＜0.01); 而在后者中Fe、Ca、、Zn、As含量極顯著高于南前者(P＜0.01); 同時, 在后者中Mg、Se、Ba、Pb亦顯著地高于前者(P＜0.05)。

表2 背角無齒蚌軟組織中重金屬含量(μg/g干重)Tab. 2 Contents of heavy metals in soft tissues of Anodonta woodiana (μg/g dry weight)

3 討論

3.1 不同水環(huán)境重金屬時間動態(tài)特征

貝類體內(nèi)重金屬積累會受到生物因子(如大小規(guī)格、年齡、生長率等)[14]及水體環(huán)境重金屬含量背景[15]的影響。為避免上述不確定性, 本研究選取了來自相同親本,同一批次人工繁育、規(guī)格、年齡、生長速率及發(fā)育程度相同的“標(biāo)準(zhǔn)化”背角無齒蚌開展東湖水體移殖與飼養(yǎng)水體繼續(xù)養(yǎng)殖的個體重金屬積累動態(tài)的比較研究。因此, 蚌體內(nèi)重金屬積累的變化應(yīng)該與該兩組蚌所處不同水環(huán)境中重金屬背景含量的動態(tài)相一致。

對于南泉養(yǎng)殖組來說, 經(jīng)過12個月后元素Al、Mn、Pb、Tl的濃度都有顯著性增長(P＜0.05)。這些變化提示這些元素在蚌體內(nèi)應(yīng)該有生物積累的現(xiàn)象。而含量下降的Cr、Fe、Zn、Ba則反映出在軟組織中不是積累, 而是排出或稀釋這些重金屬為主。這反映出相關(guān)重金屬在蚌體內(nèi)動態(tài)的駐留和積累的過程[15]。研究發(fā)現(xiàn)雙殼貝類對于元素吸收和積累與特定的時間或季節(jié)密切相關(guān)[16—18]。劉包星等[19]在監(jiān)測渤海灣毛蚶的重金屬元素變化時發(fā)現(xiàn)受季節(jié)影響較大, 對于Zn的積累, 春季最高; 對于Cu, 則是秋后明顯增高。波羅的海海蛤Cu的最高含量出現(xiàn)在冬季, 而在春季和夏季均很低[20]。本研究中Cu、Cd、Ni等元素含量的峰值出現(xiàn)不同的時間段應(yīng)該也與季節(jié)有關(guān)聯(lián)。此外, 特定重金屬在背角無齒蚌體內(nèi)的富集可能還和其富集機(jī)制有關(guān)。以Cd為例, 該種生物的非必需元素往往會因其與鈣相似的地球化學(xué)性質(zhì)而替代鈣離子, 進(jìn)入貝類體內(nèi)[21]。

對于東湖移殖組的觀察來看, 移殖12個月之后Mn、Fe、Zn、Mo、Pb、Tl、As含量都有顯著性增長(P＜0.05),而Cr卻有顯著性下降(P＜0.05)。Cr、Ni、Cu、Cd、Tl、As含量的峰值與南泉養(yǎng)殖組個體的峰值出現(xiàn)時間相似(均為移殖/飼養(yǎng)9個月之后)。這也顯示出背角無齒蚌對于元素吸收和積累似乎與特定的時間或季節(jié)密切相關(guān)。

值得注意的是, 東湖移殖的與南泉基地繼續(xù)飼養(yǎng)的“標(biāo)準(zhǔn)化”蚌樣經(jīng)歷了完全相同的季節(jié)變化(即相同的時間開始研究, 相同的時間回捕或采樣), 因此, 本研究所觀察到的兩水域蚌樣體內(nèi)重金屬含量的季節(jié)/時間波動, 應(yīng)該解釋為在相同的時間段或季節(jié)從不同背景生活水環(huán)境中吸收、富集重金屬的程度更為合理。

3.2 不同水環(huán)境重金屬空間動態(tài)

移殖雙殼貝類能夠有效地反映不同水域的污染物含量水平[22,23]。Andral, et al.[4]通過雙殼貝類移殖地中海貽貝(Mytilus galloprovincialis)至地中海不同位點(diǎn), 有效的掌握了不同水域的重金屬背景水平, 并對有可能受污染的水域進(jìn)行預(yù)警。在淡水環(huán)境方面, Bervoets, et al.[22]和Camusso, et al.[24]分別將斑馬貽貝移殖到意大利最大的湖泊和比利時的12個河流和湖泊中, 亦有效的把握了相關(guān)水體重金屬的污染動態(tài)。

在本研究中兩水域背角無齒蚌軟組織中一些重金屬含量表現(xiàn)出顯著的不同。南泉組中Al含量較高, 為208 μg/g, 而東湖移殖組的含量僅為20 μg/g(P＜0.05)。這種差異可能與南泉養(yǎng)殖用水可能含有絮凝劑有關(guān)[25]。南泉的蚌樣中Zn的含量總體呈現(xiàn)不斷降低的趨勢, 而東湖蚌樣中卻顯上升的趨勢。Zn的累積與多種元素相關(guān)Cu、Co以及Fe等, 而且體內(nèi)磷酸酶等也有一定的影響[26]。這種必須元素的生物吸收量與地理環(huán)境背景相關(guān)[27]。本研究結(jié)果可能反映出東湖水體中的Zn背景值高于南泉養(yǎng)殖水域; 因此, 移殖東湖的個體可以獲得更多的Zn并積累到軟組織中。

表3 背角無齒蚌中重金屬平均含量與相關(guān)國家和國際標(biāo)準(zhǔn)的比較(μg/g濕重)Tab.3 Comparison of mean heavy metal contents in Anodonta woodiana of the present study with relevant national and international standards (μg/g wet weight)

總體來看, 東湖移殖組中的重金屬元素含量要低于南泉養(yǎng)殖組個體。南泉水體作為封閉性的循環(huán)水養(yǎng)殖基地,不使用基地外的水資源(如太湖), 因此推測體內(nèi)重金屬的來源應(yīng)該是該基地的養(yǎng)殖用水。由于養(yǎng)殖的背角無齒蚌不進(jìn)行投餌, 但南泉基地各池塘的用水均來自該基地用水自循環(huán)系統(tǒng), 故其他池塘投喂飼料的殘留所帶入水體中的重金屬可能是南泉養(yǎng)殖組個體體內(nèi)重金屬富集的來源。涂杰峰等[28]曾指出水產(chǎn)飼料樣品中重金屬非常明顯, Pb、As、Cd和Cr的含量范圍分別可達(dá)0.05—3.52、0.08—3.05和 1.28—20.46 μg/g。然而, 與我國及國際上的相關(guān)水產(chǎn)品等限量標(biāo)準(zhǔn)相比較, 南泉養(yǎng)殖組蚌個體殘留的重金屬(Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb)含量均非常低(表3), 顯示出相關(guān)污染并不明顯。在東湖移殖蚌樣中也明顯檢出重金屬。分析其來源, 由于東湖并未曾進(jìn)行過清淤治理, 底泥中的重金屬沉積物的釋放導(dǎo)致的生物積累可能是一個重要因素。楊漢東等研究東湖沉積物后發(fā)現(xiàn), 沉積物的表層Cu、Cd、Pb、Zn的含量要高于底層, 且湖心區(qū)域重金屬含量較低。這反映出沿岸人類活動對于東湖的重金屬含量影響較大[29]。即使這樣, 近年來東湖水域重金屬污染程度并不嚴(yán)重。Ntakirutimana, et al.[30]測定發(fā)現(xiàn)東湖表層水中Cr、Cu、Zn和As的含量分別為0.03、0.051、0.35及0.05 μg/L,均不超過《中華人民共和國漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB11607-89)中規(guī)定的相關(guān)濃度。東湖移殖蚌樣中重金屬的含量與我國及國際上的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)比較, 移殖后3、6、9、12個月后所測定的Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這些標(biāo)準(zhǔn)(表3)。董緒燕等[31]分析了武漢市周邊代表性湖泊(包括東湖)魚類肌肉中重金屬Cu、Pb和Cd的含量范圍分別為0.2—0.3、0.03—0.05和0.02—0.05 μg/g, 均低于我國《無公害食品—水產(chǎn)品中有毒有害物質(zhì)限量》(NY 5073-2006)中的限量標(biāo)準(zhǔn)。

金屬污染指數(shù)(MPI)的結(jié)果表明, 東湖移殖組與南泉養(yǎng)殖組蚌個體對應(yīng)于3、6、9、12個月時的兩組MPI指數(shù)間差異不明顯(Wilcoxon符號秩檢驗, P＞0.05)(表2)。這顯示出東湖和南泉兩水域重金屬背景應(yīng)該處于相同的水平, 重金屬污染并不明顯。

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VARIATION OF HEAVY METAL CONTENTS IN SWAN MUSSELS (ANODONTA WOODIANA) TRANSPLANTED INTO DONGHU LAKE

SUN Lei1, CHEN Xiu-Bao2, SU Yan-Ping2, LIU Hong-Bo2, NI Lei-Yi3and YANG Jian1,2
(1. Wuxi Fisheries College, Nanjing Agricultural University, Wuxi 214081, China; 2. Key Laboratory of Ecological Environment and Resources of Inland Fisheries, Freshwater Fisheries Research Center, Chinese Academy of Fishery Sciences, Wuxi 214081, China; 3. Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China)

背角無齒蚌; 重金屬; 生物積累; 移殖; 監(jiān)測

Swan mussel (Anodonta woodiana); Heavy metal; Bioaccumulation; Transplantation; Monitoring

X171.5

A

1000-3207(2014)01-0203-06

10.7541/2014.30

2012-10-30;

2013-06-17

國家自然科學(xué)基金項目(31072214)資助

孫磊(1987—), 男, 山東省淄博人; 碩士研究生; 研究方向為漁業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)。E-mail: sunlei74120@163.com

楊健, E-mail: jiany@ffrc.cn