陡河水庫魚體汞的生物積累初探

王明猛，閆海魚，李太山，劉文利，陳旭鋒，康靜文

1. 太原理工大學(xué)，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024 2. 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所，環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽550002 3. 唐山市環(huán)境監(jiān)測中心站，唐山130203

陡河水庫魚體汞的生物積累初探

王明猛1，閆海魚2,*，李太山3，劉文利3，陳旭鋒3，康靜文1

1. 太原理工大學(xué)，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024 2. 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所，環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽550002 3. 唐山市環(huán)境監(jiān)測中心站，唐山130203

為了解陡河燃煤電廠大氣汞釋放對毗鄰的陡河水庫水生生態(tài)系統(tǒng)中魚體汞含量、生物積累和放大等的影響，本研究采集陡河水庫野生魚、蝦和螺螄，分別測定了魚樣等生物樣品中的總汞和甲基汞，并對部分代表性樣品測定穩(wěn)定碳氮同位素比值。魚汞分布特征和δ13C‰和δ15N‰同位素比值分布特征顯示：魚體(鮮樣)中總汞和甲基汞平均含量分別為56.4±26.7和15.5±8.4 ng·g-1，總汞含量最高的是雜食性的白條魚為133 ng·g-1。不同食性的魚體δ13C和δ15N穩(wěn)定同位素值變化范圍分別為-28.1‰～-24.4‰和12.0‰～16.1‰，Log10[Hg]與δ15N的線性相關(guān)斜率值為負(fù)值。以上結(jié)果表明：陡河水庫魚體汞總體偏低，沒有發(fā)現(xiàn)高生物積累和生物放大，其主要原因在于陡河水庫水環(huán)境中汞含量較低，且陡河水庫靠近市區(qū)，過度捕撈使可以捕獲的魚樣種類和數(shù)量偏少，且魚齡較低。

魚；汞；穩(wěn)定同位素；生物積累與放大

汞是唯一一種可以氣態(tài)形式存在的人體健康非必需金屬元素。環(huán)境中的汞通常以無機(jī)汞和有機(jī)汞兩種化學(xué)形態(tài)存在，其中有機(jī)汞在水環(huán)境中主要以甲基汞存在。甲基汞是毒性最大、最容易通過食物鏈積累、傳遞和生物放大的汞形態(tài)，環(huán)境中低含量的甲基汞(1ng·L-1或更低)通過食物鏈的積累和傳輸，在魚體中可以達(dá)到106～107倍[1]。因此，環(huán)境中微量汞的增加都可能導(dǎo)致魚及其他水生物中汞成百上千倍的增加。

水環(huán)境中的主要來源于人為排放和自然源，燃煤是我國大氣和水體人為汞輸入的主要來源之一。燃煤電廠的煤炭燃燒過程中，會釋放出大量的汞，其中主要是單質(zhì)汞。這些汞釋放到大氣中會進(jìn)入到水體或土壤環(huán)境，進(jìn)入水環(huán)境的汞經(jīng)過一系列的遷移轉(zhuǎn)化，最終進(jìn)入水生食物鏈, 增加汞在食物鏈中積累的風(fēng)險。

陡河水庫1956年建成，位于燕山南麓的陡河上游，距離唐山15公里處，是河北省建立的第一座大型水庫，也是唐山市唯一的飲用水源地。陡河電站是坐落在陡河水庫西畔的一個燃煤電站，生產(chǎn)和生活用水都取自陡河水庫。該電站擁有完善的除塵除汞的環(huán)保工藝，能夠有效降低煙氣中煙塵和氣態(tài)汞的排放量，但具體減少的程度并不明了，該電站排放的含汞氣體是否對水庫水體、沉積物和魚類等水生物有不良影響，也尚未見報道。為此，本研究選取陡河水庫現(xiàn)有優(yōu)勢魚種、蝦和螺螄，通過測定其汞的形態(tài)、含量及穩(wěn)定碳氮同位素，了解其汞含量和生物富集與放大的程度，以明確陡河水庫水生食物鏈的汞污染現(xiàn)狀。

1 材料和方法(Materials and methods)

1.1 樣品采集與保存

2013年8月，采集唐山市陡河水庫魚、蝦和螺螄，共計8種38個樣本(螺螄和蝦各算1個樣本)，分別為11尾鯉魚(Cyprinuscarpio)、12尾鯽魚(Carassiusauratus)、3尾餐條(Hemiculterleuciculis)、5尾白鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)、1尾花鰱(Aristichthysnovilis)、5尾翹嘴紅鲌(Erythroculterilishaeformis)、20只螺螄(Margaryamelanioides)、10只蝦(Macrobranchiumnipponense)。

樣品采集后立即帶回實(shí)驗(yàn)室，記錄魚的質(zhì)量、長度，最后將魚除鱗、洗凈、切取背脊肌肉裝入樣品袋于冰箱中冷凍保存(-18℃)。由于螺螄及蝦個體小，故在測定其汞含量時將所采集樣品去殼、取肉，混合后測定鮮樣中總汞和甲基汞；穩(wěn)定碳氮同位素樣品測定前對樣品進(jìn)行冷凍干燥、研磨和過篩(60目)后備用。

1.2 樣品分析方法與質(zhì)量控制

1.2.1 樣品分析方法

準(zhǔn)確稱取樣品干樣0.0010～0.1000 g (精確到0.0001 g)，通過PYRO-915+熱解裝置(800 ℃以上的高溫?zé)峤鈽悠?，樣品中的汞先原子化，汞原子在254 nm共振輻射吸收、塞曼背景校正技術(shù)處理后，經(jīng)過RA-915+塞曼效應(yīng)汞分析儀在線實(shí)時檢測，測定時需要用去掉其中的魚皮和魚骨[2]。

魚體甲基汞的測定采用堿消解-水相乙基化結(jié)合氣相色譜(GC)冷原子熒光(CVAFS)測定[3]。準(zhǔn)確稱量0.1～0.2 g(精確到0.0001 g)標(biāo)準(zhǔn)干魚樣到25 mL的Teflon消化罐中，加5 mLKOH溶液, 在水浴鍋中75±3 ℃加熱約3 h，然后用60 ℃超純水定容到25 mL，搖勻待測。在硼硅玻璃氣泡瓶中依次加入約80 mL Milli-Q水、200 μL醋酸鈉緩沖溶液、50 μL消解液和200 μL濃度為1%的四乙基硼化鈉溶液，通高純氮?dú)膺M(jìn)行吹掃，將汞預(yù)富集到Tenax管上，經(jīng)GC色譜柱分離、高溫?zé)峤鉃閱钨|(zhì)汞蒸汽，最后用冷原子熒光測汞儀測定。

魚樣總汞和甲基汞測定使用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為NRCC-Tort2(生產(chǎn)國：加拿大)，其總汞的標(biāo)準(zhǔn)含量為270±0.06 ng·g-1和152±0.013 ng·g-1。

碳氮穩(wěn)定同位素組成采用MAT-253質(zhì)譜儀測定，用δ13C和δ15N‰來表示，并與國際標(biāo)準(zhǔn)P-VDB和大氣氮組分相對應(yīng)。碳同位素選用的標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)為IAEA-cH-6和IAEA-C-3，氮同位素選用的標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)為USGS25、IAEA-N-1、IAEA-N-2和ST-N1。δ13C或δ15N的計算方法食魚標(biāo)樣比較生物樣品的同位素比例：

δ13C或δ15N=[(R樣品/R標(biāo)樣)-1]×1 000

(1)

式中R為標(biāo)樣或樣品中13C/12C 或15N/14N。

本研究選取了16個具有代表性的不同食性魚種分別進(jìn)行碳氮同位素測定。

1.2.2 質(zhì)量控制

魚樣國際標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)(NRCC-Tort2)的測定總汞和甲基汞的回收率分別達(dá)到101%和97%?？偣图谆瘻y定的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為5 ng·g-1和3 ng·g-1，空白測定均低于檢測限。

為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，碳氮穩(wěn)定同位素的測定均采取每個樣測定兩次，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)的校準(zhǔn)，碳氮同位素的重復(fù)樣測定結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差平均分別為0.3%和1.5%，儀器測試精度分別為碳同位素0.2‰，氮同位素0.4‰。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

本文數(shù)據(jù)處理采用Office excel 2007、Origin 8 和SPSS 11.0軟件。

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 魚體中汞的形態(tài)含量分布特征

本實(shí)驗(yàn)中魚的個體普遍偏小，魚齡為1～3冬齡，且以1冬齡為多數(shù)，魚、蝦和螺螄的基本參數(shù)見下表1：

陡河水庫魚體汞含量整體較低(圖1)，根據(jù)含水率換算為鮮樣中的汞含量總汞和甲基汞含量分別為：56.4±26.7和15.5±8.4 ng·g-1，最高值是雜食性的白條魚133 ng·g-1,但平均值仍為肉食性魚(翹嘴紅鲌)>雜食性(鯉魚、鯽魚和餐條)>濾食性(白鰱和花鰱)，總汞含量分別為：76.8、54.1和52.2 ng·g-1；甲基汞含量分別為17.8、16.5和15.5 ng·g-1。鯉魚和鯽魚的長度、重量、年齡與汞含量間的相關(guān)性均不顯著(p>0.05, R=0.08～0.10, n=23)，其余樣本數(shù)量較少，沒有做相關(guān)性分析。

表1 樣本的基本參數(shù)Table 1 Basic parameter of Samples

注：/表示未對個體進(jìn)行稱重。

Note: / No mass-weighting for individual sample, respectively.

圖1 不同食性魚體總汞含量Fig. 1 THg in difference species fish

底棲生物螺螄中總汞和甲基汞含量分別為56.4 ng·g-1和8.7 ng·g-1，蝦的總汞和甲基汞含量分別為19.3 ng·g-1和5.8 ng·g-1。目前我國淡水魚在食品中的污染物限量規(guī)定，甲基汞含量不超過500 ng·g-1鮮重(GB2762-2012)[4]，世界衛(wèi)生組織[5]汞含量指導(dǎo)限值200 ng·g-1鮮重和美國環(huán)保局規(guī)定魚體鮮樣中汞含量的食用安全限值甲基汞300 ng·g-1和總汞500 ng·g-1[6]。據(jù)此可以看出，陡河水庫魚生物汞含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這些食用安全標(biāo)準(zhǔn)。與國內(nèi)部分地區(qū)淡水魚汞含量相比，也相對較低[7-9]，遠(yuǎn)低于北歐、北美地區(qū)淡水魚汞含量[10-11]。

魚體甲基汞占總汞的比例平均值為28%，低于國際上大部分研究結(jié)果認(rèn)為的高于90%甚至98%[12]，與國內(nèi)大部分研究成果相似，如我國西南貴州烏江流域6個水庫魚體甲基汞占總汞的比例平均值(低于50%)[7,9]、三峽水庫(低于30%)(參考王定勇待發(fā)表數(shù)據(jù))、廣東沿海不同養(yǎng)殖方式魚體比例(低于60%)(參考閆海魚未發(fā)表數(shù)據(jù))，但顯然遠(yuǎn)低于小浪底魚體甲基汞占總汞的比例(82.5±9.3)%[13]。甲基汞與總汞含量呈顯著正相關(guān)性(R=0.649，p<0.01，N=38)。

2.2 魚體中碳氮穩(wěn)定同位素分布特征

相鄰營養(yǎng)級間動物組織的差值(⊿δ15N)較大且較為恒定，為3.0‰～5.0‰[14]，測得相鄰營養(yǎng)級間動物組織的δ15N，就可以判斷出動物在食物鏈中的營養(yǎng)級位置。一些研究表明，動物組織中δ13C同位素也會隨營養(yǎng)級增加而增加[15]，可以與δ15N值一起作為營養(yǎng)級位置的指示物[16]。

圖2 魚體內(nèi)碳氮同位素分布特征Fig. 2 Character with the δ15N and δ13C in fish species

陡河水庫不同食性的魚體δ13C和δ15N穩(wěn)定同位素值變化范圍分別為：-28.1‰～-24.4‰和12.0‰～16.1‰，變化范圍較小，但δ15N值偏高，最大δ15N與余楊[17]對三峽水庫魚體氮同位素比值測定結(jié)果相似(8.26‰～16.98‰)，但營養(yǎng)級跨度較低，僅為1.2。根據(jù)魚樣的種類判斷，陡河魚類的營養(yǎng)級屬于2～3營養(yǎng)級，但實(shí)測值為第四營養(yǎng)級[18]。與太湖[19]、百花湖等生態(tài)系統(tǒng)中相近[20]，但高于國外研究結(jié)果，說明該水體生物廢水污染普遍存在，并影響到了水生物體的δ15N比值。δ15N同位素差值4.1‰，僅差約1個營養(yǎng)級。通常，生物體內(nèi)碳同位素與氮同位素比值呈正相關(guān)，魚的營養(yǎng)級越高δ15N越高，δ13C也相對更高，但陡河水庫魚體碳氮同位素比值間沒有顯著正相關(guān)性(圖2)，前人的研究也發(fā)現(xiàn)，不同營養(yǎng)級間δ13C的差值較小(約為0.4‰～1.0‰)，因此在判定營養(yǎng)級的應(yīng)用中受到一定的限制[21]，特別是對于食物鏈較短的情況下，人為干擾較多的城市附近水環(huán)境條件，碳來源更為多樣化，難以根據(jù)δ13C差值判斷生物營養(yǎng)級，但是生物體內(nèi)的碳同位素比值可以分析探究一些難以察覺的有機(jī)碳來源，因此，魚類碳同位素的比值對于魚類攝食狀況有重要的指示意義，故本研究樣品中δ13C比值主要用以分析魚類的食物來源。一般地，浮游生物δ13C比值偏高，約為-16‰～-17‰，陸源有機(jī)質(zhì)δ13C比值則更偏負(fù)如-28‰。陡河水庫魚體δ13C比值平均值為(-27.1±0.9)‰，因此可以初步判定其魚體食物來源十分相近。

2.3 魚體中氮同位素與汞形態(tài)和含量的關(guān)系

魚體汞的隨營養(yǎng)級的積累程度通常用Log10[Hg]與δ15N的線性相關(guān)斜率值的大小，斜率越

圖3 不同食性魚體內(nèi)汞和氮同位素的相關(guān)性Fig. 1 Correlations with the δ15N and δ13C and mercury in difference feeding habits fish

大說明生物積累程度越高。汞含量與δ15N值的相關(guān)性方程Log10[Hg]=aδ15N+b，式中[Hg]表示生物體內(nèi)總汞或甲基汞濃度，δ15N值為生物體的穩(wěn)定氮同位素比值，a的大小可以指示汞在生物體內(nèi)的放大率。

本研究中魚體甲基汞和總汞在不同營養(yǎng)級的斜率分別為-0.06和-0.04，但線性相關(guān)不顯著，沒有發(fā)現(xiàn)汞隨水生食物鏈的富集與放大。我國其他區(qū)域研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，a值普遍低于國內(nèi)外大部分研究成果[22-26]。推斷可能的原因在于每個研究中選取的魚種類不同，各種類的魚所占比例也不同，以大型肉食性海洋魚類為研究對象，a值則普遍偏大(總汞為0.10～0.20，甲基汞約為0.2～0.3)[27]，而以淡水草食性、雜食性為主的魚類則a值普遍偏低(約為0.06～0.16)。肉食性魚類肉味鮮美、少刺，因而被過度捕撈，在我國大部分內(nèi)陸水體已經(jīng)變得越來越少。陡河水庫作為城郊的水源地，大量的釣魚愛好者前往垂釣，各種魚類在水中存活時間太短，食物鏈結(jié)構(gòu)簡單且不完整，因此沒有出現(xiàn)汞隨食物鏈富集放大的現(xiàn)象。此外，熱污染可能也是魚類種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量變化的影響因素之一[28]。

綜上所述，通過對陡河水庫魚類、蝦和螺螄汞含量及穩(wěn)定碳氮同位素的測定及結(jié)果分析，得出如下結(jié)論：

(1)陡河水庫魚體甲基汞含量為3.6～40.1 ng·g-1, 遠(yuǎn)低于我國《食品中污染物限量》(GB2762-2012)規(guī)定的淡水魚甲基汞含量限值(< 500 ng·g-1)。

(2)沒有發(fā)現(xiàn)魚體中汞的高生物積累和生物放大，推斷其主要原因電廠排放排放的氣態(tài)汞對陡河水體和沉積物中汞含量影響較小，因此陡河水庫水環(huán)境中汞含量較低(水體總汞僅為1.20～3.80 ng·L-1，沉積物干樣總汞為0.025～0.100 mg·kg-1)，且陡河水庫靠近市區(qū)，過度捕撈使可以捕獲的魚樣種類和數(shù)量偏少，且魚齡較低(最大魚齡為3+)。

致謝：感謝中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所李仲根副研究員、中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)的陳吉、陸卓和貴州大學(xué)陽許同學(xué)對我們野外采樣工作的幫助。

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PreliminaryStudyonBioaccumulationofMercuryinFishfromDouheReservoir

Wang Mingmeng1, Yan Haiyu2,*, Li Taishan3, Liu Wenli3, Chen Xufeng3, Kang Jingwen1

1. College of Environmental Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China 2. State key of laboratory Environmental geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550002, China 3. Tangshan Municipal Environmental Monitoring Center Station, Tangshan 130203, China

15 May 2014accepted11 June 2014

To understand the impact of atmospheric mercury emissions from a coal-fired power plant on the distributions of mercury in fish as well as bioaccumulation and biomagnification processes of mercury in the food chain, wild fish, shrimp and snails were collected from Douhe reservoir close to the Douhe coal-fired power plant. Total mercury (THg) and methylmercury(MeHg) concentrations for all these samples were measured and some of them were selected for measurements of stable carbon and nitrogen isotopes. Our results showed mean concentrations of 56.4±26.7 ng·g-1for THg and 15.5±8.4 ng·g-1for MeHg in wet weight. The highest THg concentration of 133 ng·g-1is observed in omnivorous fish (Hemiculterleuciculis). δ13C and δ15N values for fishes with different feeding habits were in the ranges of from -28.1‰ to -24.4‰ and from 12.0‰ to 16.1‰, respectively. A correlation with a negative slope was observedbetween lognormal concentrations of THg (Log10[Hg]) and δ15N. Our results indicate that THg and MeHgin fish in Douhe reservoir were at a relatively low level, and no strong bioaccumulation and biomagnifications was found. The explanations may include low mercury concentrations in water, limited species and populations of fish due to the overfishing, and short ages of fish.

fish; mercury; stable isotope; bioaccumulation and biomagnification

唐山市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃(Nos. 12130215A)；國家自然科學(xué)基金(Nos. 40973083，41273099)

王明猛(1988-)，男，在讀碩士生，研究方向?yàn)榄h(huán)境工程，E-mail: wmqym2006@126.com

*通訊作者(Corresponding author), E-mail: yanhaiyu@vip.skleg.cn

10.7524/AJE.1673-5897-20140515002

2014-05-15錄用日期：2014-06-11

1673-5897(2014)5-986-06

： X171.5

： A

閆海魚(1973—), 女，地球化學(xué)專業(yè)，博士，副研究員，主要研究方向?yàn)楣纳锏厍蚧瘜W(xué)循環(huán)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇。

王明猛, 閆海魚, 李太山，等. 陡河水庫魚體汞的生物積累初探[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報，2014, 9(5): 986-991

Wang M M, Yan H Y, Li T S, et al. Preliminary study on bioaccumulation of mercury in fish from Douhe reservoir [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2014, 9(5): 986-991 (in Chinese)