礦區(qū)湖泊微型浮游生物對重金屬的富集研究——以湖北大冶湖和磁湖為例

鄢 昭，劉 婷，2，孫俊霞，周 順，周亞軍，肖文勝，2

（1.湖北理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 黃石 435003；2.礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點實驗室，湖北 黃石 435003）

湖泊重金屬污染直接影響到流域經(jīng)濟環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，是當(dāng)今世界重要的環(huán)境問題。近年來，國內(nèi)外對重金屬在湖泊水體、沉積物和生物體中的積累有較多的研究［1-4］，結(jié)果發(fā)現(xiàn)重金屬在沉積物和水生生物中的富集情況與地理環(huán)境、生物種類和重金屬種類有關(guān)。微型浮游生物是水生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，包括單細胞的藻類、原生動物和微型后生動物，它們可以吸收、轉(zhuǎn)移、富集水體中的污染物［5-6］。在水環(huán)境中，微型浮游生物一旦富集重金屬，重金屬便能進入食物鏈，經(jīng)過生物逐級放大，高劑量的重金屬將危及水生生物和人類的健康［7］。目前，我國的湖泊重金屬生物富集研究主要報道了魚類和大型水生植物等對重金屬的富集［8-10］，對湖泊微型浮游生物富集重金屬的研究較少，相關(guān)的研究主要集中于城市大型湖泊，而對礦區(qū)湖泊水體的研究也較少。

湖北省黃石市位于長江中下游銅鐵多金屬成礦帶上，煤、鐵、銅、金、硅灰石等礦產(chǎn)資源豐富，是全國六大銅礦基地、十大鐵礦基地之一，硅灰石儲量居世界第二。多年來，該地區(qū)銅、鐵等金屬礦產(chǎn)的開采和冶煉給周圍環(huán)境帶來了嚴(yán)重的重金屬污染問題。大冶湖和磁湖是黃石市的兩個重要湖泊：大冶湖位于大冶市、陽新縣、西塞山區(qū)和開發(fā)區(qū)黃金山新區(qū)之間，整個流域面積1 106km2，主要由三里七湖、紅星湖、尹家湖和外湖組成；磁湖位于黃石市的市中心，湖北省重點治理的三湖三河之一，徑流面積62.8km2，湖泊面積8.2km2，平均水深1.75m，湖體容量1 748×104m3。大冶湖和磁湖都是兼有防洪、排澇、養(yǎng)殖和游覽為一體的多功能水資源地，由于沿岸工礦企業(yè)較多、水質(zhì)不達標(biāo)的排污口較多，重金屬污染問題比較突出。為此，本文以大冶湖、磁湖為研究對象，對礦區(qū)湖泊表層水和微型浮游生物中重金屬的濃度水平進行研究，并評價重金屬在微型浮游生物中的富集情況，旨在為礦區(qū)湖泊的污染治理和生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

磁湖包括北磁湖和南磁湖，本次研究設(shè)置了8個采樣點；大冶湖包括三里七湖、尹家湖、紅星湖和外湖4個子湖，本次研究主要針對尹家湖和外湖，設(shè)置了9個采樣點，采樣點的位置如圖1所示（外湖東部水域為漁業(yè)養(yǎng)殖場，采樣船未能進入）。于2014年4月枯水期在各個采樣點采集表層水和微型浮游生物樣品。

在每個采樣點水下50cm 處均用有機玻璃采水器采集500mL表層水樣，裝入聚乙烯瓶（用鹽酸浸泡3d以上，用Millpore超純水沖洗至中性后在超凈臺內(nèi)吹干），運回實驗室后于24h內(nèi)過濾。微型浮游生物樣品用25號浮游生物網(wǎng)（孔徑為64μm）拖撈獲得，裝入聚乙烯瓶，運回實驗室后于24h內(nèi)過濾。

1.2 樣品分析

表層水樣經(jīng)0.22μm 濾膜過濾后取200mL 濾液，采用HNO3消解，利用火焰原子吸收光譜儀（美國瓦里安240FSAA）測定樣品中重金屬Cu、Pb、Cd、Zn、Cr 和Fe 的含量。微型浮游生物樣品 用0.22μm 濾膜（烘至恒重）過濾后烘干至恒重，采用HNO3-HClO4濕法消解，利用火焰原子吸收光譜儀測定樣品中重金屬Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的含量，微型浮游生物的重金屬含量以干重表示。每個樣品制備3組平行樣，取平均值，同時做試劑空白對照，并以標(biāo)準(zhǔn)溶液進行質(zhì)量控制。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本文利用SPSS19.0軟件對6種重金屬含量進行單因素方差分析和Person相關(guān)系數(shù)分析，并采用單因子污染指數(shù)法評價不同重金屬污染狀況，其計算公式如下：

式中：Pi為第i 種重金屬的單因子污染指數(shù)；Ci為第i種重金屬實測含量的均值（mg／L）；Si為第i 種重金屬的限量標(biāo)準(zhǔn)（mg／L）。

當(dāng)Pi≤1時，表示地表水未受污染；當(dāng)Pi＞1時，表示地表水受到污染。Pi值越大，則表明污染越嚴(yán)重。

為了分析微型浮游生物對湖泊中重金屬的生物累積能力，本文計算了生物富集系數(shù)（bioconcentration factors，BCF），BCF=生物體的重金屬含量（mg／kg）／表層水的重金屬含量（mg／L）。BCF值越高，則表明生物從水中富集重金屬的量越大［11］。

2 結(jié)果與討論

2.1 大冶湖和磁湖表層水中重金屬含量分析與評價

大冶湖和磁湖表層水中重金屬含量統(tǒng)計分析結(jié)果見表1。由表1可以看出：大冶湖表層水中重金屬Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均濃度分別為0.009 1mg／L、0.013 4mg／L、0.009 2mg／L、0.043 4mg／L、0.057 8 mg／L、0.338 2mg／L，磁湖表層水中重金屬Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均濃度分別為0.004 3mg／L、0.012 7 mg／L、0.001 1 mg／L、0.389 2 mg／L、0.063 4 mg／L、0.711 0mg／L；磁湖表層水中重金屬總含量高于大冶湖，說明其水質(zhì)綜合污染程度高；南磁湖表層水中重金屬含量最高，其次是北磁湖，尹家湖表層水中重金屬含量最低；各個子湖表層水中重金屬含量排序不同，其中尹家湖表層水中各種重金屬含量的排序為Fe＞Zn＞Pb＞Cr＞Cd＞Cu，外湖為Fe＞Cr＞Zn＞Pb＞Cu＞Cd，北磁湖和南磁湖為Fe＞Zn＞Cr＞Pb＞Cu＞Cd；在各個子湖中，表層水中Fe含量遠高于其他重金屬含量，占各采樣點重金屬總含量的48%以上。單因素方差分析結(jié)果表明，大冶湖的兩個子湖的重金屬含量沒有顯著性差異（p＞0.05），磁湖的兩個子湖的重金屬含量沒有顯著性差異（p＞0.05），磁湖和大冶湖重金屬含量存在顯著性差異（p＜0.05）。

由于大冶湖和磁湖是兼有防洪、排澇、養(yǎng)殖和游覽為一體的多功能水資源地，所以將各湖表層水中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd和Cr的含量與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中第Ⅲ類水的污染限值進行單因子污染評價，其中重金屬Fe選用該標(biāo)準(zhǔn)中集中式生活飲用水地表水源地補充項目標(biāo)準(zhǔn)限值（0.3mg／L）進行單因子污染指數(shù)法評價，其評價結(jié)果見表2。由表2可知：大冶湖的尹家湖表層水中各種重金屬的單因子污染指數(shù)均小于1，符合地表水III類水標(biāo)準(zhǔn)，大冶湖的外湖Cu、Pb、Zn的單因子污染指數(shù)小于1，但Cd和Cr的單因子污染指數(shù)均大于1，未達到地表水III類水標(biāo)準(zhǔn)，Cd含量超過地表水V 類水標(biāo)準(zhǔn)，污染嚴(yán)重，F(xiàn)e含量較高，高于集中式生活飲用水地表水源地補充項目標(biāo)準(zhǔn)限值；磁湖表層水中Cu、Pb、Cd、Zn的單因子污染指數(shù)均小于1，符合地表水III類水標(biāo)準(zhǔn)，Cr的單因子污染指數(shù)大于1，大于地表水III類水標(biāo)準(zhǔn)但小于V 類水標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)e含量較高，高于集中式生活飲用水地表水源地補充項目標(biāo)準(zhǔn)限值，也高于外湖的Fe含量。

大冶湖和磁湖各采樣點6種重金屬含量之間的Pearson相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果見表3。由表3可見：大冶湖表層水中Cu與Cd、Fe含量的Pearson相關(guān)系數(shù)在0.932～0.986之間（雙尾檢驗），兩兩之間呈極顯著正相關(guān)，說明三者相互影響，并可能同來自周邊的采礦、冶煉廢水；磁湖表層水中的Fe與Zn含量呈極顯著正相關(guān)，Cd、Zn與Cr含量呈顯著正相關(guān)，Cu和Pb與其他金屬含量的相關(guān)性不顯著，可推測重金屬的來源較為復(fù)雜。

表1 大冶湖和磁湖表層水中重金屬含量（mg／L）Table 1 Content of heavy metals in surface water in Daye Lake and Cihu Lake（mg／L）

表2 大冶湖和磁湖表層水中重金屬單因子污染指數(shù)（Pi）Table 2 Single factor contaminant indexes of heavy metals in surface water in Daye Lake and Cihu Lake

表3 大冶湖和磁湖表層水中各種重金屬含量之間的相關(guān)性分析Table 3 Correlation coefficients between the content of heavy metals in surface water in Daye Lake and Cihu Lake

大冶湖的尹家湖是大冶市的城市備用水源，重金屬含量相對較低。但是近年來，尹家湖由于長期接納周邊生產(chǎn)生活污水，加之水體容量小、自凈能力差，水質(zhì)已遭受污染。目前尹家湖表層水中Zn和Cd含量均高于2011 年的監(jiān) 測含量［13］，Cu 含量與2011年的相當(dāng)，表層水中Cu、Zn、Pb、Cd、Fe和Cr含量只能達到地表水III類水標(biāo)準(zhǔn)，不宜再作為城市備用水水源地。大冶湖的外湖表層水中重金屬含量較高，Cd 含量超過地表水V 類水標(biāo)準(zhǔn)，污染嚴(yán)重；Cu、Cd與Fe含量呈極顯著相關(guān)，可能來自周邊礦區(qū)、礦廠、有色金屬冶煉企業(yè)的廢水排放。磁湖是黃石市區(qū)最大的淺水湖泊，周邊分布有水泥廠、機械廠、化工廠和有色冶煉企業(yè)，中心城區(qū)工業(yè)和生活廢水的排入使得表層水的重金屬含量較高，來源十分復(fù)雜。大冶湖和磁湖表層水中重金屬含量與國內(nèi)一些湖泊的對比見表4。由表4可見，大冶湖和磁湖表層水中Cu、Zn、Cr、Fe含量均高于其他湖泊，Pb含量低于金銀湖和墨水湖，Cd含量低于金銀湖而高于其他的湖泊?？傮w來說，大冶湖和磁湖的重金屬污染相對其他湖泊更為嚴(yán)重。

表4 大冶湖和磁湖表層水中重金屬含量與其他湖泊的對比（mg／L）Table 4 Comparison of the content of heavy metals in surface water between Daye Lake and Cihu Lake and other lakes（mg／L）

2.2 大冶湖和磁湖微型浮游生物中富集的重金屬含量分析與評價

本文對大冶湖和磁湖微型浮游生物富集的重金屬含量統(tǒng)計分析結(jié)果見表5。由表5 可以看出：大冶湖微型浮游生物中重金屬Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均濃度分別為278.6 mg／kg 干重、695.6 mg／kg干重、23.1mg／kg干重、578.0mg／kg干重、323.5 mg／kg干重、14 214 mg／kg干重，磁湖微型浮游生物中重金屬Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均濃度分別 為316.1 mg／kg 干 重、361.4 mg／kg 干重、2.06 mg／kg干重、1 004.5 mg／kg干重、313.3 mg／kg干重、18 366 mg／kg干重；磁湖微型浮游生物中重金屬總含量高于大冶湖，與表層水中重金屬含量分析結(jié)果一致；南磁湖微型浮游生物中重金屬含量最高，其次是北磁湖，尹家湖微型浮游生物的重金屬含量最低；各個子湖微型浮游生物中各種重金屬含量的排序不同，其中尹家湖微型浮游生物中各種重金屬含量的排序為Fe＞Pb＞Zn＞Cr＞Cu＞Cd，外湖為Fe＞Pb＞Zn＞Cr＞Cu＞Cd，北磁湖為Fe＞Zn＞Cr＞Pb＞Cu＞Cd，南磁湖為Fe＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Cd；在各個子湖中，微型浮游生物中Fe含量遠高于其他重金屬含量，Cd含量最低。此外，由表5還可以發(fā)現(xiàn)，大冶湖微型浮游生物中Cu、Pb、Cd、Zn和Cr含量均值均超出大冶湖無明顯污染的沉積物中重金屬平均含量［17］，其中Cd超出背景值含量最多，尹家湖超出3 1.5 7倍，外湖超出74.43倍；除尹家湖的Cu以外，大冶湖微型浮游生物中的Pb、Cd、Zn和Cr含量均值也都超出環(huán)大冶湖農(nóng)田土壤中重金屬的平均含量［18］，除Fe之外，大冶湖其他重金屬含量均值均超出湖北省A 層土壤背景值［20］；北磁湖微型浮游生物中重金屬含量均值均超出北磁湖表層沉積物中重金屬平均含量［19］，其中Fe超出背景值含量最多，超出3.25倍；南磁湖微型浮游生物中Cu、Pb、Zn、Fe含量均值均超出南磁湖表層沉積物中重金屬平均含量［19］，其中Fe超出背景值含量最多，超出3.68倍；除Fe之外，磁湖微型浮游生物中其他重金屬含量均值均超出湖北省A層土壤背景值［20］。

表5 大冶湖和磁湖微型浮游生物富集的重金屬含量（×102 mg／kg干重）Table 5 Content of heavy metals in nannoplankton in Daye Lake and Cihu Lake（×102 mg／kg DW）

2.3 大冶湖和磁湖重金屬在微型浮游生物中的富集系數(shù)

本文以各采樣點6種重金屬在微型浮游生物中的含量與相應(yīng)表層水中重金屬含量的比值，來計算重金屬在微型浮游生物中的富集系數(shù)，用以反映微型浮游生物對重金屬的富集能力大小，其結(jié)果見表6。由表6可以看出：各個子湖微型浮游生物對不同重金屬的富集系數(shù)差異較大，尹家湖微型浮游生物對不同重金屬的富集系數(shù)排序為Fe＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn＞Cd，外湖為Pb＞Fe＞Cu＞Zn＞Cr＞Cd，北磁湖為Cu＞Pb＞Fe＞Cr＞Zn＞Cd，南磁湖為Cu＞Pb＞Fe＞Zn＞Cd＞Cr；各個子湖微型浮游生物Cd、Zn、Cr的富集系數(shù)較小，對Cu、Pb、Fe的富集系數(shù)較大，可見湖泊微型浮游生物對重金屬的富集有選擇性。

通過比較大冶湖、磁湖表層水和微型浮游生物中的重金屬含量可知，微型浮游生物中的重金屬含量遠高于表層水中的重金屬含量，甚至高于表層沉積物中的重金屬含量，這一結(jié)果與國內(nèi)外文獻報道的結(jié)果一致。如湘江水華藻體中的Pb、Cd、Cr和Fe含量遠高于表層水中的含量［17］；斯洛文尼亞的一個礦區(qū)湖泊Velenjsko jezero，浮游生物中的Pb、Cd和Zn含量高于表層水和沉積物中的含量［2］；土耳其的湖泊Yeni?aˇga Lake，浮游生物中的Cu、Pb、Zn、Cr、Fe含量高于表層水的含量，其中Zn 和Pb的含量高于沉積物中的含量［1］。磁湖微型浮游生物中的Cu、Pb、Cd和Cr含量遠高于鯽魚、鳊魚和鰱魚體內(nèi)的含量［8］，在Velenjsko jezero湖也有類似的發(fā)現(xiàn)，浮游生物中的Pb、Cd和Zn含量遠高于歐白魚、鯉魚、鳊魚和河鱸體內(nèi)的含量。大冶湖和磁湖的微型浮游生物對重金屬的富集系數(shù)在1 800～82 600之間，表明微型浮游生物對重金屬有很強的富集能力。湘江水華藻體對Pb、Cd、Cr、Fe也表現(xiàn)出了很強的富集能力，各自的富集系數(shù)約為9 600、7 900、1 000和770 000［17］。與其他水生生物相比，微型浮游生物對Cu、Pb的富集能力較強，對Cd的富集能力低于大部分的水生植物和縊蟶，其結(jié)果見表7。

表6 大冶湖和磁湖6種重金屬在微型浮游生物中的富集系數(shù)（×104）Table 6 Bioconcentration factors（BCF）of 6kinds heavy metals in nannoplankton in Daye Lake and Cihu Lake（×104）

表7 不同水體微型浮游生物對重金屬的富集系數(shù)（×104）Table 7 Comparison of bioaccumulation factors（BAFs）of heavy metals between different aquatic organisms（×104）

水體中的微型浮游生物對重金屬的強大富集能力可能與它們數(shù)量多、代謝活躍、比表面積大有關(guān)，可以快速吸附、吸收水體和表層沉積物中的重金屬。藻類細胞壁、原生動物細胞膜上的多糖、蛋白質(zhì)、磷脂等多聚復(fù)合物提供了大量可以與金屬離子結(jié)合的官能團，如氨基、硫基、巰基、羧基、羰基、咪唑基、磷酸根、硫酸根、酚、羥基、醛基和酰氨基等，這些官能團能合理排列在具有較大表面積的細胞外，與重金屬離子接觸［22-23］。而在所有官能團中，以多糖提供的羧基最為重要［24］，胞外多糖對重金屬的吸附量是藻體的數(shù)倍［22］。微型浮游生物還會向細胞外分泌大量有機物，胞外產(chǎn)物主要有糖類、果膠質(zhì)等大分子物質(zhì)，這些胞外產(chǎn)物能絡(luò)合金屬離子，形成締合物或絡(luò)合物［22］。藻類、原生動物細胞內(nèi)還能產(chǎn)生螯合重金屬的蛋白，如金屬硫蛋白、植物螯合肽等，把有害的金屬離子形式轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的蛋白結(jié)合形式，從而能夠耐受環(huán)境中的重金屬污染［22，25］。

微型浮游生物富集重金屬受到多方因素的影響，如水體和沉積物中的重金屬濃度、水的理化性質(zhì)、微型浮游生物的種類與數(shù)量、重金屬種類等。大冶湖和磁湖的微型浮游生物富集的Cd、Zn含量與表層水中的含量呈顯著正相關(guān)，而Cu、Pb、Cr和Fe的富集量與表層水中的含量沒有顯著相關(guān)性，見表8。

表8 微型浮游生物中重金屬含量與表層水中重金屬含量的相關(guān)性分析Table 8 Correlation coefficients between the content of heavy metals in surface water and nannoplankton

微型浮游生物處于水生食物鏈的低端，它們通過多種方式富集重金屬，將重金屬帶入食物鏈，危及高端的生物，最終損害人類的健康。本研究證實，大冶湖和磁湖的微型浮游生物對重金屬離子存在生物富集作用，將會對水生生態(tài)系統(tǒng)及沿岸居民健康構(gòu)成威脅，因此必須加強大冶湖和磁湖的重金屬排放控制和污染治理。

3 結(jié)論

（1）大冶湖表層水中重金屬Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均濃度分別為0.009 1 mg／L、0.013 4 mg／L、0.009 2 mg／L、0.043 4 mg／L、0.057 8 mg／L、0.3382mg／L，磁湖表層水中重金屬Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均濃度分別為0.004 3mg／L、0.012 7 mg／L、0.001 1 mg／L、0.389 2 mg／L、0.063 4mg／L、0.711 0mg／L。磁湖表層水中重金屬總含量高于大冶湖。大冶湖和磁湖的重金屬含量相對國內(nèi)其他湖泊偏高。

（2）大冶湖表層水中的Cu與Cd、Fe含量呈極顯著正相關(guān)，三者可能同來自周邊的采礦、冶煉廢水。磁湖表層水中的Fe與Zn 含量呈極顯著正相關(guān)，Cd、Zn與Cr含量呈顯著正相關(guān)，Cu和Pb與其他重金屬含量的相關(guān)性不顯著。

（3）大冶湖微型浮游生物中重金屬Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均濃度分別為278.6 mg／kg 干重、695.6 mg／kg 干 重、23.1 mg／kg 干 重、578.0 mg／kg干重、323.5 mg／kg干重、14 214 mg／kg干重，磁湖微型浮游生物中重金屬Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均濃度分別為316.1mg／kg干重、361.4 mg／kg干重、2.06 mg／kg干重、1 004.5 mg／kg干重、313.3 mg／kg 干 重、18 366 mg／kg 干 重。磁 湖微型浮游生物中重金屬總含量高于大冶湖，與表層水重金屬含量分析結(jié)果一致。

（4）大冶湖和磁湖微型浮游生物中的重金屬含量遠高于表層水中的重金屬含量，甚至高于表層沉積物中的重金屬含量。大冶湖和磁湖的微型浮游生物對重金屬的富集系數(shù)在1 800～82 600之間，其中微型浮游生物對Cd、Zn、Cr的富集系數(shù)較小，對Cu、Pb、Fe的富集系數(shù)較大。

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