羽毛對環(huán)境中重金屬污染的指示作用研究 *

韓　爽，張思沖，周曉聰

(1.黑龍江省高校地理資源與環(huán)境遙感重點實驗室，哈爾濱師范大學；2.哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測中心站)

*黑龍江省高等學?？萍紕?chuàng)新團隊建設計劃項目資助

0　引言

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，城市人口的增多，汽車尾氣、工業(yè)粉塵、廢水、廢渣、農業(yè)焚燒、煤炭和石油燃料等人為污染物排放量迅猛增長，這些污染物給大氣，土壤，水體等環(huán)境帶來了極其嚴重的污染，在這其中重金屬污染尤為嚴重.重金屬在大氣，土壤，水體中的存在對生物體的健康帶來了嚴重的威脅.重金屬在生物體內的長期累積的毒性是無法輕松的通過體內的新陳代謝來減輕或者消除的.機械的環(huán)境監(jiān)測也是一種常用的方法，它可以提供準確的數據，例如空氣監(jiān)測，可以通過各個監(jiān)測站提供的大氣數據來分析大氣污染的情況.然而，和生物監(jiān)測相比，機械監(jiān)測缺乏生物可利用性，不能從機械的數據中得到重金屬污染物在生物體的累積效應.利用生物手段常常可以比物化手段更容易監(jiān)測到那些難以監(jiān)測、難以被發(fā)現的變化，而鳥類對環(huán)境的變化甚至對環(huán)境中的微小變動都很敏感，而且鳥類是動物中比較容易觀察的種群，在不同的環(huán)境都均有分布，能夠較全面的反映環(huán)境變化，其變化較容易監(jiān)測.自20世紀70年代起，鳥類應用于環(huán)境監(jiān)測才開始了真正意義上的發(fā)展，早在1972年，美國科學家就確定了鳥類可以作為監(jiān)控環(huán)境變化的最具有普遍意義的監(jiān)測生物.到了20世紀90年代初期，鳥類作為指示生物用于環(huán)境污染方面的研究已趨于完善，應用于多方面的領域，在這其中就包括了重金屬污染[1].Hutton和Johnston對于鳥類作為監(jiān)測生物用于環(huán)境污染的監(jiān)測進行了綜合評價并且被用來評估危害城市區(qū)域環(huán)境的污染物[2].對于鳥類來說，羽毛是重金屬污染的重要的指示劑，羽毛與其它組織相比有著很大的優(yōu)勢：(1)符合了保護生物的原則，響應環(huán)保主義，是一種無創(chuàng)性的生物材料.(2)羽毛很容易收集和存儲，可以在不影響鳥類健康的情況下在相同的鳥身上收集羽毛.(3)羽毛在生長的過程中，血液中的重金屬通過血液循環(huán)積聚在羽毛中，可以反映羽毛生長過程中的環(huán)境污染情況.

Hahn等(1993)對德國地區(qū)的鳥類飛羽中的Cd、Pb、Hg等重金屬元素進行了研究，研究肯定了羽毛作為是監(jiān)測重金屬污染的指示劑的作用，鎘和鉛在生物體的沉積主要來源于大氣中的污染元素，羽毛中的汞元素的含量主要來源于鳥類所食食物中的污染物質[3].Burger等(1994)測定了對已知年齡燕鷗(Sterna hirundo)胸羽中的Pb、Cd、Hg、Cr、Se、Mn等金屬元素，Cr、Se和Mn的金屬濃度隨著年齡的增長(2～12歲)而增加，而Cd和Hg，幼鳥比成年鳥的濃度高.反應了繁殖區(qū)環(huán)境中的重金屬濃度要高于冬季成鳥羽毛生長期環(huán)境的濃度，同時認為成年鳥羽毛脫毛的過程也是把汞元素排泄到體外的過程[4].Burger等(2008)對阿拉斯加州的三趾鷗(Rissa tridactyla)和蠣鷸(Haematopus bachmani)中的As、Cd、Cr、Pb、Mn、Hg、Se等元素進行了測定，除了Hg，三趾鷗羽毛中的重金屬含量均沒有年齡上的差異性，海鷗羽毛中的汞含量(平均2910 ng/ g(ppb))低于污染標準.發(fā)現了蠣鷸羽毛中的除了汞以外的重金屬含量高于三趾鷗的重金屬水平[5].Tom和Dauwe等測定了藍山雀(Parus caeruleus)和大山雀(Parus major)尾羽中的四種元素Cu、Zn、Cd和Pb的濃度，結果表明污染區(qū)( 冶金工廠附近) 的Cu、Pb和Cd等金屬元素的濃度明顯高于對照區(qū)(距污染區(qū)以東4km)的濃度.在性別和年齡(4～9個月齡和16個月以上) 的比較中發(fā)現大山雀除了Zn有著性別上的差異，其他重金屬元素的含量在性別和年齡上的差異性均不顯著[6].

1　材料與處理

在采集樣本之初，記錄樣本的年齡，性別，地區(qū)等因素，進行編號，將收集好的羽毛放入信封中完好保存.清洗羽毛時首先用自來水將羽毛浸濕，然后用95%濃度的丙酮浸泡5～10 min，丙酮起到了去除羽毛中油脂和雜質的作用，然后用洗滌劑清洗，最后依次用去離子水，超純水各清洗三遍，清洗干凈后放入稱量瓶中在70～100℃的烘箱中至烘干，烘干后將處理干凈的羽毛包入干凈的錫紙中并做好標記放入封口袋中，放入干燥器中恒重保存，為后續(xù)的實驗做好準備工作.

2　實驗方法

常用的羽毛中的重金屬含量的測定方法有微波消解，濕法消解、灰化法消解和萃取法，在文中重點介紹微波消解法.近年來電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法檢測技術已經相當成熟，其檢出限低，有著較高精密度，線性范圍寬，有微弱干擾，可以同時測定多種元素，逐漸得到人們的青睞.

制備樣品時用潔凈的剪刀(不銹鋼材質)將羽毛剪碎，稱取0.2～0.3g，稱重時對應每個樣品做好記錄.將稱重好的羽毛組織樣品放入消解罐中進行消解，依次加入5 mL硝酸(HNO3)，3 mL雙氧水(H2O2)，在放入消解儀消解前靜置一個小時,為了減少誤差確保實驗的可信度，每批消解要設置至少一個平行樣，一個標準樣，一個空白樣，并在消解罐上做好標記或者消解架上做好標記，放入和取出時按順序放置，將樣品放入消解儀消解.程序設定：溫度在8 min內升到100℃，持續(xù)5 min；溫度在5 min內提高到150℃，持續(xù)5 min；溫度在8 min內提升到190℃，持續(xù)15 min.在完成消解后可將消解罐取出并放涼至室溫，以防止在趕酸時溫度過高發(fā)生意外.將消解罐按順序放置在趕酸電熱板上進行趕酸，為了不使重金屬元素損失過多，可將趕酸電熱板的溫度設置為90℃.消解罐內樣品趕酸剩至1～2 mL時結束趕酸，取下放涼.將每個完成趕酸的樣品依次轉移到50 mL的測試瓶中，然后用超純水清洗消解罐三次，最后將測試瓶中的樣品定量至50g，搖勻，準備上機(ICP-MS)測試.

3　結果與討論

通過實驗的結果不難發(fā)現，不同控制條件下的羽毛組織中的重金屬元素的濃度富集情況有著不同程度的差異性.

3.1　羽毛不同部位中重金屬含量的差異性

鳥類的飛羽，背羽，胸羽，尾羽對于它們來說有著不同的作用，進而在環(huán)境中暴露的情況也各不相同.大部分的學者通常會選取胸羽作為研究對象.鳥類在飛行時，胸羽會受到很強的氣流壓力，鳥類在覓食時胸部的羽毛也會與水源，地面或者空氣等污染源接觸，這些都會使羽毛受到重金屬的污染.Furness(1993)在他的研究中表明胸羽是所有部位羽毛中能夠反映重金屬水平的最好的指示部位[7]，我國學者張宇在對丹頂鶴的研究中也證明了這一點，各種重金屬元素的最高值均出現在胸羽部位，汞元素更為明顯[8].郭東龍在研究中發(fā)現重金屬Hg在不同種類的鳥的各部分羽毛中的含量有差異性，例如金雕羽毛組織中Hg含量胸羽最高，尾羽最低.紅腳隼的飛羽含量最高，胸羽含量最低，這可能與換羽的順序有關系[9].

3.2　性別和年齡差異

羽毛中的性別和年齡的差異性均不顯著，Lewis(1991)，Monteiro(1996)研究中表明鳥類羽毛中的重金屬水平代表了其羽毛生長期血液內重金屬的濃度[10].然而鳥類會定期的換羽，所以羽毛中的重金屬隨年齡累積的情況幾乎不存在，沒有顯著的年齡差異性.因此，相比鳥類其他組織器官，羽毛更能表現出其所處環(huán)境的重金屬污染狀況.

3.3　區(qū)域差異

各地區(qū)的環(huán)境所受的污染程度不同，所以不同地區(qū)環(huán)境下的鳥類羽毛所受的污染程度也有所差異.Beyer，Saplding等(1997)檢測了佛羅里達州和哥斯達黎加的黑頭鹮鸛(Mycteria americana)胸羽中Pb、Cd、Hg等重金屬的濃度[11]，結果表明, 美國弗羅里達州黑頭鹮鸛胸羽中汞的濃度高于哥斯達黎加黑頭鹮鸛胸羽中汞的濃度，反映出了兩地汞濃度的差異性，因此不同區(qū)域羽毛中的重金屬濃度的差異性可以反映出不同地區(qū)的環(huán)境差異.Naeem等(2015)的研究中發(fā)現在巴基斯坦不同地區(qū)的鳥類羽毛中的重金屬濃度有差異，旁遮普(Punjab)地區(qū)的重金屬污染濃度最高，與其他地區(qū)相比較有著顯著的差異性(P<0.000)，而該地區(qū)在工業(yè)和農業(yè)的發(fā)展上相比其他地區(qū)較發(fā)達[12]，由此可見環(huán)境中重金屬濃度的背景值可以反映到所測的鳥類羽毛中重金屬的含量上，并且可以體現出區(qū)域的差異性.

重金屬污染是威脅人類健康的重要原因之一，當前關于環(huán)境中重金屬污染的研究多集中在野生鳥類，研究對象多偏向于海洋，礦區(qū)，濕地等環(huán)境區(qū)生長的鳥類.研究多集中在了種類、性別、年齡、地區(qū)等方面的重金屬污染問題.目前城市化發(fā)展，人類活動的日益增多都對環(huán)境造成了污染，但是這些污染危害的嚴重性還鮮為人知.進行這些生物研究能夠更好更直觀的讓人們感受到重金屬污染給人類健康帶來的威脅.然而，關于大型城市地區(qū)的鳥類羽毛重金屬含量問題的研究較少，未來的研究可以在此方向上發(fā)展.

[1]趙洪峰，雷富民.鳥類用于環(huán)境監(jiān)測的意義及研究進展[J]．動物學雜志，2002,37( 6) : 74-78．

[2]Hutton M, Goodman GT. Metal contamination of feral pigeons Columba livia from the London area. Part I: tissue accumulation of lead cadmium and zinc. Environ Pollut Ser A,1980,22:207-217.

[3]Hahn E, Hahn K, Stoeppler M. Bird feathers as bioindicators in areas of the German Environmental Specimen Bank- bioaccumulation of mercury in food chains and exogenous deposition of atmospheric pollution with lead and cadmium. Sci Total Environ,1993(139/140):259-270.

[4]Burger J, Gochfeld M.Heavy metal and selenium levels in feathers of known-aged common terns (Sterna hirundo). Arch Environ Contam Toxicol,1994,26:351-355.

[5]Burger J, Gochfeld M, Sullivan K, et al.Arsenic, cadmium, chromium, lead, manganese, mercury, and selenium in feathers of Black-legged Kittiwake (Rissa tridactyla) and Black Oystercatcher (Haematopus bachmani) from Prince William Sound, Alaska. Sci Total Environ,2008,387:175-184

[6]李楓，張微微，劉廣平.扎龍濕地水體重金屬沿食物鏈的生物累積分析.東北林業(yè)大學學報，2007,35(1):44-46．

[7]Furness RW.Birds as monitors of pollutants. In: Furness RW, Greenwood JJD(Eds.) Birds as Monitors of Environmental Change. Chapman & Hall, London, UK,1993.86-143.

[8]張宇.扎龍自然保護區(qū)丹頂鶴羽毛中汞、鉛、鎘、銅及砷含量測定分析[D].東北林業(yè)大學碩士學位論文,2010.23.

[9]郭東龍,周梅素,席玉英,等.重金屬汞在鳥體羽毛組織中的含量及分布規(guī)律[J].動物學報，2001,47:139-149.

[10] Lewis SA, Furness RW. Mercury accumulation and excretion by laboratory reared black-headed gull (Larus ridibundus) chicks. Arch Environ Contam Toxicol,1991,21:316-320.

[11] Beyer W N, Saplding M, Morrison D. Mercury concen trations in feathers of wading birds from Florid a. Amb io, 1997, 26(2):97-100.

[12] Naeem AA, Veerle LBJ, Muhammad JIC,et al. Influence of taxa, trophic level, and location on bioaccumulation of toxic metals in bird’s feathers: A preliminary biomonitoring study using multiple bird species from Pakistan. Chemosphere, 2015,120:527-537.

[13] 翟丹蕾.羽毛的重金屬指示劑的作用研究[J]．哈爾濱師范大學自然科學學報，2013,29(1).