東洞庭湖鰱魚(yú)和鳙魚(yú)中重金屬富集差異分析

劉曉偉 - 陸維亞 - 薛敏敏 - 李忠海 -

(1. 長(zhǎng)垣烹飪職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453400；2. 中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 3. 湖南省產(chǎn)商品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

洞庭湖由東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖3個(gè)主要的湖盆組成。其中東洞庭湖位于湖南省岳陽(yáng)市境內(nèi)，屬于國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，得天獨(dú)厚的生態(tài)環(huán)境孕育了極為豐富的物產(chǎn)[1]。同時(shí)也是中國(guó)重要的淡水養(yǎng)殖基地，經(jīng)濟(jì)魚(yú)類有113種，包括鰱魚(yú)、鳙魚(yú)、鯉魚(yú)、草魚(yú)、鳊魚(yú)、青魚(yú)等[2]。2007年之前，東洞庭湖水體中重金屬砷和汞存在超標(biāo)的情況[3]。自2007年以來(lái)，國(guó)家啟動(dòng)了一系列針對(duì)東洞庭湖生態(tài)恢復(fù)和保護(hù)的項(xiàng)目并開(kāi)展水環(huán)境整治行動(dòng)，但是這并不能完全杜絕工業(yè)污染的存在。污染物除了通過(guò)直接排放進(jìn)入水環(huán)境以外，還可以通過(guò)降水從大氣層進(jìn)入湖水，包括一些重金屬，如Pb、Hg、Cd、Cr、As等[4]。這些污染物又通過(guò)水體進(jìn)入水生生物體內(nèi)，進(jìn)而對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生負(fù)面影響。

劉芳芳等[5]研究了東洞庭湖網(wǎng)箱養(yǎng)殖鯉魚(yú)在生長(zhǎng)期重金屬富集的變化規(guī)律，其中Pb和Cu隨鯉魚(yú)的生長(zhǎng)而增加，Zn和Cd隨著鯉魚(yú)的生長(zhǎng)先增長(zhǎng)后下降；楊晨馳等[6]分析了鯽魚(yú)不同組織中重金屬的含量分布，不同組織的污染程度排序?yàn)樾韵?鰓>肌肉；曾齡頤等[7]比較了不同活動(dòng)水層的魚(yú)類中重金屬富集的差異性，底棲生活的魚(yú)類重金屬污染重于上層的?？梢?jiàn)中國(guó)對(duì)魚(yú)類中重金屬富集的研究已經(jīng)不少，研究方向也頗具多樣化，但是以上研究都是針對(duì)同一種魚(yú)類或者是兩種不同生活習(xí)性的魚(yú)類來(lái)展開(kāi)的，相同生活習(xí)性的魚(yú)類中重金屬富集是否存在差異，差異產(chǎn)生原因的解釋尚不多見(jiàn)。為此，本研究通過(guò)分析野生鰱魚(yú)和鳙魚(yú)中重金屬富集情況，評(píng)價(jià)東洞庭湖中重金屬的污染程度，并分析生活習(xí)性相似的不同魚(yú)類對(duì)重金屬富集差異產(chǎn)生的原因，以期更好地了解重金屬的富集規(guī)律，為食物中重金屬的吸附清除提供必要資料。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

硝酸、高氯酸：優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

過(guò)氧化氫：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

氫氟酸：分析純，長(zhǎng)沙市湘科精細(xì)化工廠；

鹽酸：優(yōu)級(jí)純，衡陽(yáng)市凱信化工試劑有限公司；

超級(jí)微波儀：AS76型，北京萊伯泰科儀器股份有限公司；

原子熒光光度計(jì)：AFS-933型，北京吉天儀器有限公司；

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)：7700x型，安捷倫科技(中國(guó))有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集

(1) 水樣采集：樣品均于2014年11月采自東洞庭湖六門(mén)閘、君山公園和岳陽(yáng)樓附近。在每個(gè)采樣點(diǎn)用500 mL的聚乙烯塑料瓶于湖面下50 cm處取水樣一瓶，取樣前先用湖水潤(rùn)洗瓶子2次，貼上標(biāo)簽。樣品于4 ℃冷藏保存[7]。

(2) 沉積物采集：沉積物樣品取水底0～10 cm處，每個(gè)采樣點(diǎn)取500 mL，貼上標(biāo)簽。剔除碎石和砂礫后的樣品于50 ℃恒溫干燥48 h，用2 mm篩孔(或20目篩)的篩子將干燥的沉積物均質(zhì)。4 ℃冷藏備用[8]。

(3) 魚(yú)樣采集：鰱魚(yú)和鳙魚(yú)樣品由漁船分別在3個(gè)采樣點(diǎn)附近水域撒網(wǎng)捕獲。兩種魚(yú)樣各購(gòu)入10條。樣品重量均在500 g左右。放入裝有冰袋的保溫箱帶回實(shí)驗(yàn)室。將魚(yú)去鱗，用超純水清洗并擦干表面水分，取出肝臟、鰓和腦，魚(yú)肉剔骨，分別勻漿，放入密封袋中-18 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 樣品預(yù)處理 稱取經(jīng)過(guò)前處理的樣品(鰱魚(yú)、鳙魚(yú))0.300 0 g 左右于石英管中，加硝酸3 mL，蓋上蓋子。將石英管按順序排列于架子上放入加有5 mL H2O2和110 mL超純水的微波消解罐中，于超級(jí)微波消解儀消解。消解結(jié)束后，將石英管中消解液倒入比色管中，并用超純水洗滌石英管，洗液并入比色管。將比色管放入電熱裝置，130 ℃加熱30 min使硝酸揮發(fā)。取出，用超純水定容至25 mL，4 ℃冷藏待測(cè)。同時(shí)做試樣空白[9]。

稱取均質(zhì)的沉積物0.5 g左右于聚四氟乙烯坩堝中，加水濕潤(rùn)，加10 mL鹽酸，于120 ℃電爐加熱蒸發(fā)至約5 mL。加15 mL硝酸于240 ℃加蓋蒸發(fā)至約5 mL后，取下稍冷。另加10 mL硝酸，10 mL氫氟酸和5 mL高氯酸240 ℃加熱，經(jīng)常搖動(dòng)坩堝，蒸發(fā)至約2 mL。加少量水沖洗坩堝并蒸發(fā)趕酸3次。將坩堝中樣液轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶，定容。同時(shí)做試樣空白。置于4 ℃冰箱冷藏待測(cè)[10]。

1.2.3 樣品測(cè)定 將待測(cè)樣品過(guò)0.45 μm的膜，用Agilent 7700x ICP-MS測(cè)定樣品中重金屬Cr、Cu、Cd和Pb的濃度。用原子熒光光譜儀測(cè)定重金屬Hg。每個(gè)樣平行測(cè)定3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

用SPSS 17.0處理分析鰱魚(yú)和鳙魚(yú)組織間以及兩種魚(yú)類間重金屬含量的差異顯著性，用Origin 8.0作圖比較所測(cè)魚(yú)類中重金屬含量是否超出標(biāo)準(zhǔn)限量值。

2 結(jié)果與分析

2.1 水樣和沉積物中重金屬分布及分析

由表1可知，東洞庭湖水體中重金屬含量都不高。相對(duì)于水體，沉積物中重金屬含量較高。經(jīng)測(cè)定，沉積物樣品的pH值均>6.5，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值(見(jiàn)表2)，可以將東洞庭湖土壤中的重金屬含量進(jìn)行等級(jí)劃分。其中Cr平均值低于國(guó)家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)限值，Cu、Pb和Hg的平均值低于國(guó)家二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)限值，Cd的平均含量是國(guó)家三級(jí)土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值的6倍。

姚志剛等[11]和萬(wàn)群等[1]分別在2006年和2011年對(duì)東洞庭湖沉積物中重金屬進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。經(jīng)對(duì)比2006年和2011年測(cè)得的沉積物中重金屬含量Cr和Cu的差別不大，Cd增加了近1倍，Pb和Hg則相應(yīng)都減少了50%以上。本次試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果相比2006年，5種重金屬污染都得到了一定的緩解；相比2011年，除Pb和Hg含量稍有增加外，其它3種重金屬含量都更低?？梢?jiàn)國(guó)家對(duì)東洞庭湖生態(tài)環(huán)境的治理取得了一定的成效，但是Cd的含量仍然高于國(guó)家三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)的限值。

2.2 重金屬在魚(yú)類不同組織中的分布及差異分析

2.2.1 重金屬在魚(yú)類不同組織中的分布 魚(yú)類作為一種水生生物，其體內(nèi)重金屬含量的高低可用來(lái)評(píng)判水體中重金屬的污染程度[12]。鰱魚(yú)和鳙魚(yú)是東洞庭湖中兩種主要的經(jīng)濟(jì)魚(yú)類，它們具有相似的生活習(xí)性，但是野生鰱魚(yú)傾向于食用浮游植物，而野生鳙魚(yú)更喜食浮游動(dòng)物[13]。表3標(biāo)明了兩種魚(yú)的肉、鰓、肝和腦中5種重金屬含量的平均值以及組織間重金屬含量的差異顯著性。鰱魚(yú)和鳙魚(yú)的不同組織中各重金屬含量的分布排序一致。Cr的排序?yàn)轹w>肝>腦>肉，Cu為肝>腦>鰓>肉，Cd為肝>鰓>腦>肉，Pb為鰓>肝>肉>腦，Hg為肉>肝>腦>鰓。除了Cr在鰱魚(yú)肝和腦中，Cu在鰱魚(yú)肉和鰓、肉和腦、鰓和腦，鳙魚(yú)肉和鰓中，Cd在鰱魚(yú)肉和鰓、肉和腦、鰓和腦，鳙魚(yú)肉和腦中，Pb在鰱魚(yú)肉和肝中，Hg在鰱魚(yú)肝和腦中含量差異不顯著外，其它組織間含量的差異都為顯著或極顯著。

表1 本試驗(yàn)水樣和沉積物以及往年沉積物中重金屬含量的平均值?

? nd表示未檢出。

表2 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值(pH>6.5)

鰱魚(yú)和鳙魚(yú)間不僅各重金屬在組織中的含量不同(除Cr在肝和腦，Cu在鰓和肝，Pb在鰓中差異不顯著外，其它都具有極顯著性差異)，而且各重金屬在組織間的離散程度也不同。其中，Cr在鰱魚(yú)鰓中的含量最高，在鰱魚(yú)各組織中的離散程度，即標(biāo)準(zhǔn)差為0.268，鳙魚(yú)中的離散程度為0.064；Cu在鳙魚(yú)肝中的含量最高，在鰱魚(yú)各組織中的離散程度為4.479，鳙魚(yú)中的離散程度為4.767；Cd在鰱魚(yú)肝中含量最高，鰱魚(yú)中離散程度為0.659，鳙魚(yú)中為0.051；Pb在鳙魚(yú)鰓中含量最高，在鰱魚(yú)各組織中離散程度為0.137，鳙魚(yú)中為0.189；Hg在鳙魚(yú)肉中含量最高，在鰱魚(yú)中離散程度為0.019，鳙魚(yú)中為0.044。Cr和Cd在鰱魚(yú)中有最高含量，而Cu、Pb和Hg在鳙魚(yú)中有最高含量。重金屬在某種魚(yú)中有更高的含量，則其在這種魚(yú)中偏向于有更高的離散程度。

2.2.2 重金屬在魚(yú)類不同組織中的分布差異分析 魚(yú)肉對(duì)重金屬的親和力較弱，一般不會(huì)大量富集重金屬。魚(yú)鰓作為魚(yú)的呼吸器官，承擔(dān)了氣體交換、排泄氮代謝廢物和參與滲透壓調(diào)節(jié)的功能。魚(yú)鰓表面覆有一層由葡糖酸胺聚糖組成，富含陰離子的黏液。這使得黏液對(duì)重金屬存在一定的親和力而富集重金屬[14]。肝臟是生物體一個(gè)重要的解毒器官，富含谷胱甘肽和金屬硫蛋白(主要為MT-Ⅰ和MT-Ⅱ)，這兩種物質(zhì)又含有大量的半胱氨酸殘基，殘基上的巰基可結(jié)合重金屬(主要為Cu、Cd和Zn)形成螯合物從而達(dá)到解毒的效果。魚(yú)腦中也含有相當(dāng)數(shù)量的金屬硫蛋白(主要為MT-Ⅲ)，可主要結(jié)合Cu和Zn而起到重要的神經(jīng)生理和神經(jīng)調(diào)節(jié)功能，也可結(jié)合非基本金屬元素起到抑制和解毒的作用[15]。

Cr在鰱魚(yú)和鳙魚(yú)不同組織中的排序?yàn)轹w>肝>腦>肉，可能是這兩種魚(yú)鰓表面的陰離子黏液對(duì)Cr的親和能力更強(qiáng)于巰基。對(duì)于不同種類的魚(yú)，Cr在組織中的分布并不相同。方展強(qiáng)等[16]檢測(cè)鯽魚(yú)中Cr在組織中的分布則為肝>鰓>肉。NY 5073—2006中規(guī)定Cr在魚(yú)類中的限量為2.0 mg/kg，由表3可知，鰱魚(yú)和鳙魚(yú)各組織中Cr的含量均較低，低于限量值。

Cu的排序?yàn)楦?腦>鰓>肉。Mamdouh等[17]在Siganus rivulatus和Sargus sargus這兩種魚(yú)中檢出的Cu在不同組織中的分布排序也是肝>鰓>肉。因?yàn)镃u是機(jī)體進(jìn)行生命活動(dòng)的必需微量元素，參與多種酶的調(diào)控，所以相比較其它重金屬Cu在魚(yú)中的含量相對(duì)較高。這也使Cu在魚(yú)類中的標(biāo)準(zhǔn)限量相對(duì)較高，達(dá)到了50 mg/kg，所測(cè)鰱魚(yú)和鳙魚(yú)中Cu在各組織中的含量均遠(yuǎn)低于限量值。

Cd的排序?yàn)楦?鰓>腦>肉，和劉芳芳等[5]在研究東洞庭湖網(wǎng)箱養(yǎng)殖鯉魚(yú)不同組織中Cd的分布排序一致，測(cè)得鯉魚(yú)的鰓、肝臟和肌肉中Cd的含量分別為0.015～0.078，0.031～0.151，0.003～0.021 mg/kg，與本試驗(yàn)所得結(jié)果相近。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中Cd在魚(yú)類中的限量為0.1 mg/kg，由表3 得出，鰱魚(yú)和鳙魚(yú)肝臟中Cd的含量均超過(guò)了限量，而其它組織中含量并未達(dá)到限量值。

Pb在鰱魚(yú)和鳙魚(yú)不同組織中的分布排序?yàn)轹w>肝>肉>腦。Farkas等[18]在鳊魚(yú)中也發(fā)現(xiàn)Pb的分布規(guī)律為鰓>肝>肉，但是這種分布會(huì)因?yàn)轸~(yú)的種類不同而有差異，鰻魚(yú)中Pb的含量則為肝>鰓。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定魚(yú)類中Pb的限量為0.5 mg/kg。由表3可知，Pb在這兩種魚(yú)中的含量均低于標(biāo)準(zhǔn)限量，魚(yú)鰓中的含量較高已接近限量，魚(yú)肉中檢出量很低，甚至在鳙魚(yú)肉中并未檢出。

Hg在兩種魚(yú)中的分布排序?yàn)槿?肝>腦>鰓。與其它金屬不同，Hg在魚(yú)肉中的含量高于其它組織中。Elizabeta等[19]的研究也發(fā)現(xiàn)在tench、pumpkinseed、prussian carp和eel 4種魚(yú)均是肉中檢出量最高。可能是Hg除了易與含巰基的低分子化合物結(jié)合外，還傾向于與血液中的血紅蛋白、血漿蛋白以及體液中的陰離子結(jié)合，使得魚(yú)肉中Hg的含量偏高[20]。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中Hg在魚(yú)類中的限量為0.5 mg/kg，由表3可知，即使在Hg含量最多的魚(yú)肉中也遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限量。

2.3 不同魚(yú)類重金屬富集差異分析

2.3.1 鰱魚(yú)和鳙魚(yú)中重金屬的富集差異顯著性分析 由表3可知，除了Cr在肝臟和魚(yú)腦、Cu在魚(yú)鰓和肝臟以及Pb在魚(yú)鰓中不存在顯著差異性外，其它均存在顯著或極顯著差異。

表3 重金屬在鰱魚(yú)和鳙魚(yú)組織中的含量分布及差異顯著性分析?

? 同列數(shù)字后英文字母表示差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

鰱魚(yú)和鳙魚(yú)間各組織對(duì)重金屬的富集濃度基本都存在差異性，說(shuō)明即使是有同種生理功能的組織，不同魚(yú)類對(duì)重金屬誘導(dǎo)的代謝速度、組織內(nèi)金屬硫蛋白的合成速度以及其它相關(guān)因素也不盡相同[21]。另外，這種差異性并不是某一種魚(yú)中重金屬的含量處于絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，如Cr在鰱魚(yú)鰓中含量高于鳙魚(yú)鰓，但鰱魚(yú)肉中的含量卻低于鳙魚(yú)肉。這5種重金屬都表現(xiàn)出在某種魚(yú)中有更高的含量，則在這種魚(yú)中偏向于有更高的離散程度?？烧J(rèn)為若魚(yú)體某一組織有很強(qiáng)的富集重金屬的能力，則這一組織傾向于先將魚(yú)體內(nèi)其它組織中的重金屬遷移過(guò)去或是優(yōu)先吸附重金屬[22]。

2.3.2 生物-沉積物富集因子(BSAF)分析 生物-沉積物富集因子(BSAF)可用于評(píng)價(jià)生物對(duì)被測(cè)重金屬富集的難易程度。BSAF按式(1)計(jì)算。

B=Ct/Cs，

皮片移植后皮膚細(xì)胞依賴受皮區(qū)創(chuàng)基組織滲液供養(yǎng)而存活。在植皮12 h后，創(chuàng)基毛細(xì)血管才開(kāi)始長(zhǎng)入，3～4 d后皮片與創(chuàng)傷基底面才可建立新的血液循環(huán)。在此過(guò)程中，皮片處于較低的氧張力中，缺氧狀態(tài)影響皮片成活[4-5]。通過(guò)高壓氧治療，可以使血液中的氧含量增高，增加了受皮區(qū)創(chuàng)基對(duì)皮片的供氧[6]。另外，高壓氧治療還可以加速上皮細(xì)胞有絲分裂速度，加速成纖維細(xì)胞合成和毛細(xì)血管增生，促進(jìn)皮片的成活[7]；可以殺滅部分細(xì)菌，并且提高細(xì)菌對(duì)抗生素的敏感性[8]，可以增強(qiáng)巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞的能力[9]，使得創(chuàng)面抗感染的能力加強(qiáng)。

(1)

式中：

B——生物-沉積物富集因子；

Ct——組織(魚(yú)肝)中重金屬含量，mg/kg；

Cs——沉積物中重金屬含量，mg/kg。

由表4可知，鰱魚(yú)和鳙魚(yú)中重金屬Cu、Cd和Hg的BSAF都相較于另外2種重金屬更大，可以認(rèn)為這兩種魚(yú)都更易于富集Cu、Cd和Hg。

生物-沉積物富集因子越高代表魚(yú)類越容易富集這種重金屬。鰱魚(yú)和鳙魚(yú)中Cu、Cd和Hg的BSAF都相對(duì)Cr和Pb更高，這和Shouta等[20]的研究一致，他們指出在羅非魚(yú)和紅螯螯蝦中Cu、Zn和Cd的BSAF值顯著高于Cr、Co和Pb?？赡苡捎贑d易被植物吸收，所以以浮游植物為食的鰱魚(yú)和雜食性的鳙魚(yú)也易富集Cd，且鰱魚(yú)的BSAF顯著高于鳙魚(yú)的。Cu作為生物體的一種必需金屬元素，也必定相較其它重金屬更易被富集。鰱魚(yú)和鳙魚(yú)對(duì)于Cu的BSAF值相近，也表明這兩種魚(yú)對(duì)Cu的需求量相似。Hg可與生物體內(nèi)的巰基結(jié)合而被生物體富集[23]。鳙魚(yú)中Hg的BSAF值顯著大于鰱魚(yú)的，可能是鳙魚(yú)中的巰基總量大于鰱魚(yú)的，或是鳙魚(yú)中活性巰基的穩(wěn)定性高于鰱魚(yú)的[24]。

2.4 東洞庭湖魚(yú)中重金屬污染評(píng)價(jià)

表4 鰱魚(yú)和鳙魚(yú)生物-沉積物富集因子的平均值

3 結(jié)論

鰱魚(yú)和鳙魚(yú)不同組織中各重金屬含量的分布排序一致。一般魚(yú)肉對(duì)重金屬的親和力較弱(除Hg外)，魚(yú)鰓和肝臟都易富集重金屬，但對(duì)不同重金屬的富集各有強(qiáng)弱，魚(yú)腦對(duì)部分重金屬(如Cu、As、Zn)有相對(duì)較強(qiáng)的富集作用。除了鰱魚(yú)和鳙魚(yú)肝臟中的Cd超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限量外，其它組織中重金屬均低于限量值。

不同魚(yú)類的組織間重金屬的富集基本都存在顯著差異。根據(jù)魚(yú)類的生物-沉積物富集因子，相比Cr和Pb，鰱魚(yú)和鳙魚(yú)都更易富集Cu、Cd和Hg。其中，鰱魚(yú)比鳙魚(yú)更易富集Cd；而鳙魚(yú)比鰱魚(yú)更易富集Hg。

東洞庭湖沉積物中重金屬Cd污染嚴(yán)重。結(jié)合每周可耐受攝入量PTWI(adult)以及魚(yú)類中重金屬含量，鰱魚(yú)和鳙魚(yú)中重金屬的污染排序?yàn)镃d>Cr>As>Pb>Hg>Zn>Cu，其中部分組織中Cd和Cr的含量超出了PTWI(adult)。因此在重金屬治理過(guò)程中需優(yōu)先緩解Cd和Cr的污染。

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