洞頭海域大型海藻重金屬及有害元素含量特征分析

陳星星，黃振華，周朝生，吳越，陸榮茂，張鵬

(浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所 浙江省近岸水域生物資源開(kāi)發(fā)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 溫州 325005)

重金屬是指原子密度大于5 g·cm-3的金屬元素及其化合物，主要包括汞(Hg)、銅(Cu)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、砷(As)、鋅(Zn)、鈷(Co)、鎳(Ni)等。因其優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，但在大量生產(chǎn)和應(yīng)用的同時(shí)，帶來(lái)不可避免的重金屬污染問(wèn)題，它們可通過(guò)諸多的自然因素及人為因素造成環(huán)境污染，同時(shí)重金屬在環(huán)境中很難降解，具有富集性，人體攝入后不易排除[1-3]。

海藻是海洋系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者，一些大型海藻能為許多附著植物和動(dòng)物提供生活空間，如微型生物、甲殼動(dòng)物和魚(yú)類等。另外，海藻在重金屬污染水體的生物修復(fù)和重金屬離子的生物吸附方面具有較好的應(yīng)用前景，海藻處理低濃度重金屬?gòu)U水具有成本低、吸附量大、凈化效率高、選擇性好、金屬可回收再利用及不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。支田田等[6]對(duì)藻類去除水體中重金屬的機(jī)理有過(guò)報(bào)道，闡述了藻類吸附及富集重金屬的機(jī)理，但并未調(diào)查篩選天然海藻中富集重金屬元素的海藻。劉加飛等[7]對(duì)湛江近岸馬尾藻重金屬含量做過(guò)調(diào)查，但對(duì)浙江海域海藻重金屬的調(diào)查研究較少。

本研究在浙江省溫州市洞頭島海域附近采集了健康的完整海藻植株十余種，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，安捷倫儀器有限公司)測(cè)定藻類中Al、Fe、As、Mn、Zn、Cu、Cr、Ni、Cd、Pb的含量，通過(guò)聚類分析及主成分分析，揭示了洞頭海域各海藻重金屬含量及海藻對(duì)特定重金屬的富集系數(shù)，旨在尋找理想的重金屬污染指示生物及生物修復(fù)材料，為今后食用藻類重金屬污染提供預(yù)警及保障的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2018年5月在浙江省溫州市洞頭島海域附近采集健康的完整海藻植株十余種，包括褐藻門的鼠尾藻(Sargassumthunbergii)、鐵釘菜(Ishigeokamurae)、銅藻(Sargassumhorneri)；紅藻門的日本角叉藻(Chondrusnipponicus)、蜈蚣藻(Grateloupiafilicina)、舌狀蜈蚣藻(Grateloupialivida)；綠藻門的中間硬毛藻(C.media(Ag.) Kuetz)、石莼(Ulvalactuca)、刺松藻(Codiumfragile)、羽藻(Bryopsisplumosa)、剛毛藻(Cladophora)。另外，對(duì)海藻附近水域的海水進(jìn)行了采樣，測(cè)定水體中重金屬的含量，準(zhǔn)備后續(xù)進(jìn)行藻類富集系數(shù)的分析。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 海藻預(yù)處理

用采集的海水將藻體沖洗干凈，除去表面的泥沙及附著物等，小心保存。帶回實(shí)驗(yàn)室后，用超純水沖洗藻體數(shù)遍，分裝在若干個(gè)塑料罐中，于70 ℃烘箱內(nèi)烘干。將烘干后的藻體磨碎，分裝在自封袋中密封保存待測(cè)。

1.2.2 藻體重金屬檢測(cè)方法

分別稱取約0.2 g藻體(干樣)于消解罐中，加入適量消解液(5 mL硝酸+5 mL蒸餾水)微波消解后，經(jīng)定容、過(guò)濾等步驟得到待測(cè)液，用ICP-MS檢測(cè)其中的重金屬元素及含量。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)各藻體檢測(cè)出來(lái)的重金屬元素及相應(yīng)含量，采用Graphpad prism 5和SPSS 19.0制成圖表。由各海藻藻體內(nèi)特定重金屬含量和海水中相應(yīng)元素平均濃度的比值，得到海藻對(duì)特定重金屬的富集系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重金屬的含量

紫菜標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品經(jīng)電感耦合等離子質(zhì)譜儀分析，結(jié)果顯示，其所含各元素測(cè)量值與參照值比較，平均回收率為85.12%～108.52%，表明所用方法能滿足海藻樣品重金屬含量分析要求。

2.2 各海藻重金屬及有害元素的含量

由圖1可知，不同海藻中的重金屬含量不同且差異明顯，兩種相似種如蜈蚣藻、舌狀蜈蚣藻體內(nèi)重金屬的含量也有較大差異。另外，通過(guò)海藻體內(nèi)特定重金屬的含量數(shù)據(jù)情況，可以分析得到其對(duì)特定重金屬的富集能力。

圖1 洞頭海域大型海藻重金屬含量

各海藻中重金屬及有害元素含量平均值由高到低為Al>Fe>As>Mn>Zn>Cu>Cr>Ni>Cd>Pb，可知海藻體內(nèi)Fe、As、Mn、Zn元素的含量相對(duì)較高，尤其是Fe，這與這些微量元素在植物體中的作用有關(guān)。Fe是光合作用、生物固氮和呼吸作用中的細(xì)胞色素和非血紅素鐵蛋白的組成，在氧化還原中起電子傳遞的作用；As對(duì)植物的生長(zhǎng)也有一定的促進(jìn)作用；Mn對(duì)植物細(xì)胞中的多種酶起活化作用；Zn在植物體內(nèi)主要參與生長(zhǎng)素的合成，是多種酶的組成成分。

Fe在各海藻中的含量較高，其中在鼠尾藻中含量最高，其次為石莼，含量最低的是舌狀蜈蚣藻。Mn、As、Cr、Ni、Pb含量最高的也均為鼠尾藻。Zn在舌狀蜈蚣藻中含量最高，在石莼中最低；Cu在日本角叉藻中含量最高，在銅藻中含量最低；Cd在剛毛藻中含量最高，在石莼中含量最低。

2.3 各海藻重金屬及有害元素富集系數(shù)

由表1可知，Al、Fe、Mn、As、Cr、Ni和Pb均在鼠尾藻的富集系數(shù)最高，Zn在蜈蚣藻中的富集系數(shù)最高，Cu在日本角叉菜中的富集系數(shù)最高，Cd在剛毛菜中的富集系數(shù)最高，在石莼中最低。

表1 洞頭海域大型海藻重金屬平均富集系數(shù)

2.4 各海藻重金屬及有害元素含量分布

從圖2中可以看出，Al、As、Fe、Mn、Cr、Ni和Pb在褐藻門中含量最高，Zn、Cu在紅藻門中含量最高，Cd在綠藻門中含量最高。

圖2 褐藻門、紅藻門及綠藻門海藻重金屬含量分布

2.5 聚類分析

以重金屬含量為指標(biāo)，對(duì)海藻樣本進(jìn)行聚類分析。將11種海藻分為4類(圖3)，第一類包括鐵釘菜、蜈蚣藻、舌狀蜈蚣藻、銅藻、刺松藻、剛毛菜和中間硬毛藻；第二類包括日本角叉菜和羽藻；第三類為鼠尾藻；第四類為石莼。

圖3 海藻聚類分析

主成分分析。對(duì)海藻中各重金屬含量進(jìn)行PCA計(jì)算，根據(jù)特征方差累計(jì)貢獻(xiàn)率確定主成分個(gè)數(shù)。由圖4可以看出，前3個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率為86.84%，可反映全部數(shù)據(jù)的基本信息。第一主成分(PC1)貢獻(xiàn)率為63.65%，該因子變量在Al、Fe、Mn、Cr、Ni、Cu和Pb上有較高正載荷(>0.72)，因此，推測(cè)第一主成分與植物生命活動(dòng)中必需的重金屬有關(guān)；第二主成分(PC2)貢獻(xiàn)率為12.51%，Zn載荷為0.753，表明第二主成分主要支配著海藻中Zn的富集能力；第三主成分(PC3)貢獻(xiàn)率為10.68%，與其相關(guān)的是Cd，載荷0.694。

圖4 各重金屬的三維載荷

為綜合評(píng)價(jià)大型海藻對(duì)重金屬的富集能力，用各海藻重金屬富集能力的綜合得分以進(jìn)行分級(jí)。由表2可知，11種海藻富集能力綜合排序表現(xiàn)為鼠尾藻>日本角叉藻>石莼>羽藻>蜈蚣藻>鐵釘菜>剛毛藻>中間硬毛藻>刺松藻>舌狀蜈蚣藻>銅藻。鼠尾藻對(duì)重金屬富集能力最強(qiáng)，其次日本角叉藻，銅藻對(duì)重金屬富集能力最弱，與聚類分析結(jié)果相似。

表2 洞頭海域大型海藻重金屬及有害元素富集能力的綜合得分

3 討論

海藻中各元素濃度平均值差異較大，重金屬濃度最高的Fe含量為1 131.08 mg·kg-1，濃度最低的Pb含量為1.01 mg·kg-1。在Al、Fe、As、Mn、Zn、Cu、Cr、Ni、Cd、Pb中，若以Cu元素為中間線，其左側(cè)濃度都大于29 mg·kg-1，右側(cè)濃度都小于10 mg·kg-1。而左側(cè)除Al、As是非必需元素外，其他3個(gè)都是植物的必需元素，右側(cè)濃度低的均屬于非必需元素。作為非必需元素，Al、As卻以高含量出現(xiàn)在必需元素的隊(duì)伍中。從元素周期表發(fā)現(xiàn)，Al元素位于第三主族B的下方，As元素位于第五主族P的下方，而B(niǎo)元素是植物體內(nèi)必需元素。孫穎等[8]發(fā)現(xiàn)，B元素在植物繁殖過(guò)程及形成繁殖器官時(shí)起很大作用。趙明城等[9]報(bào)道，P是能量代謝、核酸及膜合成的重要底物，在光合作用、呼吸作用及氮代謝過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。由于Al、As分別位于B和P同一主族下方，化學(xué)結(jié)構(gòu)存在相似性，植物在吸收營(yíng)養(yǎng)元素的時(shí)候，同時(shí)吸收了該元素的可能性。藻類吸收了As以后，大部分將其轉(zhuǎn)化為毒性較低的有機(jī)砷，如MMA、DMA。黃東仁等[10]研究表明，砷的毒性與其存在的形態(tài)密切相關(guān)，其中無(wú)機(jī)砷的毒性最強(qiáng)，有機(jī)形態(tài)的MMA和DMA等毒性較低，而海洋生物體內(nèi)存在的AsB、AsC被認(rèn)為是無(wú)毒的。這說(shuō)明即使藻類誤吸了砷等非必需元素，但自身存在解毒機(jī)制，可將毒性較高的無(wú)機(jī)砷轉(zhuǎn)化為毒性較低的有機(jī)砷。

11種海藻富集能力綜合排序表現(xiàn)為鼠尾藻>日本角叉藻>石莼>羽藻>蜈蚣藻>鐵釘菜>剛毛藻>中間硬毛藻>刺松藻>舌狀蜈蚣藻>銅藻。藻類細(xì)胞壁上的多糖、蛋白質(zhì)、磷脂等多聚體提供了大量官能團(tuán)(氨基、羥基、羧基等)，一部分官能團(tuán)失去質(zhì)子而帶負(fù)電荷，依靠靜電引力吸附金屬離子，而不同海藻的、多糖、蛋白質(zhì)、磷脂等含量差異較大[3]。鼠尾藻對(duì)多種重金屬均表現(xiàn)出較高的富集能力。褐藻細(xì)胞壁主要含有3種物質(zhì)：纖維素，褐藻酸和相應(yīng)的藻酸鈉、鉀、鈣、鎂鹽，以及硫酸化多糖[6]。大量的多糖細(xì)胞基質(zhì)，使得藻類具有良好的金屬結(jié)合能力，而鼠尾藻就是褐藻中的一種。因此，鼠尾藻可作為該海域重金屬污染物生物監(jiān)測(cè)與生物修復(fù)的合適物種。