潿洲島近岸海域重金屬污染狀況研究*

陳麗雯，戴圣生，雷 富，張 騰，徐軼肖，梁千千，黃曉煦，劉 熊

(1.廣西科學院北部灣海洋研究中心，廣西近海海洋環(huán)境科學重點實驗室，廣西海洋天然產(chǎn)物與組合生物合成化學重點實驗室，廣西南寧 530007； 2.廣西科學院，廣西南寧 530007；3.南寧師范大學，北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西地表過程與智能模擬重點實驗室，廣西南寧 530001； 4.防城港市海域使用動態(tài)監(jiān)管中心，廣西防城港 538001)

0 引言

潿洲島位于廣西北部灣海域中部，總面積約為24.98 km2，有海蝕、海積及溶巖等景觀，屬亞熱帶季風氣候，素有“蓬萊島”之稱[1]。潿洲島以旅游業(yè)為主，工業(yè)開發(fā)活動較少，周邊海域保持著良好的生態(tài)多樣性，除了近岸海域的珊瑚礁群落[2]，還分布有中華鱟、江豚、海豚和布氏鯨等重點保護海洋生物，是廣西乃至全國范圍內(nèi)著名的海洋旅游景點[1]。

重金屬作為典型的累積性污染物，具有來源廣、降解難、毒性強、易于生物富集等特點[3]。排放到環(huán)境中的重金屬污染物會通過攝食或組織吸收等方式進入生物體內(nèi)，由此進入海洋食物鏈，最后在海洋食物鏈中傳遞和富集，如日本的“水俁病”事件就是由汞元素通過食物鏈的傳遞和富集引起的食品安全事故。重金屬對海洋生態(tài)系統(tǒng)乃至人類健康構(gòu)成了潛在的威脅。由于海水中較低的重金屬含量、重金屬濃度的時空波動性和生物有效性等因素的干擾，重金屬的生物體富集效應更能體現(xiàn)出重金屬的污染程度[4，5]。

近年來，隨著潿洲島海洋旅游產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，人類活動的日益頻繁，潿洲島近岸海域的重金屬污染狀況成為島民、游客以及政府部門熱切關(guān)注的環(huán)境問題。1990年，邱邵芳[6]對潿洲島近岸海域的海水進行取樣調(diào)查，發(fā)現(xiàn)各測點海水的銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鉻(Cr) 5種重金屬含量均不超標，符合國家一類海水的水質(zhì)標準。2007年，譚趣孜和梁文[7]對潿洲島近岸海域水質(zhì)狀況進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)潿洲島東面的兩個站點Pb含量超標，水質(zhì)已處于輕度污染水平。2016年，徐軼肖等[8]對潿洲島的海水重金屬污染狀況進行研究后發(fā)現(xiàn)，潿洲島部分海域的海水綜合污染指數(shù)均大于1，達到了輕度或中度污染水平，而且Pb等重金屬元素存在超標現(xiàn)象，并認為人類活動是導致這種現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因?？傮w來看，近些年潿洲島近岸海域的海水重金屬污染水平有上升的趨勢，尤其是東面和北面水域的污染較為突出。但相比廣西其他近海城市附近海域的海水重金屬污染程度，潿洲島近岸海域仍可以認為處于清潔的水平[8，9]。上述調(diào)查研究基本僅針對水質(zhì)或底質(zhì)環(huán)境，較少涉及海洋生物體內(nèi)的重金屬污染狀況研究。為評估重金屬對海洋生物和生態(tài)環(huán)境的影響，本研究在廣西潿洲島近岸海域開展現(xiàn)場調(diào)查和采樣，對海水和海洋生物中的重金屬元素Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg的污染狀況進行分析和評價，為科學地開發(fā)和保護潿洲島提供本底資料。

1 材料與方法

1.1 采樣與測定

1.1.1 海水采集

2018年9月(秋季)和2019年3月(春季)，分別在潿洲島近岸海域的8個站點進行海水樣本采集(圖1)。使用2.5 dm3有機玻璃采水器采集表層(≤0.5 m)海水，經(jīng)孔徑0.45 μm的醋酸纖維膜過濾，濾液加入HNO3酸化使其pH值≤2，于4℃下避光冷藏保存，盡快轉(zhuǎn)移至實驗室測定，具體方法按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》第3部分：樣品采集、貯存與運輸(GB 17378.3-2007)[10]的要求執(zhí)行。

圖1 采樣站點

1.1.2 海洋生物采樣

生物體樣品取自當?shù)貪O民在潿洲島周邊海域當日捕撈的漁獲物，用阿氏拖網(wǎng)(網(wǎng)口長為0.8 m，寬為0.4 m)進行篩選，分揀所有漁獲物，做好標記，并封入聚乙烯袋中，用冰塊冷凍保存。在實驗室對生物體樣品進行種類鑒定、計數(shù)、稱重并測量叉長，取其肌肉組織，用絞肉機攪碎，冷凍備用待測。每種海洋生物篩選性別相同、個體大小相近的生物用來測定，篩選出來的海洋生物體數(shù)量和重量，具體見表1。

1.1.3 重金屬含量測定

根據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范》第4部分：海水分析(GB 17378.4-2007)[11]和第6部分：生物體分析(GB 17378.6-2007)[12]的要求，測定海水樣本和生物樣本的重金屬含量，包括Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg。其中，Cu、Pb、Zn、Cd、Cr含量采用AAnalyst 800原子吸收光譜儀測定(美國PerkinEimer公司)，Hg含量采用AFS-830雙道原子熒光光度計測定(北京吉天儀器有限公司)。為保證測量結(jié)果的穩(wěn)定性和準確性，實驗過程中均設置樣品空白，并插入標樣，標樣測定值均在真值范圍內(nèi)，標準物質(zhì)的回收率為90%-110%。

表1 生物體的數(shù)量及重量

1.2 評價方法

1.2.1 海水水質(zhì)

采用單項污染指數(shù)(PI)[13]對海水的重金屬含量進行評價，以《海水水質(zhì)標準》1997版[14]的一類標準限值作為超標參照，Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg的一類標準限值分別為5，1，20，1，50，0.05 μg/L。

單項污染指數(shù)計算公式為

(1)

1.2.2 海洋生物

采用單項污染指數(shù)(PI)[13]評價海洋生物重金屬污染情況，計算公式同公式(1)，以全國第二次資源調(diào)查標準(表2)作為超標參照。

表2 全國第二次資源調(diào)查標準(mg/kg)

采用生物-水質(zhì)富集系數(shù) (BSAFs) 評價海洋生物對重金屬的富集能力[15]，計算公式為

BSAFs=Cx/Cs，

(2)

式中，Cx、Cs分別為生物體內(nèi)重金屬含量和海水中重金屬的平均含量，富集系數(shù)大于1 000時，表示水生生物對某種污染物有潛在的積累嚴重問題[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 海水重金屬污染狀況

2.1.1 春、秋季海水重金屬分布特征

由表3可以看出，春季海水的重金屬含量均值依次為Zn>Pb>Cu>Cr>Cd>Hg，濃度為0.00-7.30 μg/L，Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg最大值分別出現(xiàn)在W6、W4、W8、W2、W7、W1站點。其中W1、W4站點的Pb含量分別為1.15和2.21 μg/L，超過國家一類海水質(zhì)量標準。秋季海水中重金屬含量均值依次為Cu>Pb>Cd>Hg>Cr=Zn，濃度為0.00-4.18 μg/L，Cu最大值出現(xiàn)在W3站點，Pb在W6站點，Cd在W8站點，W4、W8站點的Hg含量最大，Zn、Cr未檢出，所有重金屬元素含量均未超出國家一類海水質(zhì)量標準[14]。

春、秋季重金屬Cu、Zn、Cd、Cr、Hg均未超標，但春季個別站存在Pb超標現(xiàn)象，主要分布于潿洲島的北面和東南面(W1、W4站點)。從參考元素含量變異程度來看，變異系數(shù)值越小，差異越小。春季Cr、Cd、Pb含量在各采樣點間差異較大，Cu最小，Zn與Hg介于中間；秋季Cd、Cu含量在各采樣點間差異較大，Zn、Cr最小，Pb與Hg處于中間位置，說明重金屬在潿洲島的分布存在時間和地理差異。

表3 表層海水重金屬含量(μg/L)

2.1.2 海水重金屬污染狀況

單項污染指數(shù)的計算結(jié)果見表4。春季海水的重金屬元素中，Pb的單項污染指數(shù)均值最大，其他元素均值偏低，均小于1，符合一類水質(zhì)標準，各重金屬污染程度均值依次為Pb>Hg>Zn>Cu>Cd>Cr。但該海域有兩個站點(W1、W4)的Pb污染指數(shù)超出國家一類海水質(zhì)量標準,分別超出15%和121%。秋季海水中，Pb和Cu的單項污染指數(shù)均值相對其他元素來說偏大，而Cr為0，但都在國家一類海水水質(zhì)標準內(nèi)。從污染程度來看，各重金屬污染程度均值依次為Pb>Cu>Hg>Zn>Cd>Cr。

表4 潿洲島近岸海域海水中各種重金屬的污染指數(shù)

2.2 海洋生物重金屬污染狀況

從圖2可以看出，春季海洋生物的重金屬含量均值排序為Zn>Cr>Cu>Hg>Pb>Cd；秋季為Zn>Cu>Cr>Hg>Pb>Cd。由表5可以看出，春季重金屬元素Cu、Cd在囊形雜斑螺中的含量最高，Pb均是未檢出，Zn、Hg在二長棘鯛(P.edita)中含量最高。秋季為Cu在鉆嘴魚(C.rostratus)體內(nèi)含量最高，Pb、Zn在素銀鱸(G.argyreus)中含量最高，Cr在截尾白姑魚(P.anea)中最多，Cd在多鱗鱚(S.sihama)中最多，Hg在大眼鲬(S.meerdervoortii)中最多。春季、秋季各海洋生物的重金屬單項污染指數(shù)均小于1，說明該海域的海洋生物未受到嚴重的重金屬污染。春季各重金屬的富集系數(shù)均值排序為Hg>Cr>Cu>Zn>Cd>Pb，秋季各重金屬的排序為Hg>Zn>Cr>Cd>Cu>Pb。除Hg、Zn、Cr外，各重金屬富集指數(shù)均未超過1 000。Hg、Zn、Cr的富集系數(shù)都超過1 000，說明這3種重金屬在當?shù)睾Ｑ笊矬w內(nèi)存在比較明顯的富集累積現(xiàn)象，尤其是Hg，富集程度顯著高于其他重金屬。

圖2 生物體的重金屬含量

表5 生物體重金屬污染指數(shù)和富集系數(shù)

續(xù)表5

3 討論

3.1 海水與海洋生物的重金屬含量

本研究發(fā)現(xiàn)，春季潿洲島近岸海域海水中Pb存在超標情況，超標海水采樣點位于潿洲島的東南面和北面，與前人的研究相似[8,17]。2015年，王寧等[17]研究發(fā)現(xiàn)，潿洲島東南面海域海水存在Pb超標現(xiàn)象；2016年，徐軼肖等[8]研究發(fā)現(xiàn)，潿洲島近岸海域存在Pb、Hg、Zn超標的現(xiàn)象，Pb污染主要分布在潿洲島的北面和東面。陸地輸入可能是該海域Pb超標的主要原因，已有研究表明，陸地輸入是重金屬進入海洋環(huán)境的重要途徑之一[18]。島上的北面有石油終端處理廠、石油碼頭、天然氣廠等工業(yè)設施，而Pb作為石油中普遍的抑爆添加物，會隨著石油的大量消耗向環(huán)境中輸入[17]，海水中的溶解態(tài) Pb通常主要來源于工業(yè)廢水的排放等[19]。除Pb外，其他重金屬元素并未出現(xiàn)明顯的超標現(xiàn)象，整體來看，潿洲島近岸海域海水環(huán)境質(zhì)量狀況較為良好。

海洋生物的富集指數(shù)除Hg、Zn、Cr外，各重金屬均未超過1 000，與2010年雷富等[20]調(diào)查的欽州灣魚類的富集系數(shù)相比，本研究中，欽州灣魚類重金屬Cr的富集指數(shù)也超過1 000，但其他重金屬元素的富集指數(shù)在本次研究均較小。相比其他重金屬元素，海洋生物中Hg的富集程度最高，可能是因為魚類脂肪含量豐富，更加容易吸收和蓄積甲基汞。同時，Hg在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化和排出速度很緩慢，會長期保留在海洋生物體內(nèi)[6]，也會加劇Hg的積累。據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署對全球Hg的評估，世界上很多魚類的甲基汞含量都較高[21]，本研究結(jié)果與之一致。根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)，甲基汞具有生物富集和擴大的特性，含量隨著食物鏈逐漸富集起來，有時富集系數(shù)甚至高達10-7，海洋生物越靠近食物鏈頂端，富集系數(shù)就越大，對人類的危害就越大[22]。Zn也表現(xiàn)出較強的富集性，富集系數(shù)超過1 000，可能與Zn是構(gòu)成DNA、細胞膜、核糖體等生物體結(jié)構(gòu)的必需元素有關(guān)[23]。Cr的富集系數(shù)較高，其原因目前尚不清楚，須進一步調(diào)查研究。

海洋生物體內(nèi)重金屬含量的高低順序與海水中重金屬含量的狀況并不一致。這是因為，在海水低濃度重金屬的條件下，海洋生物的重金屬富集除了受到海水重金屬含量的影響，還受到其他因素的影響，如沉積物的重金屬含量、重金屬元素的化學特性、沉積物的理化性質(zhì)、水體的理化因子等環(huán)境因素。此外，海洋生物的生命周期、生理狀況和攝食習性等內(nèi)部環(huán)境也是重金屬富集的影響因子[24-26]。

3.2 海水與海洋生物的重金屬含量的季節(jié)性差異

本研究結(jié)果表明，除Zn外，海水中各重金屬含量在春季和秋季沒有明顯的區(qū)別(表2)。在秋季的調(diào)查中，Zn未被檢測出來，但在春季的W1、W7和W8站點，海水中Zn含量高達7 μg/L。從地理位置上看，這些站點都位于人類活動較為頻繁的區(qū)域附近，Zn的季節(jié)差異可能是人為活動與陸源輸入的暫時影響，而隨著人為排放減少，海水中Zn被自然稀釋和生物利用，會下降到檢測限以下的低水平。研究發(fā)現(xiàn)，潿洲島的東南面表層土壤含有相對較高的Zn[27]，進一步表明海水中Zn含量可能受到陸源輸入的顯著影響。除陸源輸入的影響，水動力情況也會對表層海水的重金屬變化產(chǎn)生重要影響。潿洲島南岸海域的表層海流基本為季風驅(qū)動，還受到內(nèi)陸徑流沖淡水的影響，潮流呈現(xiàn)季節(jié)性的變化。根據(jù)北部灣環(huán)流調(diào)查發(fā)現(xiàn)，春季潮流最弱，平均流速為2.8 cm/s，秋季為7.9 cm/s。這將影響表層海水的重金屬Zn的擴散和轉(zhuǎn)移，因此可以認為潿洲島的潮流季節(jié)性變化是表層海水Zn出現(xiàn)季節(jié)變化的原因之一[28,29]。

對比春秋兩季海洋生物體內(nèi)的重金屬含量，可以看出秋季海洋生物的重金屬含量要普遍高于春季，尤其是Zn和Pb(圖2)，海洋生物重金屬含量呈現(xiàn)季節(jié)性差異變化。Thomas等[30]在孟加拉灣欽奈市近岸海域調(diào)查發(fā)現(xiàn)，夏季海洋生物體內(nèi)的重金屬含量較其他季節(jié)偏高，認為這是由于季風帶來的降雨導致陸源重金屬通過徑流轉(zhuǎn)移到海水中的結(jié)果。本研究結(jié)果也支持該觀點。潿洲島處于亞熱帶季風氣候帶，雨季大致集中在5月到8月。本研究的秋季采樣正值雨季過后，陸源徑流輸入明顯，可以認為重金屬含量上升是陸源輸入引起的，再通過食物鏈轉(zhuǎn)移至生物的體內(nèi)[18]。另外，有研究表明環(huán)境溫度的改變會影響生物體內(nèi)的重金屬積累速率[31]以及富集的組織部位[32]。本研究調(diào)查中，春季溫度為22.8℃，秋季溫度為30.1℃，溫度差異較大，可能導致重金屬在海洋生物體的富集部位發(fā)生變化，本文研究僅針對肌肉組織，因此容易受到這種轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的影響。其具體原因和機理有待進一步研究。

從食品安全的角度來看，按照國家食品衛(wèi)生標準值[33]，Pb、Cd、Cr、As、Hg的標準值分別為0.5，0.1，2.0，0.5 mg/kg。本次采集的海洋生物重金屬含量均明顯低于標準值，說明從食品安全方面考慮，潿洲島近岸海域的經(jīng)濟魚類是健康安全的。

4 結(jié)論

通過對潿洲島近岸海域海水和海洋生物重金屬的調(diào)查和評價，得出以下結(jié)論：(1)潿洲島近岸海域春季、秋季海水水質(zhì)環(huán)境總體狀況良好；(2)潿洲島近岸海域海洋生物各重金屬元素的單項污染指數(shù)均小于1，未超出國家標準，說明其受污染程度較低；(3)潿洲島近岸海域重金屬富集程度總體較低，但Hg的累積問題比較突出，Zn、Cr也有較明顯的累積現(xiàn)象，應該加以關(guān)注；(4)本次調(diào)查海水采樣位點不多，采集的海洋生物種類有限，且僅使用單項污染指數(shù)和富集系數(shù)來評價分析，研究存在一定的局限性，需要進一步對海域內(nèi)重金屬元素的情況開展全面調(diào)查和深入分析，才能完整全面地了解該海域的生態(tài)環(huán)境情況。