基于物種敏感性分布的湛江灣重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

趙佳林 胡春景 胡春歧 張大勝 劉景超

摘要：準(zhǔn)確評(píng)估海灣重金屬污染引起的水生生物安全問(wèn)題，對(duì)于防范化解海洋生物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。以中國(guó)典型海灣——湛江灣為例，利用2015，2017年和2018年調(diào)查的近海岸水體6種重金屬（Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg）含量數(shù)據(jù)，采用污染指數(shù)法、相關(guān)性分析法、物種敏感性分布法對(duì)湛江灣海域的污染程度及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：2015年36.4%的水樣中Hg含量達(dá)到三類(lèi)海水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值，其他年份海水水樣中的重金屬含量均低于二類(lèi)海水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);2015年湛江港貝類(lèi)體內(nèi)As含量高于中國(guó)海洋生物質(zhì)量一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)但小于二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，菲律賓蛤仔體內(nèi)Pb的含量高于一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)小于二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn);Cd，Cu，Zn等重金屬仍然對(duì)藻類(lèi)和甲殼類(lèi)等敏感性生物具有毒理效應(yīng)，最高達(dá)選擇物種的4%。研究結(jié)果可為湛江灣環(huán)境保護(hù)措施和海洋生物多樣性保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)拓展了物種敏感性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的應(yīng)用范圍。

關(guān) 鍵 詞：重金屬; 水質(zhì)評(píng)價(jià); 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià); 物種敏感性分布; 湛江灣

中圖法分類(lèi)號(hào)： X55 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.009

0 引 言

重金屬具有毒性大、難降解、易被底泥吸附、易產(chǎn)生復(fù)合污染效應(yīng)并可通過(guò)食物鏈富集放大等特點(diǎn)，部分重金屬（如Hg，Cd，Pb等）還是環(huán)境內(nèi)分泌干擾物的重要組成部分，被認(rèn)為是危害水體生物的主要特征污染物之一，屬于典型的優(yōu)先控制污染物[1-3]。在過(guò)去的幾十年里，沿海地區(qū)工業(yè)化和城市化的進(jìn)程加快，受人類(lèi)活動(dòng)影響大量重金屬排入近海水域中[4-6]。而海水是海洋水體重金屬主要承載介質(zhì)，同時(shí)也是海洋生物棲息繁衍主要場(chǎng)所[7-8]。當(dāng)海水重金屬濃度超過(guò)一定限值會(huì)對(duì)魚(yú)類(lèi)、貝類(lèi)等海洋生物的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖產(chǎn)生不利影響，甚至可能通過(guò)食物鏈富集危害人體健康[9]。然而，當(dāng)前開(kāi)展的人類(lèi)活動(dòng)對(duì)近海海洋環(huán)境的影響主要側(cè)重于污染和健康風(fēng)險(xiǎn)方面，較少關(guān)注物種尺度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

湛江灣屬于中國(guó)南部的半封閉淺海，周邊分布著特呈島海洋保護(hù)區(qū)、湛江南三島鱟類(lèi)自然保護(hù)區(qū)、雷州灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)等數(shù)十個(gè)生態(tài)保護(hù)區(qū)，由于其特殊地理位置，湛江灣的海洋生態(tài)保護(hù)尤為重要。不同學(xué)者對(duì)湛江灣近海岸水體重金屬開(kāi)展了研究，但大部分側(cè)重于海水、沉積物、生物體內(nèi)重金屬的特征研究，缺乏從生態(tài)系統(tǒng)角度研究重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

物種敏感性分布（Species Sensitivity Distribution，SSD）是近年來(lái)快速發(fā)展的一種生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法[10]。物種敏感性分布是描述生態(tài)系統(tǒng)中不同生物對(duì)致毒物敏感性差異的評(píng)價(jià)方法，于20世紀(jì)70年代被提出，已被廣泛應(yīng)用于種群或群落尺度上的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。SSD通過(guò)擬合毒理數(shù)據(jù)的累積概率，計(jì)算危害5%生物的環(huán)境濃度（5% Hazardous Concentration，HC5），據(jù)此建立水質(zhì)基準(zhǔn)值。另外，SSD也被用于概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)合環(huán)境暴露分布，建立聯(lián)合概率曲線，更好地描述暴露和效應(yīng)超出概率，進(jìn)行整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[11]。與以往確定性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法不同，物種敏感性分析法基于概率定量描述環(huán)境暴露和生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，更具有科學(xué)性[12]。目前，主要在淡水河流和湖泊中開(kāi)展基于物種敏感性的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，而在海灣環(huán)境系統(tǒng)中開(kāi)展的較少。

因此，本次研究通過(guò)調(diào)查2015～2018年湛江灣海水中6種重金屬（Cu，Zn，Pb，Cd，As，Hg）的含量，分別利用污染指數(shù)法、相關(guān)性分析法、差異性分析法、物種敏感性分布法等方法來(lái)研究：① 湛江灣海水重金屬空間分布;② 2015～2018年湛江灣海水重金屬時(shí)空變化規(guī)律;③ 湛江灣海水中重金屬物種尺度上的生態(tài)效應(yīng)，旨在為湛江灣生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)的同時(shí)，為海灣物種尺度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究提供新思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湛江灣（20°54′～20°24′N(xiāo)、110°18′～110°39′E）位于廣東省西南部，如圖1所示。湛江灣屬于溺谷型海灣，受南三島、特呈島、東山頭島、東海島、硇洲島環(huán)繞形成天然的深水港灣。湛江灣主要接納遂溪的來(lái)水，并有幾十條小溪注入。湛江灣屬于亞熱帶氣候，溫差變化不大，年平均溫度為23.2 ℃、年平均降水量1 567.3 mm。湛江灣屬于不規(guī)則半日潮型，平均低潮位1.33 m、平均高潮位3.20 m，平均潮差2.41 m。

1.2 樣品采集與分析

海水采樣層次按2 L玻璃水樣采集器進(jìn)行采集，海水表層樣品采集深度10 m;海水中層樣品采集深度15 m;海水底層樣品采樣深度20 m。沉積物使用抓斗式采集器進(jìn)行采集，采集的表層樣深度0～5 cm。采集器和樣品瓶的選擇與使用、采樣方法、樣品采集、質(zhì)量控制與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定及樣品的保存與運(yùn)送等按照GB 17378-2007《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》和GB/T 12763-2007《海洋調(diào)查規(guī)范》的要求進(jìn)行。將采集的水樣使用HNO3進(jìn)行熱消解，采集的沉積物樣品在105 ℃烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，過(guò)100目篩后進(jìn)行熱消解，As和Hg使用原子熒光法進(jìn)行測(cè)定，Cd，Cu，Pb和Zn使用電感耦合等離子體質(zhì)譜法進(jìn)行測(cè)定。

1.3 毒理數(shù)據(jù)分析

重金屬元素對(duì)水生生物的毒理數(shù)據(jù)源于美國(guó)EPA相關(guān)網(wǎng)站（https：∥cfpub.epa.gov/ecotox），選取As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn 6種重金屬在海水介質(zhì)中暴露時(shí)間小于10 d的半致死濃度（LC50）或半效應(yīng)濃度（EC50）的毒理數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)物種有多個(gè)毒理數(shù)據(jù)值時(shí)，用該組數(shù)據(jù)的幾何平均值作為該物種的毒理數(shù)據(jù)。經(jīng)處理As，Cd，Cu，Hg，Pb和Zn 6種重金屬共包含222組毒理數(shù)據(jù)。為了研究不同重金屬對(duì)全部海洋生物的影響，分析時(shí)毒理數(shù)據(jù)不按物種進(jìn)行分組。各重金屬包含的物種毒理數(shù)據(jù)和獲得的數(shù)據(jù)量如表1所列。

1.4 重金屬污染評(píng)價(jià)方法

1.4.1 單因子指數(shù)法

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬污染特征

圖2為重金屬單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果。除2015年36.4%的水樣中Hg含量達(dá)到三類(lèi)海水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)外，2015，2017，2018年3次采集的湛江灣海水水樣中6種重金屬均滿(mǎn)足二類(lèi)海水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。2015年Hg的單因子指數(shù)值介于0.55～1.31，平均值為0.95，在C3、C4、C5、C6、C14、C15、C18和C21等站位的單因子指數(shù)值大于1，可以看出三類(lèi)海水水質(zhì)區(qū)主要分布在沿海岸線區(qū)域?？傮w來(lái)看，Cu，Hg和Zn的單因子指數(shù)值相對(duì)較高，其中2015～2018年Cu，Zn含量呈上升趨勢(shì)，Hg含量呈先下降后上升趨勢(shì)，均屬于需要重點(diǎn)關(guān)注的重金屬污染物。從水質(zhì)綜合情況來(lái)看，2015，2017，2018年WQI值分別為0.25，0.09，0.29，水質(zhì)整體處于良好狀態(tài)，且湛江灣近海海域水質(zhì)總體優(yōu)于灣內(nèi)水質(zhì)。

由于2015年和2017年冬季調(diào)查點(diǎn)位分別分布在湛江灣內(nèi)和近海海域，而2018年夏季調(diào)查點(diǎn)位覆蓋了整個(gè)灣內(nèi)和近海海域，因此以2015年和2017年采樣數(shù)據(jù)代表湛江灣冬季海水重金屬含量數(shù)據(jù)集，以2018年采樣數(shù)據(jù)代表湛江灣夏季海水重金屬含量數(shù)據(jù)集，通過(guò)相關(guān)性分析大致了解湛江灣夏冬季海水中重金屬的來(lái)源。由表2可知，冬季海水中Pb-As（0.483）、Hg-Cd（0.812）呈極顯著相關(guān)（P<0.01），Cu-As（0.394）、Zn-As（-0.383）呈顯著相關(guān)（P<0.05）。夏季海水中Zn-Cd（0.576）、Zn-Cu（0.656）、Zn-Pb（0.741）呈極顯著相關(guān)（P<0.01），Cu-Cd（0.516）、Pb-Cd（0.463）、Pb-Cu（0.522）呈顯著相關(guān)（P<0.05），而As、Hg與其他重金屬之間無(wú)顯著相關(guān)性。通過(guò)比較分析發(fā)現(xiàn)，夏冬季海水中Cu、Pb、Zn濃度之間均存在相關(guān)性，說(shuō)明這3種重金屬具有同源性或相同的地球化學(xué)過(guò)程。冬季海水中Hg和Cd也可能具有相同的來(lái)源。湛江灣位于湛江市東部，被湛江市城區(qū)（赤坎區(qū)、霞山區(qū)、坡頭區(qū)、麻章區(qū)）包圍。陳士銀等[18]研究表明，湛江城區(qū)經(jīng)濟(jì)密度為25.3萬(wàn)元/hm2，遠(yuǎn)高于周邊縣區(qū);人口密度975人/km2，僅次于吳川縣（1 086人/km2）;農(nóng)業(yè)用地、耕地、建設(shè)用地和交通用地的利用效率均是湛江市最高?？梢钥闯觯拷菂^(qū)土地利用強(qiáng)度非常高。尤其是2014年以后人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度日益加大，2015年湛江市生活污水排放量達(dá)153.2萬(wàn)t/d，而2015年湛江市污水處理場(chǎng)實(shí)際處理能力為46.38萬(wàn)t/d[19]。湛江市主要入海排污口共57個(gè)，工業(yè)排污口19個(gè)，市政排污口19個(gè)，通過(guò)河流進(jìn)入湛江港的污染物占96%[20]。周邊污水、工農(nóng)業(yè)廢水、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水排入湛江灣及其臨近海域的廢水量不斷增加，這可能是造成湛江灣重金屬富集的主要原因之一。

表3比較了中國(guó)部分海域海水重金屬含量與湛江灣海水重金屬含量?？梢钥闯?，與中國(guó)其他海灣海水重金屬含量相比，湛江灣重金屬濃度水平總體較低，可能是由于湛江灣周邊保護(hù)區(qū)的設(shè)立，降低了人為活動(dòng)對(duì)湛江灣海域水質(zhì)的影響，污染源也隨之減少，保護(hù)了湛江灣海洋生態(tài)環(huán)境。與廣東省其他海域進(jìn)行對(duì)比，大亞灣的Pb含量相對(duì)較高，北部灣的As含量相對(duì)較低，其他重金屬含量與湛江灣類(lèi)似，珠江河口的重金屬含量普遍高于湛江灣。可見(jiàn)廣東省各海域水體重金屬含量相近，這與政府的統(tǒng)一管理以及區(qū)域海洋環(huán)境的相似性有著密切聯(lián)系。

表4為2017年與2018年湛江灣沉積物中6種重金屬含量及分布情況。6種重金屬含量從大到小依次為Zn>Pb>Cu>As>Cd>Hg，與GB 18668-2002《海洋沉積物質(zhì)量》中一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，各項(xiàng)重金屬均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，與劉芳文等[28]的研究結(jié)果一致。沉積物中重金屬的分布和累積特征與海岸水動(dòng)力條件、沿海生活污水排放、沿海工業(yè)廢水排放等因素有關(guān)。

2015年生物體內(nèi)各重金屬含量如表5所列。貝類(lèi)體內(nèi)各污染物平均含量Zn>Cu>As>Pb>Cd>Hg，甲殼動(dòng)物體內(nèi)各污染物平均含量Zn>Cu>As>Cd>Pb>Hg，魚(yú)類(lèi)體內(nèi)各污染物平均含量Zn>Cu>As>Cd>Pb>Hg。菲律賓蛤仔體內(nèi)Hg含量明顯高于其他物種，體內(nèi)其他重金屬含量與其余貝類(lèi)物種相近。蝦蛄體內(nèi)的Cu的含量明顯高于其他物種，體內(nèi)其他重金屬含量與其余貝類(lèi)物種相近。Cu和Zn是生物體內(nèi)必需的微量元素，所以其在生物體內(nèi)的含量高于其他重金屬。Pb和Hg為非生命體所必須的，所以其在生物體內(nèi)的含量相對(duì)較低。將貝類(lèi)體內(nèi)各重金屬含量與GB 18421-2001《海洋生物質(zhì)量》中的貝類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，湛江港貝類(lèi)體內(nèi)As含量高于一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)小于二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，菲律賓蛤仔體內(nèi)Pb的含量高于一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)小于二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。其余重金屬指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，將甲殼動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)體內(nèi)重金屬含量與《第二次全國(guó)海洋污染基線調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)甲殼動(dòng)物與魚(yú)類(lèi)體內(nèi)重金屬含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 物種敏感性分布評(píng)價(jià)結(jié)果

如圖3所示，利用澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織CSIRO推出的BurrlizO軟件構(gòu)建物種敏感性分布曲線，得出重金屬對(duì)應(yīng)的HC5、PAF和msPAF值。不同重金屬對(duì)淡水生物產(chǎn)生的HC5值各不相同，HC5值越大說(shuō)明重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越低，反之亦然。結(jié)果顯示，6種重金屬HC5值處于0.011 7～0.270 0 mg/L之間，從大到小為Pb>As>Zn>Cu>Cd>Hg。在相同暴露濃度下，Hg影響的全部物種比例最大，對(duì)水生生物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大;Pb影響的全部物種比例最小，即生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最小。HC5值也反映了水生生物對(duì)重金屬濃度的敏感性差異，HC5值越小說(shuō)明水生生物對(duì)重金屬濃度的變化越敏感。Cd、Cu和Hg的HC5值均小于40 μg/L，其濃度變化對(duì)湛江灣水生生態(tài)系統(tǒng)影響較大;而Pb和As對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的影響則相對(duì)較小。

由表6物種敏感性分布分析結(jié)果可以看出，湛江灣海水中主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源是Cd、Cu、Zn。由圖3可以看出：甲殼動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)對(duì)于Cd的耐受能力相對(duì)較弱，魚(yú)類(lèi)和藻類(lèi)對(duì)Cu的耐受能力較弱，魚(yú)類(lèi)和甲殼類(lèi)對(duì)Zn的耐受能力相對(duì)較弱。因此需要加強(qiáng)魚(yú)類(lèi)、甲殼類(lèi)和藻類(lèi)等水生生物的重點(diǎn)關(guān)注和保護(hù)。

2015年Cd和Zn的影響物種占比為1%，復(fù)合影響物種占比為2%。2018年Cu影響物種占比為1%，Zn影響物種占比為3%，復(fù)合影響物種占比為4%。同時(shí)從表6中也可以看出2015，2017年和2018年海水中的As、Hg和Pb的影響物種占比為0%，由此可見(jiàn)，As、Hg和Pb對(duì)湛江灣水生生物影響相對(duì)較小。從時(shí)間變化上來(lái)看，各重金屬危害比例變化較為平穩(wěn)，2015，2017，2018年復(fù)合危害比例分別為2%，0%，4%，僅對(duì)海洋中少量生物的生存產(chǎn)生影響。然而對(duì)Cd、Cu和Zn耐受能力相對(duì)較差的部分魚(yú)類(lèi)、甲殼類(lèi)和藻類(lèi)生物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)仍不可忽略。胡利芳等[29]在對(duì)湛江灣天然養(yǎng)殖牡蠣重金屬含量研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)殖區(qū)的牡蠣已經(jīng)受到As、Cu、Zn 3種重金屬的污染。陳清香等[30]對(duì)湛江灣19種貝類(lèi)食用部位重金屬含量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)貝類(lèi)受As和Cd污染已相當(dāng)嚴(yán)重。同時(shí)，重金屬作為一種難以被生物利用的污染物，會(huì)隨食物鏈在生物體內(nèi)富集，對(duì)整個(gè)區(qū)域的海洋環(huán)境構(gòu)成潛在威脅。

3 結(jié) 論

（1） 湛江灣海水中典型重金屬的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果較好，除2015年部分樣點(diǎn)Hg含量超標(biāo)外，其余點(diǎn)位未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。同時(shí)，與中國(guó)其他海灣海水重金屬調(diào)查數(shù)據(jù)相比，湛江灣海水重金屬的含量較低。此外，海水中Cu、Pb、Zn之間存在相關(guān)性，說(shuō)明這3種重金屬具有相似的地球化學(xué)來(lái)源和行為。湛江港貝類(lèi)體內(nèi)As含量高于中國(guó)海洋生物質(zhì)量一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)但小于二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，菲律賓蛤仔體內(nèi)Pb的含量高于一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)小于二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，其余重金屬指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。甲殼動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)體內(nèi)重金屬含量均低于第二次全國(guó)海洋污染基線值。

（2） 盡管湛江灣海水水質(zhì)評(píng)價(jià)和海洋生物質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果較好，但利用物種敏感性分布法對(duì)重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，Cd、Cu、Zn等重金屬仍然對(duì)藻類(lèi)和甲殼類(lèi)等敏感性生物具有毒理效應(yīng)。而且這些重金屬的復(fù)合生態(tài)毒理效應(yīng)最多達(dá)選擇物種的4%?？傮w而言，湛江灣海水重金屬產(chǎn)生的湛江灣海洋生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)較小，但呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，應(yīng)繼續(xù)對(duì)湛江灣的海水水質(zhì)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。

本研究成功將物種敏感性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于海灣海洋環(huán)境中，獲得了物種尺度的重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步拓展了物種敏感性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)用范圍，同時(shí)推動(dòng)海灣生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的精準(zhǔn)化，為海灣環(huán)境保護(hù)和海洋生物多樣性保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

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（編輯：謝玲嫻）