东湖移殖背角无齿蚌中重金属的含量变化

2014-04-10 03:44磊陈修报苏彦平刘洪波倪乐意杨
水生生物学报 2014年1期
关键词:南泉背角东湖

孙 磊陈修报苏彦平刘洪波倪乐意杨 健,

(1. 南京农业大学无锡渔业学院, 无锡 214081; 2. 中国水产科学研究院淡水渔业研究中心, 中国水产科学研究院内陆渔业生态环境与资源重点开放实验室, 无锡 214081; 3. 中国科学院水生生物研究所, 武汉 430072)

东湖移殖背角无齿蚌中重金属的含量变化

孙 磊1陈修报2苏彦平2刘洪波2倪乐意3杨 健1,2

(1. 南京农业大学无锡渔业学院, 无锡 214081; 2. 中国水产科学研究院淡水渔业研究中心, 中国水产科学研究院内陆渔业生态环境与资源重点开放实验室, 无锡 214081; 3. 中国科学院水生生物研究所, 武汉 430072)

贝类具有分布广泛、活动性差、对污染物耐受性强等特点被作为“生物指示物”, 广泛用于监测水体中持久性污染物的背景[1], 如著名的“贻贝观察[2]”(Mussel Watch)监测工作等。近年来进一步发展起来的“贝类移殖监测”的尝试由于具有将贝移殖到待测地点[3]、免受水体理化(盐度等)条件的影响[4]、能够评价可控时间段内的污染情况等优点[3,5,6]逐渐受到了重视。2003年以来笔者研究室利用野生淡水背角无齿蚌系统进行了太湖重金属[7—9]的“淡水贝类观察”研究, 成功证明了背角无齿蚌适于监测淡水中持久污染物的生物积累。然而由于野生背角无齿蚌有可能规格不一, 污染背景的个体差异过大,甚至在某些待测水域已无法采样等不足, 因此野外采样的监测受到了很大的限制。针对相关问题, 笔者研究室近期应用人工繁育技术成功建立了“标准化”背角无齿蚌养殖种群。其个体具有亲本来源相同, 污染背景相同且可控于低水平, 大小规格相同等特点。此外, 养殖的三角帆蚌个体还被移殖到太湖中进行了环境重金属监测的可行性研究[10]。本研究首次将“标准化”背角无齿蚌个体移殖到武汉市东湖水域, 以期了解东湖中重金属污染的背景, 以及探究重金属在背角无齿蚌体内生物积累的动态。东湖位于武汉东北部, 面积32 km2, 平均水深2.5 m[11],刘振东等研究发现东湖周围的人类活动是最主要重金属污染源, 56%污染来自工业燃烧尘埃, 东湖的主体湖区沉积物污染为轻度污染[12]。本研究拟将移殖到东湖的个体和作为对照无锡市南泉养殖基地养殖的同一批次的个体进行对照, 通过定时采样分析体内重金属的含量差异来监测移殖对蚌个体重金属积累的空间和时间的变化特征, 以期为今后大规模的野外移殖监测打下基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2011年3月, 将在中国水产科学研究院淡水渔业研究中心南泉养殖基地人工繁育的背角无齿蚌121只, 移殖到武汉市东湖(中国科学院水生生物研究所东湖湖泊生态试验站)水域(图1)作为移殖组, 并用悬浮式网箱吊养。用相同的网箱在南泉养殖基地池塘吊养相同数量、亲本相同且同一批次人工繁育、规格一致的背角无齿蚌作为对照组(图1); 到2012年4月为止, 每三个月从两组蚌中随机采集一次样本(10只/次)开展重金属含量比较研究。

活蚌采回实验室后在充分曝气的自来水环境中暂养72h, 以便排出壳内和消化道内杂质。蚌样先测量其壳长、壳高、壳宽、带壳重和软组织重等生物学性状, 再解剖后取出软组织置于–20℃冰柜中保存用于分析(表1)。蚌样解冻后用Milli-Q 水冲洗6遍, 放入80℃的干燥箱中烘24h至恒重。计算出湿重和干重比率, 以便湿、干重含量值的换算(表1)。将干样放入玛瑙研钵中研磨至粉末状使其均一化、用称量纸包好放入干燥器中保存。

图1 本研究样点示意图Fig. 1 Sketch map of sampling sites in the present study

1.2 消化和测定方法

精确称量干样0.1 g, 放入酸洗过的特氟隆消解管中,加入 10 mL纯硝酸(Merck公司, 德国)。用微波消解仪(ETHOS A T260, Milestone公司, 意大利)进行彻底消解(10min, 120 ℃ ; 15min, 170 ℃ ; 再次15min, 170 ℃ )。最后,转移至酸洗过的聚丙烯定容瓶, 并用 Milli-Q水定容至200 mL。应用电感耦合等离子质谱仪(7500ce ICP-MS, Agilent公司, 美国), 以Li、Sc、Ge、Y、In和Bi为内标,同时测定重金属(Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Ag、Cd、Ba、Tl和Pb)的含量。通过标准添加回收所得各重金属的回收率为92.3%—106.7%。除特别说明外, 本文的含量结果一律为干重形式。

表1 本研究中背角无齿蚌的生物学特征(平均值±标准差)Tab. 1 Biological characteristics Anodonta woodianain the present study(Mean±SD)

1.3 数据处理

用SPSS 16.0的ANOVA分析或STATVIEW5.0的Wilcoxon符号秩检验进行含量数据的差异性比较, 以了解不同水域背角无齿蚌重金属的积累特征。采用金属污染指数(Metal Pollution Index, MPI)总体评价移殖和对照组背角无齿蚌重金属污染情况。根据Usero, et al.[13]的计算方法, MPI=(Cf1×Cf2×··×Cfn)1/n其中Cfn是指样品中第n种重金属的含量。

2 结果

2.1 重金属含量的时间动态

南泉养殖的背角无齿蚌 起始组(CA0组)背角无齿蚌个体软组织中重金属含量由高到低顺序为 Mn>Fe>Ba>Zn>Al>Mo>Cr>Pb>As>Tl>Cd。3个月后南泉组个体(CN3组)重金属含量由高到低为 Mn>Fe>Ba>Zn>Al>As>Pb>Mo>Cr>Ni>Tl>Cd。6个月后(CN6组)相应的顺序为Mn>Fe>Ba>Zn>Al>Pb>Mo>As>Cd>Cr。9个月后(CN9组)记录到的顺序为 Mn>Ba>Fe>Zn>Al>Mo>As>Tl>Cu>Ni>Cd>Pb>Cr。12个月后(CN12组)相应的顺序则为Mn>Fe>Mg>Ba>Zn>Al>Mo>Tl>Pb>As>Cr>Ni>Cu。在周年的监测结果中, Mn、Fe、Ba、Zn、Al的含量远高于其他重金属(表2), 而 Cu、Cd的顺序以及含量变化起伏比较大。此外, Mn、Al、Pb、As、Tl、Mo的含量随养殖时间增长而增长, 其中 Al、Tl、Pb、Mo元素浓度增长显著(P<0.05);而Fe、Zn、Ba、Cr的元素浓度却下降, 其中Fe、Cr元素浓度下降差异显著(P<0.05)。不同元素含量的最高值出现在监测的不同时段, 如Al值在12个月后, 而Mn、Zn、Ba值则在3个月后, Ni、Cu、Cd、Pb、Tl、As、Cr、Mo的值则出现在9个月后。

东湖移殖的背角无齿蚌 东湖移殖组(TD3)蚌个体3个月后重金属含量由高到低顺序为Mn>Fe>Ba>Zn>Al>As>Mo>Cu>Cr>Pb。6个月后(TD6组), 重金属含量由高到低为Mn>Ba>Zn>Fe>Al>Mo>As。9个月后(TD9), 相应的含量顺序为Mn>Fe>Ba>Zn>Al>Mo>As>Tl>Cu>Cd>Ni>Pb>Cr。12个月后(TD12组)观察到的顺序则为Mn>Fe>Ba>Zn>Al>Mo>As>Pb>Tl>Cr。与南泉养殖一样, Mn、Fe、Ba、Zn、Al的含量均较其他重金属为高(特别是Mn)。在监测一年期间内, Mn、Fe、Zn、Pb、Tl、As、Cr、Mo浓度增高(P<0.05); 而元素Al则出现了极其明显的下降(P<0.01)。和南泉对照组一样, 各重金属含量的峰值也出现在不同期间内, 其中Al、Ba含量在起始组中最高, 而Mn浓度峰值则出现在移殖3个月之后; Ni、Cu、Cd、Tl、As、Cr、Mo的峰值出现在移殖9个月之后, Fe、Zn、Pb的浓度峰值则出现在移殖12个月之后(表2)。

2.2 重金属含量的空间动态

南泉对照组和东湖移殖组蚌个体相比较发现, 经过3个月后东湖移殖个体中Al、Mn、Zn、Ba和Pb的含量低于南泉组个体(P<0.05), 其他重金属含量则相近(P>0.05)。南泉对照组和东湖移殖组 MPI分别为 8.6和1.6(表2)。经过6个月后两水域虽然Cr、Mo、Cd、Tl、Al、Mn、Zn、Ba和 Pb含量相类似, 但东湖移殖组个体的Fe和As含量显著低于南泉组(P<0.05)。其余重金属的含量东湖移殖组个体为低。9个月后, 南泉组中 Al含量显著高于东湖移殖组(P<0.05), 特别是Ni、Cu和Cd的含量极显著地高于后者(P<0.01)。相反, 东湖移殖组中Mg、Ca、Mn、Zn和Sr含量却极显著地高于南泉组(P<0.01)。南泉对照组的重金属元素Cd、Cu含量要显著的高于东湖组(P<0.05)。在12个月后, 南泉对照组中Na, Al含量极显著高于东湖移殖组(P<0.01); 而在后者中Fe、Ca、、Zn、As含量极显著高于南前者(P<0.01); 同时, 在后者中Mg、Se、Ba、Pb亦显著地高于前者(P<0.05)。

表2 背角无齿蚌软组织中重金属含量(μg/g干重)Tab. 2 Contents of heavy metals in soft tissues of Anodonta woodiana (μg/g dry weight)

3 讨论

3.1 不同水环境重金属时间动态特征

贝类体内重金属积累会受到生物因子(如大小规格、年龄、生长率等)[14]及水体环境重金属含量背景[15]的影响。为避免上述不确定性, 本研究选取了来自相同亲本,同一批次人工繁育、规格、年龄、生长速率及发育程度相同的“标准化”背角无齿蚌开展东湖水体移殖与饲养水体继续养殖的个体重金属积累动态的比较研究。因此, 蚌体内重金属积累的变化应该与该两组蚌所处不同水环境中重金属背景含量的动态相一致。

对于南泉养殖组来说, 经过12个月后元素Al、Mn、Pb、Tl的浓度都有显著性增长(P<0.05)。这些变化提示这些元素在蚌体内应该有生物积累的现象。而含量下降的Cr、Fe、Zn、Ba则反映出在软组织中不是积累, 而是排出或稀释这些重金属为主。这反映出相关重金属在蚌体内动态的驻留和积累的过程[15]。研究发现双壳贝类对于元素吸收和积累与特定的时间或季节密切相关[16—18]。刘包星等[19]在监测渤海湾毛蚶的重金属元素变化时发现受季节影响较大, 对于Zn的积累, 春季最高; 对于Cu, 则是秋后明显增高。波罗的海海蛤Cu的最高含量出现在冬季, 而在春季和夏季均很低[20]。本研究中Cu、Cd、Ni等元素含量的峰值出现不同的时间段应该也与季节有关联。此外, 特定重金属在背角无齿蚌体内的富集可能还和其富集机制有关。以Cd为例, 该种生物的非必需元素往往会因其与钙相似的地球化学性质而替代钙离子, 进入贝类体内[21]。

对于东湖移殖组的观察来看, 移殖12个月之后Mn、Fe、Zn、Mo、Pb、Tl、As含量都有显著性增长(P<0.05),而Cr却有显著性下降(P<0.05)。Cr、Ni、Cu、Cd、Tl、As含量的峰值与南泉养殖组个体的峰值出现时间相似(均为移殖/饲养9个月之后)。这也显示出背角无齿蚌对于元素吸收和积累似乎与特定的时间或季节密切相关。

值得注意的是, 东湖移殖的与南泉基地继续饲养的“标准化”蚌样经历了完全相同的季节变化(即相同的时间开始研究, 相同的时间回捕或采样), 因此, 本研究所观察到的两水域蚌样体内重金属含量的季节/时间波动, 应该解释为在相同的时间段或季节从不同背景生活水环境中吸收、富集重金属的程度更为合理。

3.2 不同水环境重金属空间动态

移殖双壳贝类能够有效地反映不同水域的污染物含量水平[22,23]。Andral, et al.[4]通过双壳贝类移殖地中海贻贝(Mytilus galloprovincialis)至地中海不同位点, 有效的掌握了不同水域的重金属背景水平, 并对有可能受污染的水域进行预警。在淡水环境方面, Bervoets, et al.[22]和Camusso, et al.[24]分别将斑马贻贝移殖到意大利最大的湖泊和比利时的12个河流和湖泊中, 亦有效的把握了相关水体重金属的污染动态。

在本研究中两水域背角无齿蚌软组织中一些重金属含量表现出显著的不同。南泉组中Al含量较高, 为208 μg/g, 而东湖移殖组的含量仅为20 μg/g(P<0.05)。这种差异可能与南泉养殖用水可能含有絮凝剂有关[25]。南泉的蚌样中Zn的含量总体呈现不断降低的趋势, 而东湖蚌样中却显上升的趋势。Zn的累积与多种元素相关Cu、Co以及Fe等, 而且体内磷酸酶等也有一定的影响[26]。这种必须元素的生物吸收量与地理环境背景相关[27]。本研究结果可能反映出东湖水体中的Zn背景值高于南泉养殖水域; 因此, 移殖东湖的个体可以获得更多的Zn并积累到软组织中。

表3 背角无齿蚌中重金属平均含量与相关国家和国际标准的比较(μg/g湿重)Tab.3 Comparison of mean heavy metal contents in Anodonta woodiana of the present study with relevant national and international standards (μg/g wet weight)

总体来看, 东湖移殖组中的重金属元素含量要低于南泉养殖组个体。南泉水体作为封闭性的循环水养殖基地,不使用基地外的水资源(如太湖), 因此推测体内重金属的来源应该是该基地的养殖用水。由于养殖的背角无齿蚌不进行投饵, 但南泉基地各池塘的用水均来自该基地用水自循环系统, 故其他池塘投喂饲料的残留所带入水体中的重金属可能是南泉养殖组个体体内重金属富集的来源。涂杰峰等[28]曾指出水产饲料样品中重金属非常明显, Pb、As、Cd和Cr的含量范围分别可达0.05—3.52、0.08—3.05和 1.28—20.46 μg/g。然而, 与我国及国际上的相关水产品等限量标准相比较, 南泉养殖组蚌个体残留的重金属(Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb)含量均非常低(表3), 显示出相关污染并不明显。在东湖移殖蚌样中也明显检出重金属。分析其来源, 由于东湖并未曾进行过清淤治理, 底泥中的重金属沉积物的释放导致的生物积累可能是一个重要因素。杨汉东等研究东湖沉积物后发现, 沉积物的表层Cu、Cd、Pb、Zn的含量要高于底层, 且湖心区域重金属含量较低。这反映出沿岸人类活动对于东湖的重金属含量影响较大[29]。即使这样, 近年来东湖水域重金属污染程度并不严重。Ntakirutimana, et al.[30]测定发现东湖表层水中Cr、Cu、Zn和As的含量分别为0.03、0.051、0.35及0.05 μg/L,均不超过《中华人民共和国渔业水质标准》(GB11607-89)中规定的相关浓度。东湖移殖蚌样中重金属的含量与我国及国际上的相关标准比较, 移殖后3、6、9、12个月后所测定的Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb含量均远远低于这些标准(表3)。董绪燕等[31]分析了武汉市周边代表性湖泊(包括东湖)鱼类肌肉中重金属Cu、Pb和Cd的含量范围分别为0.2—0.3、0.03—0.05和0.02—0.05 μg/g, 均低于我国《无公害食品—水产品中有毒有害物质限量》(NY 5073-2006)中的限量标准。

金属污染指数(MPI)的结果表明, 东湖移殖组与南泉养殖组蚌个体对应于3、6、9、12个月时的两组MPI指数间差异不明显(Wilcoxon符号秩检验, P>0.05)(表2)。这显示出东湖和南泉两水域重金属背景应该处于相同的水平, 重金属污染并不明显。

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VARIATION OF HEAVY METAL CONTENTS IN SWAN MUSSELS (ANODONTA WOODIANA) TRANSPLANTED INTO DONGHU LAKE

SUN Lei1, CHEN Xiu-Bao2, SU Yan-Ping2, LIU Hong-Bo2, NI Lei-Yi3and YANG Jian1,2
(1. Wuxi Fisheries College, Nanjing Agricultural University, Wuxi 214081, China; 2. Key Laboratory of Ecological Environment and Resources of Inland Fisheries, Freshwater Fisheries Research Center, Chinese Academy of Fishery Sciences, Wuxi 214081, China; 3. Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China)

背角无齿蚌; 重金属; 生物积累; 移殖; 监测

Swan mussel (Anodonta woodiana); Heavy metal; Bioaccumulation; Transplantation; Monitoring

X171.5

A

1000-3207(2014)01-0203-06

10.7541/2014.30

2012-10-30;

2013-06-17

国家自然科学基金项目(31072214)资助

孙磊(1987—), 男, 山东省淄博人; 硕士研究生; 研究方向为渔业生态环境监测与保护。E-mail: sunlei74120@163.com

杨健, E-mail: jiany@ffrc.cn

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