柄海鞘對鋅的生物富集作用

姜愛莉，于 貞，王長海

(煙臺大學 海洋學院，山東 煙臺264005，jal9035@163.com)

固著性的濾食性生物對一些重金屬離子有高度富集作用，同時其由于自身代謝的混合氧化系統存在缺陷，其體內化合物的釋放與魚類或甲殼類相比就慢得多，結果造成其體內較高的富集程度［1-2］，對海洋環境中重金屬的生物地球化學循環起著重要作用.由于濾食性動物對重金屬具有很高的累積能力，且能夠可靠地反應周圍環境的重金屬水平，作為指示生物廣泛用于監測近岸水域的重金屬污染［3-5］，對它們的研究和應用也受到日益重視.濾食性生物對重金屬的累積包括兩條重要途徑:對顆粒態的消化作用和對溶解相的吸收作用.由于它們具有很高的濾水能力，對溶解態重金屬的吸收可能是機體累積重金屬的一個非常重要的來源.很多學者研究了雙殼類動物對重金屬的富集作用，特別是牡蠣和貽貝［6-8］.柄海鞘作為黃渤海重要的固著性濾食動物，其生物量大，濾水能力強，在沿海海域的重金屬生態系統中占據重要角色，而目前關于這方面的研究報道很少.

本文利用半靜態的生物富集動力學模型［9-10］，研究了柄海鞘對不同質量濃度Zn2+的富集作用，用以估計Zn2+在生物體內的富集程度并對人類的潛在威脅進行預測，以期為海洋環境質量的評價和改善提供重要參考資料.

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗用柄海鞘采自污染較輕的煙臺近海，實驗前在實驗室流水馴養兩周以上，選擇濕重8.0～9.5 g，生長良好的生物個體進行實驗.實驗海水經沉淀、砂濾和0.45 μm 膜過濾處理，符合國家一類海水標準(GB3097-1997)，pH7.5 ～7.9，鹽度為32‰左右，Zn2+質量濃度(18.84 ±3.68)μg/L.實驗期間水溫控制在(20±2)℃.

根據《中華人民共和國海水水質標準》(GB3097-1997)3 類水質標準和近幾年黃渤海水域的重金屬污染狀況的不同倍數設置4 個Zn2+質量濃度梯度:0.1，0.5，1.0 和2.0 mg/L.

用ZnSO4·7H2O 配制5.0 mg/mL 的Zn2+溶液(蒸餾水配制)，向實驗海水中加入一定量的Zn2+溶液，使海水中最終Zn2+含量達到設定值.

1.2 半靜態雙箱式生物富集動力學模型的實驗方法

實驗分富集和排出兩個階段進行，各進行40 d.

富集階段:在12 個0.6 m3的長方形玻璃鋼水槽中進行，其中加入0.5 m3含不同質量濃度Zn2+的海水，每個水槽中放入120 只海鞘.實驗采用半靜態的方法，即每兩天換一次同質量濃度的實驗海水，以保持水體Zn2+質量濃度基本恒定.水槽中分別充氧，保證實驗過程中水體含氧量不低于6.5 mg/L.實驗溫度為(20±2)℃.每天早晚用硅藻(Nitzschia closterium)喂生物各1 次.為避免重金屬通過生物放大作用進入海鞘體內，投喂時將海鞘從實驗水槽中取出，分別放入30 L 的硅藻溶液中(密度約為5×106/mL-1)30 min.第0，2，5，9，13，18，23，19，35，40 天分別從各實驗組取出柄海鞘4 只，取出后迅速冷凍，備分析.每個質量濃度設3 個平行樣.

排出階段:富集實驗結束后，將每個水槽中剩下的柄海鞘分別置于0.2 m3的玻璃鋼水槽中，流水暫養，每天喂以硅藻兩次.第0，2，5，9，14，20，26，33，40 天各取海鞘4 只，迅速冷凍備分析.

1.3 生物樣品的處理

實驗過程中取出的海鞘解凍后，用不銹鋼剪刀進行解剖，將柄海鞘分為背囊、生殖腺、消化腺和其他部分，準確稱重后，用均質器勻漿，微波消化.

1.4 重金屬的測定

按照海洋監測規范GB17378-1998，采用火焰原子吸收分光光度法測定水體和生物體內Zn2+含量.

1.5 半靜態雙箱模型描述［4］

半靜態雙箱式生物富集動力學模型是研究重金屬的生物累積和生物有效性的動力學模型，特定金屬的生理學參數可通過實驗來測定，然后綜合估算動物體內的重金屬質量濃度.

實驗過程中，由于一開始生物對金屬的富集速率比較快，取樣頻率也相對高一些.實驗的兩個階段用方程描述為

富集過程:

排出過程:

式中:t*為富集階段結束的天數(d)，即40 d，C0為實驗開始前生物體內金屬的含量(μg/g).

由式(1)和(2)對富集和排出實驗中動物體內重金屬質量濃度的檢測結果進行非線性擬合，即可得到k1和k2的值.

生物富集因子(FBC)可用下式得到:

生物的半衰期用公式表示為

富集達到平衡時，生命體內金屬含量QAmax可表示為

即使沒有達到濃度平臺，雙箱模型也可用來計算理論平衡狀態下的動力學參數.

2 結果與討論

2.1 柄海鞘不同組織對鋅的富集和排出作用

柄海鞘不同部分中的鋅含量與時間的關系見圖1 ～5，對富集過程和排出過程分別進行擬合，得到其富集動力學參數，見表1，2.

圖1 柄海鞘整體對鋅的富集和排出作用

圖2 柄海鞘外背囊對鋅的富集和排出作用

圖3 柄海鞘消化腺對鋅的富集和排出作用

將柄海鞘暴露于被鋅污染的養殖水體后，便不斷富積水體中的鋅，其體內的鋅含量隨時間增加而增加.到 40 d 投藥結束時，柄海鞘體內的鋅是海水中鋅質量濃度的4 8.1 倍(0.1mg/L)、15.6倍(0.5mg/L)、10.5倍(1.0 mg/L)和7.2 倍(2.0 mg/L).隨著海水中鋅質量濃度升高，柄海鞘體內鋅的含量也上升，但是富集倍數卻呈下降趨勢.

圖4 柄海鞘生殖腺對鋅的富集和排出作用

圖5 柄海鞘其他部分對鋅的富集和排出作用

柄海鞘移入新鮮海水中后，體內的鋅迅速排出，10 ～20 d 后排出速度有所降低，到排出實驗結束，柄海鞘體內的鋅含量分別為0.490 mg/kg(0.1 mg/L)、1.580 mg/kg (0.5 mg/L)、2.006 mg/kg(1 mg/L)和2.529 mg/kg(2 mg/L).外背囊中鋅含量的排出率明顯低于其他器官.

表1 富集過程柄海鞘對鋅的富集動力學參數

表2 排出過程柄海鞘對鋅的富集動力學參數

回歸分析結果表明，在富集階段，柄海鞘不同器官對鋅的吸收速率常數k1均隨著外部水體質量濃度的增大而減小，如在0.1 mg/L 的溶液中，柄海鞘整體對鋅的吸收速率常數為1.538 9，隨著水體中鋅質量濃度的增加，k1值分別降低為0.535 4(0.5 mg/L)、0.326 6(1.0 mg/L)和0.221 4(2.0 mg/L).在排出階段也表現出相似的趨勢.

在本實驗的凈化排出階段，由于采用的是流水系統，可認為生物在這一階段只排出體內已富集的金屬，而從水體中重新吸收的金屬近似為零，所以利用方程(2)進行曲線擬合得到的k2值比吸收階段得到的k2更加真實可靠.

隨著海水中Zn2+質量濃度的提高，海鞘體內各部分的鋅含量各有不同程度提高，各部分的鋅含量依次為:生殖腺＞消化腺＞其他部分＞外背囊.各部分對鋅的富集系數FBC基本是隨著外部水體Zn2+質量濃度的增大而減少.其中外背囊對鋅的富集系數隨質量濃度變化較小，而消化腺、生殖腺和其他部分的富集系數變化則比較明顯.各部分對鋅的富集系數依次為:生殖腺＞消化腺＞其他部分＞外背囊.各部分對鋅富集的平衡狀態下生物體內金屬含量QAmax也隨著外部水體質量濃度的增大而增大.

排出階段柄海鞘排出一半體內己富集的鋅所需的時間，即生物學半衰期B1/2為11.36 ～23.98 d，隨暴露溶液質量濃度的提高而增加.與富集速度相比，排出速度略高，有利于海鞘將進入體內的金屬鋅盡快排出體外，減少過量的金屬鋅對機體的危害.

2.2 富集平衡時柄海鞘富集Zn2+的最大量QAmax

通過曲線擬合得到的吸收速率常數k1，排出速率常數k2，得到生物體富集金屬達到平衡時，體內富集金屬的最大量QAmax.QAmax與外部水體質量濃度的關系如圖6 和表3 所示.可以看出，富集平衡時，生物體內的鋅含量與外部水體的鋅質量濃度基本成正相關.

圖6 柄海鞘體內鋅含量與水體中Zn2+質量濃度的關系

表3 柄海鞘體內鋅含量與水體中Zn2+質量濃度的關系(QAmax=aCW+b)

2.3 討論

重金屬在生物體內的富集程度取決于生物對重金屬的吸收速率與排出速率，當吸收速率＞排出速率，重金屬在生物體內富集;相反，則不會出現富集現象.

柄海鞘屬于固著性濾食動物，海水中的重金屬在海鞘過濾海水的同時進入海鞘體內.溶解態重金屬進入柄海鞘體內的大致途徑為:海水中的Zn2+隨海水從柄海鞘的入水管孔通入“萼杯”內消化管的前端，在柄海鞘的呼吸器官——咽腔進行初步吸附.因而這部分的鋅含量較高，而柄海鞘一旦進入不含Zn2+的海水中，此部分的鋅含量減少最快.經過濾的海水進入咽底壁，經纖毛規律性擺動，集中到咽上溝，運行到食道，進入咽腔下方的胃和腸.經過柄海鞘代謝后，部分排出體外，部分富集到生殖器官，另有部分經柄海鞘的體內轉移作用，與外背囊進行結合貯存.這也是柄海鞘為避免過量重金屬的毒害作用而具有的自身保護作用.因而在柄海鞘的外背囊中，鋅含量緩慢增加;進入排出階段后，有部分黏附在外背囊上的鋅被流水沖刷掉，而結合在外被囊中的鋅的釋放速度則明顯低于其他器官，表現為柄海鞘排出體內富集的鋅所需的生物學半衰期B1/2高于其他器官.

同一種生物的不同器官，對重金屬的富集系數往往不同.實驗發現，柄海鞘的不同部分對重金屬的富集作用有所差異，不同器官中的重金屬含量依次為:生殖腺＞消化腺＞其他部分＞外背囊.柄海鞘為濾食性動物，生殖腺與其他器官的物質交換很少，所以，在柄海鞘的生殖腺內金屬鋅的含量高于消化腺.對于其他水生生物來說，肝、鰓是魚、蝦、蟹體內重金屬富集的主要部位，孫琪等測定了上海地區羅氏沼蝦微量元素［11］，證實蝦頭微量元素含量高，認為這與蝦的肝、卵巢等器官對微量元素積累有關.劉長發從天津污水魚塘中采集了養殖的各種魚，測定其鰓、肝、腎、肌肉等部位中的銅、鉛蓄積量，結果［12］是:不同種魚銅鉛蓄積量差異不大，但銅鉛在不同部位中的蓄積量顯著不同，肌肉中蓄積量明顯低于鰓肝腎.二齡或三齡貽貝［13］，各部位砷含量的高低為:內臟＞生殖腺，鰓＞體液.Cu、Pb、Ni 和Cr 在毛蚶體內含量分布順序為［14］:鰓、外套膜、閉殼肌、內臟、肌肉;沼蝦、河蟹對水體中的重金屬有很強的富集能力，特別是肝胰臟、鰓、腎［15-16］.因為肝的解毒作用，組織內可誘導產生大量束縛重金屬的金屬硫蛋白(MT)，使肝成為體內蓄積重金屬的主要部位;相比之下，肌肉對重金屬的親和力遠比肝、鰓弱［17］.但是上述結果多是自然水域中生物體內的重金屬調查結果，與本實驗相比，水體金屬質量濃度較低，且生物體暴露時間長于本實驗，因而與本實驗通過回歸分析得到的結果有所差異.

Rainbow［18］指出，海洋生物對重金屬的富集實際上取決于金屬進出生物體的速率.相對的速率變化決定了生物對特定金屬的富集，并認為可以從調節型一直排列到強的凈積累型，各類型之間都有過渡形式.研究表明，同是濾食性動物，牡蠣體內鋅的富集量很高，而貽貝的富集量很低，這是由于牡蠣能富集高質量濃度的顆粒鋅，而貽貝則會排出大量顆粒鋅.因此，牡蠣是鋅的強積累者，貽貝是鋅的弱積累者或為不完全調節者.根據這個觀點，我們認為柄海鞘是Zn 的強的凈積累者.

從海鞘對鋅的富集和排出過程可以發現，柄海鞘的生殖腺和外背囊中可蓄積大量的重金屬，而且積累和排出速度緩慢，滯后于生長海域中的重金屬情況;而消化腺中的鋅可較準確地反映海水中的污染狀況，因而作為海洋污染指示方面，海鞘的消化腺是一較理想的指標，而生殖腺和外背囊則可反映較長一段時間內的海水污染狀況.

3 結 論

1)柄海鞘的不同組織對鋅富集的吸收速率常數k1均隨著外部水體質量濃度的增大而減小，排出速率常數k2為0.01 ～0.07.

2)柄海鞘的不同組織對鋅的富集系數FBC基本是隨著外部水體質量濃度的增大而減少.

3)富集平衡時，柄海鞘不同組織中的金屬含量與外部水體的Zn2+質量濃度基本成正相關.

4)排出階段鋅在柄海鞘體內的生物學半衰期為11.36 ～23.98 d.

5)在柄海鞘的不同器官中的鋅含量依次為:生殖腺＞消化腺＞其他部分＞外背囊.

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