櫛孔扇貝對無機砷的富集與排出特征研究

(山東省海水養殖研究所,山東 青島 266002)

砷(As)是一種毒性較高的污染元素。自然狀態下,轉移到生物體內的砷可能會隨著時間的延長轉變為各種價態的砷化物形式。一般認為,砷原子以共價形式與其他物質形成的砷化合物統稱為有機砷,如甲基砷酸(DAM)、砷甜菜堿(AsB)等;以離子鍵結合形成的砷化合物和砷單質通常稱為無機砷,通常指As3+、As5+。其中無機砷具有較高的毒性,有機砷則相對毒性較低。近幾年,研究者通過反復抽樣研究了不同食品種類及人們日常飲食中無機砷和有機砷化合物的個體含量水平,表明人們日常飲食中大多數含有砷,其中大約90%的砷來自于水產品[1],因此砷也就成為水產品檢驗的一項必檢項目。

入土壤的As將被帶入海中。這是造成部分海灣貝類體中As含量高于其他生物非必需元素的主要原因之一。

目前對雙殼貝類重金屬積累的研究已諸多報道,如陸超華[2-4]等將近江牡蠣作為海洋重金屬Zn、Cu、Pb污染檢測生物的研究;王凡[5-7]等關于櫛孔扇貝對Pb、Cu、Cd積累排放規律的研究,但是關于無機砷的富集與代謝規律的研究甚少。筆者認為,這應該與砷在水產品中以多種形態存在有關,增加了研究的難度。項目作者研究無機砷在櫛孔扇貝體內的富集與代謝情況,目的在于揭示櫛孔扇貝對無機砷的生物富集規律及特征,以期為海洋環境質量評價和生態風險評估提供參考,為人們防止砷污染、安全食用水產品提供建議,為貝類養殖水環境標準的制訂提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗用扇貝

櫛孔扇貝(Chlamys farreri)來自青島即墨鰲山衛養殖場,12月齡,大小基本一致(殼寬4.90 ～ 5.90cm;殼高5.20 ～6.08cm;體質量19.0 ～25.2 g),隨機分組。

1.1.2 海水

海水采自山東省海水養殖研究所鰲山基地育苗場。海水先逐級沉淀,后經砂濾池處理制得。水質分析結果:pH 7.96～8.20;鹽度31.18±0.34;氨氮 2.97～4.54 μg/L;亞硝酸鹽 0.005～0.010 mg/L;溶解氧大于 6.0 mg/L;砷本底值 0.905 μg/L;符合 GB 3097-1997國家一類海水標準[8]。

1.1.3 試劑與儀器

As2O3為水口山礦務局衡陽實業總公司(A．R)生產,用去離子水配成含As3+質量濃度為810 mg/L的儲備液,然后再稀釋成實驗所需要的各質量濃度。

充氧泵、鹽度計、溫度計、電子天平和pH計。

1.2 試驗方法

1.2.1 櫛孔扇貝的暫養

試驗前將櫛孔扇貝表面附著物刷洗干凈,于池中暫養一周。暫養期間,水溫 12.0℃±0.7℃,pH8.14±0.03,保持充氧,自然光照下進行。每天8:00時定時投喂小球藻,并且及時剔除暫養階段死亡的櫛孔扇貝。

1.2.2 暴露液的質量濃度梯次設定

暴露液由 1.1中新鮮海水和 As2O3儲備液(質量濃度810 mg/L)配制。設4個試驗組和1個對照組,試驗組質量濃度分別為0.006 mg/L,0.06 mg/L,0.3 mg/L,0.6 mg/L,對照組采用新鮮海水。

1.2.3 櫛孔扇貝對無機砷的富集和排出試驗

試驗在5個300 L的聚乙烯水族箱中進行,養殖水體 270 L,各放入 200只經暫養凈化后的櫛孔扇貝。保持室溫和自然光照,期間海水平均溫度為19.25℃±0.86℃。富集階段進行 35 d,各水箱加入270 L含有不同質量濃度的As3+暴露溶液;排出階段進行30 d,將各試驗箱中換成270 L自然海水。采用半靜態法,每隔24 h更換1次實驗海水。每天8:00時和17 :00時投喂餌料。

1.2.4 試驗取樣

試驗過程中分別在第0、5、10、15、20、25、30、35、40、50、55、65天取樣,每次取樣 5個,用不銹鋼刀剝肉去殼后打漿,打漿后的樣品裝入密封的塑料瓶,置于-20℃的冰箱中保存至帶回實驗室進行分析。

1.3 分析方法

生物樣品采用微波消解,無機砷含量參照GB5009.11-2003《食品中總砷及無機砷的測定》[9]中無機砷氫化物原子熒光光度法測定。

1.4 生物富集雙箱動力學模型

生物富集系數BCF測定采用修正的雙箱動力學模型方法[10]。

實驗的兩個階段用方程描述為:

富集階段(0

C0為實驗開始前櫛孔扇貝體內無機砷的含量(μg/g,干質量),Cw為水體中 As3+質量濃度(mg/L),CA為櫛孔扇貝體內無機砷的含量(μg/g,干質量)。

排出階段(t>t* ):

式中,k1為生物吸收速率常數,k2為生物排出速率常數。

由公式(1)、(2)對富集和排出過程中櫛孔扇貝體內無機砷含量的動態檢測結果進行非線性擬合得到k1、k2值。

生物富集系數BCF由公式(3)計算:

金屬的生物學半衰期指的是生物體內的金屬排出一半所需的時間,用公式(4)計算:

富集達到平衡時,生物體內重金屬的含量CAmax由公式(5)計算:

2 結果與分析

2.1 重金屬富集與排出試驗結果

試驗過程中養殖水體較清澈,投餌量適宜,未有殘餌污染水質情況。沒有出現扇貝異常死亡情況,實驗組的最高死亡率與對照組的死亡率相差 18%,差異不大。

櫛孔扇貝對無機砷的生物富集曲線如圖1所示,由圖1a可以看出扇貝在天然海水中,對無機砷的富集量很少,且沒有顯著的規律性。當暴露于As3+溶液質量濃度為 0.006 mg/L、0.06 mg/L、0.3 mg/L、0.6 mg/L時,生物富集擬合曲線如圖1b、圖1c、圖1d和圖1e所示。

2.2 重金屬富集與排出試驗動力學參數

海洋生物對砷的吸收實際上取決于砷進出生物體內的速率,相對的速率變化決定了生物對砷的積累。Zauke等[11]認為,不同作者應用雙箱動力學模型得到的實驗數據存在差異,原因包括實驗生物的種屬差異,實驗設計(現場實驗或室內模擬實驗)及實驗裝置差異,海水中金屬質量濃度,以及不同作者對模型的不同修正。筆者認為因為對于無機砷的富集階段和排出階段,櫛孔扇貝處于不同的水環境下,應該存在兩階段各自的吸收速率和排出速率,因此對數據進行了分段擬合。

圖1 櫛孔扇貝對無機砷的生物富集與排出擬合曲線Fig.1 The bio-enrichment of inorganic arsenic by Chlamys farreri

由圖1的擬合曲線,得到吸收速率k1(k1′),排出速率k2(k2′),然后根據方程(3)、(4)、(5)得到櫛孔扇貝對無機砷生物富集動力學參數BCF、CAmax、B1/2。表1為櫛孔扇貝對無機砷富集階段的動力學參數,表2為櫛孔扇貝無機砷排出階段的動力學參數。

櫛孔扇貝在不同質量濃度的 As3+溶液中,富集達到平衡時,體內無機砷的含量CAmax與外部水體質量濃度的關系如圖2所示。

由表1可以看出,無機砷在櫛孔扇貝體內的BCF值較小。陸超華[2]等研究表明近江牡蠣對Cu的生物富集系數 BCF可達 2 765;張少娜[12]等研究表明紫貽貝在As質量濃度為100 μg/L的情況下,BCF為15.41,而同樣質量濃度下對Cd的BCF達到851.3,紫貽貝對其他重金屬Hg、Pb的富集能力要更強,紫貽貝富集重金屬的能力為Hg>Pb>Cd>As。王曉麗[10]等對牡蠣重金屬生物富集動力學特性研究表明,牡蠣的富集能力為Hg>Cd>Pb>As。說明貝類對無機砷的富集能力要較低。對于本試驗來說,也符合這一規律。這一方面表明貝類對重金屬的積累情況與重金屬種類有關,另一方面也表明貝類體內毒性強的無機砷含量不高。張毅等[13]在海洋調查中也表明有10種海洋動物體內的無機砷占總砷百分率均小于1.8%,有機砷百分率均高于98.2%。

表1 櫛孔扇貝在不同質量濃度As3+溶液中富集階段各動力學參數Tab.1 The kinetic parameters of inorganic arsenic at the accumulation period of Chlamys farreri

表2 櫛孔扇貝在不同質量濃度As3+溶液中富集后的排出階段各動力學參數Tab.2 The kinetic parameters of inorganic arsenic at the elimination period of Chlamys farreri

圖2 櫛孔扇貝體內無機砷含量與暴露水體中As3+質量濃度的關系Fig.2 The relationship between the concentrations of inorganic arsenic in the tissue of Chlamys farreri and the concentrations of As3+ in the exposure water

由表2可以看出,無機砷在櫛孔扇貝體內的代謝速率相對來說較快,As3+的質量濃度越低,無機砷在櫛孔扇貝體內的半衰期B1/2也越長。造成這一現象的原因可能是由于在砷的毒性作用下,櫛孔扇貝自身的代謝機制受到無機砷的影響而發生改變。砷的代謝速率隨著體內無機砷含量的下降,櫛孔扇貝要把富集到體內的無機砷完全排出體外需要較長的時間。

由圖2 可以看出,櫛孔扇貝富集無機砷,在平衡狀態下,體內金屬含量CAmax隨著外部水體As3+質量濃度的增大而增大,R2=0.9267,呈正相關性。

2.3 重金屬的排出情況

在富集階段扇貝體內蓄積的無機砷含量隨著時間的增加而增加,并且在第35天達到積累最大值,表3計算了在不同質量濃度 As3+溶液中富集后的最終排出率。排出率最高可達到84.17%。雖然在排出階段結束后,櫛孔扇貝體內無機砷含量都高于試驗前櫛孔扇貝體內的初值,但是最終值都低于安全限量的值(0.5mg/kg),已達到食用標準[14]。

2.4 櫛孔扇貝養殖水體中As安全限量討論

重金屬污染物通過食物鏈的傳遞進入人體,給人類的安全和健康造成了潛在危害,引起了世界各國的高度重視,但由于生物的多樣性,重金屬代謝的復雜性,以及各地飲食習慣的差異等因素,有關重金屬安全限量的標準尚未統一[15]。中國雖有海水水質標準等,但是對于具體的養殖品種水體的要求沒有統一。目前雖然有關于 Hg、Pb、Cd的安全限量的討論,但是關于As的少有人討論。

NY5062-2008《無公害食品扇貝》[14](適用于櫛孔扇貝、海灣扇貝、蝦夷扇貝)中安全指標中指出無機砷≤0.5 mg/kg,通過無機砷的的生物富集參數(取最大值)可以換算出櫛孔扇貝養殖水體中的安全限量為0.08 mg/L。這一數值與GB3097-1997海水二類砷限量為0.03 mg/L比較,發現本研究的最低限量值比GB3097-1997規定的適宜水產養殖的二類海水限量值高出1.6倍。因此在二類水質標準下養殖的櫛孔扇貝符合食用標準。

表3 櫛孔扇貝在不同質量濃度As3+溶液中富集后對無機砷的排出率Tab.3 The elimination rates of inorganic arsenic after accumulation in different concentrations of As3+

3 結論

富集階段初期,在高質量濃度 As3+的脅迫下,進入櫛孔扇貝體內的無機砷遠大于代謝排出的無機砷,造成無機砷在櫛孔扇貝體內的快速積累,如果無機砷在櫛孔扇貝體內蓄積的質量濃度達到一定值,會對櫛孔扇貝產生毒害作用,影響到櫛孔扇貝的代謝活動和攝食活動等,最終導致死亡。本實驗中沒有發現櫛孔扇貝大量異常死亡,說明所采用的 As3+質量濃度還不足以使無機砷在櫛孔扇貝體內產生致命的毒害作用,說明櫛孔扇貝對砷具有一定的耐受性。

富集階段,櫛孔扇貝對無機砷的吸收速率k1隨著外部水體 As3+質量濃度的增加而減小,櫛孔扇貝對無機砷的排出速率k2隨著水體As3+質量濃度的增加而減小;排出階段,櫛孔扇貝對無機砷的吸收速率k1′隨著富集狀態下水體中As3+質量濃度的增加而減小,而排出速率k2′基本上是隨著富集狀態下水體中As3+質量濃度的增加而增加。

櫛孔扇貝對無機砷的富集系數BCF隨著外部水體As3+質量濃度的增加而減小。

櫛孔扇貝富集無機砷,在平衡狀態下,體內金屬含量CAmax隨著外部水體As3+質量濃度的增大而增大,呈正相關性。

無機砷在櫛孔扇貝體內的半衰期較短,且半衰期隨著As3+質量濃度的增大而縮短。

櫛孔扇貝對無機砷的排出率較高,最高可達到84.17%。

根據試驗結果推算,在二類海水水質標準下養殖的櫛孔扇貝完全食用標準。

本試驗研究了無機砷在櫛孔扇貝體內的富集與排出規律,但鑒于水體的環境體系往往是多種金屬離子的混合體系,多種離子共存時可能存在某種協同、拮抗或加和作用,另外餌料、試驗器材等對重金屬有一定的吸附作用,鹽度、溫度等也會影響貝類代謝,這些因素都可能會對櫛孔扇貝對無機砷的富集產生一定影響,諸多問題還有待我們去做一步的研究。

[1]Adams,M A,Bolger P M,Gunderson E L.Dietary intake and hazards of arsenic [C]// Chappell W R,Abernathy C O,Cothern C R.Arsenic:Exoposure and Health Science and Technology Letter.England:Northwood,1994:41-49.

[2]陸超華,謝文造,周國君,等.近江牡蠣作為海洋重金屬 Cu污染監測生物的研究[J].海洋環境科學,1998,17(3):17-23.

[3]陸超華,周國君,謝文造,等.近江牡蠣對Pb的累積和排出[J].海洋環境科學,1999,18(1):33-38.

[4]陸超華,謝文造.近江牡蠣作為海洋重金屬鋅污染監測生物[J].中國環境科學,1998,18(6):527-530.

[5]王凡,趙元鳳,吳益春,等.櫛孔扇貝對海水中Pb積累排放規律[J].水產養殖,2005,26(2):1-6.

[6]王凡,趙元鳳,呂景才.銅在櫛孔扇貝組織蓄積、分配、排放的研究[J].水利漁業,2007.27(3):84-87.

[7]王凡,趙元鳳,吳益春.櫛孔扇貝對 Cd的累積和排出[J].湛江海洋大學學報,2005,25(4):95-98.

[8]中華人民共和國國家標準.GB3097-1997海水水質標準[S].北京:中國標準出版社,1997.

[9]中華人民共和國國家標準.GB5009.11-2003食品中總砷及無機砷的測定[S].北京:中國標準出版社,2004.

[10]王曉麗,孫耀,張少娜.牡蠣對重金屬生物富集動力學特性研究[J].生態學報,2004,24(5):1086-1090.

[11]Zauke G P,von Lemm R,Meurs H G, et al.Validation of estuarine gammarid collectives (Amphipoda:Crustacea) as biomonitors for cadmium in semi-controlled toxicokinetic flowthrough experiments[J].Environ Pollut,1995,90:209-219.

[12]張少娜,孫耀,宋云利.紫貽貝(Mytilus edulis)對4種重金屬的生物富集動力學特性研究[J].海洋與湖沼,2004,35(5):438-444.

[13]張毅.渤海灣砷的生物富集及其在底泥中的積累[J].海洋環境科學,1990,9(4):24-29.

[14]中華人民共和國農業部行業標準.NY5062-2008無公害食品扇貝[S].北京:中國標準出版社,2008.

[15]ROESIJADIG. Metallothione in metal regulation and toxicity in aquticanimals[J].Mar Environ Res,1984,13:177-194.