移殖“標準化”背角無齒蚌監測五里湖重金屬污染

陳修報,蘇彥平,劉洪波,楊 健 (中國水產科學研究院淡水漁業研究中心,中國水產科學研究院內陸漁業生態環境與資源重點開放實驗室,江蘇 無錫 214081)

移殖“標準化”背角無齒蚌監測五里湖重金屬污染

陳修報,蘇彥平,劉洪波,楊 健*(中國水產科學研究院淡水漁業研究中心,中國水產科學研究院內陸漁業生態環境與資源重點開放實驗室,江蘇 無錫 214081)

移殖生物因子相同、遺傳質量穩定和污染本底值低的“標準化”背角無齒蚌至太湖五里湖,并以仍養殖在未受污染的中國水產科學研究院淡水漁業研究中心南泉基地的同批蚌作為對照,每3個月回收蚌樣,應用電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)研究了重金屬Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Ag、Cd、Ba、Tl和 Pb的含量變化.結果表明,“標準化”背角無齒蚌對重金屬的積累與特定的季節/時間密切相關,在夏季的含量明顯低于春季.移殖五里湖3個月蚌樣中Mo和Tl的含量顯著高于相應的對照組(P<0.05),而前者Ba的含量顯著低于后者(P<0.05).移殖五里湖6個月蚌樣中As的含量顯著低于對照組(P<0.05).綜合重金屬污染指數(MPI)和我國及國際上的相關限量標準評價顯示,五里湖和南泉基地水體中重金屬的含量處于相同水平,重金屬污染均不明顯.

“標準化”背角無齒蚌；移殖；生物監測；重金屬；生物積累

因具有營底棲生活、分布廣泛、對污染物的高富集性和低代謝性、體內積累污染物含量與水體中污染物的平均含量呈簡單相關等特點,貝類被證明是監測持久性污染物的理想指示生物[1].基于貝類對重金屬污染的監測已廣泛應用于海洋、河口及淡水環境中.近年來主動監測(移殖未受污染水體中的貝類至待測水域然后定期回收分析的監測方法[2])顯示出可被移殖到任何位點、免受水體溫度和鹽度等理化條件的影響、能夠評價一段時間內的污染動態等優點[3],且比被動監測(采集并分析特定水域野生貝類體內的污染物含量以評價水體污染水平的方法[2])更為有效[4],而越來越受到重視.

背角無齒蚌(Anodonta woodiana)在全球廣泛分布,不僅是我國三大育珠蚌之一,還被作為傳統的水產品食用.自本課題組2003年將其確定為“淡水貝類觀察”研究體系的指示生物[5]以來,已利用野生蚌成功監測太湖不同水域重金屬的污染水平[6-7].然而,被動監測面臨著樣本規格/年齡不一、生存水域營養條件差異較大、污染暴露史不同、在某些水域采不到足夠的樣本甚至根本沒有樣本可采等難題[8].針對相關問題,本課題組應用人工繁育技術開發出了生物因子相同,遺傳質量穩定,污染本底值低,可向待測水域移殖和回捕,即“標準化”了的監測專用背角無齒蚌(簡稱“標準化”背角無齒蚌,下同),并且證明了移殖蚌類監測重金屬污染是可行的[9].五里湖位于太湖的最北端,面積約5.9km2,水深1～2m,是無錫市區及武澄錫低片調蓄水面的組成部分和主行水通道之一[10].目前,太湖特別是北部湖灣中重金屬污染日益明顯[11].因此,本研究開展基于“標準化”背角無齒蚌進行主動監測的探索,將其移殖到太湖五里湖水域,并同時期以仍養殖在未受污染的中國水產科學研究院淡水漁業研究中心南泉基地[12](簡稱南泉基地,下同)養殖池塘的同批蚌作為對照,以期了解不同水體重金屬的時空動態,以及探究重金屬在“標準化”背角無齒蚌體內的積累規律.

1 材料與方法

1.1 移殖和回收

2011年3月將“標準化”背角無齒蚌(2齡)置于網箱(PVC框架,聚乙烯網片,規格為60×40×10cm)中,每個網箱 60 只蚌,移殖到太湖五里湖(N31°31′05.78″,E120°14′29.90″),并以南泉基地養殖池塘(N31°25′42.26″,E120°16′50.53″)的同批蚌作為對照(圖1).通過浮子控制網箱始終位于水面下50cm.進行為期6個月的重金屬積累動態的比較研究,每3個月采集1次各組蚌樣,于曝氣的自來水中暫養 72h以排出腸道內容物,然后-20℃冷凍保存.它們的生物學特征見表1.

圖1 “標準化”背角無齒蚌的移殖位點Fig.1 Sketch map of “standardized” Anodonta woodiana transplanted

表1 “標準化”背角無齒蚌的生物學特征(平均值±標準差)Table 1 Biological details of “standardized” Anondonta woodiana mussels in the present study (Mean ± SD)

1.2 消解和測定方法

分析前,將蚌樣放在室溫下解凍.然后分別用Milli-Q水清洗樣本 6遍,置于 80℃烘箱中干燥24h至恒重,并將干燥后的樣本于瑪瑙研缽中磨成均一粉末狀.樣本的消解和測定參照Chen等[13]的方法.應用電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS;7500ce型,美國Agilent公司)同時測定重金屬Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Ag、Cd、Ba、Tl和 Pb的含量,并通過標準添加回收確認儀器的測量精度,所有重金屬的回收率為90%～107%.

1.3 統計分析

所得數據運用 SPSS 16.0統計軟件分析.應用One-Way ANOVA和Wilcoxon符號平均秩檢驗比較重金屬含量的差異性,P<0.05表示差異水平顯著.此外,采用重金屬污染指數(MPI)總體評價水體重金屬的污染水平.根據 Usero等[14]的計算方法,MPI = (Cf1× Cf2·· Cfn)1/n,式中 Cfn是指樣品中第n種重金屬的平均含量.

2 結果與討論

2.1 重金屬積累的時間變化

由表2可見,南泉基地對照組起始點(CA0)、3個月后(CN3)和6個月后(CN6)蚌樣中Mn、Fe、Ba、Zn和 Al的含量明顯高于其他重金屬.CN3中 Mn、Ni、Zn、Pb、As和 Ba的含量較 CA0顯著增加,而Al的含量顯著下降(P<0.05);CN6中Fe的含量較CN3顯著下降(P<0.05);CN6中Mo的含量較CA0顯著增加,而Al、Cr和Tl的含量較CA0顯著下降(P<0.05).

五里湖移殖組 3個月后(TW3)和 6個月后(TW6)蚌樣中 Mn、Fe、Ba、Zn和Al的含量與南泉基地對照組一樣遠高于其他重金屬,而Cu、Cd和Pb的含量波動較大.此外,TW3中Fe、Ni、Cr、Zn、As、Mo、Mn、Ba、Tl和 Pb 的含量較CA0顯著增加(P<0.05);TW6中 Fe、Mo、Cr、Ni、As、Ba、Tl和Pb的含量較TW3明顯下降(P<0.05);TW6中Zn、Mo和Mn的含量較CA0顯著升高,而 Cr、Fe、As、Tl和 Pb的含量比 CA0顯著下降(P<0.05).

重金屬在貝類體內的積累是吸收與釋放的動態平衡[16].吸收途徑主要包括從食物網攝取,從過濾的水體中吸收溶解態金屬離子,以及水體中溶解的重金屬通過滲透作用在體內積累[17-18].而貝類對重金屬的釋放速率非常低,通常情況下僅有 0.01～0.03d-1[16].值得注意的是,貝類對重金屬的積累會受到生物因子和非生物因子的共同影響[18].本研究利用生物因子一致的“標準化”背角無齒蚌作為主動監測的指示生物,因此蚌體內重金屬含量的變化應該與其所處水環境中重金屬背景值的動態相一致.

南泉基地是封閉型的科研試驗場所,不受外界水源的影響,水質比較穩定.本課題組對 2009年 8月背角無齒蚌養殖池塘水體中重金屬的監測結果顯示 Fe[(229±3.0)mg/L]、Zn[(16±13)mg/L]和 Al[(41±0.6)mg/L]的含量明顯高于 Cr[(0.8±0.3)mg/L]、Co[(0.1±0.001)mg/L]、Ni[(0.5±0.01)mg/L]、Cu[(0.8±0.02)mg/L]、As[(4.5±0.04)mg/L]、Mo[(1.7±0.07)mg/L]、Ag[(0.004±0.003)mg/L]、Cd[(0.01±0.01)mg/L]、 Tl[(0.03±0.01)mg/L]和 Pb[(0.04±0.02)mg/L],而 Mn 的 含 量 僅 有(0.2±0.01)mg/L(n=3),提示背角無齒蚌對Mn具有非常強的積累能力.Liu等[7]發現太湖野生背角無齒蚌中Mn的含量為5921～11886μg/g干重,即便如此高的含量一般也不會對機體產生毒性[19].研究發現Fe和Mn在翡翠貽貝(Perna viridis)軟組織中的含量呈正相關[20],這可能是蚌樣中 Fe含量較高的原因.Zn的積累容易受到貝類的生理調控,當其積累到一定程度時,往往不容易隨著水中Zn的含量變化而產生明顯的改變[21-22].相反,Al 的積累則容易受到水環境的影響.野生無齒蚌(Anodonta sp.)軟組織中 Al的含量(107μg/g干重)[23]明顯高于南泉對照組.然而鮮有關于 Ba在貝類中含量的報道[23],本研究發現南泉基地對照組和五里湖移殖組中Ba的含量均明顯高于意大利亞得里亞海中紫貽貝(Mytilus galloprovincialis)的0.45～1.99μg/g干重的含量[24].南泉基地對照組前3個月(主要經歷了春季)Mn、Mo、Ni、Zn、Pb、As和Ba的含量表現出生物積累的現象,而Al則以排出或稀釋為主(表 2).后3個月(主要經歷了夏季)Fe的含量亦以排出或稀釋為主(表 2).這些反映出相關重金屬在蚌體內動態的駐留和積累的過程.研究表明貝類對重金屬的積累與特定的時間或季節密切相關[22]. Regoli[25]發現意大利北第勒尼安海中紫貽貝鰓和消化腺中As、Cu、Fe、Mn、Pb和Zn的含量在春季到夏季的過程中不斷下降;Savari等[26]發現英國南安普頓海域鳥尾蛤(Cerastoderma edule)軟組織中Cu、Cd、Fe、Pb、Ni和Zn在夏季的含量明顯低于春季,這些與本研究的結果相吻合.這可能主要由于貝類生殖循環造成的.背角無齒蚌一般在春季進入繁殖期,雄蚌將精子排入水中并隨水流進入雌蚌外鰓的鰓腔內,在此與雌蚌產生的卵細胞受精并進行胚胎發育,直至夏初排出成熟的鉤介幼蟲.本課題組以往研究發現背角無齒蚌鉤介幼蟲中Al、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As和 Mo 的平均含量分別為60、0.5、417、180、0.9、17、78、5.0和0.02μg/g干重[13].

表2 “標準化”背角無齒蚌軟組織中重金屬的含量(μg/g,以干重計)Table 2 Concentrations of heavy metals in soft tissues of transplanted and controlled “standardized” Anodonta woodianamussel groups (μg/g, dry weight)

五里湖移殖組在前 3個月以重金屬的積累為主,而后 3個月則以重金屬的釋放/稀釋為主.這進一步揭示了背角無齒蚌對重金屬的積累與定特的時間/季節相關,且與南泉基地對照組一樣也是在夏季的含量低于春季.除了上述的生殖循環造成的主要影響之外,五里湖春季(枯水期)和夏季(豐水期)水體中重金屬含量的差異也是一個不容忽視的因素.研究表明水體中重金屬的含量在枯水期要明顯高于豐水期[27].劉愛菊等[28]的結果表明五里湖疏浚區在3月和5月的重金屬總量分別為0.81,0.55mg/L,而在7月和9月的重金屬總量分別為0.50,0.31mg/L;未疏浚區在3月和5月的重金屬總量分別為0.64, 0.55mg/L,而在7月和9月的重金屬總量分別為0.45,0.42mg/L.另外,在主動監測過程中,Cu、Cd和Pb的含量變化幅度相對較大.《中國環境狀況公報》指出 Cu是我國內陸漁業水域中超標最明顯的重金屬[29],而Cd和Pb等重金屬則是《重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》的重點防控對象[30].然而,這些重金屬對“標準化”背角無齒蚌可能產生的毒性影響尚不清楚,因此下一步有必要開展相關的毒理學研究.

值得注意的是,五里湖移殖組和南泉基地對照組的“標準化”背角無齒蚌經歷了完全相同的時間/季節變化(即相同的時間開始研究,相同的時間回收分析).因此,本研究所觀察到的不同水體中蚌樣體內的重金屬含量的時間/季節波動,應該解釋為在相同的時間段或季節從不同背景水體中積累重金屬的程度更為合理.

2.2 重金屬積累的空間變化

五里湖移殖組和南泉基地對照組重金屬的比較發現,TW3蚌樣中Mo和Tl的含量顯著高于CN3(P<0.05),而前者 Ba的含量顯著低于后者(P<0.05),其余重金屬含量一致(P>0.05);TW6蚌樣中As的含量顯著低于CN6(P<0.05),而其余重金屬含量一致(P>0.05).

移殖貝類能夠有效把握水環境中重金屬的動態,不僅能夠監測污染水體的重金屬污染程度,還能反映出未受污染水體的潔凈水平[31].本研究首次移殖“標準化”背角無齒蚌進行淡水環境中重金屬的主動監測,突破了以往基于貝類的生物監測依賴于野生資源的局限,且顯示出不同水體的蚌樣中一些重金屬含量表現出顯著差異(表2).五里湖由于深處腹地,相對封閉,水體流動緩慢,受到工、農業廢水和生活污水影響明顯,曾是太湖污染最嚴重的水域[32].楊健等[6]指出雖然五里湖水體中重金屬 Cu[(0.007±0.001)mg/L]、Zn[(0.03±0.006)mg/L]、Pb[(1.5±0.4)mg/L]、Cd(未檢出)和 As[(4.4±0.7)mg/L]的含量均未超過國家漁業水質標準,但底泥中重金屬 Zn[(242±132)mg/kg 干重]、As[(28±14)mg/kg 干重]、Pb[(46±10)mg/kg 干重]和 Cu[(84±46)mg/kg 干重]污染明顯,而這些重金屬以殘渣態和Fe-Mn氧化物結合態作為主要的賦存形態,具有較高的二次釋放潛力[11].然而,自五里湖進行了控制外源、生態清淤、調水、生態修復、退漁還湖、水域封閉管理、建設生態護岸和濱水區等綜合治理以后,水質明顯好轉[33].盡管如此,太湖北部湖灣中重金屬(如 Ni和 Pb)仍處于中度污染[11],潛在的生態危害與太湖沉積物質量總體為良[34]相比偏高.此外,清淤還可能造成底泥顆粒的再懸浮以及釋放有毒物質造成的二次污染[35].因此 TW3中重金屬的含量較高,MPI為14.1達到整個監測過程的最高水平(表 2),這與太湖漫山水域背角無齒蚌的 MPI(14)處于同一水平,但仍然明顯低于太湖湖州、大浦和三山島水域背角無齒蚌的MPI分別為20、24和34的程度[7].與2003年五里湖背角無齒蚌中重金屬Zn、Cu、As、Cd和Pb的含量分別為418、13、5.9、0.4和1.1μg/g干重(根據含水率由濕重濃度轉換而來)[6]相比較,五里湖移殖組除了TW3中Pb(2.3 μg/g干重)的含量略高,其余重金屬均明顯降低.而且與我國及國際上的相關水產品等限量標準相比較,五里湖移殖組中重金屬(Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb)的含量仍比較低(表 3).這些顯示出五里湖中重金屬含量下降,相關污染并不明顯.

南泉基地“標準化”背角無齒蚌以養殖池塘中的天然餌料為食,不進行額外的投餌,因此推測蚌樣中重金屬的來源應該是養殖用水.而其他魚類養殖池塘投喂的飼料所殘留在水體中的重金屬可能是蚌中重金屬富集的主要來源.研究指出水產飼料中重金屬的含量超標明顯,Pb、As(無機)、Cd和Cr的含量分別達到0.05～3.52,≤ 5.4,0.08～3.05及1.28～20.46μg/g[38], Ba的含量為 0.2～15.3μg/g[39],存在重金屬污染的風險[38-39].飼料中的重金屬溶解到水體中后,貝類對它們的富集系數為102～105[23],這可能是CN3中Ba以及CN6中As分別高于 TW3和 TW6的重要原因.然而,南泉基地對照組的 MPI(1.7～8.6)仍明顯低于太湖野生背角無齒蚌的 MPI(14～34)水平,且重金屬(Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb)的含量亦明顯低于我國及國際上的相關水產品等限量標準(表 3),提示南泉基地水體的相關污染亦不明顯.

金屬污染指數(MPI)的結果表明,五里湖移殖組和南泉對照組“標準化”背角無齒蚌對應于3和6個月時的MPI之間差異不顯著(Wilcoxon符號平均秩檢驗,P>0.05),表明五里湖和南泉基地水體中重金屬的含量應該處于相同的水平,重金屬污染均不明顯.

3 結論

3.1 “標準化”背角無齒蚌對重金屬的積累與特定的時間/季節密切相關,由于生殖循環的影響,在夏季的積累量明顯低于春季.提示移殖“標準化”背角無齒蚌主動監測水環境重金屬污染須在相同時期開展.

3.2 移殖“標準化”背角無齒蚌能夠有效反映出不同水環境中重金屬含量的時空動態特征,CA0、CN3、TW3、TD3、CN6、TW6和 TD6的MPI分別為2.4、8.6、14.1、1.6、1.7、0.4和0.3,利用其進行重金屬污染的主動監測和早期預警是可行的.

3.3 本研究首次移殖“標準化”背角無齒蚌進行水環境中重金屬的主動監測,結果表明五里湖中重金屬含量較綜合治理前明顯降低,前期治理效果已經顯現,目前五里湖和南泉基地水體中重金屬的含量處于相同水平,相關污染均不明顯.

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Biomonitoring of heavy metal pollution in Wulihu Bay of Taihu Lake by transplanting “standardized” Anodonta woodiana.

CHEN Xiu-bao, SU Yan-ping, LIU Hong-bo, YANG-Jian*(Key Open Laboratory of Ecological Environment and Resources of Inland Fisheries, Freshwater Fisheries Research Center, Chinese Academy of Fishery Sciences, Wuxi 214081, China). China Environmental Science, 2014,34(1)：225～231

“Standardized” Anodonta woodiana mussels, with the same biological factors, stable inherited quality, and low contamination background, were transplanted to Wulihu Bay of Taihu Lake for assessment of heavy metal pollution.Meanwhile, the same batch mussels were continually reared in the unpolluted pond of Nanquan Aquatic Base of Freshwater Fisheries Research Center, Chinese Academy of Fishery Sciences as control. Ten individuals were recollected every three months to determine heavy metal (Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Mo, Ag, Cd, Ba, Tl, and Pb)concentrations using an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS). The results showed that metal bioaccumulation in the mussels appeared to be transplant period-/seasonal-dependent and the higher concentrations were generally found in the spring-collected mussels than in the summer-collected mussels. Additionally, concentrations of Mo and Tl in the mussels transplanted to Wulihu Bay for three months were significantly higher than those in the control mussels of Nanquan Aquatic Base (P<0.05), while concentration of Ba in the former was significantly lower than the latter (P<0.05). Concentration of As in mussels transplanted to Wulihu area for six months were significantly lower(P<0.05)than that in the control mussels. Nevertheless, both aquatic environments of Wulihu Bay and Nanquan Aquatic Base should be without obvious pollution by the aforementioned metals, based on the assessment of integrated metal pollution index (MPI)and comparison with the corresponding national and international residual limits for aquatic products.

“standardized” Anodonta woodiana；transplantation；biomonitoring；heavy metal；bioaccumulation

X835

A

1000-6923(2014)01-0225-07

2013-04-30

國家自然科學基金項目(31072214);中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(2013JBFR05);人力資源與社會保障部高層次留學人才回國工作資助項目(2-115084)

* 責任作者, 研究員, jiany@ffrc.cn

陳修報(1983-),男,江蘇徐州人,助理研究員,博士,從事水域生態環境的評價與保護研究.發表論文7篇.