基于MERLIN—EXPO曝光建模工具研究水產食物網中微量元素的積累情況

趙恩旭

摘要：受湖邊流域長期和大規模工業活動以及城市化的影響，我們對水生生物中選定的微量金屬的生物積累進行了建模，并與當地水生生物的田間數據進行了比較。本研究基于陽澄湖（中國江蘇南部）湖口數據的暴露情景，用最近開發的建模工具MERLIN-Expro對水生食物網和沿海環境中衡量金屬的暴露情況做出評估。模型結果和實驗數據均表明，被檢測金屬中的As，Cd，Cu，Ni，Pb和Zn無脊椎動物積累最多，而較高營養級物種積累較少。在含金屬Cr元素的情況下，所取樣動物中具有最高測量濃度的身體部分主要是肌肉，腸和肝臟以及魚皮。

關鍵詞：水生食物；微量元素；陽澄湖

1.引言

眾所周知，包括金屬和各類金屬在內的微量金屬主要從天然和人為來源中釋放出來，由于它們在食物網中的積累會對生態系統和人類健康構成潛在風險。由于上世紀的快速城市化和工業化，包括金屬在內的人類污染物來源眾多，中國的沿海和湖口生態系統現在面臨著越來越多的金屬污染壓力，因為隨著城市和工業廢氣物一起釋放的金屬可能通過河流進入海洋，并最終在沿海地區積累，帶來長期累積效應。中國江蘇南部，如陽澄湖，被認為受金屬污染影響最大。更重要的是，金屬可以被海洋生物吸收從而進入食物鏈并可能轉移到上層營養水平，最終可能因食用受污染的海產品而對人類產生不利的影響。目前，海鮮產品安全問題引起了人們的極大關注。金屬和有機污染物的積累，如塑料和微塑料，對水產的影響這需要我們要加深對食物鏈中污染物累積的理解，對非生物環境中的污染物轉移到特定食品的研究，對于食品的質量和安全性具有重要意義。

2019年水產養殖全球產量增加至8000萬噸，其中三分之一包括軟體動物，甲殼類動物和其他非魚類動物，中國仍然是水產養殖的主要國家。僅亞洲國家就占全球軟體動物產量的91%和全球水產養殖產量的70%。中國國內對海鮮的需求量從1985年的每人每年8公斤急劇增加到2005年的25公斤和2013年的37.8公斤。中國目前消耗全球海產品和水產品產量的37%，人均海產品消費量達到44公斤，預計到2020年將增加到50公斤。

食品安全可以從本研究的預測模型應用中獲益，該模型主要應用于評估微量金屬的暴露和生物積累以及基于水生生態系統健康狀況的風險識別。

對水生食物網中金屬轉移的預測，在很大程度上取決于對生物如何從環境中積累金屬的研究。重要的是需要將認識水生生物暴露于可溶性和膳食來源的微量金屬考慮在內。因此，生物動力學模型可以為我們理解控制金屬生物積累的關鍵過程提供關鍵信息，從而解釋不同動物物種中金屬負荷的巨大差異。另外，現有的機械模型允許結合生物動力學參數的可變性，從而找到在不同環境在不同物種中生物積累的可能解釋。盡管存在大量現有的食物網生物積累模型，但這類模型主要用于模擬非極性有機污染物的曝光，幾乎不支持在估算曝光時的空間和時間的變化。而MERLIN-EXpo曝光建模工具是為包括微量金屬在內的廣泛環境污染物開發的，允許用戶使模型適應局部暴露場景的特定要求。由于這些原因，它被選為此次研究的主要應用。

本研究的主要目的是模擬中國江蘇南部（陽澄湖）水生物中微量金屬的濃度。模擬包括從測量的水/沉積物金屬污染數據計算無脊椎動物和魚類生物特有的金屬濃度水平，以及模型結果與陽澄湖食物網中水生物種的測量金屬濃度的比較。此外，應用靈敏度分析有助于從模型中識別最終影響生物體中總金屬濃度的最關鍵參數。

2.研究材料和方法

2.1研究區域和監測活動的描述

陽澄湖湖口位于中國江蘇南部，并具有中國許多湖口具有的高污染壓力的代表性特征。陽澄湖流域包括中國的一些傳統工業熱點，長期受到重工業的影響，包括石化，鋼鐵和機械。據報道，陽澄湖流域約占整個江蘇南部河域污染物排放量的60%，陽澄湖中有大量污染物進入湖口。因此，湖口的水生環境質量受人為活動的影響很大。此外，眾所周知，陽澄湖是中國主要的漁場之一，尤其是陽澄湖及其周邊地區。因此，海鮮在當地被人們高度消費，大部分海鮮來自當地的漁業區。本次實驗采點時間為18年6月，采樣點均勻分布在陽澄湖下游、中游以及上游，我們收集了水表面沉積物和生物群樣品并結合當地商業漁民使用拖網收集魚類和無脊椎動物進行研究。我們在取樣點用稀硝酸將所有水樣酸化至PH≤2.6.運到實驗室中，將水樣通過0.5μm玻璃過濾纖維過濾器，然后通過ICP-MS直接分析。將所有沉積物樣品冷凍干燥并通過120μm尼龍篩研磨，然后用HNO3-HF-HClO4消化以使用ICP-MS測定金屬的總濃度Qc值。此外，我們在解剖前測量生物群樣品的生理指標。從每個物種的一些個體中取出約100g肌肉進行冷凍干燥。通過冷凍干燥前后重量的差異，通過重量分析測定肌肉組織的含水量。使用瑪瑙研缽和研杵將干燥的肌肉樣品研磨成細粉。將部分雞肉樣品在微波爐中使用HNO3-H20消解得到Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Sb和Zn的含量，將所得數據用作模型輸入的數據構成了數據的子集。在陽澄湖湖口的所有五個采樣點平均測量沉積物和水中的金屬輸入濃度。在所選水生物種的各種器官中測量了9種金屬（As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Sb，Hg和Zn）僅將在肌肉中測量的那些與生物積累模擬結果進行比較。實驗數據表明，被檢測金屬中的As，Cd，Cu，Ni，Pb和Zn中無脊椎動物積累最多，而較高營養級物種積累較少。實驗測得在含有Cr的情況下，具有最高測量濃度的金屬的取樣動物的身體部分主要是肌肉，腸和肝臟以及魚皮。

2.2水產食物網的結構

為了更好地了解影響水生生物中化學物質濃度的生物積累過程，需要為研究區域提供特定地點的食物網。陽澄湖的食物網中，除了浮游植物和浮游動物區的基本環境，還包括6種水生生物，其中有3種無脊椎動物，構成了陽澄湖的簡單食物網。本研究中選定的物種涵蓋了從初級生產者到頂級捕食者的特定營養作用。此外，因為這些物種也與當地人口的飲食有關，所以值得將它們納入人類暴露于環境污染物的評估中。

3 結論

對水生環境中高金屬濃度的擔憂主要源于這些污染物可能對生物體造成的風險，包括在食物鏈的頂端可能食用受污染海產品的人。

所以我們運用了最近開發的工具MERLIN-Expro用于模擬水生生物對幾種微量金屬的特定位置暴露情況，且獲得了令人滿意的模擬結果。特別是對于Zn和As的生物積累，其與水生生物的測量值趨近一致。通過測量包括諸如水產環境和生理過程的因素，可以改善動態平衡的應用模型主要涉及水生生物的金屬累積過程，以此從生態和人類健康風險評估的角度能更好地描述目標水生生物吸收的微量金屬的情況。基于此下一步可以尋求改進建模的另一個方面是模擬水產生理上必須的金屬濃度，從而進一步研究可能導致不利影響的過量金屬積累過程。

此外陽澄湖的其他監測數據的收集可以在未來模擬演習的擴展中，用以估計當地人口通過攝入受污染的魚類和海鮮接觸積累的微量金屬情況。

參考文獻

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（作者單位：江蘇大學京江學院）