基于物種敏感性分布的湛江灣重金屬生態風險評價

趙佳林 胡春景 胡春歧 張大勝 劉景超

摘要：準確評估海灣重金屬污染引起的水生生物安全問題，對于防范化解海洋生物生態風險具有十分重要的現實意義。以中國典型海灣——湛江灣為例，利用2015，2017年和2018年調查的近海岸水體6種重金屬（Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg）含量數據，采用污染指數法、相關性分析法、物種敏感性分布法對湛江灣海域的污染程度及其生態風險進行評價。結果表明：2015年36.4%的水樣中Hg含量達到三類海水質量標準限值，其他年份海水水樣中的重金屬含量均低于二類海水質量標準;2015年湛江港貝類體內As含量高于中國海洋生物質量一類標準但小于二類標準，菲律賓蛤仔體內Pb的含量高于一類標準小于二類標準;Cd，Cu，Zn等重金屬仍然對藻類和甲殼類等敏感性生物具有毒理效應，最高達選擇物種的4%。研究結果可為湛江灣環境保護措施和海洋生物多樣性保護提供科學依據，同時拓展了物種敏感性生態風險評價的應用范圍。

關 鍵 詞：重金屬; 水質評價; 生態風險評價; 物種敏感性分布; 湛江灣

中圖法分類號： X55 ? 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.009

0 引 言

重金屬具有毒性大、難降解、易被底泥吸附、易產生復合污染效應并可通過食物鏈富集放大等特點，部分重金屬（如Hg，Cd，Pb等）還是環境內分泌干擾物的重要組成部分，被認為是危害水體生物的主要特征污染物之一，屬于典型的優先控制污染物[1-3]。在過去的幾十年里，沿海地區工業化和城市化的進程加快，受人類活動影響大量重金屬排入近海水域中[4-6]。而海水是海洋水體重金屬主要承載介質，同時也是海洋生物棲息繁衍主要場所[7-8]。當海水重金屬濃度超過一定限值會對魚類、貝類等海洋生物的生長、發育和繁殖產生不利影響，甚至可能通過食物鏈富集危害人體健康[9]。然而，當前開展的人類活動對近海海洋環境的影響主要側重于污染和健康風險方面，較少關注物種尺度的生態風險。

湛江灣屬于中國南部的半封閉淺海，周邊分布著特呈島海洋保護區、湛江南三島鱟類自然保護區、雷州灣農漁業區等數十個生態保護區，由于其特殊地理位置，湛江灣的海洋生態保護尤為重要。不同學者對湛江灣近海岸水體重金屬開展了研究，但大部分側重于海水、沉積物、生物體內重金屬的特征研究，缺乏從生態系統角度研究重金屬污染的生態風險。

物種敏感性分布（Species Sensitivity Distribution，SSD）是近年來快速發展的一種生態風險評價方法[10]。物種敏感性分布是描述生態系統中不同生物對致毒物敏感性差異的評價方法，于20世紀70年代被提出，已被廣泛應用于種群或群落尺度上的生態風險評估。SSD通過擬合毒理數據的累積概率，計算危害5%生物的環境濃度（5% Hazardous Concentration，HC5），據此建立水質基準值。另外，SSD也被用于概率風險評估，結合環境暴露分布，建立聯合概率曲線，更好地描述暴露和效應超出概率，進行整體風險評估[11]。與以往確定性生態風險評價方法不同，物種敏感性分析法基于概率定量描述環境暴露和生態系統風險之間的關系，更具有科學性[12]。目前，主要在淡水河流和湖泊中開展基于物種敏感性的生態風險評價，而在海灣環境系統中開展的較少。

因此，本次研究通過調查2015～2018年湛江灣海水中6種重金屬（Cu，Zn，Pb，Cd，As，Hg）的含量，分別利用污染指數法、相關性分析法、差異性分析法、物種敏感性分布法等方法來研究：① 湛江灣海水重金屬空間分布;② 2015～2018年湛江灣海水重金屬時空變化規律;③ 湛江灣海水中重金屬物種尺度上的生態效應，旨在為湛江灣生態環境保護提供科學依據的同時，為海灣物種尺度生態風險研究提供新思路。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

湛江灣（20°54′～20°24′N、110°18′～110°39′E）位于廣東省西南部，如圖1所示。湛江灣屬于溺谷型海灣，受南三島、特呈島、東山頭島、東海島、硇洲島環繞形成天然的深水港灣。湛江灣主要接納遂溪的來水，并有幾十條小溪注入。湛江灣屬于亞熱帶氣候，溫差變化不大，年平均溫度為23.2 ℃、年平均降水量1 567.3 mm。湛江灣屬于不規則半日潮型，平均低潮位1.33 m、平均高潮位3.20 m，平均潮差2.41 m。

1.2 樣品采集與分析

海水采樣層次按2 L玻璃水樣采集器進行采集，海水表層樣品采集深度10 m;海水中層樣品采集深度15 m;海水底層樣品采樣深度20 m。沉積物使用抓斗式采集器進行采集，采集的表層樣深度0～5 cm。采集器和樣品瓶的選擇與使用、采樣方法、樣品采集、質量控制與現場測定及樣品的保存與運送等按照GB 17378-2007《海洋監測規范》和GB/T 12763-2007《海洋調查規范》的要求進行。將采集的水樣使用HNO3進行熱消解，采集的沉積物樣品在105 ℃烘箱內進行烘干，過100目篩后進行熱消解，As和Hg使用原子熒光法進行測定，Cd，Cu，Pb和Zn使用電感耦合等離子體質譜法進行測定。

1.3 毒理數據分析

重金屬元素對水生生物的毒理數據源于美國EPA相關網站（https：∥cfpub.epa.gov/ecotox），選取As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn 6種重金屬在海水介質中暴露時間小于10 d的半致死濃度（LC50）或半效應濃度（EC50）的毒理數據。當一個物種有多個毒理數據值時，用該組數據的幾何平均值作為該物種的毒理數據。經處理As，Cd，Cu，Hg，Pb和Zn 6種重金屬共包含222組毒理數據。為了研究不同重金屬對全部海洋生物的影響，分析時毒理數據不按物種進行分組。各重金屬包含的物種毒理數據和獲得的數據量如表1所列。

1.4 重金屬污染評價方法

1.4.1 單因子指數法

2 結果與討論

2.1 重金屬污染特征

圖2為重金屬單因子指數評價法的評價結果。除2015年36.4%的水樣中Hg含量達到三類海水質量標準外，2015，2017，2018年3次采集的湛江灣海水水樣中6種重金屬均滿足二類海水質量標準。2015年Hg的單因子指數值介于0.55～1.31，平均值為0.95，在C3、C4、C5、C6、C14、C15、C18和C21等站位的單因子指數值大于1，可以看出三類海水水質區主要分布在沿海岸線區域?？傮w來看，Cu，Hg和Zn的單因子指數值相對較高，其中2015～2018年Cu，Zn含量呈上升趨勢，Hg含量呈先下降后上升趨勢，均屬于需要重點關注的重金屬污染物。從水質綜合情況來看，2015，2017，2018年WQI值分別為0.25，0.09，0.29，水質整體處于良好狀態，且湛江灣近海海域水質總體優于灣內水質。

由于2015年和2017年冬季調查點位分別分布在湛江灣內和近海海域，而2018年夏季調查點位覆蓋了整個灣內和近海海域，因此以2015年和2017年采樣數據代表湛江灣冬季海水重金屬含量數據集，以2018年采樣數據代表湛江灣夏季海水重金屬含量數據集，通過相關性分析大致了解湛江灣夏冬季海水中重金屬的來源。由表2可知，冬季海水中Pb-As（0.483）、Hg-Cd（0.812）呈極顯著相關（P<0.01），Cu-As（0.394）、Zn-As（-0.383）呈顯著相關（P<0.05）。夏季海水中Zn-Cd（0.576）、Zn-Cu（0.656）、Zn-Pb（0.741）呈極顯著相關（P<0.01），Cu-Cd（0.516）、Pb-Cd（0.463）、Pb-Cu（0.522）呈顯著相關（P<0.05），而As、Hg與其他重金屬之間無顯著相關性。通過比較分析發現，夏冬季海水中Cu、Pb、Zn濃度之間均存在相關性，說明這3種重金屬具有同源性或相同的地球化學過程。冬季海水中Hg和Cd也可能具有相同的來源。湛江灣位于湛江市東部，被湛江市城區（赤坎區、霞山區、坡頭區、麻章區）包圍。陳士銀等[18]研究表明，湛江城區經濟密度為25.3萬元/hm2，遠高于周邊縣區;人口密度975人/km2，僅次于吳川縣（1 086人/km2）;農業用地、耕地、建設用地和交通用地的利用效率均是湛江市最高?？梢钥闯?，湛江城區土地利用強度非常高。尤其是2014年以后人類活動強度日益加大，2015年湛江市生活污水排放量達153.2萬t/d，而2015年湛江市污水處理場實際處理能力為46.38萬t/d[19]。湛江市主要入海排污口共57個，工業排污口19個，市政排污口19個，通過河流進入湛江港的污染物占96%[20]。周邊污水、工農業廢水、水產養殖廢水排入湛江灣及其臨近海域的廢水量不斷增加，這可能是造成湛江灣重金屬富集的主要原因之一。

表3比較了中國部分海域海水重金屬含量與湛江灣海水重金屬含量。可以看出，與中國其他海灣海水重金屬含量相比，湛江灣重金屬濃度水平總體較低，可能是由于湛江灣周邊保護區的設立，降低了人為活動對湛江灣海域水質的影響，污染源也隨之減少，保護了湛江灣海洋生態環境。與廣東省其他海域進行對比，大亞灣的Pb含量相對較高，北部灣的As含量相對較低，其他重金屬含量與湛江灣類似，珠江河口的重金屬含量普遍高于湛江灣?？梢姀V東省各海域水體重金屬含量相近，這與政府的統一管理以及區域海洋環境的相似性有著密切聯系。

表4為2017年與2018年湛江灣沉積物中6種重金屬含量及分布情況。6種重金屬含量從大到小依次為Zn>Pb>Cu>As>Cd>Hg，與GB 18668-2002《海洋沉積物質量》中一類標準進行對比，各項重金屬均未出現超標現象，與劉芳文等[28]的研究結果一致。沉積物中重金屬的分布和累積特征與海岸水動力條件、沿海生活污水排放、沿海工業廢水排放等因素有關。

2015年生物體內各重金屬含量如表5所列。貝類體內各污染物平均含量Zn>Cu>As>Pb>Cd>Hg，甲殼動物體內各污染物平均含量Zn>Cu>As>Cd>Pb>Hg，魚類體內各污染物平均含量Zn>Cu>As>Cd>Pb>Hg。菲律賓蛤仔體內Hg含量明顯高于其他物種，體內其他重金屬含量與其余貝類物種相近。蝦蛄體內的Cu的含量明顯高于其他物種，體內其他重金屬含量與其余貝類物種相近。Cu和Zn是生物體內必需的微量元素，所以其在生物體內的含量高于其他重金屬。Pb和Hg為非生命體所必須的，所以其在生物體內的含量相對較低。將貝類體內各重金屬含量與GB 18421-2001《海洋生物質量》中的貝類標準進行對比發現，湛江港貝類體內As含量高于一類標準小于二類標準，菲律賓蛤仔體內Pb的含量高于一類標準小于二類標準。其余重金屬指標符合標準要求，將甲殼動物和魚類體內重金屬含量與《第二次全國海洋污染基線調查技術規程》中的標準進行對比，發現甲殼動物與魚類體內重金屬含量均符合標準要求。

2.2 物種敏感性分布評價結果

如圖3所示，利用澳大利亞聯邦科學與工業研究組織CSIRO推出的BurrlizO軟件構建物種敏感性分布曲線，得出重金屬對應的HC5、PAF和msPAF值。不同重金屬對淡水生物產生的HC5值各不相同，HC5值越大說明重金屬的生態風險越低，反之亦然。結果顯示，6種重金屬HC5值處于0.011 7～0.270 0 mg/L之間，從大到小為Pb>As>Zn>Cu>Cd>Hg。在相同暴露濃度下，Hg影響的全部物種比例最大，對水生生物的生態風險最大;Pb影響的全部物種比例最小，即生態風險最小。HC5值也反映了水生生物對重金屬濃度的敏感性差異，HC5值越小說明水生生物對重金屬濃度的變化越敏感。Cd、Cu和Hg的HC5值均小于40 μg/L，其濃度變化對湛江灣水生生態系統影響較大;而Pb和As對水生生態系統的影響則相對較小。

由表6物種敏感性分布分析結果可以看出，湛江灣海水中主要生態風險來源是Cd、Cu、Zn。由圖3可以看出：甲殼動物和魚類對于Cd的耐受能力相對較弱，魚類和藻類對Cu的耐受能力較弱，魚類和甲殼類對Zn的耐受能力相對較弱。因此需要加強魚類、甲殼類和藻類等水生生物的重點關注和保護。

2015年Cd和Zn的影響物種占比為1%，復合影響物種占比為2%。2018年Cu影響物種占比為1%，Zn影響物種占比為3%，復合影響物種占比為4%。同時從表6中也可以看出2015，2017年和2018年海水中的As、Hg和Pb的影響物種占比為0%，由此可見，As、Hg和Pb對湛江灣水生生物影響相對較小。從時間變化上來看，各重金屬危害比例變化較為平穩，2015，2017，2018年復合危害比例分別為2%，0%，4%，僅對海洋中少量生物的生存產生影響。然而對Cd、Cu和Zn耐受能力相對較差的部分魚類、甲殼類和藻類生物的生態風險仍不可忽略。胡利芳等[29]在對湛江灣天然養殖牡蠣重金屬含量研究時發現，養殖區的牡蠣已經受到As、Cu、Zn 3種重金屬的污染。陳清香等[30]對湛江灣19種貝類食用部位重金屬含量進行了分析，發現貝類受As和Cd污染已相當嚴重。同時，重金屬作為一種難以被生物利用的污染物，會隨食物鏈在生物體內富集，對整個區域的海洋環境構成潛在威脅。

3 結 論

（1） 湛江灣海水中典型重金屬的水質評價結果較好，除2015年部分樣點Hg含量超標外，其余點位未出現超標現象。同時，與中國其他海灣海水重金屬調查數據相比，湛江灣海水重金屬的含量較低。此外，海水中Cu、Pb、Zn之間存在相關性，說明這3種重金屬具有相似的地球化學來源和行為。湛江港貝類體內As含量高于中國海洋生物質量一類標準但小于二類標準，菲律賓蛤仔體內Pb的含量高于一類標準小于二類標準，其余重金屬指標符合標準要求。甲殼動物和魚類體內重金屬含量均低于第二次全國海洋污染基線值。

（2） 盡管湛江灣海水水質評價和海洋生物質量評價結果較好，但利用物種敏感性分布法對重金屬的生態風險評價結果顯示，Cd、Cu、Zn等重金屬仍然對藻類和甲殼類等敏感性生物具有毒理效應。而且這些重金屬的復合生態毒理效應最多達選擇物種的4%。總體而言，湛江灣海水重金屬產生的湛江灣海洋生態系統的風險較小，但呈現上升的趨勢，應繼續對湛江灣的海水水質和生態風險進行監測評價。

本研究成功將物種敏感性生態風險評價方法應用于海灣海洋環境中，獲得了物種尺度的重金屬污染生態風險，進一步拓展了物種敏感性生態風險的應用范圍，同時推動海灣生態風險評價的精準化，為海灣環境保護和海洋生物多樣性保護提供科學依據。

參考文獻：

[1] LAO Q，SU Q，LIU G，et al.Spatial distribution of and historical changes in heavy metals in the surface seawater and sediments of the Beibu Gulf，China[J].Marine Pollution Bulletin，2019，146：427-434.

[2] WANG X，FU R，LI H，et al.Heavy metal contamination in surface sediments：a comprehensive，large-scale evaluation for the Bohai Sea，China[J].Environmental Pollution，2020，260：113986.

[3] 王毅，王璐，李師.近海環境重金屬污染研究進展[J].東莞理工學院學報，2020，27（5）：95-103，116.

[4] GU Y G，NING J J，KE C L，et al.Bioaccessibility and human health implications of heavy metals in different trophic level marine organisms：a case study of the South China Sea[J].Ecotoxicology and Environmental Safety，2018，163：551-557.

[5] 楊星，邱彭華，鐘尊倩.三亞河紅樹林自然保護區水環境-紅樹植物-沉積物重金屬污染綜合分析[J].環境污染與防治，2020，42（9）：1163-1170.

[6] YANG T，CHENG H，WANG H，et al.Comparative study of polycyclic aromatic hydrocarbons（PAHs）and heavy metals（HMs）in corals，surrounding sediments and surface water at the Dazhou Island，China[J].Chemosphere，2019，218：157-168.

[7] TIAN K，WU Q，LIU P，et al.Ecological risk assessment of heavy metals in sediments and water from the coastal areas of the Bohai Sea and the Yellow Sea[J].Environment International，2020，136：105512.

[8] WANG R，ZHANG C，HUANG X，et al.Distribution and source of heavy metals in the sediments of the coastal East China sea：geochemical controls and typhoon impact[J].Environmental Pollution，2020，260：113936.

[9] 李亞琳，姜欣，汪天祥，等.蛤蜊島附近海域重金屬的分布特征及污染評價[J].海洋湖沼通報，2019（6）：98-105.

[10] HE W，KONG X，QIN N，et al.Combining species sensitivity distribution（SSD）model and thermodynamic index（exergy）for system-level ecological risk assessment of contaminates in aquatic ecosystems[J].Environment International，2019，133：105275.

[11] 吳豐昌，馮承蓮，張瑞卿，等.我國典型污染物水質基準研究[J].中國科學：地球科學，2012，42（5）：665-672.

[12] DEL SIGNORE A，HENDRIKS A J，LENDERS H J R，et al.Development and application of the SSD approach in scientific case studies for ecological risk assessment[J].Environmental Toxicology and Chemistry，2016，35（9）：2149-2161.

[13] 王恩康，豐愛平，張志衛，等.興化灣海域水體和表層沉積物中重金屬分布及其源解析[J].海洋科學進展，2019，37（4）：696-708.

[14] 賀仕昌，蔚廣鑫，王德鴻，等.七連嶼海域表層海水及沉積物重金屬環境質量評估[J].應用海洋學學報，2020，39（2）：246-252.

[15] LI H，SUN Z，QIU Y，et al.Integrating bioavailability and soil aging in the derivation of DDT criteria for agricultural soils using crop species sensitivity distributions[J].Ecotoxicology and Environmental Safety，2018，165：527-532.

[16] 杜建國，趙佳懿，陳彬，等.應用物種敏感性分布評估重金屬對海洋生物的生態風險[J].生態毒理學報，2013，8（4）：561-570.

[17] LIU J，WU J，FENG W，et al.Ecological risk assessment of heavy metals in water bodies around typical copper mines in China[J].International Journal of Environmental Research and Public Health，2020，17（12）：4315.

[18] 陳士銀，馬智宇.湛江市土地利用效率及其分異特征[J].江蘇農業科學，2020，48（18）：250-255.

[19] 覃超梅，趙莊明，徐敏，等.湛江市重點流域水污染現狀及污染防治對策研究[C]∥2018 中國環境科學學會科學技術年會論文集（第二卷）.合肥，2018.

[20] 冼獻波，陳東.對湛江市海灣環境問題的探討[J].海洋開發與管理，2016，21（1）：26-29.

[21] LAO Q，SU Q，LIU G，et al.Spatial distribution of and historical changes in heavy metals in the surface seawater and sediments of the Beibu Gulf，China[J].Marine Pollution Bulletin，2019，146：427-434.

[22] 張海娟，陳袁袁.大亞灣內、外海域重金屬分布對比及其潛在生態風險評價[J].海洋開發與管理，2019，36（6）：39-45.

[23] 宋美英.珠江河口水體和沉積物中重金屬的分布特征及風險評估[D].廣州：暨南大學，2014.

[24] 許星鴻，姚海洋，孟霄，等.連云港附近海域海水、表層沉積物和水產品的重金屬污染及生態風險評價[J].海洋湖沼通報，2019（5）：110-116.

[25] ZHANG M，CHEN G，LUO Z，et al.Spatial distribution，source identification，and risk assessment of heavy metals in seawater and sediments from Meishan Bay，Zhejiang coast，China[J].Marine Pollution Bulletin，2020，156：111217.

[26] ZHAO B，WANG X，JIN H，et al.Spatiotemporal variation and potential risks of seven heavy metals in seawater，sediment，and seafood in Xiangshan Bay，China（2011-2016）[J].Chemosphere，2018，212：1163-1171.

[27] 鞠青，張婷婷，邱瑋茜.乳山灣水體重金屬含量的季節變化與養殖貝類對水體重金屬的生物富集效應[J].河北漁業，2020（1）：29-34.

[28] 劉芳文，顏文，苗莉，等.湛江港海域海水和表層沉積物重金屬分布特征及其污染評價[J].海洋技術學報，2015（2）：74-82.

[29] 胡利芳，莊宇君，張際標，等.湛江灣海域天然養殖區牡蠣重金屬含量及評價[J].海洋環境科學，2013，32（4）：529-532.

[30] 陳清香，楊文，初慶柱.湛江硇洲島海域19種貝類食用部位的重金屬含量及評價[J].生態環境學報，2011，20（1）：175-180.

（編輯：謝玲嫻）