背角無齒蚌幼蚌對水體銅的吸收特征研究

劉凱, 陳修報, 劉洪波, 姜濤, 楊健,,*

背角無齒蚌幼蚌對水體銅的吸收特征研究

劉凱1, 陳修報2, 劉洪波2, 姜濤2, 楊健1,2,*

1. 南京農業大學無錫漁業學院, 江蘇 無錫 214081 2. 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長江中下游漁業生態環境評價和資源養護重點實驗室, 江蘇 無錫 214081

為了探究在不同濃度銅(Cu)暴露下背角無齒蚌()對水體Cu的吸收特征, 選定對Cu吸收能力更強的幼蚌作為實驗對象, 依據Cu對幼蚌96 h-EC50和我國漁業水質標準(GB11607—89)中Cu限量設定5個濃度梯度2.0、1.0、0.1、0.01和0.005 mg·L–1, 進行24 h Cu暴露實驗及水體Cu含量測定。結果顯示: 隨暴露濃度的升高, 幼蚌Cu吸收效率迅速升高, 最高值出現在2.0 mg·L–1暴露組為(0.69±0.11) μg/(g·h); 幼蚌Cu去除率總體呈現出降低趨勢, 其中0.005 mg·L–1暴露組去除率最高為84.8%, 1.0 mg·L–1暴露組去除率最低為28.9%。綜上所述, 背角無齒蚌幼蚌具有較強的Cu吸收能力, 表明其在淡水漁業水域環境Cu污染防控方面以及開發作為監測評價淡水漁業水域環境Cu污染的模式生物方面具有非常高的應用潛力。

背角無齒蚌; 銅; 吸收效率; 去除率

0 前言

隨著現代工業和農業活動越發頻繁, 淡水漁業水域環境Cu污染也愈發嚴峻, 根據《2018中國漁業生態環境狀況公報》指出, Cu已經成為我國淡水漁業水域環境中污染形勢最為嚴重的重金屬[1]。研究表明水體重金屬污染物很容易在水生生物體內積累, 長期積累有可能導致動物生長和繁殖受到抑制甚至引起機體死亡[2-4]。同時, 重金屬會隨食物鏈傳遞影響到整個水生生態系統, 甚至對人類的健康產生威脅[5]。Cu是生物體必需微量元素之一, 它在維持機體正常代謝、生長發育及繁殖機能等方面有不可替代的作用[6]。然而, 過量的Cu積累會對生物造成嚴重的毒性損傷, 其主要以游離的二價銅離子形式對生物產生毒性損傷, 其可以破壞體內活性氧自由基產生和消除的動態平衡, 引起機體的抗氧化系統紊亂[6-8]。

雙殼貝類在水生態系統中發揮著重要的物質循環和能量流動的生態價值[9]。其對Cu等重金屬具有較強的吸收能力, 且排除率低(每天的排出率僅為1%—3%)[10], 所以雙殼貝類能夠高效富集水體重金屬污染物, 起到凈化水體的作用。雙殼貝類對重金屬的吸收途徑主要有3種[11-12]: (1)通過食物網積累是吸收重金屬的主要來源; (2)濾水時, 通過鰓的呼吸作用吸收溶解態金屬離子是吸收重金屬的重要途經; (3)直接與水體接觸的組織通過滲透作用吸收溶解態重金屬離子。

背角無齒蚌()在我國淡水漁業水域中廣泛分布, 其對重金屬具有很強的吸收能力[13-14]。據研究顯示, 背角無齒蚌對Cu的富集系數在103—104之間[15], 其對底泥釋放的Cu的去除率可達23.5%[16]。背角無齒蚌對Cu、Zn和Cd的吸收效率是三角帆蚌()的1.2、1.9和1.5倍[15]。Brzozowska等[17]研究發現, 經24 h暴露小規格厚殼貽貝()對Zn吸收效率和去除率分別為(0.23±0.09) μg/(g·h)和84.3%, 且吸收效率明顯高于大規格厚殼貽貝。本研究擬通過貝類重金屬暴露系統對背角無齒蚌幼蚌進行24 h的Cu暴露實驗, 以探究在不同濃度Cu暴露下背角無齒蚌幼蚌對Cu吸收效率的影響, 以了解背角無齒蚌對水體中Cu的吸收特征, 為背角無齒蚌更好地發揮生態凈水功能, 以及為其作為指標生物在Cu吸收效率和生物積累動力學方面的研究提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 實驗動物

本實驗所使用的背角無齒蚌幼蚌都采自于中國水產科學研究院淡水漁業研究中心南泉實驗基地, 具體人工養殖和水環境條件參考文獻[18]。

1.2 暴露實驗

由于我國還沒有一套完善的可以用于淡水貝類的毒性實驗標準的研究方法, 因此本研究參照已經在國際上被廣泛認可的美國“Standard guide for conducting laboratory toxicity tests with freshwater mussel”[19]開展Cu對背角無齒蚌幼蚌的毒性暴露實驗。在此研究基礎上, 本研究參考Brzozowska等[17]的雙殼貝類對重金屬吸收特征的研究方法, 探究背角無齒蚌幼蚌的Cu吸收特征。

本研究選取大小相近、體表無明顯傷痕的1齡幼蚌,殼長(6.4±0.4 cm), 殼寬(2.1±0.2) cm, 殼高(3.8±0.3) cm, 體重(25.1±5.0) g作為實驗材料。規格測量方法如圖1所示。

實驗前先用刷子清洗干凈蚌殼的附著物, 然后在實驗室水族箱中暫養2周, 使幼蚌適應實驗室環境條件, 以防發生應激反應對實驗結果造成影響。在實驗室暫養期間, 每天投喂一次小球藻(), 投喂量約為4×108個·L–1。暴露實驗開始前3天停止投喂。根據筆者實驗室前期研究結果, Cu對背角無齒蚌幼蚌96 h-EC50(3.4 mg·L–1)[20], 以及我國漁業水質標準(GB11607—89)中Cu限量(0.01 mg·L–1), 設定5個濃度梯度(0.005、0.01、0.1、1.0和2.0 mg·L–1), 且每組設置3個平行。實驗所用Cu溶液均為人工配置軟水(硬度40—48 mg·L–1、 pH值7.3—7.5、堿度30—35 mg·L–1)配制。本實驗在貝類重金屬暴露系統中進行, 以玻璃缸(10 L)為容器, 按照每只蚌500 mL的標準, 在每個缸中加入16只幼蚌, 添加8 L人工配置軟水。在實驗期間不投喂小球藻, 水溫為20±1 ℃、亮暗比為16:8、光強為1000 lux、溶氧量＞5.0 mg·L–1。實驗期間檢查背角無齒蚌的死亡情況。值得注意的是, 在美國標準中判別幼蚌死亡的依據為5 min之內斧足不伸出運動[19]。然而, 背角無齒蚌幼蚌具有將斧足縮在貝殼內保持長時間不運動的特殊習性, 遇到外界刺激更是采取緊閉雙殼的保護措施, 所以上述判別方法對背角無齒蚌幼蚌是無效的[21]。針對此問題, 陳修報等[21]提出以幼蚌雙殼張開且用玻璃棒刺激后不閉殼作為死亡標準。該標準在國內[22]、外[23]的貝類毒理學研究均得到認可。在本實驗期間無幼蚌死亡。

圖1 背角無齒蚌幼蚌規格測量示意圖

Figure 1 Schematic diagram for size measurement of juvenile

1.3 水體銅含量的測定

在暴露開始前和暴露24 h時, 用注射器吸取各濃度組30 mL溶液, 通過0.22 μm孔徑微孔過濾器進行過濾到特氟隆定容瓶中, 加1.5 mL濃硝酸。使用7500ce型電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)測定初始水樣和24 h后各濃度組水樣中的Cu含量。以Li、Sc、Ge、Y、In、Bi為內標, 通過標準添加回收確認儀器的測量精度, 初始和24 h后各濃度組Cu的回收率為分別為100.7%和108.4%。實際測得初始水樣的Cu濃度為2.1、1.0、0.1、0.01和0.003 mg·L–1, 由于實際濃度和理論濃度總體很接近, 因此, 本研究應用理論濃度。

1.4 銅吸收效率及去除率計算方法

鑒于實驗水體中的Cu變化受到環境因素和背角無齒蚌幼蚌共同作用的影響, 使用吸收效率(Uptake Efficiency, UE)[17]和去除率(Removal Efficiency, RE)[24]來反映背角無齒蚌對Cu的吸收效率和去除率程度:

(C– C)()

[(C – C) / C]100%

式中:C為暴露前水體中的Cu含量(mg·L–1),C為暴露24 h后水體中的Cu含量(mg·L–1),為幼蚌濕重(g),為幼蚌個數(個),為暴露時間(h)

2 結果與分析

2.1 吸收效率

圖2所示為經24 h Cu暴露, 各濃度組的Cu吸收效率。隨暴露濃度的升高, Cu吸收效率迅速升高。在2.0 mg·L–1暴露組的Cu吸收效率最高, 為(0.69±0.11) μg/(g·h)。

2.2 去除率

圖3所示為經24 h Cu暴露, 各濃度組的Cu去除率。結果顯示, 隨暴露濃度升高, Cu去除率總體上呈現出降低的趨勢。各濃度組中去除率最高值出現在0.005 mg·L–1暴露組, 高達84.8%, 最低去除率出現在1.0 mg·L–1暴露組僅為28.9%, 約是0.005 mg·L–1暴露組的三分之一。

圖2 背角無齒蚌幼蚌經24 h暴露Cu吸收效率

Figure 2 Copper uptake efficiency by juvenileafter 24 h exposure

圖3 經24 h暴露背角無齒蚌幼蚌對水體 Cu的去除率

Figure 3 Copper removal efficiency by juvenileafter 24 h exposure

3 討論

淡水蚌類的生活史包括4個典型階段: 鉤介幼蟲、稚蚌、幼蚌和成蚌[25]。它們對Cu的毒性敏感性總體表現為早期階段(如鉤介幼蟲、稚蚌)特別敏感, 而后期階段(幼蚌、成蚌)對Cu毒性敏感性逐漸降低[20,26]。例如, Cu對背角無齒蚌鉤介幼蟲的24 h-EC50僅為0.082 mg·L[27], 而后期階段有潛力用于Cu污染監測和生物防控。

背角無齒蚌幼蚌具有較強的濾水效率, 可高達60 L/(kg·h)[13]。研究表明, 雙殼貝類對Cu等重金屬的吸收能力與濃度和暴露時間直接相關, 在實驗條件下雙殼貝類對重金屬的吸收效率與其水環境中的濃度成正比[29]。結合本研究結果, 隨暴露濃度的升高, 吸收效率逐漸升高, 其中2.0 mg·L–1暴露組的吸收效率最高, 為0.69±0.11μg/(g·h), 這正好與先前的研究相吻合。夏天翔等[15]以Cu、Zn和Cd暴露淡水蚌類的實驗表明, 背角無齒蚌對Cu、Zn和Cd的吸收效率隨各種重金屬濃度的升高而升高, 且背角無齒蚌對Cu、Zn和Cd的吸收效率是三角帆蚌的1.2、1.9和1.5倍, 進一步證明了背角無齒蚌在凈化水體重金屬污染中具有重要的應有潛力。Lecoeur等[29]研究也表明, 經過0—63 d的Cu和Cd暴露, 斑馬貽貝()體內的各重金屬含量隨暴露濃度的增加而增加。綜上所述, 背角無齒蚌對Cu具有較高的吸收效率, 而環境重金屬濃度是影響背角無齒蚌重金屬吸收效率的重要因素。

在本研究中, 0.005 mg·L–1暴露組背角無齒蚌幼蚌對水體Cu去除率最高, 可達84.4%, 但隨暴露濃度的升高, 去除率呈現明顯降低趨勢, 最低值出現在1.0 mg·L–1暴露組, 僅為28.9%, 約是0.005 mg·L–1暴露組的三分之一。夏天翔等[15]在模擬實驗中, 也發現了相類似的實驗結果。推測可能是由于較低濃度的Cu暴露并不會對背角無齒蚌產生毒性, 背角無齒蚌能夠正常呼吸濾水, 導致去除率較高。Tavares- Dias[30]研究發現, 當水中Cu濃度低于0.005 mg·L–1時, 可以促進水產動物的生長發育。而高濃度Cu暴露去除率降低推測可能是因為Cu毒性引起背角無齒蚌應激反應, 雙殼緊閉、減少軟組織與水體接觸面積, 且濾水量下降, 導致Cu去除率降低。研究表明, 當背角無齒蚌受到Cu脅迫后, 會造成背角無齒蚌閉殼肌損傷, 導致其殼縮頻率降低, 以及雙殼張開幅度變小等行為變化[29-30], 這正好與推測結果相吻合。然而, 從1.0 mg·L–1暴露組到2.0 mg·L–1暴露組Cu去除率又呈升高的趨勢, 推測可能是因為2.0 mg·L–1暴露組對背角無齒蚌幼蚌的毒性較強, 而閉殼肌受毒性影響較大, 收縮能力變弱, 雙殼不能緊閉, 使得軟組織與水體接觸增大, 進而導致去除率升高。

背角無齒蚌主要通過攝食、呼吸以及滲透作用吸收水體中的Cu等重金屬離子[11-12]。研究表明, 背角無齒蚌對重金屬的吸收效率明顯高于其他淡水貝類[13]。本研究中, 在高濃度暴露組, 背角無齒蚌同樣表現出較高的去除率, 2.0 mg·L–1暴露組的去除率高達40.4%, 而這一濃度與我國許多養殖池塘的Cu濃度相當[31]。因此, 在從事漁業養殖生產時投放背角無齒蚌來控制池塘水體Cu濃度可能是一種有效方式。背角無齒蚌同樣也可以有效去除水體中其他重金屬。陳修報等[12]在研究背角無齒蚌對大宗淡水魚養殖水體中重金屬的凈化效果中發現, 在30 d實驗周期內, 其對Al、Cr、Fe、Ni、Zn和Mo的最大去除率分別為63.0%、78.0%、12.7%、100%、80.6%和4.8%。此外, 背角無齒蚌對底泥中的Cu去除率可達到23.5%, 對Al、As、Cr、Co、Mn、Mo和Zn的最大去除率分別為84.7%、50.0%、98.0%、14.3%、33.3%、13.0%和69.4%[32]利用背角無齒蚌和銅銹環棱螺()處理污水處理廠的一級A標出水發現, 其對水體中總磷(TP)、化學需氧量(COD)和氨氮含量(NH3-N)的平均去除率分別為26.10%、22.26%和25.60%, 經凈化后的水體透明度明顯升高, 水質得到有效改善。盧曉明等[33]同樣利用背角無齒蚌和銅銹環棱螺研究發現, 在曝氣組中, 背角無齒蚌和銅銹環棱螺對COD、TP、NH3-N和葉綠素a都具有很好的凈化能力, 其中葉綠素a的去除率均在90%以上。綜上所述, 驗證了背角無齒蚌在淡水漁業水域環境中對各種污染物防控的潛力。此外, 海洋貝類也被嘗試用于凈化水體重金屬。單齒螺()對水體Cu表現出較強的去除能力, 最高積累量可達到僅30 mg·kg[17]。水生植物也具有凈化水體重金屬的能力。田秀芳等[35]研究發現, 鳳眼蓮()在pH為5.0時, 對Cu、Zn和As的去除率分別為86.3%、83.8%和82.9%。美人蕉()、銅錢草()、風車草()和鳳眼蓮對Cu去除率依次為87.79%、88.03%、88.55%和98.94%[36], 這與本研究背角無齒蚌幼蚌的Cu最大去除率相當。

4 結論

(1)背角無齒蚌幼蚌Cu吸收效率隨暴露濃度的增加而增加, Cu去除率隨暴露濃度的增加總體呈現出降低的趨勢。

(2)背角無齒蚌幼蚌較強的Cu吸收效率表明其在防控淡水漁業水域環境重金屬Cu污染方面以及開發作為監測和評價淡水漁業水域環境Cu污染的模式生物方面具有非常高的應用潛力。

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Study on absorption characteristics of aquatic copper byjuveniles

LIU Kai1, CHEN Xiubao2, LIU Hongbo2, JIANG Tao2, YANG Jian1,2,*

1. Wuxi Fisheries College, Nanjing Agricultural University, Wuxi 214081, China 2. Key Laboratory of Fishery Ecological Environment Assessment and Research Conservation in Middle and Lower Reaches of the Yangtze River, Freshwater Fisheries Research Center, Chinese Academy of Fishery Sciences, Wuxi 214081, China

In order to explore the copper absorption characteristics of, this study was based on the juveniles with higher Cu absorption efficiency as the experimental subjects. Five concentration gradients (2.0, 1.0, 0.1, 0.01 and 0.005 mg·L–1) of aquatic Cu were set according to its 96 h-EC50to the mussels and China Fisheries Water Quality Standard (GB11607-89). This exposure experiment was conducted for 24 h. The results showed that the Cu absorption efficiency increased rapidly with the increase of exposure concentration, and the highest value was (0.69±0.11) μg/(g·h) in 2.0 mg·L–1exposure group. However, the Cu removal rate showed a general decreasing trend, in which the removal rate of 0.005 mg·L–1exposure group was the highest 84.8%, and the removal rate of 1.0 mg·L–1exposure group was the lowest 28.9%. In conclusion, the high Cu uptake efficiency of juvenileindicates that it has a very high application potential in the prevention and control of heavy metal Cu pollution in freshwater fishery waters and in the development of model organisms for monitoring and evaluating the environmental Cu pollution in freshwater fishery waters.

; copper;uptake efficiency; removal efficiency

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.003

S959

A

1008-8873(2024)01-019-06

2021-07-19;

2021-10-12

中國水產科學研究院基本科研業務費(2019GH10); 中國水產科學研究院科技創新團隊項目(2020TD18); 國家自然科學基金(31502166)

劉凱(1997—), 男, 山東青島人, 碩士研究生, 主要從事漁業生態環境評價與保護研究, E-mail: 1753935246@qq.com

通信作者:楊健, 男, 博士, 研究員, 主要從事漁業水域生態環境的評價與保護研究, E-mail: jiany@ffrc.cn

劉凱, 陳修報, 劉洪波, 等. 背角無齒蚌幼蚌對水體銅的吸收特征研究[J]. 生態科學, 2024, 43(1): 19–24.

LIU Kai, CHEN Xiubao, LIU Hongbo, et al. Study on absorption characteristics of aquatic copper byjuveniles[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 19–24.