混合暴露条件下刺参(Apostichopus japonicus)对重金属的富集与释放特征*

姜会超 刘爱英 宋秀凯 刘丽娟



混合暴露条件下刺参()对重金属的富集与释放特征*

姜会超1刘爱英1①宋秀凯2刘丽娟1

(1. 山东省海洋水产研究所 烟台 264006; 2. 山东省海洋生态修复重点实验室 烟台 264006)

应用双箱动力学模型模拟了刺参在Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Hg和As 7种重金属混合暴露条件下, 呼吸树、消化道和体壁组织对重金属的生物富集与释放实验。结果表明: (1) 重金属在刺参组织器官中的富集具有选择性, 理论平衡状态下, As、Cd、Cr在各组织的含量分布(Amax): 呼吸树>消化道>体壁, Cu、Zn分布规律(Amax): 消化道>呼吸树>体壁, Hg、Pb分布规律(Amax): 体壁>呼吸树>消化道。(2) 刺参对不同重金属的富集系数存在显著差异(<0.05), 呼吸树组织对Cr离子富集系数最高2298.2, 其次是Cu、Cd离子, 其BCF均在1500以上, Hg、Pb、Zn和As离子在呼吸树中的富集系数较低。体壁对Cu离子的富集系数最高为1560.7, 对 As离子富集系数最低52.7。消化道对Cu离子富集系数最高6037, 对As离子富集系数最低为87.9。

刺参; 富集; 释放; 重金属; 双箱动力学模型

刺参()又称仿刺参, 隶属棘皮动物门、海参纲、楯手目、刺参科, 是一种营养和经济价值很高的海洋无脊椎动物(张宝林等, 1995; 常亚青等, 2004)。主要分布于北起俄罗斯的海参崴, 经日本海、朝鲜半岛南到黄、渤海以及江苏连云港外的西北太平洋沿岸(丁君等, 2008)。近年来, 随着人们对刺参高营养价值的认可, 刺参的养殖规模不断扩大, 已成为重要的海水养殖生物。但与此同时, 工业的快速发展导致水体重金属污染问题日益加剧, 重金属通过受污染的水体富集到水生生物体内, 再通过食物链传递给食用者, 给人类健康造成严重危害。已有研究表明, 刺参对重金属具有较强的富集能力, 这些研究主要集中在某养殖环境中或市售中刺参的重金属检测(王莹等, 2009; 龚恕等, 2012), 也有少部分实验研究了刺参对某重金属单一暴露条件下的富集与代谢规律(赵元凤等, 2008), 而对于混合暴露条件下, 数种重金属离子在刺参体内的富集与释放特性则鲜有报道。由于环境中的重金属以单个元素存在的情况较少, 而多以数种元素复合污染的情况存在。因此混合暴露实验更能客观真实地反映重金属在刺参体内的富集与释放特征(Sun, 2007; 陈海刚等, 2008)。本文通过双箱动力学模型, 研究了混合暴露条件下, Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Hg和As七种重金属在刺参不同组织内的富集和释放规律, 可为我国刺参的安全养殖和质量控制提供科学依据。对了解重金属在刺参体内的分布、富集、迁移和生态环境保护都具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 实验材料

刺参()取自山东省海洋水产研究所东营基地工厂化培育车间, 9月龄, 体长7—9cm, 实验期间每天少量投喂藻粉, 藻粉中铅镉汞砷等重金属含量均符合GB/T 17243-1998《饲料用螺旋藻粉》的限量要求。实验所用药品C4H6O4Zn·2H2O、As2O3、CuSO4·5H2O、Pb(NO3)2、CdCl2·2.5H2O、K2Cr2O7、HgCl2均为国产分析纯。取用山东省海洋水产研究所东营基地符合国家渔业水质标准的海水作为刺参的养殖实验用水, 该水重金属离子本底浓度如表1所示。实验在1000L的聚乙烯水箱中进行, 实验水体800L, 实验期间海水平均温度(16.0±0.5)°C, 盐度29.5±0.3, 水体充氧。

1.2 实验方法

参考国家渔业水质标准(GB11607-89)对重金属含量的规定, 同时根据 Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Hg和As七种重金属刺参急性毒性试验的结果, 对目标重金属暴露浓度进行设计, 暴露浓度配制过程中扣除本底值见表1。

实验分为富集和释放两个阶段, 富集阶段进35d, 释放阶段进行25d, 整个实验过程持续 60d。富集实验在经过清洗与曝晒过的1000L聚乙烯水箱中进行, 水箱中放入350头刺参, 加入800L含有不同重金属浓度的实验用水, 在富集实验第 0、7、10、20、30、35天分别从水箱中随机取刺参10头, 分组织器官制样。富集阶段结束后, 排出实验用水, 清洗水箱, 用上述符合国家渔业水质标准的海水对海参进行释放实验, 并在释放实验的第0、5、10、15、25天, 随机取刺参10头, 分组织器官制样。

刺参分呼吸树、消化道、体壁三部分组织取样, 样品装袋冷冻保存, 待检测。样品参照GB17387.6-1998《海洋监测规范》生物体内重金属的测定方法。

表1 养殖海水重金属本底值及暴露浓度(mg/L)

Tab.1 The background values of heavy metals and the concentration of exposure in the experiment (mg/L)

1.3 数据处理与实验应用模型

生物双箱动力学模型(Kahle, 2002)认为污染物在生物体内的富集可近似看作是污染物在生物体和水体之间的两相分配过程, 其富集、排出过程可用一级动力学过程进行描述, 目前对于该模型的应用研究较多(Clason, 2003; 王晓丽等, 2004), 主要描述如下(图1)。

图1 生物富集双箱动力学模型

图1中,1为生物富集速率常数,2为生物排出速率常数,v为水体的挥发常数,m为生物的代谢速率常数,w为水体重金属浓度(mg/L),A为生物体内重金属浓度(mg/kg)。

水相: dw/d= 0 (1)

生物体:

dA/d=1w－(2+m)A(2)

在公式的推导过程中, 忽略水体中重金属的自然挥发及生物体的代谢。则由方程(2)得, 富集阶段(0 <<*,*为富集阶段结束的天数):

式中,0为实验开始前刺参体内重金属的含量(mg/kg干重),w为水体中重金属浓度(mg/L),A为刺参体内重金属的含量(mg/kg干重)。

排出阶段(>*):

由公式(3)、(4)对富集和排出过程中刺参体内重金属含量的动态检测结果进行非线性拟合得到1、2值。

生物富集系数BCF由公式(5)计算:

重金属的生物学半衰期指的是生物体内的金属排出一半所需的时间, 用公式(6)计算:

富集达到平衡时, 生物体内重金属的含量Amax由公式(7)计算:

Amax= BCF×w(7)

即使没有达到浓度平衡, 双箱动力学模型也可以用来计算理论中平衡状态下的动力学参数。数据处理采用Excel 2010、Spss11.5和拟合软件Origin 7.5。

2 结果

2.1 混合暴露下刺参对7种重金属的富集及释放特征

由图2可知, 在富集阶段, 刺参各组织对7种重金属均表现出明显的富集过程, 随着富集时间延长, 各组织中重金属含量不断增加。刺参不同组织对重金属富集程度存在显著差异(<0.05)。

Cu、Zn、Cd、Pb四种重金属在刺参消化道富集程度最高, 其次是呼吸树组织, 体壁对四种重金属富集能力最弱。第35天富集实验结束时, 刺参消化道、呼吸树、体壁组织中Cu含量分别为25.32、16.26、11.02mg/kg, 较对照分别提高了32.7倍、27.9倍及83.6倍; 随着时间延长, 刺参各组织对Zn、Cd的吸收速度有所放缓, 在第35天基本趋于饱和, 富集结束时, 消化道、呼吸树和体壁组织中Zn离子含量分别为37.02、14.23、10.96mg/kg, 较对照分别提高了3.8倍、2.4倍及3.2倍; Cd离子含量分别为11.15、7.06、3.45mg/kg, 较对照分别提高了36.6倍、12.2倍及10.7倍; Pb在刺参呼吸树内的富集波动较为剧烈, 富集20天达到较高的7.316mg/kg, 在30天时, 含量降为4.232mg/kg。富集结束时, 消化道、呼吸树、体壁组织中Pb含量分别为9.32、8.63、7.03, 较对照分别提高了796.6倍、209.0倍及117.8倍。

图2 重金属混合暴露条件下刺参各组织对不同重金属的积累和释放

Cr和As在刺参各组织间富集趋势较为一致。富集结束时, Cr、As在刺参各组织中的含量分布均为: 呼吸树>消化道>体壁。刺参对Cr表现出较强的富集能力, 呼吸树、消化道、体壁三组织中Cr含量分别为89.23、69.12、7.98mg/kg, 较对照分别提高了469.6倍、646.0倍、81.4倍。As在刺参体内含量较低, 富集结束时, 呼吸树、消化道、体壁三组织中含量分别为3.02、2.26、1.36mg/kg, 较对照分别提高了21.9倍、18.7倍、28.7倍。

刺参消化道和呼吸树中Hg含量分别在富集的10天和20天达到最高0.75、0.90mg/kg, 之后随着时间延长, Hg含量有所降低。富集结束时, 各组织中Hg含量分布: 体壁(0.93mg/kg) > 呼吸树(0.64mg/kg) > 消化道(0.48mg/kg), 较对照分别提高了127.0倍、51.6倍、19.2倍。

刺参不同组织对7种重金属的释放特性较为相似, 各组织重金属含量随着释放时间的延长而减少, 表现出较为明显的排出过程, 但重金属排出速度较为缓慢, 在释放试验第25天, 各组织中重金属含量虽然有所降低, 但与对照组相比仍维持在较高的水平。

2.2 混合暴露下刺参对7种重金属富集与释放动力学参数

由表2可知, 除呼吸树对Pb富集规律与模型拟合度较低外(0.752), 其它各组织对7种重金属的富集规律与双箱动力学模型拟合度均较高, 说明双箱动力学模型可以较好地解释混合暴露下刺参对重金属的富集规律。在释放阶段, 各组织对重金属的释放规律与双箱动力学模型拟合度明显低于富集阶段, 刺参消化道对Hg的释放以及呼吸树对Zn的释放规律与双箱动力学模型拟合度仅为0.443、0.317。双箱动力学模型并不能完全解释混合暴露条件下刺参对重金属的释放规律。

表2 刺参各组织器官对不同重金属的生物动力学参数

Tab.2 Kinetic parameters of accumulation and release of heavy metals by different tissues and organs of A. japonicus

由图2可知, 在35天富集实验结束时, 刺参各组织对 7种重金属的吸收虽然有所放缓, 但尚未达到平衡。根据双箱动力学模型可以计算出理论平衡状态下的动力学参数, 结果如表2所示。理论平衡状态下, As、Cd、Cr在各组织器官含量分布(Amax): 呼吸树>消化道>体壁, 富集系数(BCF): 呼吸树>消化道>体壁, 刺参各组织器官对 As、Cr 的半衰期(1/2): 消化道>呼吸树>体壁, 对Cd的半衰期(1/2): 呼吸树>消化道>体壁。Cu、Zn两种重金属与As、Cd、Cr有所差异, 在理论平衡状态下, 各组织器官含量分布(Amax): 消化道>呼吸树>体壁, 富集系数(BCF): 消化道>呼吸树>体壁, 释放阶段Cu离子半衰期: 消化道>呼吸树>体壁, Zn半衰期为: 呼吸树>消化道>体壁。Hg、Pb与其它5种重金属差异较大, 这两种重金属在刺参体壁中的含量明显高于呼吸树和消化道组织(<0.05), 理论平衡状态下, Hg、Pb在各组织器官的含量分布(Amax): 体壁>呼吸树>消化道, 富集系数(BCF): 体壁>呼吸树>消化道, 在释放阶段各组织Hg、Pb半衰期(1/2): 体壁>呼吸树>消化道。

2.3 刺参对7种重金属富集系数的差异

由图3可以看出, 在实验暴露浓度的7种重金属水环境中, 刺参对不同重金属的富集系数存在显著差异(<0.05), 刺参呼吸树组织中, Cr离子富集系数最高2298.2, 其次是Cu、Cd离子, 其BCF均在1500以上, Hg、Pb、Zn和As离子在呼吸树中富集系数较低。体壁对Cu离子的富集系数最高1560.7, 对其它重金属离子的富集系数均低于1000, 对As离子富集系数最低为52.7。消化道对Cu离子富集系数最高, 达到了6037, 远远高于对其它重金属的富集, 对As离子富集系数最低为87.9。综上所述, 刺参各组织对Cu、Cd离子的富集系数普遍较高, 对Hg、Pb和Zn离子富集系数较低, As离子在呼吸树、消化道和体壁组织中富集系数均为最低。

3 讨论

3.1 重金属在刺参体内含量分布

重金属在生物体内的分布不是均一的, 在刺参不同组织内的富集具有明显的选择性。实验暴露浓度下, 除Hg离子外, 其它6种重金属在消化道和呼吸树内富集程度明显高于体壁, Cu、Zn、Cd、Pb离子在刺参体内含量分布规律: 消化道>呼吸树>体壁, As、Cr离子含量分布规律: 呼吸树>消化道>体壁, Hg离子含量分布规律: 体壁>呼吸树>消化道。研究表明, 内脏是鱼(罗国钧, 2000)、虾(李来好等, 2006)、蟹(Canli, 1995; 孙平跃等, 2003)、刺参(丁君等, 2008)等水生生物体内重金属富集的主要部位, 它们对重金属的富集能力明显高于肌肉等部位; 内脏也是水生生物的主要解毒和排泄器官, 可以快速大量合成金属硫蛋白(MT)而使重金属得以大量蓄积(Chandra, 2003)。呼吸树是海参特有的呼吸和排泄器官, 具有十分宽广的表面积用来与水进行交换, 因此吸附重金属的机率较大(刘晓云等, 2005)。目前具有代表性的用来解释重金属进入水生生物呼吸器官的假说是竞争位点理论, 该理论认为金属离子进入细胞前先与细胞表面的接受点结合, 其结合能力大小会直接影响到重金属进入细胞的速率和量(陈海仟等, 2010)。体壁中重金属的含量较少, 主要与刺参的代谢过程有关, 重金属进入生物体后先经过内脏器官吸收, 以一定的方式对其毒性进行消解处理, 只有当内脏中重金属饱和后, 才会加快向肌肉组织转移(王克行, 1996)。本实验富集10天时, Hg离子在消化道和呼吸树中的含量明显高于体壁组织, 但随着富集时间延长, 消化道和呼吸树中Hg离子含量开始下降, 富集结束时, Hg含量明显低于体壁组织。一方面可能是在实验暴露浓度情况下, 呼吸树和消化道对Hg离子的吸收已经达到饱和, 继续吸收的Hg离子, 大部分转移到体壁组织中。另一方面可能是由于实验在混合暴露条件下进行, 各离子之间存在互相促进、拮抗、竞争等影响因素, 导致重金属在生物体内的积累和释放规律变得复杂(Kargin, 1999)。

图3 刺参各组织对7种重金属生物富集系数BCF

3.2 刺参对不同重金属富集系数的差异

重金属在刺参不同组织间的富集具有明显的选择性, 同样, 刺参对不同重金属的富集程度也存在明显的差异(<0.05)。实验暴露浓度下, 刺参对Cu离子富集程度最高, 其富集系数范围为1560.7—6037; 其次是Cr和Cd离子, 富集系数范围分别为135.0—2298.3, 512.2—1728.6; Hg、Pb、Zn、As离子在刺参体内富集程度较低, 其富集系数均在1000以下, 其中As离子富集系数最低, 其富集系数范围仅为52.7—108.4。相似研究在牡蛎(Lim, 1998; 王晓丽等, 2004)、泥蚶(齐秋贞, 1987; 李学鹏等, 2008)、鱼类(孟晓红, 1997)和蟹类(陈海仟等, 2010)中均有报道。牡蛎对Cu、Cd的富集系数高达9300、1600, 远高于对As离子(56.7)的富集, 中华绒螯蟹各组织器官对Cd离子的富集(6—3148)高于对Pb离子的富集(5—51), 与本研究相似。泥蚶等由于生长环境的原因, 对重金属的富集能力较强, 对Pb离子的富集系数高达2584.9, 但对Cd和Cu离子富集系数反而较低分别为: 1250.5、457.3, 与本研究相反。产生这种差异的原因可能是由物种的不同所引起, Rainbow(1993)指出, 海洋生物对重金属的富集实际上取决于金属进出生物体的速率, 相对速率的变化决定了生物对特定金属的富集差异。研究表明(张少娜等, 2004), 同是双壳类软体动物, 牡蛎体内锌的积累量很高, 而贻贝的积累量很低, 牡蛎能积累高浓度的颗粒锌, 而贻贝则会排出大量颗粒锌。

3.3 混合暴露条件下双箱动力学模型适应性

混合暴露条件下刺参对7种重金属的富集规律比较符合双箱动力学模型, 但刺参对几种重金属的释放规律与双箱动力学模型拟合度较低, 如呼吸树组织对Zn离子的释放以及消化道对Hg离子的释放, 其拟合度仅为0.317、0.443。在释放阶段, 虽然各种金属含量随着时间的延长有所降低, 但下降幅度缓慢, 释放结束时各组织内的重金属含量仍然维持在较高的水平, 说明积累于刺参体内的重金属短期内很难排出。有研究表明, 海洋生物难以排出已进入体内的重金属, 重金属在生物体内的排出主要通过金属硫蛋白解毒机制实现的(陈海刚等, 2008)。双箱动力学模型是近年来发展起来的一种数学模型, 在海洋生物上的应用多见于单一暴露条件下的富集与释放动力学研究, 缺乏混合暴露条件下重金属在生物体内代谢方面的相关报道。本研究表明, 双箱动力学模型可以较好地解释混合暴露条件下重金属在刺参体内的富集规律, 但由于混合暴露条件下, 重金属之间拮抗、竞争以及金属硫蛋白特殊解毒机制等因素的存在, 使得重金属在生物体内释放规律变得极其复杂。双箱动力学模型能否合理的解释混合暴露条件下重金属的释放规律值得商榷, 有待进一步研究。

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ACCUMULATION AND RELEASE OF COMMON HEAVY METALS IN

JIANG Hui-Chao1, LIU Ai-Ying1, SONG Xiu-Kai2, LIU Li-Juan1

(1. Shandong Marine Fisheries Research Institute, Yantai 264006, China; 2. Shandong Key Laboratory of Marine Ecological Restoration, Yantai 264006, China)

We evaluated the kinetic parameters of biological accumulation and release of seven heavy metals (Pb, Zn, Cu, Cd, Cr, Hg and As) in respiratory tree, alimentary canal, and body wall ofin two-compartment bioconcentration model in experiment. A. japonicus were exposed to water mixed with the seven heavy metals. The results show that the heavy metals were accumulated selectively in major organs and tissues in A. japonicus. The maximum concentrations of As, Cd and Cr in A. japonicus are in the order of respiratory tree > alimentary canal > body wall; for Cu and Zn: alimentary canal > respiratory tree > body wall; and Hg and Pb: body wall > respiratory tree > alimentary canal. Significant difference was observed in bioconcentration factor (BCF) among the seven heavy metals. The respiratory tree showed the strongest Cr-accumulation with BCF 2298.2, followed by Cu and Cd with BCFs >1500, and weaker accumulation in Hg, Pb, Zn and As. However, alimentary canal and body wall showed the strongest accumulation for Cu with BCFs 6037 and 1560.7, respectively, and then the weakest accumulation in As with BCFs 87.9 and 52.7, respectively.

, accumulation, release, heavy metal, two-compartment kinetic model。

10.11693/hyhz20130313001

* 山东省科技发展计划项目资助, 2009GG10009044号; 烟台市科技发展计划项目资助, 2011457号; 水生动物营养与饲料“泰山学者”岗位经费资助, 2007—2012。姜会超, 硕士, 研究实习员, E-mail: jianghuichao2008@163.com

刘爱英, 副研究员, E-mail: aiyingl@163.com

2013-03-14,

2013-06-19

S965.117