移殖“标准化”背角无齿蚌监测五里湖重金属污染

陈修报,苏彦平,刘洪波,杨 健 (中国水产科学研究院淡水渔业研究中心,中国水产科学研究院内陆渔业生态环境与资源重点开放实验室,江苏 无锡 214081)

移殖“标准化”背角无齿蚌监测五里湖重金属污染

陈修报,苏彦平,刘洪波,杨 健*(中国水产科学研究院淡水渔业研究中心,中国水产科学研究院内陆渔业生态环境与资源重点开放实验室,江苏 无锡 214081)

移殖生物因子相同、遗传质量稳定和污染本底值低的“标准化”背角无齿蚌至太湖五里湖,并以仍养殖在未受污染的中国水产科学研究院淡水渔业研究中心南泉基地的同批蚌作为对照,每3个月回收蚌样,应用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)研究了重金属Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Ag、Cd、Ba、Tl和 Pb的含量变化.结果表明,“标准化”背角无齿蚌对重金属的积累与特定的季节/时间密切相关,在夏季的含量明显低于春季.移殖五里湖3个月蚌样中Mo和Tl的含量显著高于相应的对照组(P<0.05),而前者Ba的含量显著低于后者(P<0.05).移殖五里湖6个月蚌样中As的含量显著低于对照组(P<0.05).综合重金属污染指数(MPI)和我国及国际上的相关限量标准评价显示,五里湖和南泉基地水体中重金属的含量处于相同水平,重金属污染均不明显.

“标准化”背角无齿蚌；移殖；生物监测；重金属；生物积累

因具有营底栖生活、分布广泛、对污染物的高富集性和低代谢性、体内积累污染物含量与水体中污染物的平均含量呈简单相关等特点,贝类被证明是监测持久性污染物的理想指示生物[1].基于贝类对重金属污染的监测已广泛应用于海洋、河口及淡水环境中.近年来主动监测(移殖未受污染水体中的贝类至待测水域然后定期回收分析的监测方法[2])显示出可被移殖到任何位点、免受水体温度和盐度等理化条件的影响、能够评价一段时间内的污染动态等优点[3],且比被动监测(采集并分析特定水域野生贝类体内的污染物含量以评价水体污染水平的方法[2])更为有效[4],而越来越受到重视.

背角无齿蚌(Anodonta woodiana)在全球广泛分布,不仅是我国三大育珠蚌之一,还被作为传统的水产品食用.自本课题组2003年将其确定为“淡水贝类观察”研究体系的指示生物[5]以来,已利用野生蚌成功监测太湖不同水域重金属的污染水平[6-7].然而,被动监测面临着样本规格/年龄不一、生存水域营养条件差异较大、污染暴露史不同、在某些水域采不到足够的样本甚至根本没有样本可采等难题[8].针对相关问题,本课题组应用人工繁育技术开发出了生物因子相同,遗传质量稳定,污染本底值低,可向待测水域移殖和回捕,即“标准化”了的监测专用背角无齿蚌(简称“标准化”背角无齿蚌,下同),并且证明了移殖蚌类监测重金属污染是可行的[9].五里湖位于太湖的最北端,面积约5.9km2,水深1～2m,是无锡市区及武澄锡低片调蓄水面的组成部分和主行水通道之一[10].目前,太湖特别是北部湖湾中重金属污染日益明显[11].因此,本研究开展基于“标准化”背角无齿蚌进行主动监测的探索,将其移殖到太湖五里湖水域,并同时期以仍养殖在未受污染的中国水产科学研究院淡水渔业研究中心南泉基地[12](简称南泉基地,下同)养殖池塘的同批蚌作为对照,以期了解不同水体重金属的时空动态,以及探究重金属在“标准化”背角无齿蚌体内的积累规律.

1 材料与方法

1.1 移殖和回收

2011年3月将“标准化”背角无齿蚌(2龄)置于网箱(PVC框架,聚乙烯网片,规格为60×40×10cm)中,每个网箱 60 只蚌,移殖到太湖五里湖(N31°31′05.78″,E120°14′29.90″),并以南泉基地养殖池塘(N31°25′42.26″,E120°16′50.53″)的同批蚌作为对照(图1).通过浮子控制网箱始终位于水面下50cm.进行为期6个月的重金属积累动态的比较研究,每3个月采集1次各组蚌样,于曝气的自来水中暂养 72h以排出肠道内容物,然后-20℃冷冻保存.它们的生物学特征见表1.

图1 “标准化”背角无齿蚌的移殖位点Fig.1 Sketch map of “standardized” Anodonta woodiana transplanted

表1 “标准化”背角无齿蚌的生物学特征(平均值±标准差)Table 1 Biological details of “standardized” Anondonta woodiana mussels in the present study (Mean ± SD)

1.2 消解和测定方法

分析前,将蚌样放在室温下解冻.然后分别用Milli-Q水清洗样本 6遍,置于 80℃烘箱中干燥24h至恒重,并将干燥后的样本于玛瑙研钵中磨成均一粉末状.样本的消解和测定参照Chen等[13]的方法.应用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS;7500ce型,美国Agilent公司)同时测定重金属Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Ag、Cd、Ba、Tl和 Pb的含量,并通过标准添加回收确认仪器的测量精度,所有重金属的回收率为90%～107%.

1.3 统计分析

所得数据运用 SPSS 16.0统计软件分析.应用One-Way ANOVA和Wilcoxon符号平均秩检验比较重金属含量的差异性,P<0.05表示差异水平显著.此外,采用重金属污染指数(MPI)总体评价水体重金属的污染水平.根据 Usero等[14]的计算方法,MPI = (Cf1× Cf2·· Cfn)1/n,式中 Cfn是指样品中第n种重金属的平均含量.

2 结果与讨论

2.1 重金属积累的时间变化

由表2可见,南泉基地对照组起始点(CA0)、3个月后(CN3)和6个月后(CN6)蚌样中Mn、Fe、Ba、Zn和 Al的含量明显高于其他重金属.CN3中 Mn、Ni、Zn、Pb、As和 Ba的含量较 CA0显著增加,而Al的含量显著下降(P<0.05);CN6中Fe的含量较CN3显著下降(P<0.05);CN6中Mo的含量较CA0显著增加,而Al、Cr和Tl的含量较CA0显著下降(P<0.05).

五里湖移殖组 3个月后(TW3)和 6个月后(TW6)蚌样中 Mn、Fe、Ba、Zn和Al的含量与南泉基地对照组一样远高于其他重金属,而Cu、Cd和Pb的含量波动较大.此外,TW3中Fe、Ni、Cr、Zn、As、Mo、Mn、Ba、Tl和 Pb 的含量较CA0显著增加(P<0.05);TW6中 Fe、Mo、Cr、Ni、As、Ba、Tl和Pb的含量较TW3明显下降(P<0.05);TW6中Zn、Mo和Mn的含量较CA0显著升高,而 Cr、Fe、As、Tl和 Pb的含量比 CA0显著下降(P<0.05).

重金属在贝类体内的积累是吸收与释放的动态平衡[16].吸收途径主要包括从食物网摄取,从过滤的水体中吸收溶解态金属离子,以及水体中溶解的重金属通过渗透作用在体内积累[17-18].而贝类对重金属的释放速率非常低,通常情况下仅有 0.01～0.03d-1[16].值得注意的是,贝类对重金属的积累会受到生物因子和非生物因子的共同影响[18].本研究利用生物因子一致的“标准化”背角无齿蚌作为主动监测的指示生物,因此蚌体内重金属含量的变化应该与其所处水环境中重金属背景值的动态相一致.

南泉基地是封闭型的科研试验场所,不受外界水源的影响,水质比较稳定.本课题组对 2009年 8月背角无齿蚌养殖池塘水体中重金属的监测结果显示 Fe[(229±3.0)mg/L]、Zn[(16±13)mg/L]和 Al[(41±0.6)mg/L]的含量明显高于 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 仅 有(0.2±0.01)mg/L(n=3),提示背角无齿蚌对Mn具有非常强的积累能力.Liu等[7]发现太湖野生背角无齿蚌中Mn的含量为5921～11886μg/g干重,即便如此高的含量一般也不会对机体产生毒性[19].研究发现Fe和Mn在翡翠贻贝(Perna viridis)软组织中的含量呈正相关[20],这可能是蚌样中 Fe含量较高的原因.Zn的积累容易受到贝类的生理调控,当其积累到一定程度时,往往不容易随着水中Zn的含量变化而产生明显的改变[21-22].相反,Al 的积累则容易受到水环境的影响.野生无齿蚌(Anodonta sp.)软组织中 Al的含量(107μg/g干重)[23]明显高于南泉对照组.然而鲜有关于 Ba在贝类中含量的报道[23],本研究发现南泉基地对照组和五里湖移殖组中Ba的含量均明显高于意大利亚得里亚海中紫贻贝(Mytilus galloprovincialis)的0.45～1.99μg/g干重的含量[24].南泉基地对照组前3个月(主要经历了春季)Mn、Mo、Ni、Zn、Pb、As和Ba的含量表现出生物积累的现象,而Al则以排出或稀释为主(表 2).后3个月(主要经历了夏季)Fe的含量亦以排出或稀释为主(表 2).这些反映出相关重金属在蚌体内动态的驻留和积累的过程.研究表明贝类对重金属的积累与特定的时间或季节密切相关[22]. Regoli[25]发现意大利北第勒尼安海中紫贻贝鳃和消化腺中As、Cu、Fe、Mn、Pb和Zn的含量在春季到夏季的过程中不断下降;Savari等[26]发现英国南安普顿海域鸟尾蛤(Cerastoderma edule)软组织中Cu、Cd、Fe、Pb、Ni和Zn在夏季的含量明显低于春季,这些与本研究的结果相吻合.这可能主要由于贝类生殖循环造成的.背角无齿蚌一般在春季进入繁殖期,雄蚌将精子排入水中并随水流进入雌蚌外鳃的鳃腔内,在此与雌蚌产生的卵细胞受精并进行胚胎发育,直至夏初排出成熟的钩介幼虫.本课题组以往研究发现背角无齿蚌钩介幼虫中Al、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As和 Mo 的平均含量分别为60、0.5、417、180、0.9、17、78、5.0和0.02μg/g干重[13].

表2 “标准化”背角无齿蚌软组织中重金属的含量(μg/g,以干重计)Table 2 Concentrations of heavy metals in soft tissues of transplanted and controlled “standardized” Anodonta woodianamussel groups (μg/g, dry weight)

五里湖移殖组在前 3个月以重金属的积累为主,而后 3个月则以重金属的释放/稀释为主.这进一步揭示了背角无齿蚌对重金属的积累与定特的时间/季节相关,且与南泉基地对照组一样也是在夏季的含量低于春季.除了上述的生殖循环造成的主要影响之外,五里湖春季(枯水期)和夏季(丰水期)水体中重金属含量的差异也是一个不容忽视的因素.研究表明水体中重金属的含量在枯水期要明显高于丰水期[27].刘爱菊等[28]的结果表明五里湖疏浚区在3月和5月的重金属总量分别为0.81,0.55mg/L,而在7月和9月的重金属总量分别为0.50,0.31mg/L;未疏浚区在3月和5月的重金属总量分别为0.64, 0.55mg/L,而在7月和9月的重金属总量分别为0.45,0.42mg/L.另外,在主动监测过程中,Cu、Cd和Pb的含量变化幅度相对较大.《中国环境状况公报》指出 Cu是我国内陆渔业水域中超标最明显的重金属[29],而Cd和Pb等重金属则是《重金属污染综合防治“十二五”规划》的重点防控对象[30].然而,这些重金属对“标准化”背角无齿蚌可能产生的毒性影响尚不清楚,因此下一步有必要开展相关的毒理学研究.

值得注意的是,五里湖移殖组和南泉基地对照组的“标准化”背角无齿蚌经历了完全相同的时间/季节变化(即相同的时间开始研究,相同的时间回收分析).因此,本研究所观察到的不同水体中蚌样体内的重金属含量的时间/季节波动,应该解释为在相同的时间段或季节从不同背景水体中积累重金属的程度更为合理.

2.2 重金属积累的空间变化

五里湖移殖组和南泉基地对照组重金属的比较发现,TW3蚌样中Mo和Tl的含量显著高于CN3(P<0.05),而前者 Ba的含量显著低于后者(P<0.05),其余重金属含量一致(P>0.05);TW6蚌样中As的含量显著低于CN6(P<0.05),而其余重金属含量一致(P>0.05).

移殖贝类能够有效把握水环境中重金属的动态,不仅能够监测污染水体的重金属污染程度,还能反映出未受污染水体的洁净水平[31].本研究首次移殖“标准化”背角无齿蚌进行淡水环境中重金属的主动监测,突破了以往基于贝类的生物监测依赖于野生资源的局限,且显示出不同水体的蚌样中一些重金属含量表现出显著差异(表2).五里湖由于深处腹地,相对封闭,水体流动缓慢,受到工、农业废水和生活污水影响明显,曾是太湖污染最严重的水域[32].杨健等[6]指出虽然五里湖水体中重金属 Cu[(0.007±0.001)mg/L]、Zn[(0.03±0.006)mg/L]、Pb[(1.5±0.4)mg/L]、Cd(未检出)和 As[(4.4±0.7)mg/L]的含量均未超过国家渔业水质标准,但底泥中重金属 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]污染明显,而这些重金属以残渣态和Fe-Mn氧化物结合态作为主要的赋存形态,具有较高的二次释放潜力[11].然而,自五里湖进行了控制外源、生态清淤、调水、生态修复、退渔还湖、水域封闭管理、建设生态护岸和滨水区等综合治理以后,水质明显好转[33].尽管如此,太湖北部湖湾中重金属(如 Ni和 Pb)仍处于中度污染[11],潜在的生态危害与太湖沉积物质量总体为良[34]相比偏高.此外,清淤还可能造成底泥颗粒的再悬浮以及释放有毒物质造成的二次污染[35].因此 TW3中重金属的含量较高,MPI为14.1达到整个监测过程的最高水平(表 2),这与太湖漫山水域背角无齿蚌的 MPI(14)处于同一水平,但仍然明显低于太湖湖州、大浦和三山岛水域背角无齿蚌的MPI分别为20、24和34的程度[7].与2003年五里湖背角无齿蚌中重金属Zn、Cu、As、Cd和Pb的含量分别为418、13、5.9、0.4和1.1μg/g干重(根据含水率由湿重浓度转换而来)[6]相比较,五里湖移殖组除了TW3中Pb(2.3 μg/g干重)的含量略高,其余重金属均明显降低.而且与我国及国际上的相关水产品等限量标准相比较,五里湖移殖组中重金属(Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb)的含量仍比较低(表 3).这些显示出五里湖中重金属含量下降,相关污染并不明显.

南泉基地“标准化”背角无齿蚌以养殖池塘中的天然饵料为食,不进行额外的投饵,因此推测蚌样中重金属的来源应该是养殖用水.而其他鱼类养殖池塘投喂的饲料所残留在水体中的重金属可能是蚌中重金属富集的主要来源.研究指出水产饲料中重金属的含量超标明显,Pb、As(无机)、Cd和Cr的含量分别达到0.05～3.52,≤ 5.4,0.08～3.05及1.28～20.46μg/g[38], Ba的含量为 0.2～15.3μg/g[39],存在重金属污染的风险[38-39].饲料中的重金属溶解到水体中后,贝类对它们的富集系数为102～105[23],这可能是CN3中Ba以及CN6中As分别高于 TW3和 TW6的重要原因.然而,南泉基地对照组的 MPI(1.7～8.6)仍明显低于太湖野生背角无齿蚌的 MPI(14～34)水平,且重金属(Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb)的含量亦明显低于我国及国际上的相关水产品等限量标准(表 3),提示南泉基地水体的相关污染亦不明显.

金属污染指数(MPI)的结果表明,五里湖移殖组和南泉对照组“标准化”背角无齿蚌对应于3和6个月时的MPI之间差异不显著(Wilcoxon符号平均秩检验,P>0.05),表明五里湖和南泉基地水体中重金属的含量应该处于相同的水平,重金属污染均不明显.

3 结论

3.1 “标准化”背角无齿蚌对重金属的积累与特定的时间/季节密切相关,由于生殖循环的影响,在夏季的积累量明显低于春季.提示移殖“标准化”背角无齿蚌主动监测水环境重金属污染须在相同时期开展.

3.2 移殖“标准化”背角无齿蚌能够有效反映出不同水环境中重金属含量的时空动态特征,CA0、CN3、TW3、TD3、CN6、TW6和 TD6的MPI分别为2.4、8.6、14.1、1.6、1.7、0.4和0.3,利用其进行重金属污染的主动监测和早期预警是可行的.

3.3 本研究首次移殖“标准化”背角无齿蚌进行水环境中重金属的主动监测,结果表明五里湖中重金属含量较综合治理前明显降低,前期治理效果已经显现,目前五里湖和南泉基地水体中重金属的含量处于相同水平,相关污染均不明显.

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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

国家自然科学基金项目(31072214);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(2013JBFR05);人力资源与社会保障部高层次留学人才回国工作资助项目(2-115084)

* 责任作者, 研究员, jiany@ffrc.cn

陈修报(1983-),男,江苏徐州人,助理研究员,博士,从事水域生态环境的评价与保护研究.发表论文7篇.