大亚湾表层沉积物和底栖生物中重金属的污染特征与生物积累

林丽华，魏虎进，黄华梅



大亚湾表层沉积物和底栖生物中重金属的污染特征与生物积累

林丽华，魏虎进，黄华梅

国家海洋局南海规划与环境研究院，广州 510000

通过分析2015年5月大亚湾海域34个采样站位表层沉积物和底栖生物生物体中5种重金属(铜、铅、锌、镉、汞)的综合污染程度因子、潜在生态风险因子和生物-沉积物积累因子, 评估了大亚湾海域表层沉积物重金属的污染现状、潜在生态风险水平和生物-沉积物积累程度。结果表明: 大亚湾海域表层沉积物中重金属含量上呈现锌>铅>铜>镉>汞的规律; 空间上呈带梯度带分布: 北部沿岸海域含量较高, 南部口门附近海域最低。重金属污染属于中等-比较严重污染水平, 其中锌、镉、汞是大亚湾沉积物污染的主要因子, 潜在生态风险属于中等-较高风险水平, 汞、镉是较大的潜在风险因子。底栖生物生物体重金属含量上呈现锌>铜>铅>镉>汞。铜、铅、锌、汞四种重金属除铜、锌在棒锥螺()生物体轻度积累外, 其它均无明显积累表现, 而重金属镉呈现较强的积累现象。

大亚湾; 沉积物重金属; 生物积累; 潜在生态风险

1 前言

重金属通常是指比重大于5的金属, 主要包括铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)、铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)、砷(As)等[1]。重金属污染是指由重金属或其化合物造成的环境污染, 主要表现水体污染、沉积物污染和生物体富集, 重金属污染因生物毒性、持久性一直倍受关注[2-4]。

近岸海域是陆源污染物汇入海洋的直接区域, 也是污染物富集的重要场所, 受人类活动影响较大, 因此研究近岸海域沉积物重金属污染物时空分布、来源及其在底栖生物体内的积累规律, 对判别近岸主要污染物、评估近岸海域的环境压力和进行近岸污染物控制具有重要的指导意义[5]。

大亚湾海域位于广东沿海中部岸段, 东西宽约20 km, 南北长约30 km, 水深范围为6—16 m, 总面积约600 km2, 大亚湾属亚热带溺谷型海湾, 底质以粉砂和粘土为主[6]。近年来, 大亚湾周边经济发展迅速, 石化、核电站、航运等行业发展较快, 为大亚湾周边带来了较大的经济效益, 大亚湾面临的环境压力也随之增加, 越来越多的学者对大亚湾海域环境问题展开了研究。包括大亚湾海域表层沉积物重金属的浓度分布[7], 重金属的赋值形态[6], 养殖、石化产业等人类活动带来的重金属污染[8-10], 虽然有学者对大亚湾沉积物重金属进行了风险分析, 但是这些分析研究往往集中在大亚湾的某个内湾区, 如大鹏湾[8-9]、石化排污区[10]等, 无法反映大亚湾沉积物重金属整体的空间分布特征。然而, 针对大亚湾重金属与底栖生物生物体的积累研究尚未见报道, 本文以大亚湾表层沉积物和底栖生物生物体重金属为研究对象, 分析了大亚湾沉积物重金属铜、铅、锌、镉、汞的空间分布, 评估了大亚湾海域表层沉积物重金属的潜在生态风险, 计算了重金属在底栖生物生物体的积累效应, 为大亚湾海洋经济发展与生态环境管理提供基础依据。

2 材料与方法

2.1 样品采集与分析

2015年5月在大亚湾海域设置34个采样站位, 见图1。样品采集与分析根据《海洋监测规范》(GB 17378.6-2007)中的相关要求进行操作[11-14]。

大型底栖动物样品采用抓斗式采泥器, 采样面积0.1 m2, 采用漩涡分选装置淘洗, 泥样分批倒入筒中, 保证较大颗粒沉积物不溢出筒体。样品采用体积分数为75%的乙醇固定。

生物体质量样品按要求选取足够数量的完好生物样, 用清洁海水冲洗干净后放入干净的聚乙烯袋中, 并封口, 低温冷藏。样品预处理时用合成洗涤剂将相关尺子, 镊子等工具清洗干净, 并用蒸馏水或清洁海水漂洗干净。

采样无火焰原子吸收分光光度法测定生物品中重金属, 准确称取0.1 g干样于50 mL烧杯中, 用几滴水湿润样品, 加入2 mL硝酸, 盖上表面皿, 置于电热板上, 低温加热至泡沫基本消失。取下烧杯, 缓慢的加入0.5 mL过氧化氢, 继续加热并蒸至约剩1 mL。再加入1 mL硝酸, 1.5 mL过氧化氢, 盖上表面皿, 于加热板180℃加热, 并蒸至0.5 mL, 全量转入10 mL具塞比色管中, 加水至标线, 混匀。同时制备分析空白样品。

2.2 研究方法

2.2.1 生态风险指数法

本文采用Hakanson[2]提出的重金属潜在生态风险评价法对大亚湾表层沉积物重金属生态风险进行评价, 具体公式如下:

式中C为某一金属的污染因子, C表为环境中重金属的实测含量, C为环境背景值, 本研究采用大亚湾海域沉积物重金属背景值[15];C为综合污染程度;E为某一金属潜在生态风险值;T为单个污染物的毒性响应因子, 具体计算方法参考Hakanson[2];R为多种金属潜在生态风险指数。

2.2.2 重金属潜在生态风险等级

根据公式2和公式4, 综合重金属污染因子和综合重金属潜在风险因子的值与重金属的种类数目有关, 本研究未涉及污染物多氯联苯, 故在Hakanson的风险阈值基础上减去多氯联苯所占比例, 各个指标的阈值见表1。

图1 大亚湾采样点站位图

2.2.3 生物-沉积物积累因子(Biota-sediment Accu­mulation Factors)[16]

的大小可指示生态环境中重金属的生物积累程度, 具体计算见公式5。

=C/C公式5

表1 重金属生态风险评价等级

式中,C为生物体重金属含量,C为沉积物重金属含量, 当>2, 表示积累程度较大; 1<< 2, 出现轻度积累;<1, 表示没有积累[17]。

3 结果与分析

3.1 大亚湾海域沉积物含量与分布

大亚湾海域表层沉积物重金属铜、铅、锌、镉、汞的含量范围分别为1.3—47.4 mg·kg-1、3.7— 61.2 mg·kg-1、37.3—175 mg·kg-1、0.02—0.22mg·kg-1、0.005—0.09 mg·kg-1, 平均值分别为13.9 mg·kg-1、29.1 mg·kg-1、82.3 mg·kg-1、0.08 mg·kg-1、0.03 mg·kg-1, 见表2。总体上沉积物含量呈现锌>铅>铜>镉>汞的规律。

大亚湾海域沉积物中不同重金属之间的空间分布差异明显, 同种重金属在空间分布上也有差异。重金属铜和锌的空间分布特征比较相似(见图2和图3, 采样图和重金属等值线图采用Esir公司的ArcGIS软件绘制, 等值线图采用克里金插值法插值, 以下同), 高值区主要位于哑铃湾, 而范和港、中部海域的含量居中, 口门附近海域含量最低, 重金属铅的空间分布呈现两个高值区, 分别是范和港海域和哑铃湾海域, 其他区域含量值相对较低, 见图4。重金属镉在大亚湾海域的空间分布呈现出由北到南递减的趋势, 见图5。范和港海域含量最高, 哑铃湾、大鹏澳和中部海域含量要低于范和港, 大亚湾口门附近的含量最低。重金属汞的分布特征表现为由湾顶到口门逐渐下降的趋势, 大亚湾湾顶海域含量最高, 包括范和港、哑铃湾等海域, 而大鹏澳、中部海域含量低于范和港等海域, 口门附近海域含量最低。

表2 大亚湾沉积物重金属含量值与背景值(mg·kg-1)

Tab.2 The contents of heavy metals and background value of surface sediment in Daya Day (mg·kg-1)

对比大亚湾的历史资料可以看出大亚湾沉积物重金属的浓度并非呈现简单线性增加的趋势, 如1996年大亚湾西南部海域的沉积物重金属汞的浓度为0.162[18], 1999年该区域的重金属汞的浓度值约为0.09[7], 2015年该区域的浓度则是低于0.04。2011年西北部是铜、铅的高值分布区[6], 这与本研究相一致。在空间分布上也发生了明显的变化, 1999年重金属铜的高值区分布在口门、范和港区域[7], 随着大亚湾石化区的建设和发展, 铜的高值区逐步向西迁移, 哑铃湾区域的浓度值最高。

沉积物重金属的来源主要有自然来源和人为来源两种, 从工业革命以后, 人类活动释放的重金属的量远超自然来源的重金属的量, 通过大亚湾沉积物重金属的空间分布可以看出, 大亚湾沉积物重金属的空间分布与沿岸的产业有着密切的关系, 沉积物重金属的浓度整体上呈现大亚湾口门处较低, 而大亚湾北部近岸区域浓度较高的特征。大亚湾沉积物重金属的来源与沿岸工业有关, 工业污废水含有大量的铜、锌、汞等重金属[19-21]。谷阳光等认为大亚湾核电站及配套工程是大亚湾重金属污染的重要来源[22]。径流也是近岸海域重金属的重要来源[23-24]除了沿岸产业之外, 网箱养殖产业亦能对大亚湾沉积物重金属的空间格局产生影响, 大亚湾的养殖网箱多集中在哑铃湾、范和港等区域, 这也就导致了范和港、哑铃湾以及大鹏湾的TOC浓度较高, 中央列岛、大亚湾口门等区域的TOC浓度稍低[25]当离子态的重金属进入水体后, 通过与悬浮物络合形成颗粒态重金属[26], 范和港、哑铃湾等区域的水动力较弱, 传输到外海的量较少, 大部分经沉降进入水底, 导致该区域沉积物重金属的浓度升高。曹玲珑等的研究也表明大亚湾沉积物重金属与TOC有明显的相关性[6]。

图2 大亚湾重金属铜分布特征(mg·kg-1)

图3 大亚湾重金属锌的分布特征(mg·kg-1)

图4 大亚湾重金属铅的分布特征(mg·kg-1)

3.2 大亚湾沉积物重金属污染和生态风险

当前Hakanson生态风险指数被广泛用于评价海域沉积物重金属的生态危害[8-9,27], 根据公式对大亚湾的污染指数和潜在生态风险指数进行计算, 结果表明大亚湾海域表层沉积物重金属铜、铅、锌、镉、汞的C含量范围分别为0.2—7.4、0.2—2.8、1.4—6.7、0.7—7.3、0.5—9.0, 平均值分别为2.2、1.3、3.2、2.8、3.1, 见表3, 污染程度呈现锌>汞>镉>铜>铅的规律。重金属铜和铅整体上属于中等程度污染, 低污染和中等程度污染的站位比例分别为83%、100%; 锌、汞、镉3种重金属比较严重污染站位的比例分别为48.9%、46.8%、42.6%, 整体上属于中等-比较严重污染状态。Cd的范围为4.3— 26.9, 平均值为12.6, 中等-比较严重污染的站位比例约87.2%。

图5 大亚湾重金属镉的分布特征(mg·kg-1)

图6 大亚湾重金属汞的分布特征(mg·kg-1)

重金属(铜、铅、锌、镉、汞)E的范围依次为1.0—36.8、0.9—14.1、1.4—6.7、20—220、20—360, 平均值分别为10.8、6.7、3.2、84.0、124.2, 见表4。风险呈现汞>镉>铜>铅>锌的规律, 重金属铜、铅、锌所有站位均属于低风险水平, 而重金属镉和汞中等-较高风险的站位比例分别为63.8%、68.0%。R值的范围为67—540.1, 平均值为228.9, 中等-较高风险的站位比例为82.9%, 见表4。

大亚湾沉积物重金属整体上属于中等-比较严重污染水平, 而潜在生态风险则属于中等-较高风险水平, 大亚湾沉积物重金属污染水平主要与锌、镉、汞有关, 而大亚湾沉积物重金属生态风险指数则主要受汞、镉2种重金属的影响, 虽然这两种重金属的绝对含量并不高, 均不超过第一类海洋沉积物标准[14],但是相对大亚湾海域沉积物重金属的背景值则增加了2.8—3.1倍, 导致大亚湾沉积物重金属潜在生态风险水平增加。生态风险指数还受到重金属的毒性影响, 汞和镉对生物具有较强的毒害作用[28-29],生态毒性指数分别是40和30, 远高于其他三种重金属的毒性, 这两种重金属的含量和生态毒性导致大亚湾海域沉积物重金属的潜在风险较高。徐姗楠等的研究也表明汞是大亚湾排污区潜在生态风险较高的主要原因[10]。

表3 大亚湾沉积物重金属污染因子值

表4 大亚湾沉积物重金属潜在生态风险值

Tab.4 The risk indices Eirand potential ecological risk factorsRiof heavy metals in Daya Bay

3.3 大亚湾底栖生物生物积累

大亚湾底栖生物生物体重金属含量分析见表5, 铜、铅、锌、镉、汞在生物体的含量范围分别为9.0—21.3 mg·kg-1、1.0—8.5 mg·kg-1、66.5—84.1 mg·kg-1、1.0—4.6 mg·kg-1、0.02—0.03 mg·kg-1。总体上呈现锌>铜>铅>镉>汞的规律。

通过公式5计算大亚湾海域的值, 结果见表6。不同的重金属在生物体内的差异显著, 重金属铅、汞在全部生物体样品中均显示没有累积; 铜在棒锥螺和连珠蚶生物体, 锌在棒锥螺生物体中均呈现轻度积累, 其他均无积累作用; 而重金属镉则在5种底栖生物体内呈现较强的积累作用, 生物体内的含量是沉积物重金属含量的12.5—56.9倍, 见表6。

进入底栖生物体内的重金属主要来源包括悬浮颗粒吸附的重金属和水体中离子态重金属, 当底栖生物滤食有机质颗粒时, 吸收悬浮颗粒物吸附的重金属离子, 导致了重金属在体内的积累, 此外底栖生物排出重金属镉的生物学半衰期要长于汞、铅等重金属[30], 这也是生物体内重金属镉的含量超过其他重金属的原因之一。镉与钙元素的地球化学性质相近[31], 也使得镉更易于在生物体内积累。重金属的赋值形态也是影响底栖生物生物体重金属含量的重要因素, 大亚湾沉积物重金属铜、锌、砷主要以残渣态存在, 而铅则是以还原态为主, 镉则以弱酸提取态为主, 弱酸提取态的重金属更容易被生物吸收[7]。

表5 大亚湾栖生物生物体重金属含量(mg·kg-1)

Tab.5 The contaminants of heavy metal in benthos of Daya Bay(mg·kg-1)

表6 大亚湾海域重金属的生物-沉积物积累因子(BSAF)

Tab.6 The biota –sediment accumulation factor of Daya Bay (BSAF)

4 结论

1)大亚湾海域表层沉积物重金属含量呈现锌>铅>铜>镉>汞的规律; 重金属空间分布上呈带状分布, 北部沿岸海域含量较高, 南部口门附近海域最低。

2)大亚湾沉积物重金属污染呈现锌>汞>镉>铜>铅的规律, 整体上属于中等-比较严重污染水平, 锌、镉、汞是大亚湾污染的主要因子, 而生态风险则呈现汞>镉>铜>铅>锌的规律; 潜在生态风险则属于中等-较高风险水平, 大亚湾沉积物重金属的潜在生态风险主要受汞、镉两种重金属的影响。

3)大亚湾底栖生物生物体重金属含量呈现锌>铜>铅>镉>汞的规律。重金属铅、汞在全部生物体样品中均显示没有累积; 铜在棒锥螺和连珠蚶生物体, 锌在棒锥螺生物体中均呈现轻度积累, 其他均无积累作用; 而重金属镉呈现明显的积累作用。

致谢: 感谢保护国际基金会(Conservation Inter­national)的Siyu Qin女士对本文英文摘要的修改和润色。

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LIN Lihua, WEI Hujin, HUANG Huamei. Contamination status and bioaccumulation of the heavy metals in the surface sediments and benthos in Daya Bay[J]. Ecological Science, 2017, 36(6): 173-181.

Contami­nation status and bioaccumulation of the heavy metals in the surface sediments and benthos in Daya Bay

LIN Lihua, WEI Hujin, HUANG Huamei

South China Sea Institute of Planning and Environmental Research, SOA, Guangzhou 510300, China

Based on heavy metal (Cu, Pb, Zn, Cd and Hg) concentration of 34 samples from the surface sediments and benthoscollected from Daya Bay in May of 2015, we assessed the level of heavy metal pollution, ecological risk and biota-sediment accumulation using the Comprehensive Pollution Index, the Potential Ecological Risk Index and the Biota-sediment Accumulation Factor. The results indicated that the average contents of Cu, Pb, Zn, Cdand Hg were 13.9, 29.1, 82.3, 0.08 and 0.03 mg·kg–1, respectively. The contribution to the marine pollution ranked as Zn＞Pb＞Cu＞Cd＞Hg. The contents of heavy metals were spatially distributed as bends, with the highest content in the North of Daya Bay and lowest content in the South of Daya Bay. The comprehensive pollution index of Daya Bay was between the medium and very high, and the contents of Zn, Cd, and Hg were the main contributors. The potential ecological risk of heavy metals in Daya Bay was at a medium-high level, and Cd and Hg were the highest potential ecological risk heavy metals. The rank for the contents of heavy metals in benthos was Zn>Cu>Pb>Cd> Hg. There was no significant bioaccumulation for Hg, Pb in the benthos, while Cu and Zn showed slight bioaccumulation in, and Cd showed a relativelyhigher bioaccumulation in the benthos.

Daya Bay; sediment heavy metals; biota-sediment accumulation; potential ecological risk

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.05.024

X

A

1008-8873(2017)05-173-09

2017-03-14;

2017-04-26

海洋生态红线区划管理技术集成研究与应用(201405007); 基于海洋健康的资源环境承载能力监测预警关键技术研究与区域示范应用(201505008)

林丽华(1980—), 女, 广东陆丰人, 硕士, 工程师, 主要从事海洋生态环境保护研究工作, E-mail : airingl@qq.com