三门峡黄河湿地不同年份越冬期大天鹅初级飞羽中的重金属含量分析

艾伟昌, 徐丽敏, 崔 源, 李 慧

(1.河南省野生动物救护中心, 河南 郑州 450044; 2.河南黄河湿地国家级自然保护区三门峡管理处, 河南 三门峡 472000; 3.河南师范大学水产学院, 河南 新乡 453007)

大天鹅(Cygnuscygnus)属于雁形目鸭科天鹅属,是国家二级保护野生动物[1]。估计我国有10 000～15 000只大天鹅,主要在黑龙江扎龙、兴凯湖、三江平原及新疆巴音布鲁克草原、赛里木湖等地繁殖,在山东沿海、黄河中下游湿地及青海湖等地越冬[2-3]。目前,国内外对大天鹅的研究主要包括种群数量和分布调查、行为生态学研究、生境选择研究以及食物分析等方面[4-7]。

随着工农业生产和城市化建设,重金属会通过各种途径进入环境中造成污染[8-9]。由于其难降解的特性,重金属会通过食物链进入动物和人体内,对动物和人体健康造成不良影响[10-11]。许多研究调查了重金属在鸟类肝脏和肾脏等器官中的富集情况[12-13]。近些年来,出于鸟类保护的需要,羽毛和粪便等对鸟类伤害较小的部位被用来调查鸟类的重金属暴露水平[14-15]。该研究通过测定大天鹅飞羽中的重金属含量来评价其重金属暴露水平。

1 材料与方法

三门峡黄河库区(34°36′～34°50′ N,110°23′～111°21′ E)位于豫、陕、晋3省交界处,是大天鹅的重要越冬地[16]。每年10月中下旬大天鹅自繁殖地来到这里越冬,次年3月上旬返回繁殖地。2017年10月下旬在河南省黄河湿地国家级自然保护区三门峡管理处分别采集了2001、2008、2010、2011、2013和2014年的大天鹅标本的初级飞羽样品。同时在三门峡市天鹅湖城市湿地公园蹲点观察大天鹅活动状况,待有大天鹅成鸟初级飞羽脱落时人工收集脱落的初级飞羽。各年份采集的大天鹅数量为3至5只,样品采集情况见表1。采集样地包括灵宝市黄河边湿地(34.728° N, 111.027° E)和三门峡市天鹅湖城市湿地公园(34.779° N, 111.148° E),两地相距约13 km。采集完初级飞羽样品后放入样品袋,带回实验室,置于-20 ℃冰箱中待分析。

样品自冰箱取出后,放置至室温。先用1 mol·L-1的丙酮清洗初级飞羽上的油脂和外源灰尘等,再用去离子水清洗干净,剪碎。然后,将羽毛置于60 ℃烘箱中72 h[17]。为了测定羽毛中的重金属含量,用湿法消解处理样品,具体步骤为:称取约0.1 g羽毛样品放在含有6 mL浓硝酸和2 mL高氯酸的大试管中,用加热装置(VELP DK-20，意大利)消化,至消解完全后定容。用原子吸收分光光度计(耶拿ZEEnit 700P，德国)测定重金属铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)和镍(Ni)的含量。

每份羽毛样品处理时均设置3个平行,不同平行之间重金属含量的标准差在10%以内。用Sigmaplot 12.5软件(Systat Software Inc.)作图。

表1大天鹅样品采集情况

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采样时间生长阶段样品来源采样地点样本量 2001年11月亚成鸟标本三门峡市天鹅湖城市湿地公园4 2008年12月成鸟标本三门峡市天鹅湖城市湿地公园3 2010年10月成鸟标本灵宝市黄河边湿地5 2011年12月成鸟标本灵宝市黄河边湿地3 2013年10月亚成鸟标本三门峡市天鹅湖城市湿地公园5 2013年11月成鸟标本灵宝市黄河边湿地5 2014年12月成鸟标本灵宝市黄河边湿地3 2017年10月成鸟活体三门峡市天鹅湖城市湿地公园5

2 结果与分析

2.1 不同年份大天鹅亚成鸟初级飞羽中的重金属含量

2001年和2013年大天鹅亚成鸟初级飞羽中的重金属含量见图1。大天鹅亚成鸟初级飞羽中不同重金属含量有很大差异,最高的为Zn〔(79.67±3.69) mg·kg-1〕,最低的为Ni〔(0.09±0.00) mg·kg-1〕。亚成鸟初级飞羽中重金属含量从大到小依次为Zn> Cu> Pb> Cr> Cd> Ni。2013年亚成鸟初级飞羽中各重金属含量与2001年的在同一个数量级,两者间Cr和Ni含量水平相当。2013年亚成鸟初级飞羽中Cu、Pb和Cd含量低于2001年,Zn含量则高于2001年。作为非必需元素,少量的Pb和Cd暴露也可能会对动物的生长、发育和繁殖等造成不良影响。值得注意的是,与2001年相比,2013年亚成鸟初级飞羽中Pb和Cd含量分别减少16.4%和46.4%,表明大天鹅亚成鸟Pb和Cd的暴露水平有下降趋势。

总之,与2001年相比,2013年大天鹅亚成鸟初级飞羽中Cu、Pb和Cd含量有下降趋势,Zn含量有上升趋势,Cr和Ni含量与2001年相当。

图1 不同年份亚成鸟初级飞羽中的重金属含量

2.2 不同年份大天鹅成鸟初级飞羽中的重金属含量

不同年份大天鹅成鸟初级飞羽中的重金属含量见图2。

图2 不同年份成鸟初级飞羽中的重金属含量

大天鹅成鸟初级飞羽中重金属含量最高的为Zn〔(93.33±1.69) mg·kg-1〕,最低的为Ni〔(0.15±0.04) mg·kg-1〕。除2013年,其余各年份不同重金属含量由高到低依次为Zn> Cr> Cu≈Pb> Cd> Ni。不同年份成鸟初级飞羽中重金属含量有很大差异,不同重金属含量随时间变化趋势大体相同。飞羽中重金属含量在2008年和2010年处在较低水平,而后升高,在2011年或2013年达最高水平,而后逐渐下降(Ni含量则在2008年为最高)。Cu和Zn含量在2013年,Pb、Cd、Cr和Ni含量在2011年达到最高。Cu和Zn含量在2014年,Pb和Cd含量在2017年,Cr和Ni含量在2013年达到最低。

总之,近几年大天鹅成鸟初级飞羽中Cu和Cr的含量与之前的水平相当,Zn、Pb、Cd和Ni的含量则有下降趋势。

此外,成鸟与亚成鸟初级飞羽中Zn含量相当。对于其他重金属,成鸟初级飞羽中的含量均高于亚成鸟,这可能是由于成鸟暴露时间较长,所以在羽毛中富集了较多的重金属。

3 讨论

从2001年到2017年的大天鹅初级飞羽样本中发现近年来Pb和Cd等重金属含量呈下降趋势。大天鹅是国家二级保护动物,取样较为不易,国内外相关研究较少。有研究者指出,面临较高的Cu暴露〔肝脏w为(2 150±2 280) mg·kg-1,干重〕时大天鹅有较高的死亡率[18]。该研究中大天鹅初级飞羽中w(Cu)显著低于匈牙利疣鼻天鹅(Cygnusolor)〔(10.24±2.25) mg·kg-1〕,处于较低水平;w(Cd)和w(Cr)则高于匈牙利疣鼻天鹅〔0.50 和(1.02±0.90) mg·kg-1〕,这可能是由于两地天鹅栖息地的背景浓度不同[19]。瑞典疣鼻天鹅肝脏中的w(Zn)(约100 mg·kg-1)和w(Cd)(约6 mg·kg-1)显著高于该研究中大天鹅初级飞羽中的含量,这可能是由于肝脏是解毒器官,所以会富集更多的重金属[20]。此外,该研究中的大天鹅初级飞羽中Cu、Zn和Ni含量与日本本州和北海道地区大天鹅初级飞羽中的w(Cu)〔(5.95±0.98) mg·kg-1〕、w(Zn)〔(70.5±15.0) mg·kg-1〕和w(Ni)〔(0.20±0.09) mg·kg-1〕相当[21]。

由于Pb在水生环境中有广泛的来源,一些文献报道了天鹅铅中毒的情况[22-23]。天鹅铅中毒的主要原因是由于狩猎铅弹和钓鱼铅坠引起的,20世纪60年代至90年代,上万只天鹅因为吞食铅坠、铅弹和被污染的植物与沉积物导致铅中毒而死亡[24-25]。有研究者对英国366只死亡天鹅〔包括大天鹅、小天鹅(Cygnuscolumbianus)和疣鼻天鹅〕致死原因的分析中发现,21%的成鸟和10%的幼鸟是铅中毒致死的[26]。在对瑞典58只疣鼻天鹅的研究中也发现,17%的天鹅出现了铅中毒症状[20]。加拿大不列颠哥伦比亚省在1965—1979年有上百只天鹅因为铅中毒而死亡[27]。在日本北海道地区发现6只大天鹅和2只小天鹅铅中毒,其血液、肝脏和肾脏中w(Pb)分别为2.5～6.7、14.0～30.4和30.2～122 mg·kg-1[27]。该研究中肝脏和肾脏中w(Pb)均高于羽毛,血液中的Pb含量则与羽毛中相当,这主要是由于重金属在不同组织中的富集程度不同[28-29]。肾脏和肝脏是代谢和解毒器官,这些组织的细胞内含有特殊的结合蛋白,与毒物有较强的亲和力,导致组织中Pb含量升高[30]。无独有偶,韩国大天鹅肝脏、肾脏和骨骼中Pb含量也高于该研究中大天鹅初级飞羽的,这是由于Pb主要蓄积在骨骼中[30-31]。该研究中大天鹅初级飞羽中w(Pb)高于日本本州和北海道地区大天鹅初级飞羽(0.51～0.67 mg·kg-1),这可能是由两地背景中Pb含量的差异造成的[21]。然而,日本大天鹅胸羽中却有较高的w(Pb)(5.84～14.6 mg·kg-1),这是由于飞羽每年都要进行换羽,胸羽则长期不进行更换,所以胸羽比飞羽的暴露时间更长[21]。

对于鸟类羽毛中重金属含量的限值,目前尚无统一标准,因此笔者将大天鹅初级飞羽中的重金属含量与其他研究中鸟类羽毛的重金属水平比较,来判断大天鹅的重金属暴露水平。广东白云山风景区4种雀形目鸟类飞羽中w(Cu)(5.4～30.8 mg·kg-1)、w(Zn)(114.0～367.0 mg·kg-1)和w(Pb)(5.4～28.0 mg·kg-1)均高于该研究中大天鹅初级飞羽[32]。葡萄牙一个无污染的森林中生活的大山雀(Parusmajor)羽毛中的w(Cu)〔(5.72±0.82) mg·kg-1〕与该研究水平相当,波兰中部无污染地区蓝山雀(Cyanistescaeruleus)雏鸟和法国东部地区无污染地区乌鸫(Turdusmerula)羽毛中的w(Pb)〔分别为4～6和(4.89±3.18) mg·kg-1〕均与该研究水平相当,说明该研究中大天鹅羽毛中Cu和Pb含量处于安全水平[33-35]。同时,该研究中大天鹅初级飞羽中w(Cu)与巴基斯坦无污染地区不同食性的鸟类羽毛的水平(0.64～1.18 mg·kg-1)相当;w(Ni)则显著低于巴基斯坦(1.44～3.16 mg·kg-1),这表明该研究中大天鹅羽毛中Cd和Ni水平较低[36]。同时,该研究大天鹅飞羽中w(Zn)与巴基斯坦无污染地区杂食性鸟类、食虫性鸟类和捕食无脊椎动物猛禽的水平(68.54～86.46 mg·kg-1)相当,低于巴基斯坦肉食性鸟类和腐食性鸟类的(101.54～107.35 mg·kg-1),这表明该研究中大天鹅的Zn暴露水平较低[36]。这可能是由于不同鸟类的不同营养级造成的,有研究者指出不同鸟类羽毛中的重金属水平与其营养级高低成正比,肉食性鸟类和腐食性鸟类有较高的营养级,所以有较高的Zn含量[37-38]。捷克无污染地区大山雀羽毛中w(Cr)(2.26～6.63 mg·kg-1)与该研究的水平接近,意大利污染地区黑脚企鹅(Spheniscusdemersus)羽毛中的w(Cr)(22±77 mg·kg-1)则显著高于该研究,表明该研究大天鹅飞羽中的Cr含量处于比较安全的水平[39-40]。北京地区的树麻雀(Passermontanus)羽毛内w(Pb)(8.61 mg·kg-1)和w(Ni)(1.62 mg·kg-1)高于该研究,这可能是由于前者采样地点位于首钢附近[41]。在比利时安特卫普一个重金属污染地区生活的大山雀最外层尾羽中的w(Cu)(15.4 mg·kg-1)、w(Zn)(164.6 mg·kg-1)和w(Cd)(2.09 mg·kg-1)均显著高于该研究,主要是由于污染地区的鸟类有较高的重金属富集水平[42]。总之,通过与其他污染和无污染地区鸟类羽毛中的重金属含量比较,发现该研究区大天鹅初级飞羽中各重金属含量处于比较安全的水平。

此外,鸟类组织中重金属水平受自身条件的影响[43]。有研究者指出9至10 a的信鸽(Columbaliviadomestica)体内Cd含量显著高于1至2 a和5至6 a的[44]。同样,有研究者指出不同年龄、不同发育阶段(成鸟与幼鸟)以及不同性别的树麻雀在相同环境下重金属的暴露水平均不相同[45]。在俄罗斯中乌拉尔山区的研究发现,工矿业造成的污染不仅会影响斑姬鹟(Ficedulahypoleuca)和煤山雀(Parusater)的食物组分，还会改变其各食物组分中重金属的含量,从而改变了2种鸟类的重金属暴露水平[46-47]。因此,将来在进行大天鹅的相关研究时,应考虑其年龄、性别和食物组分等因素。

4 结论

为了评价三门峡库区大天鹅的重金属暴露水平,测定了不同年份初级飞羽中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和Ni等重金属含量。结果表明,大天鹅亚成鸟和成鸟初级飞羽中重金属含量最高的是Zn,最低的是Ni。成鸟初级飞羽中的Zn含量与亚成鸟的相当,其他则高于亚成鸟。不同年份大天鹅亚成鸟和成鸟初级飞羽中的重金属含量有很大差异。近几年亚成鸟和成鸟初级飞羽中非必需元素Pb和Cd含量呈下降趋势,说明大天鹅Pb和Cd的暴露水平有所降低。此外,与其他鸟类羽毛中重金属含量相比,该研究区大天鹅初级飞羽中的重金属含量处于比较安全的水平。