基于MERLIN—EXPO曝光建模工具研究水产食物网中微量元素的积累情况

赵恩旭

摘要：受湖边流域长期和大规模工业活动以及城市化的影响，我们对水生生物中选定的微量金属的生物积累进行了建模，并与当地水生生物的田间数据进行了比较。本研究基于阳澄湖（中国江苏南部）湖口数据的暴露情景，用最近开发的建模工具MERLIN-Expro对水生食物网和沿海环境中衡量金属的暴露情况做出评估。模型结果和实验数据均表明，被检测金属中的As，Cd，Cu，Ni，Pb和Zn无脊椎动物积累最多，而较高营养级物种积累较少。在含金属Cr元素的情况下，所取样动物中具有最高测量浓度的身体部分主要是肌肉，肠和肝脏以及鱼皮。

关键词：水生食物；微量元素；阳澄湖

1.引言

眾所周知，包括金属和各类金属在内的微量金属主要从天然和人为来源中释放出来，由于它们在食物网中的积累会对生态系统和人类健康构成潜在风险。由于上世纪的快速城市化和工业化，包括金属在内的人类污染物来源众多，中国的沿海和湖口生态系统现在面临着越来越多的金属污染压力，因为随着城市和工业废气物一起释放的金属可能通过河流进入海洋，并最终在沿海地区积累，带来长期累积效应。中国江苏南部，如阳澄湖，被认为受金属污染影响最大。更重要的是，金属可以被海洋生物吸收从而进入食物链并可能转移到上层营养水平，最终可能因食用受污染的海产品而对人类产生不利的影响。目前，海鲜产品安全问题引起了人们的极大关注。金属和有机污染物的积累，如塑料和微塑料，对水产的影响这需要我们要加深对食物链中污染物累积的理解，对非生物环境中的污染物转移到特定食品的研究，对于食品的质量和安全性具有重要意义。

2019年水产养殖全球产量增加至8000万吨，其中三分之一包括软体动物，甲壳类动物和其他非鱼类动物，中国仍然是水产养殖的主要国家。仅亚洲国家就占全球软体动物产量的91%和全球水产养殖产量的70%。中国国内对海鲜的需求量从1985年的每人每年8公斤急剧增加到2005年的25公斤和2013年的37.8公斤。中国目前消耗全球海产品和水产品产量的37%，人均海产品消费量达到44公斤，预计到2020年将增加到50公斤。

食品安全可以从本研究的预测模型应用中获益，该模型主要应用于评估微量金属的暴露和生物积累以及基于水生生态系统健康状况的风险识别。

对水生食物网中金属转移的预测，在很大程度上取决于对生物如何从环境中积累金属的研究。重要的是需要将认识水生生物暴露于可溶性和膳食来源的微量金属考虑在内。因此，生物动力学模型可以为我们理解控制金属生物积累的关键过程提供关键信息，从而解释不同动物物种中金属负荷的巨大差异。另外，现有的机械模型允许结合生物动力学参数的可变性，从而找到在不同环境在不同物种中生物积累的可能解释。尽管存在大量现有的食物网生物积累模型，但这类模型主要用于模拟非极性有机污染物的曝光，几乎不支持在估算曝光时的空间和时间的变化。而MERLIN-EXpo曝光建模工具是为包括微量金属在内的广泛环境污染物开发的，允许用户使模型适应局部暴露场景的特定要求。由于这些原因，它被选为此次研究的主要应用。

本研究的主要目的是模拟中国江苏南部（阳澄湖）水生物中微量金属的浓度。模拟包括从测量的水/沉积物金属污染数据计算无脊椎动物和鱼类生物特有的金属浓度水平，以及模型结果与阳澄湖食物网中水生物种的测量金属浓度的比较。此外，应用灵敏度分析有助于从模型中识别最终影响生物体中总金属浓度的最关键参数。

2.研究材料和方法

2.1研究区域和监测活动的描述

阳澄湖湖口位于中国江苏南部，并具有中国许多湖口具有的高污染压力的代表性特征。阳澄湖流域包括中国的一些传统工业热点，长期受到重工业的影响，包括石化，钢铁和机械。据报道，阳澄湖流域约占整个江苏南部河域污染物排放量的60%，阳澄湖中有大量污染物进入湖口。因此，湖口的水生环境质量受人为活动的影响很大。此外，众所周知，阳澄湖是中国主要的渔场之一，尤其是阳澄湖及其周边地区。因此，海鲜在当地被人们高度消费，大部分海鲜来自当地的渔业区。本次实验采点时间为18年6月，采样点均匀分布在阳澄湖下游、中游以及上游，我们收集了水表面沉积物和生物群样品并结合当地商业渔民使用拖网收集鱼类和无脊椎动物进行研究。我们在取样点用稀硝酸将所有水样酸化至PH≤2.6.运到实验室中，将水样通过0.5μm玻璃过滤纤维过滤器，然后通过ICP-MS直接分析。将所有沉积物样品冷冻干燥并通过120μm尼龙筛研磨，然后用HNO3-HF-HClO4消化以使用ICP-MS测定金属的总浓度Qc值。此外，我们在解剖前测量生物群样品的生理指标。从每个物种的一些个体中取出约100g肌肉进行冷冻干燥。通过冷冻干燥前后重量的差异，通过重量分析测定肌肉组织的含水量。使用玛瑙研钵和研杵将干燥的肌肉样品研磨成细粉。将部分鸡肉样品在微波炉中使用HNO3-H20消解得到Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Sb和Zn的含量，将所得数据用作模型输入的数据构成了数据的子集。在阳澄湖湖口的所有五个采样点平均测量沉积物和水中的金属输入浓度。在所选水生物种的各种器官中测量了9种金属（As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Sb，Hg和Zn）仅将在肌肉中测量的那些与生物积累模拟结果进行比较。实验数据表明，被检测金属中的As，Cd，Cu，Ni，Pb和Zn中无脊椎动物积累最多，而较高营养级物种积累较少。实验测得在含有Cr的情况下，具有最高测量浓度的金属的取样动物的身体部分主要是肌肉，肠和肝脏以及鱼皮。

2.2水产食物网的结构

为了更好地了解影响水生生物中化学物质浓度的生物积累过程，需要为研究区域提供特定地点的食物网。阳澄湖的食物网中，除了浮游植物和浮游动物区的基本环境，还包括6种水生生物，其中有3种无脊椎动物，构成了阳澄湖的简单食物网。本研究中选定的物种涵盖了从初级生产者到顶级捕食者的特定营养作用。此外，因为这些物种也与当地人口的饮食有关，所以值得将它们纳入人类暴露于环境污染物的评估中。

3 结论

对水生环境中高金属浓度的担忧主要源于这些污染物可能对生物体造成的风险，包括在食物链的顶端可能食用受污染海产品的人。

所以我们运用了最近开发的工具MERLIN-Expro用于模拟水生生物对几种微量金属的特定位置暴露情况，且获得了令人满意的模拟结果。特别是对于Zn和As的生物积累，其与水生生物的测量值趋近一致。通过测量包括诸如水产环境和生理过程的因素，可以改善动态平衡的应用模型主要涉及水生生物的金属累积过程，以此从生态和人类健康风险评估的角度能更好地描述目标水生生物吸收的微量金属的情况。基于此下一步可以寻求改进建模的另一个方面是模拟水产生理上必须的金属浓度，从而进一步研究可能导致不利影响的过量金属积累过程。

此外阳澄湖的其他监测数据的收集可以在未来模拟演习的扩展中，用以估计当地人口通过摄入受污染的鱼类和海鲜接触积累的微量金属情况。

参考文献

[1]微量元素的环境化学及生物效应[M].中国环境科学出版社，廖自基编著，2013

[2]长江江苏段主干断面污染健康风险评估评价[J].胡冠九，孙成，杨敏娜，陈素兰，李娟，王芸，章勇.长江流域资源与环境.2018（08）

[3]中国自然资源手册[M].科学出版社，程鸿主编，2017

（作者单位：江苏大学京江学院）