天然水体中磷的存在形态及其对鱼类影响研究进展

2020-09-07胡佳李艳华

水产学杂志 2020年4期

胡佳，李艳华

（铜仁职业技术学院农学院，贵州铜仁 554300）

磷是生物有机体生长和能量传输所必需的营养元素，也是陆地和水生态系统中初级生产的限制性营养元素[1，2]。天然水体中磷素的存在形态多样，各种形态之间会随着地球化学过程的变迁而循环转化[3，4]。随着全球人口剧增，现代农业生产的加速和工业生产的排放导致大量磷流失于土壤和自然水域中，造成磷的点源和面源污染[4]。这些磷及磷的化合物中，一些成为水体初级生产力的营养元素来源，有些在一定量内对鱼类无毒无害，有些微量则对鱼类直接造成负面影响。本文综述了天然水体中磷的赋存形态，总结了磷对鱼类的直接危害，为水域环境保护和水产品的质量安全提供参考。

1 天然水体中磷的存在形态

天然水体包括江河、海洋、冰川、湖泊、沼泽等地表水以及土壤、岩石层内的地下水等。矿石风化侵蚀、淋溶和人类活动的排放（如生活污水、畜禽水产养殖、化肥、有机磷农药、暴雨径流、雨污混流等）是天然水体中磷的主要来源[5，6]。一般而言，根据磷在天然水体中的物理性质和化学形态的不同，以溶解度为标准，天然水体的磷可分为可溶态磷（Dissolved Phosphorus，DP）和颗粒态磷（Particulate Phosphorus，PP）。DP 指能通过0.2μm 或0.45μm 微孔滤膜的溶解于滤液中的磷。PP 为水体中不能通过0.2μm 或0.45μm 微孔滤膜的磷形态[4]。

1.1 可溶态磷（DP）

DP 包括可溶态无机磷（Dissolved Inorganic Phosphorus，DIP）和可溶态有机磷（Dissolved Organic Phosphorus，DOP）。DIP 包括无机正磷酸盐和无机缩聚磷酸盐。正磷酸盐是浮游生物和细菌能直接吸收利用的磷形态[7]，无机正磷酸盐的存在形态有P043-、HP042-、H2P04-以及H3P04四种，常常同时存在于水体，各部分的相对比例随pH 的不同而异，在pH 6.5～8.5 的正常天然淡水中以HP042-和H2P04-为主。无机缩聚磷酸盐包括无机环状缩聚磷酸盐和无机线型缩聚磷酸盐或络合物[8]。无机环状缩聚磷酸盐，如三偏磷酸盐（P3O93-、HP3O92-、P4O124-、HP4O123-）；无机线型缩聚磷酸盐或络合物，如焦磷酸盐（P2074-、HP2O73-、H2P2O72-、H3P2O7-和H4P2O7）和三聚磷酸盐（P3O105-、HP3O104-、H2P3O103-、H3P3O102-、H4P3O10-和H5P3O10）。

DOP 主要包括植酸盐、磷蛋白、核蛋白、核酸、核苷酸、磷脂、磷酸单酯、磷酸双酯、肌醇和有机磷农药等[4，9，10]。天然水体中的DOP 有很大一部分可以被微生物群落和浮游动植物利用，将有机磷转化为正磷酸盐的形式释放[11-13]，碱性磷酸酶（APA）在这一过程中起重要作用[14]。因此，除了正磷酸盐外，溶解态有机磷在天然水体中也可作为初级生产者磷的来源[15]。

1.2 颗粒态磷（PP）

PP 主要以矿物与无定形物质的共沉淀和吸附于矿物表面的形式存在，主要包含矿物颗粒的磷和无定形的磷、磷灰石态磷、颗粒有机物和生物体内的磷，是河流系统和河口地区磷的主要存在形态[16，17]。研究表明：随河流输入海洋的磷悬浮颗粒态占90%～95%[18]。径流中磷素输出以颗粒态磷（PP）为主，占总磷（Total Phosphorus，TP）的比例介于75.47%～97.91%之间[19]。Benitez 等[20]将PP 又分为颗粒态无机磷（PIP）和颗粒态有机磷（POP）。PIP 是磷存在于颗粒悬浮物和沉积物中的重要形态，包括弱结合态、铁结合态（FePO4）、铝结合态和钙结合态[如Ca（PO4）2、CaHPO4、Ca10（PO4）6（OH）2]。它们都属于溶解度极小的无机磷酸盐，其中弱结合态磷可以被浮游植物所利用。POP 主要存在于各种动植物残体、腐殖质类有机物和各种磷化合物有机碎屑中。部分POP 经矿化或细菌分解转化为无机磷被浮游植物利用，另一部分与水体中溶解态的无机磷发生吸附，以颗粒物的形式沉降，是底泥的重要来源[21，22]。

磷矿企业生产的黄磷（P4）也属于颗粒态磷。黄磷是以磷矿石为原料，在高温下用碳还原生成磷蒸汽，经冷凝后制成[23]。黄磷难溶于水，易溶于二硫化碳等有机溶剂，在15℃水中溶解度为3mg/L[24，25]。黄磷在水体中绝大部分为颗粒态磷，极少数为溶解态磷。它燃点低，在空气中能自燃，保存运输时安全要求高[26]。天然水体含单质黄磷主要是黄磷矿生产、包装、运输、使用过程中的污染或突发事故所致。渔业水质标准中明确规定，黄磷标准值不能超过0.001mg/L，人误食0.1g 就能致死，皮肤若经常接触黄磷也会引起吸收中毒。

2 磷对鱼类的影响

天然水体中磷素的各种形态共同存在，其中DIP、DOP、弱结合态的PIP 及部分POP 经过矿化或细菌分解都能被水生生物和微生物群落吸收利用，形成了水环境的磷素循环。在磷的上述形态中，除有机磷农药和黄磷是环境污染的检测物，直接危害鱼类外，其他形态磷对鱼类的影响较小，未见危害报道。根据现有的文献资料，磷酸盐在河口或近岸可达0.91～2.19μmol/L，是造成水体富营养化的主要因子，但并未对鱼类资源造成负面影响[27，28]。许多研究也证实：不同条件下富营养水体有效磷的临界含量为0.6～2.4μmol/L[29]。目前地表水环境质量标准认定的劣V 类水体的总磷含量≤0.4mg/L，不少渔业水体遭受污染时，总磷含量远高于这一标准，但是，总磷对鱼类会造成负面影响的浓度，目前还没有试验研究，当前我国的渔业水质标准也没有规定总磷的限值。基于此，本文主要总结讨论有机磷农药和黄磷对鱼类的影响。

2.1 有机磷农药对鱼类的影响

有机磷农药微溶于水，是世界上使用量最大的农药，毒效大、易分解、残留周期短[30]，在20 世纪90年代中期，有机氯农药被美国和欧洲全面禁止使用后，有机磷农药广泛应用于农业、园艺和畜牧水产疾病防治，随着有机磷农药的大量使用，环境中的有机磷农药残留直接影响水生和陆生动物。1998年，由50 多个国家签署的《PIC 公约》，将甲胺磷、对硫磷、甲基对硫磷、久效磷、磷胺5 种高毒有机磷农药列入严格控制的名单[31]。按有机磷农药对环境的危害程度，对硫磷、甲基对硫磷、内吸磷属于剧毒农药；敌敌畏属于高毒性农药；乐果、敌百虫属于中等毒性农药；马拉硫磷属于低毒农药。在我国水产养殖中常用有机磷药物（如辛硫磷、马拉硫磷）杀灭水体中的体外寄生虫[32]。

有机磷农药对具备神经系统动物的毒作用机理基本相同。它主要是抑制乙酰胆碱脂酶（AChE）活性，使其失去水解乙酰胆碱（ACh）的能力，造成胆碱能神经末梢释放的ACh 大量蓄积，兴奋ACh 的毒蕈碱受体（M受体）和烟碱能受体（N 受体），产生毒蕈碱样和烟碱样作用及中枢神经系统症状[33]。有机磷经鱼体表吸收较少，主要经过鳃、胃肠道进入机体，经血液和淋巴分布到全身，在鱼体内的生物降解半衰期从几小时到几个月不等。有些可在鱼肝脏中转化为毒性更强的物质。被有机磷污染过的水体可通过食物链作用于人体[34]。

已有研究表明，有机磷农药对同种鱼类的不同组织和不同鱼类的同种组织AChE 的抑制程度不同。一般当组织胆碱酯酶抑制达40%～60%时，动物几秒内即死亡[35]。施建军等[36]研究了三唑磷、乙酰甲胺磷、增效水胺硫磷对麦瑞加拉鲮Cirrhina mrigola 幼鱼的毒性作用，当三种有机磷农药浓度分别高于0.005mg/L、0.028 mg/L 和11.321mg/L 时，鱼体呈极度不安、呼吸加快以及鳃和内脏明显充血等中毒症状。史清毅等[37]研究了久效磷对雄性孔雀鱼Poecilia reticulate 的生殖毒性，在1.0mg/L 久效磷中饲养40d 后取样做石蜡切片观察，发现久效磷损伤了精巢结构，抑制了精巢精子的发生，降低了精子密度和数量，导致孔雀鱼繁殖次数和仔鱼数量减少。金彩杏等[38]比较了三唑磷对鲈Latealabrox japonicas、日本鳗鲡Anguilla japonica 苗、梭鱼Liza haematocheila 和大弹涂鱼Boleophthalmus pectinirostris 的毒性作用，发现无论是试验时间是24h、48h，还是96h，梭鱼的LC50都最低，分别为0.013mg/L、0.004mg/L 和0.0029mg/L，三唑磷对四种鱼的毒性依次是梭鱼＞大弹涂鱼＞鲈＞日本鳗鲡苗。王亮等[39]研究了甲拌磷对斑马鱼Danio rerio 胚胎的毒性，发现斑马鱼卵在24h、48h 的半数致死浓度分别为25.63mg/L 和14.96mg/L，染毒斑马鱼胚胎发育过程中会出现尾部弯曲、心律消失、发育停止等特征。夏锦瑜等[40]研究了丙溴磷对鲫Carassius auratus 的毒性作用和在鱼体中的富集效应，发现丙溴磷对鲫的96h 半数致死浓度为0.1929mg/L。在1/10 的96h-LC50剂量下连续作用14d 后，发现丙溴磷对鲫鱼脑部乙酰胆碱酯酶（AChE）和羧酸酯酶（CarE）的活性抑制率分别为93.61%和83.03%。此外，丙溴磷在鱼体肝胰脏、鳃和肌肉中均有不同程度的富集。宋志慧等[41]研究了氧化乐果对斑马鱼的毒性作用，发现其96hLC50为31.57mg/L，属于高毒农药。Henderson 等[42]比较了10 种有机磷农药对鲦Pimepbales promelas 和蓝鳃太阳鱼Lepomis macrobirus 的毒性，其96h LC50范围在0.25～150 mg/L，表明不同有机磷化合物的毒性范围很广。Pickering 等[43]研究了13 种有机磷杀虫剂对孔雀鱼、蓝鳃太阳鱼、鲦和金鱼Carassius auratus 4 种鱼类的相对毒性，结果发现不同鱼种对不同有机磷杀虫剂的96h LC50范围在0.0052～610 mg/L，表明不同种或同种不同规格鱼对有机磷的敏感度不同，不同物种对特定化合物的最大敏感度从4 到900 倍不等，较大的蓝鳃鱼（10g）对硫磷和马拉硫磷的耐受性稍高于小的蓝鳃鱼（2g）。Gonçalves 等[44]评估了继有机磷酸酯之后，新的合成农药氨基甲酸酯对凹尾丽脂鲤Astyanax jacuhiensis 的影响，发现暴露于5μg/L、15μg/L 和30μg/L 氨基甲酸异丙醇（PPX）96h，肝胰脏和鳃中谷胱甘肽S-转移酶（GST）活性降低。大脑和肌肉中的乙酰胆碱酯酶（ACHE）活性在PPX 浓度为15μg/L 和30μg/L 时降低。海水鱼类胚胎和仔稚鱼发育对有机磷农药的污染相当敏感，引起鱼类早期发育异常的浓度可作为判断沿海水域污染程度的指标之一[45]。不同有机磷农药对各种鱼类毒理试验结果见表1。

2.2 黄磷对鱼类的影响

黄磷是地表水，特别是集中式生活饮用水地表水源地水质监测中的重要项目[46]。黄磷比较稳定，不易分解，分散体在水中的氧化反应是一级动力学反应，但其毒性剧烈，半衰期为2～7.5h，易造成水生动物不可逆的累积和急性中毒[47]。黄磷在鱼体中的分布规律为：肝脏＞胰脏＞肌肉＞鳃，在肝脏中积累最为迅速，含量也最高。鳕Gadus morhua 在含黄磷1μg/L 的水中18h，肌肉残留量可达50μg/kg、脂肪150μg/kg、肝脏高达25000μg/kg[48]。在浓度为0.01mg/L 的黄磷水体中试验5h 后，黄磷在鲢Hypophthalmichthys molitrix、鳙Aristichthys nobilis、鲫、青鱼Mylopharyngodon piceus、鲴Xenocypris sp.、翘嘴红鲌Erythroculter ilishaeformis 的肝脏中的浓缩系数为41～253、胰脏中为113、肌肉中为2～97、鳃中为0～35[48]。黄磷对龙虾Homarus americanus、鳟Salmo salar 和沙蚤Gammarus oceanicus 的起始致死剂量分别为40μg/L、18μg/L、3～4mg/L[47]，对鲢、鳙、青鱼、鲫、鲴、翘嘴红鲌等大多数鱼类的96h 半数致死浓度为0.10～0.56 mg/L[48]，大西洋鳕Gadus morhua和大西洋鲑Salmo salar 对黄磷溶液的耐受性更低，它们对黄磷的起始致死浓度分别低至1.89μg/L和0.79μg/L，并分别在125h 和195h 达到LC50[49]。Fletcher[50]研究了用黄磷污染的含黄磷4～11μg/g 的鳕肌肉和含黄磷194μg/g 的鳕肝脏投喂红点鲑Salvelinus fontinalis，鲑出现的中毒症状和直接暴露在黄磷水混悬液中的症状一样，皮肤发红、溶血及红细胞容积减小。故磷矿企业生产的黄磷污染会对鱼类造成直接和次生毁灭性灾难。1969 年加拿大纽芬兰长港港口黄磷污染事故导致鱼类和甲壳动物死亡，港口黄磷污染点的龙虾组织切片显示，触腺和肝胰腺均表现出退行性改变，肝胰腺导管呈现空泡或者闭塞，触腺体腔囊破裂、血液凝结[51]。1989 年8 月17 日，在长江葛洲坝库区黄柏河发生过严重的黄磷污染事故，中毒死亡鱼类近40 万kg，包括国家一级保护动物中华鲟Acipenser sinensis 死亡21尾，国家二级保护动物胭脂鱼死亡300 多尾，200 余黄磷中毒人员[25]。此后，全国各地都陆续有黄磷污染事件发生[52]。关于黄磷对各种水生动物毒理试验具体结果见表2。

表1 不同有机磷农药对鱼类毒理试验结果汇总Tab.1 Summary of toxicological test of different organophosphorus pesticides on fish

续表1

3 结语与展望

在各种磷形态中，我国《地面水环境质量标准》（G3838-2002）分别限定了总磷、黄磷和对硫磷、甲基对硫磷、马拉硫磷、乐果、敌敌畏、敌百虫、内吸磷有机磷（不含甲胺磷）的含量。我国《渔业水质标准》（GB11607-89）则限定了黄磷和马拉硫磷、甲胺磷、甲基对硫磷、乐果有机磷的含量，未对内吸磷、敌百虫、敌敌畏等其它广泛使用的有机磷农药和杀虫剂进行限定。高继军[53]对我国地表水的研究表明，敌敌畏和内吸磷在我国地表水中的检出率分别达到89.1%和78.2%，检测到的峰值分别达1552.0 ng/L和2560.0 ng/L，平均值分别为17.8 ng/L 和35.4 ng/L；乐果、甲基对硫磷、马拉硫磷和对硫磷的检出率均低于43.5%，但其检测峰值也分别达到2660.0 ng/L、480.0 ng/L、1290.0 ng/L 和150.0 ng/L。20 世纪80 年代，中国科学院[54]对长江流域15 种有机磷农药的检测表明，治螟磷、乐果、甲基对硫磷、马拉硫磷、对硫磷（一六○五）是污染长江的主要农药，其污染总量可高达1.727 μg/L。此后，胡堪东等[55]对长江流域赣江支流章江水样所含的治螟磷、内吸磷、乐果、乙硫磷和三硫磷为主的9 种有机磷农药检测表明，章江有机磷总污染量在1～486 μg/L，平均含量为163.8 μg/L。周慜等[56]对珠江河口有机磷农药的检测表明，9 种有机磷农药总量在0.46～43.6 μg/L，平均为7.25 μg/L，其中甲拌磷、敌敌畏、乙拌磷是污染珠江流域的主要有机磷农药。基于上述数据，结合表1 中单一有机磷对特定鱼类96h LC50最低浓度为2.9 μg/L 推算，上述调查水域存在造成特定鱼类灭亡的巨大风险。总磷（TP）为溶于水的有机与无机磷化物的总称，是水样经消解后将各种形态的磷转变成正磷酸盐后测定的结果。一般认为TP 无毒，也无群体TP 中毒事件的报道[52]。因此，对不同磷素污染的水域，总磷并不能如实反映各磷素的污染状况及其严重程度，特别是对以黄磷为代表的阵发式污染事故或污染水域。基于上述推断以及有机磷对水生生物和人类的现实和潜在风险[32，33，57]，建议在地方性的地表水环境质量标准中将无机磷和有机磷独立进行标准限值，以将有机磷作为一大类独立检测，提高检测效率的同时加强标准的针对性，特别是对于未涵盖内吸磷、敌百虫、敌敌畏检测项目的渔业水质标准。将有机磷或有机磷农药作为一大类独立检测，能更有效反映水体有机磷、特别是有机磷农药的总体污染现状，为水产资源保护、水产品食用安全和居民饮用水源安全提供参考标准。伴随新型有机磷农药的普及使用，特别是不同形态磷检测方法的改进，如近年Tue-Ngeun 等[58]成功地建立了溶解活性磷酸（dissolved reactive phosphorus，DRP）、溶解有机磷（dissolved organic phosphorus，DOP）流动注射分析新方法。为了顺应社会对饮用水、渔业用水以及水产品质量安全的新要求，应鼓励和提倡新的检测方法和检测指标被纳入地表水水质标准和渔业水质标准。因此，无论在提倡鱼类福利，还是注重人类生态安全的今天，磷对鱼类乃至人类的影响都有价值和必要成为研究者的关注与关切的方向。