巢湖4种蚌类不同组织中5种微量元素含量及其空间变化*

2020-10-29吴曼曼孙庆业

湖泊科学 2020年6期

吴曼曼，孙庆业**

(1:安徽大学资源与环境工程学院，合肥 230601) (2:安徽省湿地保护与修复重点实验室，合肥 230601)

随着我国工农业迅速发展和城市化进程的不断推进，工业废水、农业排水以及城市生活污水等的排放日益增加，重金属及类重金属等不断进入水体，日益成为水环境中的主要污染物[1]. 重金属是高毒性污染物，当被泄露到水体后，会抑制酶的活性，抑制水生植物的光合作用和呼吸作用，同时无法被水中微生物正常降解，也不能借助水体自净作用进行消除[2]. 重金属容易随着食物链放大与传递，在水生生物体内不断富集[3]，因此水体重金属污染往往会对水生动物产生严重影响.

蚌类隶属软体动物门(Mollusca)，营底栖生活，广泛分布于湖泊、河流、沟渠等水域，是蛋白质、必需脂肪酸、六味精和矿物质的重要来源之一[4]. 在水生生态系统中，蚌类作为食物链中的初级消费者，既是藻类等初级生产者的滤食者，也是鱼、蟹等高级消费者的食物，在食物链中起着承上启下的作用，因此蚌类首当其冲地受到水体中重金属污染的危害. 由于重金属能够与短碳链结合，水体中重金属极易在蚌体组织中积聚[5]，重金属在蚌体内会与巯基蛋白结合，改变蛋白质构象，其生物毒性及危险性不容小觑[6-7]. 目前关于蚌体重金属及类重金属的研究国内外已有不少报道，Bustamante等[8]调查并分析了法国比斯开湾扇贝(Chlamysvaria)中17种元素的分布规律，陈修报等[9]通过背角无齿蚌(Anodontawoodiana)对五里湖重金属含量进行监测与评价，程家丽等[10]对我国多个地区海洋食用贝类重金属污染的分析发现，海洋贝类重金属复合污染的健康风险较高，然而针对不同蚌类重金属含量的对比和淡水湖泊中筛选耐受性物种的研究还较少.

巢湖(31°25′～31°43′N，117°16′～117°50′E)，长江水系下游湖泊，位于安徽省中部，是中国五大淡水湖之一[11]. 近三十年来，随着巢湖周边的开发与工业化的发展，加之湖水主要靠地表径流补给，大量含有微量元素的废弃物随地表河流聚集到巢湖[12]，致使巢湖水环境和沉积物中的重金属逐步累积，另外土壤改良剂和肥料的不断施用也会加剧这一农业集约化区域的重金属积累[13]，最终经由食物链和食物网富集到水生生物体内. 目前对于巢湖重金属方面的研究主要集中于巢湖水体及沉积物重金属的分布、形态及来源[14-16]和鱼类虾类的重金属污染以及食用风险方面[17]等. 本研究以生活于巢湖中的扭蚌(Arconaialanceolata)、三角帆蚌(Hyriopsiscumingii)、褶纹冠蚌(Cristariaplicata)和圆顶珠蚌(Uniodouglasiae)为对象，分析了其内脏团、外套膜(包含鳃)和斧足中重金属(Cu、Zn、Pb、Cd)和类重金属(As)的含量，并初步评价了4种蚌的食用风险，以期为淡水湖泊生态修复中耐受性物种的选择提供依据.

1 材料与方法

1.1 样品的采集与预处理

于2017年6月，在综合考虑巢湖入湖河流分布、样点可取性、人类干扰程度等因素的前提下，借助GPS全球卫星定位系统，在巢湖布设18个采样点(图1)，各采样点相距岸线约200～500 m，采集的扭蚌(共49个)、三角帆蚌(共46个)、褶纹冠蚌(共45个)和圆顶珠蚌(共39个)活蚌体(均为成年蚌)现场清洗掉淤泥(蚌体基础数据见表1)，并用洁净的聚乙烯自封袋封存于4℃的保温盒，带回实验室后取出内脏团、外套膜(包含鳃，下同)和斧足等组织，后经称重(鲜重)、匀浆、冷冻干燥后研磨成粉备用[18].

表1 巢湖所采集的4种蚌类的基础数据*

*数据用游标卡尺测量，表示为平均值±标准差，三角帆蚌和褶纹冠蚌的壳高不含翼部和冠部.

图1 巢湖采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Lake Chaohu

1.2 元素的检测与分析

取样品0.2 g(精确到0.001 g)于聚四氟乙烯消解内罐中，加入7 mL浓硝酸和1 mL 30%过氧化氢，旋紧内盖静置过夜，按照GB 5009.268-2016《食品安全国家标准食品中多元素的测定》中的消解条件进行微波消解，冷却后取出，用少量去离子水冲洗内盖，于超声水浴箱中超声脱气5分钟，最后用去离子水将消解液定容至50 mL并混匀[19]. 采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)以元素质荷比(m/z)定性、外标法定量，以Ge、Rh、Re为内标元素同时测定Cu、Zn、Pb、As、Cd等微量元素. 为检验测定的准确性，采用扇贝成分标准物质(GBW10024)进行质量控制，其回收率均在90%～110%之间. 为提高精确度和减小随机误差，所有样品分析均重复进行3次(取其平均值).

1.3 数据处理方法

采用WPS Excel 2010和 SPSS 23.0 软件对数据结果进行统计与处理. 试验数据结果表示为平均值±标准差，进行Student-Newman-Keuls检验，显著性水平P<0.05. 执行R 3.5.1软件中Pheatmap包进行热图绘制(绘图前对数据进行标准化).

2 结果与分析

2.1 4种蚌类不同组织中的微量元素含量

在巢湖18个样点所采集的4种蚌类中各微量元素均有检出. 各蚌体不同组织中的重金属及类重金属含量(干重，dw)见表2.

除Zn在圆顶珠蚌组织间含量趋势为外套膜>内脏团>斧足外，巢湖4种蚌体中5种微量元素含量在组织间的差异均表现为内脏团>外套膜>斧足. 内脏团中Cu、Zn、As、Cd、Pb含量的变化范围分别为6.86～10.10、105.48～151.79、3.96～6.57、0.51～3.18、1.02～7.13 μg/g(dw)，圆顶珠蚌与三角帆蚌之间以及扭蚌与褶纹冠蚌之间Cu的含量差异不显著(P>0.05)，但这两组之间有明显差异(P<0.05)；外套膜中Cu、Zn、As、Cd、Pb 5种元素的变化范围分别为4.28～4.77、89.83～196.83、2.32～4.21、0.40～2.76、0.99～5.62 μg/g(dw)，4种蚌类中Cu和As的含量没有显著性差异(P>0.05)；斧足中各元素的含量范围分别为2.55～3.49、80.34～95.23、1.97～3.06、0.08～0.71、0.86～2.93 μg/g(dw)，斧足中Cu、Zn、As和Cd含量均无显著性差异(P>0.05). 5种微量元素在4种蚌类中的平均含量均表现为Zn>Cu>As>Pb>Cd.

表2 巢湖4种蚌类不同组织中微量元素含量(μg/g(dw))*

*同列中的不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

4种蚌类中5种微量元素平均含量高低各有差异. Cu和Pb在4种蚌类中的平均含量表现为扭蚌>褶纹冠蚌>圆顶珠蚌>三角帆蚌，Pb在扭蚌各组织中的含量均最高，内脏团、外套膜、斧足中Pb含量分别是其他3种蚌类的5.65～6.99倍、4.46～5.68倍、2.62～3.41倍；Zn的各平均含量表现为圆顶珠蚌>扭蚌>三角帆蚌>褶纹冠蚌，Zn在圆顶珠蚌中含量最高，是其他3种蚌类的1.41～2.11倍；Cd含量表现为扭蚌>圆顶珠蚌>三角帆蚌>褶纹冠蚌，Cd在圆顶珠蚌和扭蚌中的含量是三角帆蚌和褶纹冠蚌的2.75～6.08倍；As在4种蚌类中的平均含量表现为圆顶珠蚌>三角帆蚌>褶纹冠蚌>扭蚌.

2.2 4种蚌类在不同样点的微量元素含量

4种蚌类在不同样点间的微量元素含量高低趋势见图2. 三角帆蚌各个组织的5种微量元素含量较其他3种蚌类均最低，圆顶珠蚌的各组织在15号点的Cd含量均较其他样点高，褶纹冠蚌在3号点的Zn和Cd含量、7号点的As含量、16号点的Cu含量、18号点的Pb含量较高，扭蚌各样点的微量元素中，3号和5号样点的Cd含量略高，17号样点的As含量、Pb含量、Cu含量和3号样点的Zn含量在外套膜中均较高.

图2 4种蚌类不同样点的微量元素含量分布热图Fig.2 Heat map of trace elements content in different sites of four species of mussels

通过对同时采集到4种蚌类的3、7、9和17号样点进行不同种类、样点对各微量元素含量影响的方差分析结果(表3)可知，在P<0.05的显著水平下，Cu和As在不同种类和样点间的含量均无显著性差异，Zn和Cd趋势一致，在种类间有显著性差异，在样点间差异不显著，并且Cd在种类间的差异极显著(P<0.01)，Pb在种类和样点间差异均显著，并且在种类间的差异极显著(P<0.01). 由此可知，不同种类之间微量元素含量的差异大于同一种类微量元素含量的空间差异.

表3 不同种类、样点对各微量元素含量影响的方差分析结果*

*主体间效应的检验.

3 讨论

4种蚌体各组织对各微量元素的富集具有明显选择性，除圆顶珠蚌中Zn元素在组织间含量趋势为外套膜>内脏团>斧足外，巢湖4种蚌体中5种微量元素含量趋势均为内脏团>外套膜>斧足，这与学者们[20-21]的研究结果一致. 内脏团中的肝胰脏是对外源污染物进行代谢的重要器官，重金属及类重金属等污染物通过消化道后，最终体内运输到肝胰脏参与代谢并大量蓄积[22]. 蚌类中各微量元素含量变化表现出组织特异性[23]，这可能与蚌体组织间金属硫蛋白含量的差异[24]有关.

本研究中不同蚌类对同一元素的富集能力存在明显差异，这与庞艳华等[25]的研究结果一致. 在毕士川等[26]对上海市场不同水产品中Pb含量的调查结果中，未发现有对Pb特别富集的品种，不同科间Pb含量没有明显差异，而本研究通过表2发现，扭蚌各组织中Pb含量均最高，通过对比不同蚌类中Pb含量发现，即便是扭蚌含量最低的斧足中的含量也高于其他蚌类含量最高的内脏团中的含量，说明扭蚌对Pb的富集程度相比于其他3种蚌类是最高的，与其他3种存在显著差异(P<0.05). 赵卫红等[27]研究发现微黄镰玉螺中Pb通过渗透作用进入体内，而扁玉螺中Pb则是通过呼吸作用进入体内，由此认为不同贝类对同种重金属的富集机制不同. 霍礼辉等[28]在探究重金属对贝类金属硫蛋白的诱导作用时也表明不同金属的亲和能力不同，双壳贝类对Pb的浓集系数较高，并且与种类及组织器官功能的差异相关. 本研究中扭蚌体内较高的Pb含量也可能是由于扭蚌对Pb的富集机制以及Pb对扭蚌体内金属硫蛋白的诱导作用不同于其他3种蚌类导致的.

通过对比前人对巢湖各河口沉积物[29]、水体[30]重金属研究的数据发现，在重金属及类重金属污染最重的南淝河河口附近的13号点仅采集到圆顶珠蚌，可能是因为水体重度污染不利于蚌体存活，并且蚌体内Zn、Pb含量均较高，在派河、裕溪河、白石天河等污染程度依次减弱的河口采集到的蚌体内各微量元素含量也呈现递减趋势. 在裕溪河、柘皋河、十五里河、白石天河、杭埠河等污染程度总体呈现出依次减弱的河口，褶纹冠蚌、扭蚌和三角帆蚌中各微量元素含量也呈现出逐渐降低趋势，表明不同样点间的蚌体内微量元素含量高低与沉积物及水环境中微量元素含量在空间上的高低趋势一致，可能是因为蚌体多从水中浮游植物以及沉积物中通过食物摄取微量元素[31]，因此蚌类可作为指示生物，监测水生生态系统微量元素含量变化，这种生物监测相比于直接通过水或沉积物检测，更具经济效益，规避了通过水及沉积物检测过程中波动大、含量低、反应不及时等问题[32]. 蚌体内的微量元素富集同时受生物因子(如年龄、种类、性别、食物种类等)[33-34]和非生物因子(如温度、pH、盐度等)[35-36]影响. 本研究中，蚌体微量元素含量的种间差异大于同一种类微量元素含量的空间差异(表3)，元素Cd、Pb的种间差异均表现为差异极显著(P<0.01)，然而因样品量不足的限制，试验中未考虑蚌体年龄差异、性别等的影响，后续仍需进一步研究.

表4 巢湖4种蚌类微量元素含量(mg/kg(ww))*

*GB 2762—2017规定Cu、Zn不再作为污染物指标；数据已转化为湿重(ww).

蚌类中绝大部分可食用，随着社会发展和人类需求的增加，蚌体养殖及捕捞日益普遍，使得蚌类成为常见的水产品之一[37]. 根据GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》中规定的水产品可食用部分污染物限量标准(湿重，ww)，Pb≤1.5 mg/kg 、Cd≤2.0 mg/kg(去除内脏)、无机砷(As)≤0.5 mg/kg(总砷含量无限定标准)，据表4可知，本研究中4种蚌类Pb和Cd的含量均未超标，总As含量均超出无机砷限量标准，然而无机As占总As含量的2%[38]～42%[39]，据此比例，四种蚌类无机砷含量均未超标，但三角帆蚌和圆顶珠蚌中As含量相对较高，无机砷最大值可能达到0.36～0.37 mg/kg，考虑到As在人体内不易代谢，容易造成蓄积，可能会导致人体内As含量超出限量标准，因此不建议大量食用.