基于物种敏感性分布的湛江湾重金属生态风险评价

赵佳林 胡春景 胡春歧 张大胜 刘景超

摘要：准确评估海湾重金属污染引起的水生生物安全问题，对于防范化解海洋生物生态风险具有十分重要的现实意义。以中国典型海湾——湛江湾为例，利用2015，2017年和2018年调查的近海岸水体6种重金属（Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg）含量数据，采用污染指数法、相关性分析法、物种敏感性分布法对湛江湾海域的污染程度及其生态风险进行评价。结果表明：2015年36.4%的水样中Hg含量达到三类海水质量标准限值，其他年份海水水样中的重金属含量均低于二类海水质量标准;2015年湛江港贝类体内As含量高于中国海洋生物质量一类标准但小于二类标准，菲律宾蛤仔体内Pb的含量高于一类标准小于二类标准;Cd，Cu，Zn等重金属仍然对藻类和甲壳类等敏感性生物具有毒理效应，最高达选择物种的4%。研究结果可为湛江湾环境保护措施和海洋生物多样性保护提供科学依据，同时拓展了物种敏感性生态风险评价的应用范围。

关 键 词：重金属; 水质评价; 生态风险评价; 物种敏感性分布; 湛江湾

中图法分类号： X55   文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.009

0 引 言

重金属具有毒性大、难降解、易被底泥吸附、易产生复合污染效应并可通过食物链富集放大等特点，部分重金属（如Hg，Cd，Pb等）还是环境内分泌干扰物的重要组成部分，被认为是危害水体生物的主要特征污染物之一，属于典型的优先控制污染物[1-3]。在过去的几十年里，沿海地区工业化和城市化的进程加快，受人类活动影响大量重金属排入近海水域中[4-6]。而海水是海洋水体重金属主要承载介质，同时也是海洋生物栖息繁衍主要场所[7-8]。当海水重金属浓度超过一定限值会对鱼类、贝类等海洋生物的生长、发育和繁殖产生不利影响，甚至可能通过食物链富集危害人体健康[9]。然而，当前开展的人类活动对近海海洋环境的影响主要侧重于污染和健康风险方面，较少关注物种尺度的生态风险。

湛江湾属于中国南部的半封闭浅海，周边分布着特呈岛海洋保护区、湛江南三岛鲎类自然保护区、雷州湾农渔业区等数十个生态保护区，由于其特殊地理位置，湛江湾的海洋生态保护尤为重要。不同学者对湛江湾近海岸水体重金属开展了研究，但大部分侧重于海水、沉积物、生物体内重金属的特征研究，缺乏从生态系统角度研究重金属污染的生态风险。

物种敏感性分布（Species Sensitivity Distribution，SSD）是近年来快速发展的一种生态风险评价方法[10]。物种敏感性分布是描述生态系统中不同生物对致毒物敏感性差异的评价方法，于20世纪70年代被提出，已被广泛应用于种群或群落尺度上的生态风险评估。SSD通过拟合毒理数据的累积概率，计算危害5%生物的环境浓度（5% Hazardous Concentration，HC5），据此建立水质基准值。另外，SSD也被用于概率风险评估，结合环境暴露分布，建立联合概率曲线，更好地描述暴露和效应超出概率，进行整体风险评估[11]。与以往确定性生态风险评价方法不同，物种敏感性分析法基于概率定量描述环境暴露和生态系统风险之间的关系，更具有科学性[12]。目前，主要在淡水河流和湖泊中开展基于物种敏感性的生态风险评价，而在海湾环境系统中开展的较少。

因此，本次研究通过调查2015～2018年湛江湾海水中6种重金属（Cu，Zn，Pb，Cd，As，Hg）的含量，分别利用污染指数法、相关性分析法、差异性分析法、物种敏感性分布法等方法来研究：① 湛江湾海水重金属空间分布;② 2015～2018年湛江湾海水重金属时空变化规律;③ 湛江湾海水中重金属物种尺度上的生态效应，旨在为湛江湾生态环境保护提供科学依据的同时，为海湾物种尺度生态风险研究提供新思路。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

湛江湾（20°54′～20°24′N、110°18′～110°39′E）位于廣东省西南部，如图1所示。湛江湾属于溺谷型海湾，受南三岛、特呈岛、东山头岛、东海岛、硇洲岛环绕形成天然的深水港湾。湛江湾主要接纳遂溪的来水，并有几十条小溪注入。湛江湾属于亚热带气候，温差变化不大，年平均温度为23.2 ℃、年平均降水量1 567.3 mm。湛江湾属于不规则半日潮型，平均低潮位1.33 m、平均高潮位3.20 m，平均潮差2.41 m。

1.2 样品采集与分析

海水采样层次按2 L玻璃水样采集器进行采集，海水表层样品采集深度10 m;海水中层样品采集深度15 m;海水底层样品采样深度20 m。沉积物使用抓斗式采集器进行采集，采集的表层样深度0～5 cm。采集器和样品瓶的选择与使用、采样方法、样品采集、质量控制与现场测定及样品的保存与运送等按照GB 17378-2007《海洋监测规范》和GB/T 12763-2007《海洋调查规范》的要求进行。将采集的水样使用HNO3进行热消解，采集的沉积物样品在105 ℃烘箱内进行烘干，过100目筛后进行热消解，As和Hg使用原子荧光法进行测定，Cd，Cu，Pb和Zn使用电感耦合等离子体质谱法进行测定。

1.3 毒理数据分析

重金属元素对水生生物的毒理数据源于美国EPA相关网站（https：∥cfpub.epa.gov/ecotox），选取As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn 6种重金属在海水介质中暴露时间小于10 d的半致死浓度（LC50）或半效应浓度（EC50）的毒理数据。当一个物种有多个毒理数据值时，用该组数据的几何平均值作为该物种的毒理数据。经处理As，Cd，Cu，Hg，Pb和Zn 6种重金属共包含222组毒理数据。为了研究不同重金属对全部海洋生物的影响，分析时毒理数据不按物种进行分组。各重金属包含的物种毒理数据和获得的数据量如表1所列。

1.4 重金属污染评价方法

1.4.1 单因子指数法

2 结果与讨论

2.1 重金属污染特征

图2为重金属单因子指数评价法的评价结果。除2015年36.4%的水样中Hg含量达到三类海水质量标准外，2015，2017，2018年3次采集的湛江湾海水水样中6种重金属均满足二类海水质量标准。2015年Hg的单因子指数值介于0.55～1.31，平均值为0.95，在C3、C4、C5、C6、C14、C15、C18和C21等站位的单因子指数值大于1，可以看出三类海水水质区主要分布在沿海岸线区域。总体来看，Cu，Hg和Zn的单因子指数值相对较高，其中2015～2018年Cu，Zn含量呈上升趋势，Hg含量呈先下降后上升趋势，均属于需要重点关注的重金属污染物。从水质综合情况来看，2015，2017，2018年WQI值分别为0.25，0.09，0.29，水质整体处于良好状态，且湛江湾近海海域水质总体优于湾内水质。

由于2015年和2017年冬季调查点位分别分布在湛江湾内和近海海域，而2018年夏季调查点位覆盖了整个湾内和近海海域，因此以2015年和2017年采样数据代表湛江湾冬季海水重金属含量数据集，以2018年采样数据代表湛江湾夏季海水重金属含量数据集，通过相关性分析大致了解湛江湾夏冬季海水中重金属的来源。由表2可知，冬季海水中Pb-As（0.483）、Hg-Cd（0.812）呈极显著相关（P<0.01），Cu-As（0.394）、Zn-As（-0.383）呈显著相关（P<0.05）。夏季海水中Zn-Cd（0.576）、Zn-Cu（0.656）、Zn-Pb（0.741）呈极显著相关（P<0.01），Cu-Cd（0.516）、Pb-Cd（0.463）、Pb-Cu（0.522）呈显著相关（P<0.05），而As、Hg与其他重金属之间无显著相关性。通过比较分析发现，夏冬季海水中Cu、Pb、Zn浓度之间均存在相关性，说明这3种重金属具有同源性或相同的地球化学过程。冬季海水中Hg和Cd也可能具有相同的来源。湛江湾位于湛江市东部，被湛江市城区（赤坎区、霞山区、坡头区、麻章区）包围。陈士银等[18]研究表明，湛江城区经济密度为25.3万元/hm2，远高于周边县区;人口密度975人/km2，仅次于吴川县（1 086人/km2）;农业用地、耕地、建设用地和交通用地的利用效率均是湛江市最高。可以看出，湛江城区土地利用强度非常高。尤其是2014年以后人类活动强度日益加大，2015年湛江市生活污水排放量达153.2万t/d，而2015年湛江市污水处理场实际处理能力为46.38万t/d[19]。湛江市主要入海排污口共57个，工业排污口19个，市政排污口19个，通过河流进入湛江港的污染物占96%[20]。周边污水、工农业废水、水产养殖废水排入湛江湾及其临近海域的废水量不断增加，这可能是造成湛江湾重金属富集的主要原因之一。

表3比较了中国部分海域海水重金属含量与湛江湾海水重金属含量。可以看出，与中国其他海湾海水重金属含量相比，湛江湾重金属浓度水平总体较低，可能是由于湛江湾周边保护区的设立，降低了人为活动对湛江湾海域水质的影响，污染源也随之减少，保护了湛江湾海洋生态环境。与广东省其他海域进行对比，大亚湾的Pb含量相对较高，北部湾的As含量相对较低，其他重金属含量与湛江湾类似，珠江河口的重金属含量普遍高于湛江湾。可见广东省各海域水体重金属含量相近，这与政府的统一管理以及区域海洋环境的相似性有着密切联系。

表4为2017年与2018年湛江湾沉积物中6种重金属含量及分布情况。6种重金属含量从大到小依次为Zn>Pb>Cu>As>Cd>Hg，与GB 18668-2002《海洋沉积物质量》中一类标准进行对比，各项重金属均未出现超标现象，与刘芳文等[28]的研究结果一致。沉积物中重金属的分布和累积特征与海岸水动力条件、沿海生活污水排放、沿海工业废水排放等因素有关。

2015年生物体内各重金属含量如表5所列。贝类体内各污染物平均含量Zn>Cu>As>Pb>Cd>Hg，甲壳动物体内各污染物平均含量Zn>Cu>As>Cd>Pb>Hg，鱼类体内各污染物平均含量Zn>Cu>As>Cd>Pb>Hg。菲律宾蛤仔体内Hg含量明显高于其他物种，体内其他重金属含量与其余贝类物种相近。虾蛄体内的Cu的含量明显高于其他物种，体内其他重金属含量与其余贝类物种相近。Cu和Zn是生物体内必需的微量元素，所以其在生物体内的含量高于其他重金属。Pb和Hg为非生命体所必须的，所以其在生物体内的含量相对较低。将贝类体内各重金属含量与GB 18421-2001《海洋生物质量》中的贝类标准进行对比发现，湛江港贝类体内As含量高于一类标准小于二类标准，菲律宾蛤仔体内Pb的含量高于一类标准小于二类标准。其余重金属指标符合标准要求，将甲壳动物和鱼类体内重金属含量与《第二次全国海洋污染基线调查技术规程》中的标准进行对比，发现甲壳动物与鱼类体内重金属含量均符合标准要求。

2.2 物种敏感性分布评价结果

如图3所示，利用澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO推出的BurrlizO软件构建物种敏感性分布曲线，得出重金属对应的HC5、PAF和msPAF值。不同重金属对淡水生物产生的HC5值各不相同，HC5值越大说明重金属的生態风险越低，反之亦然。结果显示，6种重金属HC5值处于0.011 7～0.270 0 mg/L之间，从大到小为Pb>As>Zn>Cu>Cd>Hg。在相同暴露浓度下，Hg影响的全部物种比例最大，对水生生物的生态风险最大;Pb影响的全部物种比例最小，即生态风险最小。HC5值也反映了水生生物对重金属浓度的敏感性差异，HC5值越小说明水生生物对重金属浓度的变化越敏感。Cd、Cu和Hg的HC5值均小于40 μg/L，其浓度变化对湛江湾水生生态系统影响较大;而Pb和As对水生生态系统的影响则相对较小。

由表6物种敏感性分布分析结果可以看出，湛江湾海水中主要生态风险来源是Cd、Cu、Zn。由图3可以看出：甲壳动物和鱼类对于Cd的耐受能力相对较弱，鱼类和藻类对Cu的耐受能力较弱，鱼类和甲壳类对Zn的耐受能力相对较弱。因此需要加强鱼类、甲壳类和藻类等水生生物的重点关注和保护。

2015年Cd和Zn的影响物种占比为1%，复合影响物种占比为2%。2018年Cu影响物种占比为1%，Zn影响物种占比为3%，复合影响物种占比为4%。同时从表6中也可以看出2015，2017年和2018年海水中的As、Hg和Pb的影响物种占比为0%，由此可见，As、Hg和Pb对湛江湾水生生物影响相对较小。从时间变化上来看，各重金属危害比例变化较为平稳，2015，2017，2018年复合危害比例分别为2%，0%，4%，仅对海洋中少量生物的生存产生影响。然而对Cd、Cu和Zn耐受能力相对较差的部分鱼类、甲壳类和藻类生物的生态风险仍不可忽略。胡利芳等[29]在对湛江湾天然养殖牡蛎重金属含量研究时发现，养殖区的牡蛎已经受到As、Cu、Zn 3种重金属的污染。陈清香等[30]对湛江湾19种贝类食用部位重金属含量进行了分析，发现贝类受As和Cd污染已相当严重。同时，重金属作为一种难以被生物利用的污染物，会随食物链在生物体内富集，对整个区域的海洋环境构成潜在威胁。

3 结 论

（1） 湛江湾海水中典型重金属的水质评价结果较好，除2015年部分样点Hg含量超标外，其余点位未出现超标现象。同时，与中国其他海湾海水重金属调查数据相比，湛江湾海水重金属的含量较低。此外，海水中Cu、Pb、Zn之间存在相关性，说明这3种重金属具有相似的地球化学来源和行为。湛江港贝类体内As含量高于中国海洋生物质量一类标准但小于二类标准，菲律宾蛤仔体内Pb的含量高于一类标准小于二类标准，其余重金属指标符合标准要求。甲壳动物和鱼类体内重金属含量均低于第二次全国海洋污染基线值。

（2） 尽管湛江湾海水水质评价和海洋生物质量评价结果较好，但利用物种敏感性分布法对重金属的生态风险评价结果显示，Cd、Cu、Zn等重金属仍然对藻类和甲壳类等敏感性生物具有毒理效应。而且这些重金属的复合生态毒理效应最多达选择物种的4%。总体而言，湛江湾海水重金属产生的湛江湾海洋生态系统的风险较小，但呈现上升的趋势，应继续对湛江湾的海水水质和生态风险进行监测评价。

本研究成功将物种敏感性生态风险评价方法应用于海湾海洋环境中，获得了物种尺度的重金属污染生态风险，进一步拓展了物种敏感性生态风险的应用范围，同时推动海湾生态风险评价的精准化，为海湾环境保护和海洋生物多样性保护提供科学依据。

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（编辑：谢玲娴）