大陈岛海域不同年龄褐菖鲉对重金属富集作用研究

2022-11-04黄宏郑欣芸李迎东赵旭俞锦辰汪振华

生态环境学报 2022年9期

黄宏，郑欣芸，李迎东，赵旭，俞锦辰，汪振华

1.上海海洋大学海洋生态与环境学院，上海 201306；2.上海海洋大学海洋牧场工程技术研究中心，上海 201306；3.中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200082

重金属是海洋环境中常见的污染物，在环境介质中具有分布广、残留久、易通过生物富集的特性，同时高频率的重金属污染事件，使得重金属污染成为多种生态系统面临的严重问题（赵胜男等，2013）。重金属具有从环境到生物的迁移性和毒性，并会通过食物链进入人体，会对人类健康造成极大危害（孔明等，2015）。生物体内重金属富集受到栖息环境、生理结构、生活习性、生长年龄、重金属理化性质及赋存形态等多方面的影响（张柏豪等，2021）。

大陈岛海域位于浙江省东南部外侧海区，是著名的渔场之一。近年来，由于人为活动的干扰，大陈岛海域渔业资源较大幅度减少。随着大陈岛蓝色海湾生态修复工程的实施，大陈岛海域的生态资源、环境保护以及水产品的食用安全开始受到关注（吴常文等，2002）。褐菖鲉（Sebastiscus marmoratus）为暖温性底层肉食性本土栖居鱼类，生活在近海底的岩礁区域（汪振华等，2019），活动范围较小，通常在2 km范围之内（吴常文，1999）。同时褐菖鲉在大陈岛及邻近海域，是渔民刺网和延绳钓作业的主要渔获物之一。国内外对于褐菖鲉的生理、摄食生态等研究已较系统（He et al.，2012；王志铮等，2002；吴祖立等，2012；薛彬等，2017），但结合褐菖鲉的生活习性与栖息环境，探讨不同体长、年龄褐菖鲉体内重金属的富集特征研究尚未见报道。因此，本研究通过测定大陈岛海域海水及不同生长阶段褐菖鲉体内重金属含量，分析介质及生物体内重金属富集特性，评价其食用安全性，对于该海域环境保护、水产品捕捞及食用健康管理具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与预处理

于2019年12月、2020年9月、2021年1月和2021年4月，共4个航次分别对大陈岛海域海水、生物样品进行采样。海水样品采集按照海洋监测规范，并结合水文数据与大陈岛海洋牧场建设规划设置站位 17个；生物样品采集是基于拖网、刺网、延绳钓等作业方式的可操作性与褐菖鲉生活习性等综合考虑设置采样站位10个。水样及生物样品具体采样站位如图 1所示。样品的采集、运输及储存均严格按照《海洋监测规范》（GB 17378.4—2007）进行。取样工具和样品储存的容器均提前按照重金属检测分析的质量控制标准进行预处理。表层、底层海水分别在海面下约0.5 m与距离海底0.5 m采集，水样抽滤后滴加HNO3（优级纯）酸化（pH＜2）装入聚乙烯样品瓶中；生物样品采集后立即带回实验室，测定并记录生物学数据，然后经去鳞、去皮洗净等预处理后，取肌肉组织装入样品袋冷冻保存待用。

图1 大陈岛海域调查采样点位示意图Figure 1 Location map of sample sites in Dachen Islands sea area

1.2 样品处理与分析

海水样品：Hg和As采用原子荧光法、Zn元素采用火焰原子吸收分光光度法、Cr、Cd、Pb和Cu采用无火焰原子吸收分光光度法进行测定（Silva et al.，2020）。处理与分析过程严格按照《海洋监测规范》（GB 17378.4—2007）（中国国家标准化管理委员会，2007），采用标准空白、样品空白、标准样品进行质量控制。平行样品测定的标准偏差低于5%。

生物样品：带回实验室后，经过-80 ℃冷冻干燥后用玛瑙研钵研磨。准确称取研磨后生物样品0.5000 g（±0.0005 g），装入消解罐中，并加少许超纯水使样品湿润，加入8 mL硝酸、4 mL过氧化氢后于微波消解仪（MDS-6G，上海新仪微波化学科技有限公司）消解，消解过程参考黄宏等（2016）的研究方法。将消解液置于恒温电加热板上赶酸，待有大量白烟冒出，液体近干时取下，待消解液冷却转移至25 mL比色管并定容。同时取超纯水进行空白对照实验。

Cu、Zn、Pb、Cd和Cr元素的测定采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，美国 Perkin Elmer）；As和 Hg的测定用双道原子荧光光度计（AFS-9770，北京科创海光仪器有限公司）。样品分析过程中采用国家标准（CBW07309）规定的标准物质进行质量控制，平行样的误差低于 5%，各元素的回收率均在80%—120%以内。

1.3 污染评价方法

1.3.1 重金属污染评价

对褐菖鲉肌肉组织的重金属污染程度评价选择单因子污染指数法和综合污染指数法（冯长君等，2009），其计算公式为：

式中：

Pi——重金属i的单因子污染指数；

Ci、C0——重金属i实测值和标准值（mg·kg-1），评价标准参考GB 2762—2005《食品中污染物限量》（中华人民共和国卫生部，2005）和NY 5073—2006《无公害食品水产品中有毒有害物质限量》（中华人民共和国农业部，2006）中的标准限值（As=0.1、Hg=0.5、Cd=0.1、Cu=50、Zn=0、Pb=0.5、Cr=2.0）。评价标准：Pi≤0.2 时，表示无污染；0.2＜Pi≤0.6 时，表示轻度污染；0.6＜Pi≤1.0 时，表示中度污染；Pi＞1.0时，表示重度污染（田林锋等，2012；罗钦等，2020）。

综合污染指数（PCi）全面反映多种重金属污染物的协同作用，更突出高浓度重金属对鱼类的影响，计算方法为：

式中：

Pi,max——所有重金属污染指数中的最大值。评价标准：PCi≤1.0 时，表示无污染；1.0＜PCi≤2.0 时，表示轻度污染；2.0＜PCi≤3.0时，表示中度污染；PCi＞3.0时，表示重度污染（王丽等，2017）。

1.3.2 生物富集因子

重金属富集系数是指生物某一组织的元素含量与环境介质中相应元素含量之比，是衡量生物将重金属吸收至体内能力大小的一个重要指标（段晨松等，2019）。常常采用生物富集因子（BCF，bioconcentration factor），即重金属在生物体内浓度与水体中浓度的比值。若BCF＞1，称为生物具有正富集作用（刘金虎，2013）。

式中：

ρi——生物体内重金属的实测浓度；

ρw——海水中重金属的实测浓度，μg·L-1。

1.4 鱼类生物学参数计算方法

1.4.1 鱼体肥满度

本研究采用鱼类样品的个体体长（L，cm）、年龄（冬龄）及肥满度（Condition factor，K）作为生长指标。K计算方法如下（李朝文等，2018）：

式中：

m——鱼类个体的体质量，g。

1.4.2 褐菖鲉鱼龄估算

鱼类体长和年龄的关系是判断褐菖鲉生长发育的重要指标。估算褐菖鲉的年龄并探究其与重金属元素富集程度的关系是具有重要意义的，褐菖鲉生长速度较为均匀，参照（李朝文等，2018）的研究，采用von Bertalanffy生长方程描述褐菖鲉的生长规律。褐菖鲉年龄与体长的生长公式为：

式中：

A——褐菖鲉的年龄；

L——褐菖鲉的体长cm（生物学数据来自2019年12月—2021年4月在同一研究区域4次调查捕获的所有褐菖鲉，共计553尾，其中成鱼239尾，幼鱼314尾，成鱼幼鱼比例约为1∶1.31。体长范围3.9—19.3 cm，平均体长10.2 cm，标准偏差21.11。体质量范围2.39—142.62 g，平均体质量35.39 g，标准偏差 21.08）。通过计算、拟合得出研究海域褐菖鲉的生长参数分别为L∞=29 cm，k=0.31，t0=-1.029（L∞表示褐菖鲉的渐近体长；k表示褐菖鲉生长曲线的平均曲率；t0则表示褐菖鲉的理论生长起点年龄）。文献记载褐菖鲉一般成熟年龄为1龄左右（吴常文，1999）。

1.5 数据处理

应用SPSS 25.0完成各项指标的Pearson相关性分析（双尾，P＜0.05），用Origin 2018、Excel软件进行插图、表格绘制。褐菖鲉的生长参数和拟合生长曲线应用FiSAT软件进行。

2 结果与讨论

2.1 大陈岛海域海水中重金属污染评价

在各个采样站点采集到的海水样品及生物样品的测定结果如表1所示，大陈岛海域表层海水、底层海水中Cu、Zn、Pb、Hg、Cr、Cd和As 7种元素含量均优于国家二类海水水质标准（GB 3097—1997）（国家环境保护局等，1997），总体上呈现 Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg。表层海水与底层海水中重金属含量总体差异较小，表层海水中Cr、Zn和As的含量略高于底层海水，其余4种重金属则表现为底层海水中含量略大于表层海水。且大陈岛调查海域水流较为湍急，海水混合较均匀，不同站点海水中重金属环境空间差异性不显著。另外，褐菖鲉虽然属于活动区域较小的栖居种鱼类，但其为游泳生物，具有一定的活动范围，所以本文选用海水重金属的平均值进行污染评价和生物富集因子计算。

表1 大陈岛海域褐菖鲉肌肉组织、海水中重金属质量分数Table 1 Contents of heavy metals in muscle and seawater of Sebastiscus marmoratus in Dachen islands sea area

2.2 褐菖鲉年龄-体长关系

图2拟合了褐菖鲉体长与年龄的关系，由图可知褐菖鲉年龄与体长相关性为极显著（P＜0.005）。且从图2可知，褐菖鲉幼年生长速度较快，体长增长速度较快，故图中左下角坐标点较离散。成年后褐菖鲉生长速度逐渐减慢，体长增长速度逐渐缓慢，故图中右上方又呈现出较离散的趋势。

图2 褐菖鲉体长-年龄关系Figure 2 Relationship between body length and age of Sebastiscus marmoratus

2.3 重金属富集量与褐菖鲉生长参数的关系

表2为褐菖鲉肌肉中不同重金属含量与生长参数的相关性情况。Hg与体长、年龄呈显著正相关，而 As、Cu、Zn和 Pb的含量与体长、年龄呈负相关；Cr与体长、年龄相关性不显著。各体长与年龄组褐菖鲉肌肉中重金属含量与其肥满度无显著相关性。

表2 褐菖鲉肌肉中重金属质量分数（湿质量）与体长、年龄及肥满度的相关性Table 2 Correlation analysis of heavy metals among fish length, age and condition factor of Sebastiscus marmoratus

利用调查海域不同站点海水中重金属含量平均值，计算得到不同年龄组褐菖鲉生物富集因子BCF。图 3比较了不同年龄组褐菖鲉对重金属富集能力（lgBCF）。从图3可知，不同重金属富集能力存在显著差异。Cr在各个年龄组的褐菖鲉肌肉中富集能力最低；＜1.2龄的褐菖鲉对Cu富集能力最高，而≥1.2龄褐菖鲉对Hg富集能力最高。随着体长的增大，褐菖鲉肌肉中 As、Cd、Cu、Zn、Pb、Cr含量呈现减少趋势，而Hg却随着体长增大而增加。

图3 不同年龄褐菖鲉体内重金属的生物富集因子Figure 3 Bioaccumulation of heavy metals in Sebastiscus marmoratus at different ages

不同重金属在褐菖鲉体内富集能力的差异性可能主要与食性和体内代谢机制有关。王凯等（2010）研究发现不同年龄褐菖鲉的摄食种类存在较大的差异性，年龄较小的褐菖鲉更多选择摄食虾类、蟹类、端足类，而成年褐菖鲉的主要摄食对象为鱼类。樊伟等（2017）监测了绍兴市不同种类水产品中重金属的含量，发现Cd、As和Pb的含量大小顺序为：头足类＞甲壳类＞鱼类。施进（2012）对舟山地区海产品重金属污染风险评价结果表明，Cd和Pb的含量呈现出贝类＞头足类＞蟹类＞虾类＞鱼类的规律，As和Hg在贝类中含量大于头足类和鱼类。李婷飞（2019）检测了台州市椒江区多种水产品中Pb和Cd含量，结果也表现为双壳类＞甲壳类＞鱼类。杨玉峰等（2021）在对粤港澳大湾区典型鱼类体内重金属特征研究中也得出Cd含量为底栖动物食性鱼类最高，杂食性鱼类次之，游泳动物食性最低。旷泽行等（2021）在对海南岛昌化江河口海域的生物进行重金属富集特征研究时总结出该海域重金属的平均含量表现为甲壳类＞双壳贝类＞鱼类。因此以虾类、蟹类、端足类等为食的幼鱼体内重金属含量高于食用鱼类的成鱼。

因为褐菖鲉的活动范围较小，不同生长阶段的褐菖鲉个体所处的外界环境相差不大，但处于不同生长年龄的褐菖鲉习性、生理代谢活动强度相差甚远（张雅芝等，1993）。因此，褐菖鲉生长发育阶段和生命活动是决定重金属在褐菖鲉肌肉组织中富集的重要因素。相关文献表明，不同生长发育阶段的生物体对Hg的富集能力存在着较显著的差异性。刘金虎（2013）在对莱州湾多相介质中重金属的迁移与富集中指出，Hg与蛋白质胱氨酸上的巯基有较强的亲和作用，会随着鱼类个体的生长通过呼吸、渗透、食物累积等方式进入鱼体并吸附在蛋白质上。同时由于Hg在鱼体内具有较长的生物半衰期，进入鱼体内的Hg会不断在体内累积。所以Hg的富集量与鱼类个体大小（体长、体质量）通常呈正相关。韦丽丽等（2016）通过检测也发现三峡库区中翘嘴鲌Culter alburnus和鲇Catfish会随着生命活动不断吸收Hg，导致体内的Hg浓度与其相应体长、体质量呈显著性正相关。Dave et al.（1991）、张莲英等（1997）也得出相似结论。

Cu和Zn都是生命必需元素，在维持褐菖鲉的生长发育以及繁殖等生理过程中起到了重要作用。近年来，国内外关于Cu和Zn富集水平与生长关系的研究有较大差异性。Anan et al.（2005）在对里海拟鲤Rutilus rutilus的研究中发现，其肌肉组织中Cu、Zn含量与体长、体质量呈负相关；而Yousuf et al.（2000）在对乌帽龙占鱼Lethrinus lentjan的研究中发现其Cu、Zn含量与年龄呈正相关。大量的Cu和 Zn会随着生理生命活动被消耗从而逐渐稀释。幼年褐菖鲉生理活动、代谢活动都比成鱼更加频繁，对Cu、Zn的吸收及利用能力更强。随着褐菖鲉生长发育逐渐成熟，Cu、Zn吸收与利用速度将会低于褐菖鲉生长发育的速度，从而呈现出与年龄、体长呈现负相关的现象。

2.4 不同年龄褐菖鲉重金属污染及风险评价

鱼类肌肉是人类常见的优质蛋白来源，比较大陈岛海域褐菖鲉肌肉中重金属的含量与《食品中污染物限量》和《无公害食品水产品中有毒有害物质限量》中的标准限值，探讨其食用安全性有着重要的现实意义。如表3所示，褐菖鲉肌肉中各种重金属含量差异较大，其中生命必需元素Cu和Zn含量较高，主要因为生物体对Cu、Zn的吸收富集比其他重金属元素强。其余5种重金属含量较低，但检测的7种重金属含量均未超过相关标准中对鱼类的限值标准。但单项污染指数Pi的评价结果显示，褐菖鲉幼鱼肌肉中As、Cd的单因子污染指数大于0.2，综合污染指数小于 1，表明褐菖鲉幼鱼肌肉组织中As和Cd存在轻度的重金属污染。褐菖鲉成鱼肌肉中重金属的单项污染指数均小于 0.2，且综合评价指数也小于 1，说明成年褐菖鲉受到重金属污染的风险较低，食用安全性较高。因此建议捕捞或食用成年褐菖鲉。