背角无齿蚌幼蚌对水体铜的吸收特征研究

刘凯, 陈修报, 刘洪波, 姜涛, 杨健,,*

背角无齿蚌幼蚌对水体铜的吸收特征研究

刘凯1, 陈修报2, 刘洪波2, 姜涛2, 杨健1,2,*

1. 南京农业大学无锡渔业学院, 江苏 无锡 214081 2. 中国水产科学研究院淡水渔业研究中心, 中国水产科学研究院长江中下游渔业生态环境评价和资源养护重点实验室, 江苏 无锡 214081

为了探究在不同浓度铜(Cu)暴露下背角无齿蚌()对水体Cu的吸收特征, 选定对Cu吸收能力更强的幼蚌作为实验对象, 依据Cu对幼蚌96 h-EC50和我国渔业水质标准(GB11607—89)中Cu限量设定5个浓度梯度2.0、1.0、0.1、0.01和0.005 mg·L–1, 进行24 h Cu暴露实验及水体Cu含量测定。结果显示: 随暴露浓度的升高, 幼蚌Cu吸收效率迅速升高, 最高值出现在2.0 mg·L–1暴露组为(0.69±0.11) μg/(g·h); 幼蚌Cu去除率总体呈现出降低趋势, 其中0.005 mg·L–1暴露组去除率最高为84.8%, 1.0 mg·L–1暴露组去除率最低为28.9%。综上所述, 背角无齿蚌幼蚌具有较强的Cu吸收能力, 表明其在淡水渔业水域环境Cu污染防控方面以及开发作为监测评价淡水渔业水域环境Cu污染的模式生物方面具有非常高的应用潜力。

背角无齿蚌; 铜; 吸收效率; 去除率

0 前言

随着现代工业和农业活动越发频繁, 淡水渔业水域环境Cu污染也愈发严峻, 根据《2018中国渔业生态环境状况公报》指出, Cu已经成为我国淡水渔业水域环境中污染形势最为严重的重金属[1]。研究表明水体重金属污染物很容易在水生生物体内积累, 长期积累有可能导致动物生长和繁殖受到抑制甚至引起机体死亡[2-4]。同时, 重金属会随食物链传递影响到整个水生生态系统, 甚至对人类的健康产生威胁[5]。Cu是生物体必需微量元素之一, 它在维持机体正常代谢、生长发育及繁殖机能等方面有不可替代的作用[6]。然而, 过量的Cu积累会对生物造成严重的毒性损伤, 其主要以游离的二价铜离子形式对生物产生毒性损伤, 其可以破坏体内活性氧自由基产生和消除的动态平衡, 引起机体的抗氧化系统紊乱[6-8]。

双壳贝类在水生态系统中发挥着重要的物质循环和能量流动的生态价值[9]。其对Cu等重金属具有较强的吸收能力, 且排除率低(每天的排出率仅为1%—3%)[10], 所以双壳贝类能够高效富集水体重金属污染物, 起到净化水体的作用。双壳贝类对重金属的吸收途径主要有3种[11-12]: (1)通过食物网积累是吸收重金属的主要来源; (2)滤水时, 通过鳃的呼吸作用吸收溶解态金属离子是吸收重金属的重要途经; (3)直接与水体接触的组织通过渗透作用吸收溶解态重金属离子。

背角无齿蚌()在我国淡水渔业水域中广泛分布, 其对重金属具有很强的吸收能力[13-14]。据研究显示, 背角无齿蚌对Cu的富集系数在103—104之间[15], 其对底泥释放的Cu的去除率可达23.5%[16]。背角无齿蚌对Cu、Zn和Cd的吸收效率是三角帆蚌()的1.2、1.9和1.5倍[15]。Brzozowska等[17]研究发现, 经24 h暴露小规格厚壳贻贝()对Zn吸收效率和去除率分别为(0.23±0.09) μg/(g·h)和84.3%, 且吸收效率明显高于大规格厚壳贻贝。本研究拟通过贝类重金属暴露系统对背角无齿蚌幼蚌进行24 h的Cu暴露实验, 以探究在不同浓度Cu暴露下背角无齿蚌幼蚌对Cu吸收效率的影响, 以了解背角无齿蚌对水体中Cu的吸收特征, 为背角无齿蚌更好地发挥生态净水功能, 以及为其作为指标生物在Cu吸收效率和生物积累动力学方面的研究提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 实验动物

本实验所使用的背角无齿蚌幼蚌都采自于中国水产科学研究院淡水渔业研究中心南泉实验基地, 具体人工养殖和水环境条件参考文献[18]。

1.2 暴露实验

由于我国还没有一套完善的可以用于淡水贝类的毒性实验标准的研究方法, 因此本研究参照已经在国际上被广泛认可的美国“Standard guide for conducting laboratory toxicity tests with freshwater mussel”[19]开展Cu对背角无齿蚌幼蚌的毒性暴露实验。在此研究基础上, 本研究参考Brzozowska等[17]的双壳贝类对重金属吸收特征的研究方法, 探究背角无齿蚌幼蚌的Cu吸收特征。

本研究选取大小相近、体表无明显伤痕的1龄幼蚌,壳长(6.4±0.4 cm), 壳宽(2.1±0.2) cm, 壳高(3.8±0.3) cm, 体重(25.1±5.0) g作为实验材料。规格测量方法如图1所示。

实验前先用刷子清洗干净蚌壳的附着物, 然后在实验室水族箱中暂养2周, 使幼蚌适应实验室环境条件, 以防发生应激反应对实验结果造成影响。在实验室暂养期间, 每天投喂一次小球藻(), 投喂量约为4×108个·L–1。暴露实验开始前3天停止投喂。根据笔者实验室前期研究结果, Cu对背角无齿蚌幼蚌96 h-EC50(3.4 mg·L–1)[20], 以及我国渔业水质标准(GB11607—89)中Cu限量(0.01 mg·L–1), 设定5个浓度梯度(0.005、0.01、0.1、1.0和2.0 mg·L–1), 且每组设置3个平行。实验所用Cu溶液均为人工配置软水(硬度40—48 mg·L–1、 pH值7.3—7.5、碱度30—35 mg·L–1)配制。本实验在贝类重金属暴露系统中进行, 以玻璃缸(10 L)为容器, 按照每只蚌500 mL的标准, 在每个缸中加入16只幼蚌, 添加8 L人工配置软水。在实验期间不投喂小球藻, 水温为20±1 ℃、亮暗比为16:8、光强为1000 lux、溶氧量＞5.0 mg·L–1。实验期间检查背角无齿蚌的死亡情况。值得注意的是, 在美国标准中判别幼蚌死亡的依据为5 min之内斧足不伸出运动[19]。然而, 背角无齿蚌幼蚌具有将斧足缩在贝壳内保持长时间不运动的特殊习性, 遇到外界刺激更是采取紧闭双壳的保护措施, 所以上述判别方法对背角无齿蚌幼蚌是无效的[21]。针对此问题, 陈修报等[21]提出以幼蚌双壳张开且用玻璃棒刺激后不闭壳作为死亡标准。该标准在国内[22]、外[23]的贝类毒理学研究均得到认可。在本实验期间无幼蚌死亡。

图1 背角无齿蚌幼蚌规格测量示意图

Figure 1 Schematic diagram for size measurement of juvenile

1.3 水体铜含量的测定

在暴露开始前和暴露24 h时, 用注射器吸取各浓度组30 mL溶液, 通过0.22 μm孔径微孔过滤器进行过滤到特氟隆定容瓶中, 加1.5 mL浓硝酸。使用7500ce型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定初始水样和24 h后各浓度组水样中的Cu含量。以Li、Sc、Ge、Y、In、Bi为内标, 通过标准添加回收确认仪器的测量精度, 初始和24 h后各浓度组Cu的回收率为分别为100.7%和108.4%。实际测得初始水样的Cu浓度为2.1、1.0、0.1、0.01和0.003 mg·L–1, 由于实际浓度和理论浓度总体很接近, 因此, 本研究应用理论浓度。

1.4 铜吸收效率及去除率计算方法

鉴于实验水体中的Cu变化受到环境因素和背角无齿蚌幼蚌共同作用的影响, 使用吸收效率(Uptake Efficiency, UE)[17]和去除率(Removal Efficiency, RE)[24]来反映背角无齿蚌对Cu的吸收效率和去除率程度:

(C– C)()

[(C – C) / C]100%

式中:C为暴露前水体中的Cu含量(mg·L–1),C为暴露24 h后水体中的Cu含量(mg·L–1),为幼蚌湿重(g),为幼蚌个数(个),为暴露时间(h)

2 结果与分析

2.1 吸收效率

图2所示为经24 h Cu暴露, 各浓度组的Cu吸收效率。随暴露浓度的升高, Cu吸收效率迅速升高。在2.0 mg·L–1暴露组的Cu吸收效率最高, 为(0.69±0.11) μg/(g·h)。

2.2 去除率

图3所示为经24 h Cu暴露, 各浓度组的Cu去除率。结果显示, 随暴露浓度升高, Cu去除率总体上呈现出降低的趋势。各浓度组中去除率最高值出现在0.005 mg·L–1暴露组, 高达84.8%, 最低去除率出现在1.0 mg·L–1暴露组仅为28.9%, 约是0.005 mg·L–1暴露组的三分之一。

图2 背角无齿蚌幼蚌经24 h暴露Cu吸收效率

Figure 2 Copper uptake efficiency by juvenileafter 24 h exposure

图3 经24 h暴露背角无齿蚌幼蚌对水体 Cu的去除率

Figure 3 Copper removal efficiency by juvenileafter 24 h exposure

3 讨论

淡水蚌类的生活史包括4个典型阶段: 钩介幼虫、稚蚌、幼蚌和成蚌[25]。它们对Cu的毒性敏感性总体表现为早期阶段(如钩介幼虫、稚蚌)特别敏感, 而后期阶段(幼蚌、成蚌)对Cu毒性敏感性逐渐降低[20,26]。例如, Cu对背角无齿蚌钩介幼虫的24 h-EC50仅为0.082 mg·L[27], 而后期阶段有潜力用于Cu污染监测和生物防控。

背角无齿蚌幼蚌具有较强的滤水效率, 可高达60 L/(kg·h)[13]。研究表明, 双壳贝类对Cu等重金属的吸收能力与浓度和暴露时间直接相关, 在实验条件下双壳贝类对重金属的吸收效率与其水环境中的浓度成正比[29]。结合本研究结果, 随暴露浓度的升高, 吸收效率逐渐升高, 其中2.0 mg·L–1暴露组的吸收效率最高, 为0.69±0.11μg/(g·h), 这正好与先前的研究相吻合。夏天翔等[15]以Cu、Zn和Cd暴露淡水蚌类的实验表明, 背角无齿蚌对Cu、Zn和Cd的吸收效率随各种重金属浓度的升高而升高, 且背角无齿蚌对Cu、Zn和Cd的吸收效率是三角帆蚌的1.2、1.9和1.5倍, 进一步证明了背角无齿蚌在净化水体重金属污染中具有重要的应有潜力。Lecoeur等[29]研究也表明, 经过0—63 d的Cu和Cd暴露, 斑马贻贝()体内的各重金属含量随暴露浓度的增加而增加。综上所述, 背角无齿蚌对Cu具有较高的吸收效率, 而环境重金属浓度是影响背角无齿蚌重金属吸收效率的重要因素。

在本研究中, 0.005 mg·L–1暴露组背角无齿蚌幼蚌对水体Cu去除率最高, 可达84.4%, 但随暴露浓度的升高, 去除率呈现明显降低趋势, 最低值出现在1.0 mg·L–1暴露组, 仅为28.9%, 约是0.005 mg·L–1暴露组的三分之一。夏天翔等[15]在模拟实验中, 也发现了相类似的实验结果。推测可能是由于较低浓度的Cu暴露并不会对背角无齿蚌产生毒性, 背角无齿蚌能够正常呼吸滤水, 导致去除率较高。Tavares- Dias[30]研究发现, 当水中Cu浓度低于0.005 mg·L–1时, 可以促进水产动物的生长发育。而高浓度Cu暴露去除率降低推测可能是因为Cu毒性引起背角无齿蚌应激反应, 双壳紧闭、减少软组织与水体接触面积, 且滤水量下降, 导致Cu去除率降低。研究表明, 当背角无齿蚌受到Cu胁迫后, 会造成背角无齿蚌闭壳肌损伤, 导致其壳缩频率降低, 以及双壳张开幅度变小等行为变化[29-30], 这正好与推测结果相吻合。然而, 从1.0 mg·L–1暴露组到2.0 mg·L–1暴露组Cu去除率又呈升高的趋势, 推测可能是因为2.0 mg·L–1暴露组对背角无齿蚌幼蚌的毒性较强, 而闭壳肌受毒性影响较大, 收缩能力变弱, 双壳不能紧闭, 使得软组织与水体接触增大, 进而导致去除率升高。

背角无齿蚌主要通过摄食、呼吸以及渗透作用吸收水体中的Cu等重金属离子[11-12]。研究表明, 背角无齿蚌对重金属的吸收效率明显高于其他淡水贝类[13]。本研究中, 在高浓度暴露组, 背角无齿蚌同样表现出较高的去除率, 2.0 mg·L–1暴露组的去除率高达40.4%, 而这一浓度与我国许多养殖池塘的Cu浓度相当[31]。因此, 在从事渔业养殖生产时投放背角无齿蚌来控制池塘水体Cu浓度可能是一种有效方式。背角无齿蚌同样也可以有效去除水体中其他重金属。陈修报等[12]在研究背角无齿蚌对大宗淡水鱼养殖水体中重金属的净化效果中发现, 在30 d实验周期内, 其对Al、Cr、Fe、Ni、Zn和Mo的最大去除率分别为63.0%、78.0%、12.7%、100%、80.6%和4.8%。此外, 背角无齿蚌对底泥中的Cu去除率可达到23.5%, 对Al、As、Cr、Co、Mn、Mo和Zn的最大去除率分别为84.7%、50.0%、98.0%、14.3%、33.3%、13.0%和69.4%[32]利用背角无齿蚌和铜锈环棱螺()处理污水处理厂的一级A标出水发现, 其对水体中总磷(TP)、化学需氧量(COD)和氨氮含量(NH3-N)的平均去除率分别为26.10%、22.26%和25.60%, 经净化后的水体透明度明显升高, 水质得到有效改善。卢晓明等[33]同样利用背角无齿蚌和铜锈环棱螺研究发现, 在曝气组中, 背角无齿蚌和铜锈环棱螺对COD、TP、NH3-N和叶绿素a都具有很好的净化能力, 其中叶绿素a的去除率均在90%以上。综上所述, 验证了背角无齿蚌在淡水渔业水域环境中对各种污染物防控的潜力。此外, 海洋贝类也被尝试用于净化水体重金属。单齿螺()对水体Cu表现出较强的去除能力, 最高积累量可达到仅30 mg·kg[17]。水生植物也具有净化水体重金属的能力。田秀芳等[35]研究发现, 凤眼莲()在pH为5.0时, 对Cu、Zn和As的去除率分别为86.3%、83.8%和82.9%。美人蕉()、铜钱草()、风车草()和凤眼莲对Cu去除率依次为87.79%、88.03%、88.55%和98.94%[36], 这与本研究背角无齿蚌幼蚌的Cu最大去除率相当。

4 结论

(1)背角无齿蚌幼蚌Cu吸收效率随暴露浓度的增加而增加, Cu去除率随暴露浓度的增加总体呈现出降低的趋势。

(2)背角无齿蚌幼蚌较强的Cu吸收效率表明其在防控淡水渔业水域环境重金属Cu污染方面以及开发作为监测和评价淡水渔业水域环境Cu污染的模式生物方面具有非常高的应用潜力。

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Study on absorption characteristics of aquatic copper byjuveniles

LIU Kai1, CHEN Xiubao2, LIU Hongbo2, JIANG Tao2, YANG Jian1,2,*

1. Wuxi Fisheries College, Nanjing Agricultural University, Wuxi 214081, China 2. Key Laboratory of Fishery Ecological Environment Assessment and Research Conservation in Middle and Lower Reaches of the Yangtze River, Freshwater Fisheries Research Center, Chinese Academy of Fishery Sciences, Wuxi 214081, China

In order to explore the copper absorption characteristics of, this study was based on the juveniles with higher Cu absorption efficiency as the experimental subjects. Five concentration gradients (2.0, 1.0, 0.1, 0.01 and 0.005 mg·L–1) of aquatic Cu were set according to its 96 h-EC50to the mussels and China Fisheries Water Quality Standard (GB11607-89). This exposure experiment was conducted for 24 h. The results showed that the Cu absorption efficiency increased rapidly with the increase of exposure concentration, and the highest value was (0.69±0.11) μg/(g·h) in 2.0 mg·L–1exposure group. However, the Cu removal rate showed a general decreasing trend, in which the removal rate of 0.005 mg·L–1exposure group was the highest 84.8%, and the removal rate of 1.0 mg·L–1exposure group was the lowest 28.9%. In conclusion, the high Cu uptake efficiency of juvenileindicates that it has a very high application potential in the prevention and control of heavy metal Cu pollution in freshwater fishery waters and in the development of model organisms for monitoring and evaluating the environmental Cu pollution in freshwater fishery waters.

; copper;uptake efficiency; removal efficiency

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.003

S959

A

1008-8873(2024)01-019-06

2021-07-19;

2021-10-12

中国水产科学研究院基本科研业务费(2019GH10); 中国水产科学研究院科技创新团队项目(2020TD18); 国家自然科学基金(31502166)

刘凯(1997—), 男, 山东青岛人, 硕士研究生, 主要从事渔业生态环境评价与保护研究, E-mail: 1753935246@qq.com

通信作者:杨健, 男, 博士, 研究员, 主要从事渔业水域生态环境的评价与保护研究, E-mail: jiany@ffrc.cn

刘凯, 陈修报, 刘洪波, 等. 背角无齿蚌幼蚌对水体铜的吸收特征研究[J]. 生态科学, 2024, 43(1): 19–24.

LIU Kai, CHEN Xiubao, LIU Hongbo, et al. Study on absorption characteristics of aquatic copper byjuveniles[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 19–24.