巢湖表層沉積物與環棱螺重金屬分布特征及生態風險評價

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(安徽大學 資源與環境工程學院，合肥 230601)

巢湖表層沉積物與環棱螺重金屬分布特征及生態風險評價

江江，李玉成，蔣更可，王寧，張學勝

(安徽大學 資源與環境工程學院，合肥 230601)

以巢湖優勢種淡水貝類——環棱螺與表層沉積物為研究對象，采用HNO3-HF-HClO4全消解法消解，然后使用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-AES)對二者重金屬(Cd,Cr,Cu和Pb)的總量分布進行研究，同時運用潛在生態風險指數法及單因子污染指數法與均方根綜合指數評價二者重金屬風險。結果表明:巢湖沉積物均已受到了一定程度的重金屬Cd,Cr,Cu，Pb污染，其中以Cd的潛在生態風險最大，而環棱螺中則以Pb和Cr為高風險元素;重金屬的分布特征和相關性分析顯示，巢湖沉積物中的重金屬來源具有相似性，而環棱螺對重金屬的積累因多種環境因素的綜合作用，使得環棱螺體內的重金屬來源不同。因此，在未來的巢湖環境治理過程中，可著重考慮對重金屬Cd,Cr，Pb的治理，同時應加大對貝類等生物監測措施的應用。

表層沉積物；環棱螺；重金屬；風險評價;巢湖環境治理

1 研究背景

巢湖是安徽境內最大的淡水湖泊，具有航運、漁業、農灌、防洪等多種功能。然而，近年來，隨著巢湖地區工農業快速發展和人口急劇增長，入湖河流帶來了大量的重金屬[1-2]。由于重金屬具有難降解、易積累、毒性大等特點，巢湖水生態系統受到了多種重金屬的污染脅迫。伴隨著水體的污染，日積月累，重金屬元素會在魚類和其它水生生物體內高度地積蓄。對生物體而言，重金屬分為生命必需元素和非生命必需元素。生命必需金屬元素在有機體進行正常生理活動不可缺少，而濃度超過一定閾值也會產生毒害，如銅、鋅等；非生命必需金屬元素不參加生理活動，如少量的鎘就會對生物體產生危害[3]。水生生物在生存過程中，從水、懸浮物、沉積物中吸收養分和生命必需元素，與此同時，非生命必需金屬也被水生物吸收并積累在機體組織中，使原來供人們食用的水產品可能成為濃縮毒物的載體。貝類因其生活在水與沉積物界面上，具有分布廣、行動能力差、生活史長、易于辨認、對污染物有較強的富集能力等特點，是目前國內外公認的比較理想的指示生物[4]。母清林等[5]對浙江近岸海域的9種貝類的重金屬污染進行了研究，發現各種貝類之間的重金屬污染狀況不同。A.R.Melwani等[6]利用加利福尼亞州海域沿岸30多年來的貝類監測數據準確地反映出當地的重金屬和持久性有機物污染的變化趨勢。環棱螺作為巢湖優勢貝類，主要棲居在沉積物中，以攝食沉積物中有機碎屑、細菌和藻類為生，研究顯示，環棱螺對沉積物重金屬脅迫具有較高的敏感性，可以作為一種潛在的淡水沉積物毒性測試生物。

目前，有關巢湖重金屬的研究主要通過水體及沉積物含量和形態的分析來評價重金屬的污染狀況[7-9],但對沉積物和生物體中的重金屬污染進行系統的研究較少。因此,本文擬通過對巢湖的沉積物和優勢種淡水貝類——環棱螺進行取樣，分析重金屬污染及評價其污染生態風險，為人們合理利用湖區生物和湖泊治理提供參考和依據。

2 材料與方法

2.1 樣品的采集

2014年5月，借助 GPS全球衛星定位系統，如圖1共布設16個采樣點(西半湖10個、東半湖6個)，在各采樣點按標準方法采集表層沉積物樣3～4次混勻，使用1/40 m2的彼得遜采樣器采集貝類樣品5次。采獲到的沉積物與貝類樣品分別裝入聚乙烯袋，洗凈標記后運回實驗室，于-80 ℃冰凍保存。

圖1 巢湖采樣點分布Fig.1 Sampling sites in the Chaohu Lake

2.2 樣品的預處理和分析方法

采集的樣品冷凍干燥后，去掉雜物及石塊，經瑪瑙研缽研磨處理，過100目尼龍篩，貯存備用。采集到的環棱螺，按《海洋生物質量監測技術規程》，每個采樣點隨機選取合適數量的環棱螺樣品(殼長為(32.7±3.6) mm)，剖離殼體與軟組織，將樣品軟組織的肌肉和腸溶物部分剝離。每點選用多個個體合并勻漿稱重，冷凍干燥后保存，再稱重，供消解分析，得到各點環棱螺肌肉部分含水率為80.1%～81.2%。

準確稱量0.5 g沉積物、腸溶物和0.25 g環棱螺肌肉樣品，使用HNO3-HF-HClO4全消解方法消解[10]，消解完成以1%HNO3定容至50 mL，使用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-AES)測定重金屬Cd,Cr,Cu和Pb的含量。

采用三平行控制樣品的精密度，平行樣品數不少于測試樣品的10%，分析得到Cd,Cr,Cu,Pb平行樣的相對標準偏差(RSD)分別為8.1%,4.9%,2.9%,3.9%。為控制樣品測試的準確度，樣品測定中帶入1個加標回收分析樣質(GBW07304a)，4種重金屬的加標回收率在88%～107%之間，符合美國EPA標準要求的80%～120%的范圍。

2.3 重金屬的生態風險評價方法

2.3.1 沉積物重金屬

潛在生態風險指數法[11]是利用沉積學原理評價重金屬污染狀況以及對生物的影響。單個重金屬的風險指數其表達式如下：

(1)

(2)

2.3.2 貝類重金屬

對于生物體污染狀況評價，目前國內尚未有權威的評價標準，有學者從不同角度提出了各自的評價方法，本文采用單因子污染指數法與均方根綜合指數進行分析[12]，計算公式如下 ：

Pi=Ci/Si,

(3)

(4)

式中：Pi為單因子污染指數；Ci為樣品中重金屬i的實測含量；Si為重金屬的評價標準值；參比值來源于《無公害食品 水產品中有毒有害物質限量》(NY 5073—2006)和《食品安全國家標準》(GB 2762—2012)中重金屬的限值；PI為某一生物樣品的綜合污染指數；n為重金屬的種類數。

2.4 數據分析

用SPSS18軟件對數據進行處理和分析，并采用ArcGIS 10的地統計模塊對分析結果進行克里格空間插值，繪制沉積物重金屬的空間分布圖。

圖2 巢湖表層沉積物重金屬含量分布特征Fig.2 Spatial distribution of heavy metals in the sediments of Chaohu Lake

3 結果與討論

3.1 巢湖表層沉積物重金屬分布與生態風險分析

巢湖表層沉積物中重金屬含量的空間分布特征見圖2。從圖2可知，巢湖沉積物中重金屬Cd,Cr,Cu,Pb在西半湖含量均高于東半湖，且西半湖均又以北部南淝河口附近區域含量最高。其中重金屬Cd,Cr,Cu,Pb的最高濃度分別為0.303,111.92,37.00,64.76 mg/kg，分別是環境背景值[10]的1.87,1.40,1.16,2.23倍，表明巢湖已經受到了一定程度的重金屬污染。表1為巢湖沉積物中重金屬之間的相關性分析結果，結果顯示出4種重金屬之間具有較好的正相關關系，說明其來源具有相似性。而且重金屬的分布特征為南淝河口附近重金屬含量較高，原因為合肥市的快速城市化過程中，大量的工業廢水和生活污水排入河道[13]，進入水體的重金屬污染物絕大部分易于由水相轉入懸浮物，隨著懸浮物的沉降進入沉積物中，使得南淝河給巢湖帶入了其流域附近的大量工業污染和合肥市的生活污染物[14]，同時由于巢湖西北部區域為水華爆發的主要區域，使得南淝河帶入的大量重金屬直接被藍藻吸附沉降到沉積物中，導致該區域沉積物中重金屬含量較高。

表1 巢湖沉積物中重金屬含量的相關性分析Table 1 Correlations among heavy metals in sediments from Chaohu Lake

注：*,**分別表示5%，1%差異顯著性水平

潛在生態風險指數法能得到各個重金屬對生物體分別產生的潛在風險。如表2所示，單個重金屬的潛在生態風險指數以5號點的Cd最高為109.1，處于較高的風險水平；2,3和4號點的Cd處于中級生態風險；其他各點和其他重金屬在全湖均處于低風險狀態。因此,從沉積物重金屬污染角度得到，未來對于巢湖重金屬污染的治理，需要著重考慮巢湖西北部南淝河入湖區域的Cd重金屬元素的污染治理。

表2 巢湖沉積物中重金屬的潛在生態風險指數值Table 2 Values of potential ecological risk index of heavy metals in sediments of Chaohu Lake

3.2 環棱螺中重金屬的生態風險評價

污染指數分級標準見表3。由于環棱螺是人們口中的美食，因此各點環棱螺樣品取其可食用的腹足肌肉部分進行Cd,Cr,Cu,Pb的污染分析。本研究中5號點由于未采集到樣品而無法分析，12—16號點由于單點樣品數量不足而選取原巢湖水源區附近的14,15，16號點合并為17號點分析，結果如表4所示。環棱螺體內4種重金屬含量大小為Cu>Cr>Pb>Cd。Cu是生物體主動吸收的必需元素，Cr,Pb，Cd為有毒重金屬元素，從而使得Cu的含量遠高于其它重金屬元素[15]。由表4可知,由于4種重金屬的評級標準有所不同，從而得到的重金屬風險水平與重金屬含量的大小趨勢并不一致，總體風險水平由高至低為Pb>Cr>Cu>Cd。鉛是重金屬污染中最常見的元素，也是食品安全問題中人們最關注的污染物[12]，其中在1,2,3,4號點處，Pb達到了重度的生態風險；Cr除7號點無風險外其余各點均有一定程度的生態風險；Cd和Cu均無風險。綜合污染等級顯示，1,2,3,4,9，10號點處有不同程度重金屬污染。上述結果表明食用巢湖環棱螺的人群，會受到較高的Pb和Cr毒害風險。因此從貝類監測角度來看，巢湖中的Pb和Cr污染明顯，同時需要重點整治巢湖西半湖區。

表3 單因子污染指數及均方根綜合指數與分級標準Table 3 Rating standard of single factor pollution index and root mean square index

表4 巢湖環棱螺肌肉濕重重金屬含量及生態風險水平Table 4 Heavy metal content and ecological risk of wet weight of the Bellamya muscle in Chaohu Lake

注：**表示重污染；*表示中污染

巢湖環棱螺是生活在水與沉積物界面上，平時以刮食沉積物為生，因此環棱螺肌肉中的重金屬可能大量來自于沉積物。通過環棱螺肌肉部分和沉積物中重金屬的相關性分析得到Pb在兩者之間的相關系數為0.761(0.01水平上顯著相關)。余秀娟等[8]、孔明[9]等對巢湖沉積物重金屬的形態分析得到沉積物中的Pb以可還原態為主，而巢湖又是一個典型的富營養化湖泊，在水華爆發之后藍藻沉降腐爛會消耗大量的溶解氧，使得Pb會被還原成生物可利用態。將環棱螺肌肉部分中的Cd,Cr,Cu,Pb與沉積物重金屬進行相關性分析，結果如表5所示，而且從表5可知環棱螺腸溶物中的Pb濃度基本小于沉積物中的濃度，反映出環棱螺肌肉中的Pb確實是主要來自于沉積物。

表5 巢湖環棱螺肌肉中重金屬含量與沉積重金屬含量的相關性Table 5 Correlation of heavy metal content between Bellamya muscle and sediment of Chaohu Lake

由表5得到4種重金屬之間相關性不顯著，說明其來源有所不同，且Pb與Cd,Cu具有較高的反相關性，表明巢湖環棱螺中Pb的富集會對Cd,Cu的吸收存在一定的抑制作用，使得巢湖環棱螺通過沉積物大量富集Pb時而減少了對Cd和Cu的吸收，從而導致巢湖沉積物和環棱螺的Cd和Cu出現了一定的反相關性。通過實驗也發現提高Cu,Zn,Pb,Ni等復合重金屬暴露量會降低淡水貝類Pyganodongrandis對Cd的富集[16]。

由于巢湖沉積物中的Cu以殘渣態為主、Cd以弱酸提取態為主，而筆者和他人研究發現巢湖水體是長期處于偏堿性狀態，造成沉積物中Cd和Cu的生物可利用態含量較低，從而導致環棱螺腸溶物中的Cd和Cu被大量遺存下來，使得環棱螺肌肉中的Cd和Cu未超標(如表6所示)。Cr由于其相關系數均較小，并且在沉積物中又以殘渣態為主[17]，反映出巢湖環棱螺肌肉中的Cr可能主要來源于水體等其他途徑；但Cr在腸溶物中的濃度基本小于沉積物中的濃度，說明巢湖環棱螺可能吸收部分的殘渣態Cr。因此,環棱螺肌肉中Cr的主要來源較為復雜，需要進一步深入研究。

表6 環棱螺腸溶物重金屬含量Table 6 Content of heavy metals of Bellamya enteric lysate

生態系統是一個復雜的系統，生活在系統中的生物會受到多種環境要素的影響。本文得到的環棱螺對重金屬的積累就是巢湖水體、沉積物和藍藻等多種因子的綜合作用結果。而通過沉積物等非生物監測巢湖污染狀況得到的結果并不能準確地反映污染物對生物體的綜合影響。因此,在未來的巢湖環境治理監測過程中，需要加大對貝類等生物監測手措施的利用。

4 結 論

(1) 沉積物重金屬的分析表明Cd，Cr，Cu,Pb這4種重金屬在巢湖均存在一定程度的污染，其中以5號點的Cd的潛在風險最大，達到了較重的風險程度，因此,未來對于巢湖重金屬污染的治理，需要著重考慮巢湖西北部南淝河入湖區域的Cd元素的污染治理。

(2) 由于多種因素的綜合作用，環棱螺受到了Pb和Cr的污染。因此從貝類監測角度來看，巢湖中的Pb和Cr需要重點整治。

(3) 通過沉積物等非生物監測巢湖污染狀況得到的結果不能十分準確地反映污染物對生物體的綜合影響。因此在未來的巢湖環境治理監測過程中，需要結合貝類等生物監測措施的利用。

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(編輯：趙衛兵)

Heavy Metals in Surface Sediments and Bellamya of Chaohu Lake:Distribution Characteristics and Risk Assessment

JIANG Jiang,LI Yu-cheng,JIANG Geng-ke,WANG Ning,ZHANG Xue-sheng

(School of Resources and Environmental Engineering,Anhui University,Hefei 230601,China)

Surface sediment samples andBellamyawere taken from the Chaohu Lake.The concentration and space distribution of heavy metals (Cd,Cr,Cu and Pb) were studied by HNO3-HF-HClO4digestion-ICP-AES (Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry).The pollution levels of the four heavy metals were evaluated by the potential ecological risk index,single factor pollution index and root mean square composite index.Results suggest that the sediments in Chaohu Lake have been polluted to a certain extent by heavy metals (Cd,Cr,Cu and Pb),among which Cd poses the largest potential ecological risk,while Pb and Cr are the high risk elements forBellamya.The distribution characteristics and correlation analysis of heavy metals showed that the heavy metal sources in the sediments of Chaohu Lake are of similarity; whereas the sources of heavy metals inBellamyaare different due to multiple environmental factors.In conclusion,treatments of heavy metals (Cd,Cr,Cu and Pb) should be emphasized and the application of biological monitoring mwasures to shellfish should be strengthened.

surface sediment;Bellamya; heavy metal; risk assessment; environmental governance of Chaohu Lake

X524

A

1001-5485(2017)10-0006-05

2016-06-23;

2016-07-24

國家自然科學基金項目(41172121)；安徽省自然科學基金青年項目(1608085QB45) ；安徽省高等學校自然科學重點項目(KJ2015090)

江 江(1990-)，女，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事水污染控制研究，(電話)13637090296(電子信箱)JJIANG2012anhui@126.com。

李玉成(1963-)，男，安徽合肥人，教授，博士，主要從事環境生物地球化學研究，(電話)0551-63861441(電子信箱)li-yucheng@ 163.com。

10.11988/ckyyb.20160639 2017,34(10):6-10,16