包頭南海子濕地赤膀鴨（Mareca Strepera）組織與環境中重金屬含量的相關性

劉 利，張 樂，劉云鵬，李文秀，苗春林，劉曉光① （.包頭師范學院生物科學與技術學院，內蒙古包頭 04030；.包頭南海子濕地保護區管理處，內蒙古包頭 04080）

水鳥是濕地生態系統中的重要組成部分，近年來隨著工業廢水的排放，水鳥賴以生存的環境受到污染，其生存面臨著嚴重威脅［1］。當重金屬累積超過生物體的承載力時，將會對其繁殖、生長發育和生理等機能造成毒害［2］。研究表明，重金屬具有毒性強、難降解、生物富集等特征［3］。鳥類為食物鏈的高級消費者，對重金屬具有富集作用，可作為環境污染的指示性材料。因此研究水鳥體內重金屬含量分布特征及遷移轉化規律對水鳥及環境保護具有重要意義。

包頭市是我國北方重工業城市，擁有涵蓋稀土、冶金、機械制造及軍工等多項支柱產業。工業迅速發展的同時產生了大量廢水，對周邊水體［4］、農田［5］及濕地［6］等造成了一定程度污染。包頭南海子濕地保護區位于包頭市東河區南側1.5 km處，毗鄰黃河，是包頭黃河國家濕地公園的重要組成部分，在調節氣候、涵養水源、維持區域生態平衡等方面發揮著重要作用［7］。同時該濕地地處東亞和中亞候鳥遷徙路線上［8］，為眾多候鳥重要的遷徙驛站［9］和棲息繁殖地［10］。鴨科鳥類為濕地常見水鳥，已作為指示物對濕地環境進行監測與評估［2，11］。目前已有學者展開了對雉科（Phasianidae）［12］、雀科（Passeri?dae）［13］和鷺科（Ardeidae）［1］等鳥類組織中重金屬含量及分布規律的研究，以及對鳥類健康面臨的潛在威脅方面的預警，同時也對其生存環境進行了科學的評價，但關于鴨科鳥類組織中重金屬的分布規律方面的報道較為鮮見，尤其缺乏重金屬的遷移轉化和生態效應方面的研究。筆者通過對包頭南海子濕地優勢鳥種赤膀鴨（Mareca strepera）各組織樣品及環境因子中重金屬含量的分析，旨在闡明重金屬在赤膀鴨組織中分布規律及潛在威脅，為鳥類保護及環境質量評估提供科學依據。

1 研究區概況

包頭南海子濕地保護區總面積為1 664 hm2（圖1），是黃河改道后形成的湖泊和灘涂地，包括水域、沼澤、灌叢和草地等生境類型，境內有333 hm2的湖泊南海子。

目前共記錄濕地鳥類228種，其中夏候鳥以鴨科（Anatidae）為主［14］，每年6月在濕地核心區人工島上做巢繁殖，2016年6—7月調查結果顯示，在濕地核心區島嶼上繁殖的赤膀鴨為35巢，7月中旬赤膀鴨在核心區水面上育雛，11月—翌年3月赤膀鴨在不封凍的水域越冬。保護區年平均氣溫8.5℃，最低氣溫-34.4℃，最高氣溫38.4℃，年平均降水量307.4 mm。南海子濕地被南繞城公路、景觀路和浮橋路分隔成不同的功能區，其中濕地核心區位于保護區最南側，水域面積較寬闊，水深0.5～1.0 m，水域中分布面積大小不等的人工島嶼（圖1），島嶼上分布的主要植物為灰菜（Chenopodium album）、酸模葉蓼（Polygo?num lapathifolium）、扁桿藨草（Scipus planiculmis）、堿蓬（Suaeda glauca）和豬毛菜（Salsola collina）等。

2 材料與方法

2.1 樣本采集與處理

2016年10月3—10日，選擇赤膀鴨經常棲息、采食的區域，采集與其生活相關的環境樣本（水樣、土樣、魚蝦、絲藻和沉積物）及死亡赤膀鴨新鮮樣本，具體采集方法如下。

水樣：采集南海子濕地保護區表層水樣共10個（圖1），采樣后現場過濾，加硝酸稀釋至pH＜2，用稀硝酸浸泡過夜的聚乙烯瓶裝水樣帶回實驗室，過0.5μm孔徑濾膜，冰凍保存，解凍后直接測定。

土壤樣品：采集水位下降后裸露地表0～20 cm土壤，采集前預先去除地表沙石及動植物殘體，每個樣點周圍隨機采5份土壤后混合均勻作為該樣點的代表樣本。土壤樣品在20℃陰涼通風處自然干燥，研磨后過0.15 mm孔徑篩，置于干燥器內保存、備用。

生物及沉積物樣品：根據赤膀鴨的采食習性（身體垂直倒立采食，半身沉于水下）及體長，設計口徑為30 cm，網孔直徑約為0.5 cm的網，乘皮劃艇在赤膀鴨采食區用網撈取食物及沉積物，其中動物性食物主要為魚蝦類，包括小鯽魚（Carassius auratus）、麥穗魚（Pseudorasbora parva）和 秀 麗 白 蝦（Exopalaemon modestus），植物性食物主要為絲藻（Ulothrix），去除動植物樣品后剩余的樣品為沉積物，將樣品帶回實驗室洗凈、烘干、研磨。稱取動、植物及沉積物樣本各10個，每個樣本0.50 g左右，消解定容后待測。

圖1 包頭南海子濕地保護區示意Fig.1 The map of Nanhaizi Wetland Reserve in Baotou City

赤膀鴨組織樣品：2016年10月5日采集濕地核心區東側污水渠邊死亡新鮮的雌、雄成鳥及幼鳥（雄性）各10只，塑料密封袋封裝后帶回實驗室，稱重測量基本數據后，放入冰箱-20℃條件下保存。分析前先解剖標本，分別取胸肌、心臟、腎臟、肝臟及胸骨，用自來水、蒸餾水、去離子水依次充分洗滌，以除去各組織表面的血污，吸干組織表面的水分，為避免其他金屬元素加入，用干凈的陶瓷剪刀剪碎組織，在鼓風干燥箱中70℃干燥24 h后用研缽研磨至粉末狀，繼續烘干直至恒重，將樣品保存在干燥器中備用。剩余的樣本保存在-20℃冰箱。

2.2 樣品測定與分析

稱取0.50 g左右的樣品放入55 mL消化管中，加入4 mL混酸〔V（HCIO4）∶V（HNO3）=1∶4〕在微波消解儀上（CEM Mars6美國）進行消解，消化液用w=2%的HCl（優級純）稀釋定容至25 mL的消化管中，用電感耦合等離子體原子發射光譜儀（ICP?OES，美國PerkineElmer）對樣本中重金屬元素含量進行測定，目標元素的選擇參照文獻［4，6］后確定。每個樣品均設置2個平行樣，同時做1份空白試劑。組織中的檢出限：Cd為 0.01 μg·g-1；As、Cr和 Hg為0.1 μg·g-1。環境因子中的檢出限：As為0.001 μg·g-1；Cd和Hg為0.01 μg·g-1；Cr為0.1 μg·g-1。

生物富集系數（bioaccumulation factor，BAF，FBA）指生物整體或者某個關注部位經生物體所有的接觸途徑（包括空氣、水、沉積物/土壤和食物），在此過程中富集重金屬的能力［15］。用BAF值來反映赤膀鴨組織、魚蝦和藻類對環境（水、土壤、沉積物）重金屬的富集作用。

式（1）中，Cb為受檢生物體內重金屬含量，μg·g-1；Cf為受檢生物所處環境因子（水、土壤和沉積物）中重金屬含量，μg·g-1。

生物放大因子（biomagnification factor，BMF，FBM）指某種污染物在一個特定的營養級生物體內的含量與較低營養級生物體內的含量之比，可用于表示污染物沿食物鏈的生物放大能力［16］。若FBM大于1，說明重金屬從食物到赤膀鴨存在生物放大效應。

數據用SPSS 17.0軟件進行處理，用單因數方差分析及 S?N?K（Student?Newman?Keuls）多重比較法檢驗不同組織間的金屬元素含量差異性，顯著性水平設置為0.05。用Pearson相關方法確定組織與各種環境因子中重金屬含量之間的相關性。

3 結果與分析

3.1 環境樣本中重金屬含量

檢測與赤膀鴨生存密切相關的環境樣本水、土壤、沉積物、魚蝦（小鯽魚、麥穗魚、秀麗白蝦）和絲藻中的重金屬含量，檢出率均為100%（表1）。

南海子濕地水樣中的重金屬含量與GB 3838—2002《地表水環境質量標準》［17］中適于保護區水質標準的Ⅰ類值比較，4種被檢測的重金屬元素中w（As）為0.003 μg·g-1，低于環境質量標準，另外3種元素Hg、Cr、Cd含量均已不同程度超標，分別是國家標準值約500、375和38倍。南海子濕地土壤樣品與GB 15618—2018《土壤環境質量標準 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》［18］中的風險篩選值比較，As、Cd、Cr、Hg 這4種元素含量低于土壤標準值。通過食物資源調查，將濕地中赤膀鴨潛在食物（小鯽魚、麥穗魚、秀麗白蝦）中重金屬含量與GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》［19］比較，Cd和Hg含量在國家標準范圍內，As和Cr分別是國家標準值的21和15倍。

表1 環境樣品中重金屬平均含量及環境質量國家標準Table 1 The average content of heavy metals in the environmental samples and the national environmental quality stan‐dards μg·g-1

3.2 赤膀鴨各組織中重金屬含量

分別取赤膀鴨雌、雄成鳥及雄性幼鳥各10只為研究對象，其中幼鳥的年齡為14～16周左右（根據其孵化后的日期推算），赤膀鴨的基本參數如表2所示。

表2 包頭南海子濕地赤膀鴨的基本參數Table 2 Basic parameters of the Mareca strepera in Baotou Nanhaizi Wetland

通過單因素方差分析（one?way ANOVA）檢驗赤膀鴨組織間重金屬含量差異，結果表明，4種元素在組織中的分布規律為：As主要蓄積在腎臟和心肌組織中，平均含量最高的為腎臟（5.51 μg·g-1），且顯著高于胸肌和骨骼組織。Cr主要蓄積在肌肉組織中，平均含量最高為胸?。?.79 μg·g-1），且顯著高于其他各組織。Cd主要蓄積在腎臟中，平均含量最高為2.42μg·g-1，且顯著高于其他組織。Hg在5種組織中最高含量分布在胸?。?.87 μg·g-1），最低含量分布在骨骼（2.23 μg·g-1），組織間的含量不存在顯著性差異（圖2）。

圖2 赤膀鴨不同組織重金屬含量Fig.2 Heavy metal contents in Mareca strepera tissues

3.3 赤膀鴨組織中重金屬生物富集特征

3.3.1 組織對環境因子中的重金屬富集

依據赤膀鴨各組織、魚蝦、藻類對環境樣品水、土壤和沉積物中重金屬的平均含量計算富集系數及生物放大因子（表3～4）。赤膀鴨5種組織中重金屬含量受環境影響較大，除Cr元素外，對水、土壤和沉積物中As、Cr和Hg這3種元素均表現富集特征。

心肌和腎臟組織對水中的As富集較明顯。魚蝦和藻類對環境因子的富集系數與赤膀鴨組織的富集特征類似，其中藻類對水中的As具有較強的富集性，富集系數最高為1 840.928。4種金屬元素在食物鏈的生物放大因子中，赤膀鴨的5種組織對魚蝦類中的As、Cd和Hg 3種元素均呈現生物放大特征，而魚蝦對藻類中的Cr的生物放大因子最高為1.061。

表3 食物鏈中生物富集系數（FBA）Table 3 Bioaccumulation factors in the food chain

表4 食物鏈中生物放大因子（FBM）Table 4 Biomagnification factors in the food chain

3.3.2 組織與環境因子間重金屬含量的相關性

結合與赤膀鴨生活密切相關的環境因子水、土壤、沉積物、魚蝦（小鯽魚、麥穗魚、秀麗白蝦）和絲藻分析組織與環境中重金屬含量之間的相關性（表5）。

赤膀鴨各組織中As含量與環境樣本中的含量相關性較強，心肌與絲藻（r=0.665，P=0.036）、腎臟與土壤（r=0.716，P=0.020）、肝臟與水（r=0.732，P=0.016）中As含量呈顯著正相關。胸肌中Cr含量與魚蝦Cd含量呈顯著正相關（r=0.737，P=0.015），其他組織與環境樣本Cr含量相關性不顯著。

腎臟中Cd與魚蝦Cd含量（r=0.634，P=0.045）、魚蝦Cd含量與絲藻Cd含量（r=0.641，P=0.040）呈顯著正相關，另外，骨骼與水（r=0.762，P=0.010）、水與沉積物（r=0.704，P=0.023）中Cd含量呈顯著正相關，而心肌中的Cd含量與魚蝦（r=-0.831，P=0.003）、絲藻（r=-0.795，P=0.006）中的Cd含量呈極顯著負相關。骨骼與魚蝦（r=0.718，P=0.019）、魚蝦與絲藻（r=0.848，P=0.002）中Hg含量呈顯著、極顯著正相關。肝臟與沉積物（r=0.738，P=0.015）、骨骼與絲藻（r=0.654，P=0.040）中Hg含量呈顯著正相關。沉積物中Hg含量分別與胸?。╮=-0.633，P=0.049）和心?。╮=-0.654，P=0.040）中Hg含量呈顯著負相關。

表5 食物鏈中重金屬含量之間的相關系數Table 5 Correlation coefficient of heavy metal contents in the food chain

4 討論

As是一種半金屬元素，兼有金屬與非金屬的性質。在自然環境中，As污染主要來源于農藥、金屬冶煉加工、燃煤過程中產生的三廢［20］，其化合物均有毒性。砷在體內排泄緩慢，可造成蓄積性中毒，神經系統、肝臟、腎臟和生殖系統是其主要靶器官［21］。該研究中As主要蓄積在心肌和腎臟中，平均含量達4.54 μg·g-1，超過加拿大黑雁（Branta ca?nadensis）組織中的含量水平［21］，也高于對鳥類的影響閾值1～2 μg·g-1［20］，表明As可能對赤膀鴨的健康產生了一定影響。相關分析表明，赤膀鴨心肌與絲藻、腎臟與土壤、肝臟與水中As含量呈顯著正相關，表明赤膀鴨組織中As主要來自于食物和環境。另外，環境因子水和土壤樣中As含量雖未超過國家標準，但魚蝦中的As平均含量已遠高于GB 2762—2017［19］，是其 21 倍，表明魚蝦類食物可能對赤膀鴨健康構成潛在威脅。赤膀鴨組織、魚蝦、和藻類對水中的As的FBA較高，尤其絲藻對水環境中的As生物FBA達1 840.982，環境中的As隨著水-藻類-魚蝦-赤膀鴨組織產生生物放大效果，因此，赤膀鴨組織As含量可作為包頭南海子濕地環境中As的評價指標。

結合與赤膀鴨生活密切相關的環境因子水、土壤、沉積物、魚蝦（小鯽魚、麥穗魚、秀麗白蝦）和絲藻分析組織與環境中重金屬含量之間的相關性（表5）。

Cr廣泛存在于土壤、大氣和水中，高濃度的Cr6＋可致畸、致癌。BURKE等［22］在研究紐約哈德森地區Cr污染時指出其主要源于工業生產活動。該研究Cr主要分布在赤膀鴨胸肌組織中，平均含量為7.79μg·g-1，遠高于奧地利綠頭鴨（Anas platyrhynchos）、日本綠頭鴨、斑嘴鴨（Anas poecilorhyncha）、綠翅鴨（Anas crecca）［23］、美國新澤西州加拿大黑雁（Branta canadensis）等鴨科鳥類肌肉組織中的平均含量［21］。EISLER［24］研究指出，鴨科鳥類的組織中w（Cr）平均值超過4μg·g-1既被認為受到污染。該研究中赤膀鴨肌肉組織中Cr含量遠高于污染閾值。相關分析表明赤膀鴨胸肌組織與魚蝦類中Cr含量呈顯著正相關，表明其主要來源于食物魚蝦。另外，包頭南海子濕地的水中環境 Cr含量是GB 3838—2002［17］限值的375倍，魚蝦類Cr平均含量約為GB 2762—2012限值的15倍，表明濕地環境中Cr污染相對嚴重；魚蝦類對水環境中Cr的FBA為8.022，赤膀鴨的胸肌組織對魚蝦中Cr的FBM為0.259，表明水環境中Cr隨著水-魚蝦類-赤膀鴨胸肌組織的食物鏈放大，為此赤膀鴨胸肌組織可作為當地水環境中Cr的指示性材料，關于Cr污染問題應該引起關注。

Cd是重金屬中最具毒性的重金屬之一，主要蓄積在腎臟組織中造成腎損傷，因此也稱為“腎毒素”［25］。WHITE等［26］用200 μg·g-1的 CdCl2注射給綠頭鴨（Anas platyrhynchos）后發現Cd在腎臟組織中明顯累積，w（Cd）超過130 μg·g-1，同時睪丸組織中也有明顯分布。Cd除了造成腎損傷外還會使睪丸萎縮，精子發育受損，從而降低繁殖成功率。另外，長期低劑量攝入Cd會使鳥類免疫能力降低，易感染其他疾?。?7］。該研究Cd在赤膀鴨腎臟組織中含量最高，與其他組織間存在顯著性差異，這與波蘭西北地區綠頭鴨組織中Cd的分布規律一致［27］。另外，Cd主要源于當地采礦和冶煉加工，也是波蘭西北地區鴨科鳥類種群數量下降的決定因素［28］。該研究中赤膀鴨腎臟組織中Cd平均含量與波蘭西北部地區綠頭鴨的含量相當。相關分析表明，赤膀鴨腎臟中Cd平均含量與魚蝦中Cd含量呈顯著正相關，魚蝦中Cd含量與藻類Cd含量呈顯著正相關，表明腎臟中的Cd主要源于食物。腎臟對魚蝦的FBM為77.799，表現出明顯的生物放大效應，因此赤膀鴨腎臟也可作為環境中Cd的指示性材料。另外，南海子濕地水樣中Cd含量約為GB 3838—2002限值的38倍，表明水體已受到污染。骨骼中Cd含量與水樣中Cd含量呈極顯著正相關，為此骨骼可作為當地水環境中Cd的評價指標。

Hg是一種能夠引發生物機體不可逆損傷的重金屬，對機體毒性作用較強［2］。高含量的Hg會影響鳥的行為、生理及繁殖成功率［29］。汞在鳥類體內的分布具有較強的選擇性，主要蓄積于肝臟和腎臟［3］，該研究赤膀鴨組織中除肝臟和腎臟外，肌肉組織中也含有較高Hg含量。一般鴨科鳥類肌肉組織中Hg含量較低，如阿拉斯加綠頭鴨肌肉組織w（Hg）的平均值為0.008 9 μg·g-1［30］，奧地利綠頭鴨肌肉組織為0.049 μg·g-1［31］，加利福尼亞琵嘴鴨（Anas clypeata）肌肉組織為 0.132 μg·g-1［32］，該研究中赤膀鴨肌肉組織中的w（Hg）為2.79 μg·g-1，遠高于上述地區鴨科鳥類的報道。另外，HEINZ等［33］指出綠頭鴨肌肉組織中w（Hg）達到0.62～0.83 μg·g-1時會影響其繁殖行為。FISK等［34］指出鴨科鳥類組織中w（Hg）超過3μg·g-1時會降低繁殖率。該研究胸肌組織中Hg平均含量與FISK等［34］報道的限值接近。相關性分析結果表明，赤膀鴨肝臟組織中Hg含量與沉積物中Hg含量呈顯著正相關，骨骼中的Hg含量與魚蝦、絲藻中Hg含量呈顯著正相關，魚蝦中Hg含量與藻類Hg含量呈極顯著正相關，表明赤膀鴨組織中Hg的累積受環境因素影響較大。環境因子檢測結果顯示，水中Hg含量約為GB 3838—2002限值的500倍，表明當地污染較重，應引起關注。

另外，根據鳥類重金屬富集研究結果顯示，Hg更易于富集在羽毛；Cd易于富集在卵殼中，鳥類通過換羽或產卵等方式將機體不需要的元素排出體外，以降低其對機體的毒害作用［1，35］。該研究赤膀鴨的肌肉組織與部分環境因子中的Cd和Hg含量呈顯著負相關，可能與生物體存在更復雜的新陳代謝機制將體內積聚過多的重金屬排出體外有關。

5 結論

綜上所述，包頭南海子濕地水樣、魚蝦類環境樣本中的As、Cr、Cd、Hg這 4種被檢測的重金屬含量均有不同程度超標，表明其存在嚴重污染。赤膀鴨組織樣品中的4種被檢測的重金屬含量均已超過目前國際鴨科鳥類的檢出水平，且主要來源于環境污染，表明當地環境對赤膀鴨的健康生存構成潛在威脅，當地管理部門應該積極采取應對措施，防止環境進一步惡化。