贵州草海小龙虾体内重金属富集与环境的关系

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　　摘 要：【目的】 探究贵州草海小龙虾不同部位重金属的富集情况及与其生活环境间的关系，为小龙虾的安全健康养殖和水体重金属污染状况的科学评估提供依据。【方法】 采集草海不同样地的水样、底泥和小龙虾样品，并对草海小龙虾进行不同浓度重金属Cu2+和Cd2+室内富集试验，运用原子吸收法测定小龙虾不同部位Cu、Cd、Pb、Zn、Hg等5种重金属的含量，采用Pearson相关性分析、方差分析对小龙虾不同部位重金属富集情况与样地环境进行分析。【结果】 5种重金属元素在小龙虾样品、底泥和水样中均有检出，检出率100%，5种重金属在小龙虾不同部位含量由大到小均呈现出内脏>虾壳>虾肉的规律;Pearson相关性分析结果表明小龙虾样品中的Cd、Pb、Zn含量与底泥中的相应元素具有显著正相关，与水样具有一定相关性但相关性不显著;室内不同浓度重金属Cu2+和Cd2+富集试验显示，随着重金属离子的浓度增高，小龙虾内脏中的重金属含量升高，虾壳、虾肉、螯肢变化不明显。【结论】 小龙虾不同部位对重金属的富集能力不同，小龙虾体内重金属含量的高低与环境中重金属含量密切相关。
　　关键词：贵州;草海;小龙虾;重金属;相关性
　　中图分类号：S 971文献标识码：A文章编号：1008-0384（2019）02-247-08
　　0 引言
　　【研究意义】克氏原螯虾Procambarusclarkii，俗称小龙虾，隶属于节肢动物门Arthropoda，甲壳纲Crustacea，十足目Orgerdecapoda，螯虾科Cambaridae，原螯虾属Procambarus。其原产于北美洲的美国南部和墨西哥北部，20世纪30年代经日本引入到我国南京[1]。目前，长江中下游地区是我国淡水小龙虾的主产区[2]。小龙虾具有繁殖能力强、生命周期短、生长快、生态幅宽、食性杂等生物学特征，具备r-型生长特征[3-6]，因此在我国的大部分野生水域和稻田等人工湿地中广泛繁殖。近年来，随着环境污染的加剧，大量重金属污染物被排入江河湖泊中，导致水质恶化现象严重。水生动物能将水体中浓度很低的重金属离子在短期富集于体内，通过食物链威胁人类的安全与健康[7-9]。【前人研究进展】国内外专家研究发现，克氏原螯虾对重金属有很强的富集特性，其体内重金属污染物浓度可能是周围环境的数倍，在克氏原螯虾生长环境中，重金属遍布于土壤、水和空气，虾体不可避免地會受到重金属污染[10-13]。赵白等[14]在对缙云县克氏原螯虾5种重金属富集特征性的研究表明，克氏原螯虾的不同组织对不同重金属的积累具有高度的选择性。朱玉芳等[10]对苏州地区克氏原螯虾体内重金属分布规律的研究结果显示，铜、镉有不同程度的污染，且肌肉的残留量低于鳃、肝、螯足肌肉。【本研究切入点】近年来，我国在小龙虾重金属富集的诸多方面取得了一定的进展，但在研究小龙虾重金属富集情况的同时，对采样水体连同底泥沉积物中的重金属含量进行同步测定的研究相对较少[15]。因此，本文在研究草海自然水域小龙虾对5种重金属富集的同时，也首次对草海小龙虾重金属富集和环境间关系进行研究。【拟解决的关键问题】采集草海湖区8个样地的水样、底泥和4个样地的小龙虾样品，测定其中铜、镉、铅、锌、汞5种重金属元素的含量，并对小龙虾在不同浓度重金属Cu和Cd富集情况下进行室内培养试验，以期探明草海小龙虾体内5种重金属元素含量与样地底泥和水样重金属含量之间的关系以及小龙虾不同部位对Cu和Cd富集的差异，为今后的研究工作奠定基础。
　　1 材料与方法
　　1.1 研究区概况
　　草海自然保护区位于贵州省威宁县城西南侧，地处北纬26°49′～26°53′，东经104°12′～104°18′，是云贵高原东部最大的淡水湖泊，因水草丰茂而得名[16-17]。草海属温带气候，年平均温度10.5℃，年平均降水量950 mm，平均相对湿度79%。海拔 2 170～2 527 m，湖区面积24.59 hm2，水域面积20.98 km2，湖区水深2.4～5.0 m。草海水体偏碱性（pH平均值为8.0），水源补给主要是雨水，其次是地下水。干湿季分明，干季为11月至翌年4月，湿季为5～10月[18]。草海生物资源丰富，有生物物种1 941种，鸟类228种，以黑颈鹤为代表的珍稀鸟类多达10余万只，其中黑颈鹤2 200余只;水生植物涵盖沉水植物、挺水植物、浮叶植物、漂浮植物4个类型，覆盖度达80%以上。因此，草海素有“鸟的天堂”、 “水下森林”、“物种基因库”和“露天博物馆”的美誉。
　　1.2 研究方法
　　1.2.1 样品采集与制备
　　在草海湖区自然水域布设江家湾（A）、西海码头（B）、刘家巷（C）、喽啰山（D）、胡叶林（E）、郑家营万下组（F）、阳关山（G）、吴家岩头（H）8个样点。在8个样点内采集水样、底泥和小龙虾样品，按照《GB/T 12998-1991 水质采样技术指导》要求进行采样[19]，用200 mL聚乙烯采样试管采集各样地的水样;用彼得逊采泥器采集各样地底泥，采集的底泥样品放入无菌聚乙烯塑封袋中，置于背阴通风处自然晾干，用玛瑙研钵将底泥磨碎后过100目筛，放入塑封袋中待测;小龙虾样品采集使用捕虾地笼捕获，将捕获的小龙虾带到实验室用蒸馏水洗净后迅速将虾壳、内脏、虾肉解剖分离，解剖的样品搅碎后放入50℃的烘箱中烘干，样品烘干后放入塑封袋中待测;室内重金属培养试验的小龙虾通过捕虾地笼捕获后带到实验室用清水养殖4 d。
　　1.2.2 小龙虾室内重金属培养试验
　　在待测的5种重金属中，既包含大量元素也包括微量元素，由于实验室空间有限，无法满足所有待测重金属的室内培养试验，因此选取大量重金属元素铜和微量重金属元素镉进行小龙虾室内重金属富集试验。根据《渔业水质标准 GB 11607-89》[20]中规定的限值：Cu≤0.01 mg·L-1、Cd≤0.005 mg·L-1，《污水综合排放标准 GB 8978-1996》[21]关于重金属铜和镉的含量标准分别为Cu≤1 mg·L-1、Cd≤0.1 mg·L-1的规定设计试验。其中，Cu的暴露质量浓度分别为0、0.5、1.0 mg·L-1;Cd的暴露质量浓度分别为0、0.05、0.10 mg·L-1。 　　（1）重金属Cu2+的富集试验：
　　将360只经过实验室水族箱（100 cm×50 cm×50 cm）饲养4 d的健康（无断触角、断螯、断步足和游泳足）的小龙虾分别放入9个聚乙烯透明水箱中，将9个水箱进行标号，其中1～3号水箱为一组（水体Cu2+质量浓度为0 mg·L-1，对照）、4～6号水箱为一组（水体Cu2+质量浓度为0.5 mg·L-1）、7～9号水箱为一组（水体Cu2+质量浓度为1.0 mg·L-1）。饲养水源为充分曝气48 h的自来水，水体pH为（7.3±0.6），水温为（24.2±2.3）℃，自然光照;为减少饲料对克氏原螯虾富集重金属的影响，选择低目标重金属含量饲料作为克氏原螯虾的食物。从重金属富集的第0 d起，每隔4 d从水箱中取2只小龙虾（每组共6只），将虾壳、虾肉、内脏、螯肢分离搅碎后放入50℃的烘箱中烘干，样品烘干后放入塑封袋中待测。
　　（2）重金属Cd2+的富集试验：
　　重金属Cd2+的富集试验过程同上，1～3号水箱为一组（水体Cd2+质量浓度为0 mg·L-1，对照）、4～6号水箱为一组（水体Cd2+质量浓度为0.05 mg·L-1）、7～9号水箱为一组（水体Cd2+质量浓度为0.1 mg·L-1）。
　　1.2.3 样品前处理
　　（1）样品消解：
　　称取0.500 0 g经过处理的小龙虾各部位的样品放入100 mL锥形瓶中，加入6 mL硝酸，2 mL过氧化氢，加盖过夜;称取0.200 g经过研磨的底泥放入消解罐中，依次加入5 mL硝酸、6 mL氢氟酸、1 mL高氯酸，加盖放入高压消解釜置于142℃烘箱中消解10.5 h。
　　（2）赶酸定容：
　　将放置过夜和消解过的小龙样品和底泥放到140℃的石墨电热板上进行赶酸，待容器中剩1 mL左右溶液后将其从电热板上拿下，冷却后加入10 mL 4%的硝酸溶液，用蒸馏水定容到50 mL容量瓶中，同时做样品空白。
　　1.2.4 重金属含量的测定
　　运用原子吸收和原子荧光仪器测定小龙虾不同部位样品、样地水样、底泥样品中的铜、镉、铅、锌、汞的含量和室内试验所制取样品中重金属的含量。
　　1.3 数据处理
　　运用SPSS 20.0统计软件进行方差分析和Pearson相关分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同部位小龙虾样品重金属富集差异
　　所布设的8个样地中，只有江家湾、西海码头、吴家岩头和喽啰山4个样地捕获到小龙虾。4个样地小龙虾不同部位对5种重金属的富集情况如表1所示。
　　可以看出，4个样地小龙虾样品中对Cu、Cd、Pb、Zn、Hg重金属元素均有检出，检出率达到100%，小龙虾样品不同部位对5种重金属富集的规律均为：内脏>虾壳>虾肉。根据《GB/T 18406.4-2001 农产品质量安全 无公害水产品安全要求》[22]中对有毒、有害物质的限量要求：铜≤50 mg·kg-1、镉≤0.1 mg·kg-1、铅≤0.5 mg·kg-1、汞≤0.3 mg·kg-1（该标准中并未提及锌的限量值），4个样地小龙虾样本中，Cu、Hg重金属元素均在标准范围值内，而除了吴家岩头虾肉的Cd、吴家岩头和喽啰山虾肉的Pb，均已超出标准范围，说明草海小龙虾已不同程度受到重金属Cd和Pb的污染。2.2 不同样地水体和底泥的重金属含量
　　表2为各样地底泥和水样的5种重金属的含量。根据《渔业水质标准 GB 11607-89》中规定的水质限定值：铜≤0.1 mg·L-1、镉≤0.005 mg·L-1、铅≤0.05 mg·L-1、锌≤0.01 mg·L-1、汞≤0.000 05 mg·L-1，8个样地水中的5种重金属含量均小于渔业水质标准中规定的标准值，说明草海各样地水质情况良好，并未受到重金属的污染。根据《GB/T 18407.4-2001 农产品质量安全无公害水产品产地环境要求》[23]中养殖区域底质重金属含量的要求：铜≤50 mg·kg-1、镉≤0.5 mg·kg-1、铅≤50 mg·kg-1、锌≤100 mg·kg-1、汞≤0.2 mg·kg-1，8个样地中Cd、Zn和西海码头的Hg含量均已超出标准值，其他元素均在标准范围内，但江家湾和西海码头的Pb含量已经接近标准值，含量相对其他样地较高。
　　2.3 小龙虾样品与养殖环境中重金属含量的相关性分析
　　小龙虾样品中重金属含量与环境中重金属含量的相关性见表3。由于8个样地水样中Cd和Hg的检测含量较低（分别为0.05和0.04 μg·L-1），所以相关性分析的结果均显示为“-”。
　　2.3.1 虾样与底泥的关系 Pearson相关性分析结果表明小龙虾样品中的Cd、Pb、Zn含量与底泥中的相应重金属含量呈显著正相关，相关系数分别为 0.840、0.973和 0.978，虾样中Cd含量与底泥中Cu含量呈显著正相关，相关系数为0.951，虾样中Pb、Zn含量与底泥中Zn、Pb含量呈显著负相关，相关系数为-0.988、-0.986。已有研究表明，
　　小龙虾在不同混合浓度重金属水体条件下對重金属的富集会出现协同或拮抗富集效应[24]，上述两种富集效应可能是导致本部分小龙虾体内Cd含量与底泥中Cu含量呈显著正相关，而虾样中Pb、Zn含量与底泥中Zn、Pb含量呈显著负相关的原因。小龙虾样品中的Cu（0.752）和Hg（-0.651）与底泥中相应重金属含量没有显著相关性。
　　2.3.2 虾样与水体的关系 小龙虾样品中重金属与水样的Pearson相关性分析表明，小龙虾样品与水样具有一定相关性，但不显著。2.4 小龙虾室内重金属富集试验
　　小龙虾不同部位在不同浓度重金属试验水体中富集试验的结果如表4所示。可以看出：（1）在3个不同重金属浓度的试验组中，小龙虾对重金属Cu和Cd的富集含量均呈现出随重金属浓度增加而增加的趋势，偶尔也会出现低浓度试验水体中小龙虾不同部位重金属含量比高浓度试验水体中相应部位含量高的情况，这可能是由于小龙虾对不同浓度重金属的富集速率不同以及富集尚未达到饱和状态的原因造成的。（2）在对照组中（A）无论是虾壳、虾肉、内脏和螯肢中重金属Cu和Cd的含量变化并不明显，基本维持原有重金属含量，但是各部位重金属含量存在差异，表现为：内脏>虾壳>螯肢>虾肉;当试验水体重金属浓度增加时，小龙虾体内2种重金属含量增加，但是虾壳、虾肉和螯肢随着富集天数的增加含量变化并不明显，内脏随着富集天数的增加含量也明显增加。（3）显著性分析表明，3种试验水体中小龙虾对重金属Cu（F=1.068，P>0.05）和Cd（F=1.706，P>0.05）的富集均不具有显著性，小龙虾不同部位在3种试验水体中仅内脏对重金属Cu（F=6.121，P<0.05）和Cd（F=4.308，P<0.05）的富集具有显著差异性，说明小龙虾内脏对重金属Cu和Cd的富集含量变化更明显。 　　3 讨论与结论
　　重金属污染物在环境中转移时，有时可以通过食物链经生物浓缩和生物放大作用，将重金属污染物在生物体内富集[25]。小龙虾因其底栖的生活方式和所处生态位，使其成为一种较为理想的生物指示物，成为环境污染监测、评价和治理的重要辅助工具[26]。
　　本研究结果表明，小龙虾不同组织对重金属的富集具有明显的差异性，多种重金属元素都主要富集在小龙虾的内脏。由于生物组织的组成、功能和活跃情况差异，对重金属元素的利用、代谢、耐受和富集也不同，因此表现为重金属元素在生物体内的分布不均一，其原因可能是因为水生生物主要通过鳃进行氧气交换以及过滤食物中的杂质，水和食物中的重金属被鳃吸收后通过血液进入动物的内脏中并逐渐累积，导致内脏中重金属含量要大于其他部位。
　　对草海小龙虾、水体和底泥中5种重金属进行检测，通过Pearson相关性分析结果表明，虾样中重金属含量与底泥中重金属含量具有显著的相关性，与水样具有相关性但并不显著，王书莉[27]的研究结果也表明，小龙虾体内重金属含量与其生活环境中水体和土壤具有显著相关性，与本文研究结果一致。水体和底泥中5种重金属检测的结果显示，底泥中5种重金属含量要远高于水样中的含量。已有研究表明，湿地植物可以吸收水体和底泥中的重金属并通过枯落物的分解和矿化将其归还到底泥中[28]，河流、湖泊等湿地中99%以上的重金属都富集在底泥中，底泥既是污染物的汇，也是污染物的源[29-30]。由于草海水体中植物覆盖度高，涵盖了沉水、挺水和浮水等众多植物种类，水体和底泥中的污染物通过枯落物的分解和矿化作用将重金属积累到底泥中，这可能是造成底泥中重金属含量要远高于水样中的原因。
　　室内重金属富集试验结果表明，随重金属浓度增加，小龙虾对重金属的富集也出现增加的趋势，重金属主要累积在小龙虾的内脏，显著性分析结果也表明内脏在不同重金属浓度水体中对重金属的富集具有差异性，这与张振燕等[24]对小龙虾重金属富集的研究结果一致。水生动物的生命活动与其生活的环境息息相关，作为水生底栖动物的小龙虾可以通过呼吸作用和食物链将环境中的重金属污染物累积到体内，并随环境中重金属浓度的变化而改变。
　　综上所述，重金属主要富集在小龙虾的内脏，小龙虾体内重金属含量与水体和底泥中重金属含量具有相关性，且随着环境中重金属含量的增加，其体内富集的重金属含量也会随之增高。
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