大亞灣表層沉積物和底棲生物中重金屬的污染特征與生物積累

林麗華，魏虎進，黃華梅

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大亞灣表層沉積物和底棲生物中重金屬的污染特征與生物積累

林麗華，魏虎進，黃華梅

國家海洋局南海規劃與環境研究院，廣州 510000

通過分析2015年5月大亞灣海域34個采樣站位表層沉積物和底棲生物生物體中5種重金屬(銅、鉛、鋅、鎘、汞)的綜合污染程度因子、潛在生態風險因子和生物-沉積物積累因子, 評估了大亞灣海域表層沉積物重金屬的污染現狀、潛在生態風險水平和生物-沉積物積累程度。結果表明: 大亞灣海域表層沉積物中重金屬含量上呈現鋅>鉛>銅>鎘>汞的規律; 空間上呈帶梯度帶分布: 北部沿岸海域含量較高, 南部口門附近海域最低。重金屬污染屬于中等-比較嚴重污染水平, 其中鋅、鎘、汞是大亞灣沉積物污染的主要因子, 潛在生態風險屬于中等-較高風險水平, 汞、鎘是較大的潛在風險因子。底棲生物生物體重金屬含量上呈現鋅>銅>鉛>鎘>汞。銅、鉛、鋅、汞四種重金屬除銅、鋅在棒錐螺()生物體輕度積累外, 其它均無明顯積累表現, 而重金屬鎘呈現較強的積累現象。

大亞灣; 沉積物重金屬; 生物積累; 潛在生態風險

1 前言

重金屬通常是指比重大于5的金屬, 主要包括鉛(Pb)、鎘(Cd)、汞(Hg)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)、砷(As)等[1]。重金屬污染是指由重金屬或其化合物造成的環境污染, 主要表現水體污染、沉積物污染和生物體富集, 重金屬污染因生物毒性、持久性一直倍受關注[2-4]。

近岸海域是陸源污染物匯入海洋的直接區域, 也是污染物富集的重要場所, 受人類活動影響較大, 因此研究近岸海域沉積物重金屬污染物時空分布、來源及其在底棲生物體內的積累規律, 對判別近岸主要污染物、評估近岸海域的環境壓力和進行近岸污染物控制具有重要的指導意義[5]。

大亞灣海域位于廣東沿海中部岸段, 東西寬約20 km, 南北長約30 km, 水深范圍為6—16 m, 總面積約600 km2, 大亞灣屬亞熱帶溺谷型海灣, 底質以粉砂和粘土為主[6]。近年來, 大亞灣周邊經濟發展迅速, 石化、核電站、航運等行業發展較快, 為大亞灣周邊帶來了較大的經濟效益, 大亞灣面臨的環境壓力也隨之增加, 越來越多的學者對大亞灣海域環境問題展開了研究。包括大亞灣海域表層沉積物重金屬的濃度分布[7], 重金屬的賦值形態[6], 養殖、石化產業等人類活動帶來的重金屬污染[8-10], 雖然有學者對大亞灣沉積物重金屬進行了風險分析, 但是這些分析研究往往集中在大亞灣的某個內灣區, 如大鵬灣[8-9]、石化排污區[10]等, 無法反映大亞灣沉積物重金屬整體的空間分布特征。然而, 針對大亞灣重金屬與底棲生物生物體的積累研究尚未見報道, 本文以大亞灣表層沉積物和底棲生物生物體重金屬為研究對象, 分析了大亞灣沉積物重金屬銅、鉛、鋅、鎘、汞的空間分布, 評估了大亞灣海域表層沉積物重金屬的潛在生態風險, 計算了重金屬在底棲生物生物體的積累效應, 為大亞灣海洋經濟發展與生態環境管理提供基礎依據。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與分析

2015年5月在大亞灣海域設置34個采樣站位, 見圖1。樣品采集與分析根據《海洋監測規范》(GB 17378.6-2007)中的相關要求進行操作[11-14]。

大型底棲動物樣品采用抓斗式采泥器, 采樣面積0.1 m2, 采用漩渦分選裝置淘洗, 泥樣分批倒入筒中, 保證較大顆粒沉積物不溢出筒體。樣品采用體積分數為75%的乙醇固定。

生物體質量樣品按要求選取足夠數量的完好生物樣, 用清潔海水沖洗干凈后放入干凈的聚乙烯袋中, 并封口, 低溫冷藏。樣品預處理時用合成洗滌劑將相關尺子, 鑷子等工具清洗干凈, 并用蒸餾水或清潔海水漂洗干凈。

采樣無火焰原子吸收分光光度法測定生物品中重金屬, 準確稱取0.1 g干樣于50 mL燒杯中, 用幾滴水濕潤樣品, 加入2 mL硝酸, 蓋上表面皿, 置于電熱板上, 低溫加熱至泡沫基本消失。取下燒杯, 緩慢的加入0.5 mL過氧化氫, 繼續加熱并蒸至約剩1 mL。再加入1 mL硝酸, 1.5 mL過氧化氫, 蓋上表面皿, 于加熱板180℃加熱, 并蒸至0.5 mL, 全量轉入10 mL具塞比色管中, 加水至標線, 混勻。同時制備分析空白樣品。

2.2 研究方法

2.2.1 生態風險指數法

本文采用Hakanson[2]提出的重金屬潛在生態風險評價法對大亞灣表層沉積物重金屬生態風險進行評價, 具體公式如下:

式中C為某一金屬的污染因子, C表為環境中重金屬的實測含量, C為環境背景值, 本研究采用大亞灣海域沉積物重金屬背景值[15];C為綜合污染程度;E為某一金屬潛在生態風險值;T為單個污染物的毒性響應因子, 具體計算方法參考Hakanson[2];R為多種金屬潛在生態風險指數。

2.2.2 重金屬潛在生態風險等級

根據公式2和公式4, 綜合重金屬污染因子和綜合重金屬潛在風險因子的值與重金屬的種類數目有關, 本研究未涉及污染物多氯聯苯, 故在Hakanson的風險閾值基礎上減去多氯聯苯所占比例, 各個指標的閾值見表1。

圖1 大亞灣采樣點站位圖

2.2.3 生物-沉積物積累因子(Biota-sediment Accu-mulation Factors)[16]

的大小可指示生態環境中重金屬的生物積累程度, 具體計算見公式5。

=C/C公式5

表1 重金屬生態風險評價等級

式中,C為生物體重金屬含量,C為沉積物重金屬含量, 當>2, 表示積累程度較大; 1<< 2, 出現輕度積累;<1, 表示沒有積累[17]。

3 結果與分析

3.1 大亞灣海域沉積物含量與分布

大亞灣海域表層沉積物重金屬銅、鉛、鋅、鎘、汞的含量范圍分別為1.3—47.4 mg·kg-1、3.7— 61.2 mg·kg-1、37.3—175 mg·kg-1、0.02—0.22mg·kg-1、0.005—0.09 mg·kg-1, 平均值分別為13.9 mg·kg-1、29.1 mg·kg-1、82.3 mg·kg-1、0.08 mg·kg-1、0.03 mg·kg-1, 見表2?？傮w上沉積物含量呈現鋅>鉛>銅>鎘>汞的規律。

大亞灣海域沉積物中不同重金屬之間的空間分布差異明顯, 同種重金屬在空間分布上也有差異。重金屬銅和鋅的空間分布特征比較相似(見圖2和圖3, 采樣圖和重金屬等值線圖采用Esir公司的ArcGIS軟件繪制, 等值線圖采用克里金插值法插值, 以下同), 高值區主要位于啞鈴灣, 而范和港、中部海域的含量居中, 口門附近海域含量最低, 重金屬鉛的空間分布呈現兩個高值區, 分別是范和港海域和啞鈴灣海域, 其他區域含量值相對較低, 見圖4。重金屬鎘在大亞灣海域的空間分布呈現出由北到南遞減的趨勢, 見圖5。范和港海域含量最高, 啞鈴灣、大鵬澳和中部海域含量要低于范和港, 大亞灣口門附近的含量最低。重金屬汞的分布特征表現為由灣頂到口門逐漸下降的趨勢, 大亞灣灣頂海域含量最高, 包括范和港、啞鈴灣等海域, 而大鵬澳、中部海域含量低于范和港等海域, 口門附近海域含量最低。

表2 大亞灣沉積物重金屬含量值與背景值(mg·kg-1)

Tab.2 The contents of heavy metals and background value of surface sediment in Daya Day (mg·kg-1)

對比大亞灣的歷史資料可以看出大亞灣沉積物重金屬的濃度并非呈現簡單線性增加的趨勢, 如1996年大亞灣西南部海域的沉積物重金屬汞的濃度為0.162[18], 1999年該區域的重金屬汞的濃度值約為0.09[7], 2015年該區域的濃度則是低于0.04。2011年西北部是銅、鉛的高值分布區[6], 這與本研究相一致。在空間分布上也發生了明顯的變化, 1999年重金屬銅的高值區分布在口門、范和港區域[7], 隨著大亞灣石化區的建設和發展, 銅的高值區逐步向西遷移, 啞鈴灣區域的濃度值最高。

沉積物重金屬的來源主要有自然來源和人為來源兩種, 從工業革命以后, 人類活動釋放的重金屬的量遠超自然來源的重金屬的量, 通過大亞灣沉積物重金屬的空間分布可以看出, 大亞灣沉積物重金屬的空間分布與沿岸的產業有著密切的關系, 沉積物重金屬的濃度整體上呈現大亞灣口門處較低, 而大亞灣北部近岸區域濃度較高的特征。大亞灣沉積物重金屬的來源與沿岸工業有關, 工業污廢水含有大量的銅、鋅、汞等重金屬[19-21]。谷陽光等認為大亞灣核電站及配套工程是大亞灣重金屬污染的重要來源[22]。徑流也是近岸海域重金屬的重要來源[23-24]除了沿岸產業之外, 網箱養殖產業亦能對大亞灣沉積物重金屬的空間格局產生影響, 大亞灣的養殖網箱多集中在啞鈴灣、范和港等區域, 這也就導致了范和港、啞鈴灣以及大鵬灣的TOC濃度較高, 中央列島、大亞灣口門等區域的TOC濃度稍低[25]當離子態的重金屬進入水體后, 通過與懸浮物絡合形成顆粒態重金屬[26], 范和港、啞鈴灣等區域的水動力較弱, 傳輸到外海的量較少, 大部分經沉降進入水底, 導致該區域沉積物重金屬的濃度升高。曹玲瓏等的研究也表明大亞灣沉積物重金屬與TOC有明顯的相關性[6]。

圖2 大亞灣重金屬銅分布特征(mg·kg-1)

圖3 大亞灣重金屬鋅的分布特征(mg·kg-1)

圖4 大亞灣重金屬鉛的分布特征(mg·kg-1)

3.2 大亞灣沉積物重金屬污染和生態風險

當前Hakanson生態風險指數被廣泛用于評價海域沉積物重金屬的生態危害[8-9,27], 根據公式對大亞灣的污染指數和潛在生態風險指數進行計算, 結果表明大亞灣海域表層沉積物重金屬銅、鉛、鋅、鎘、汞的C含量范圍分別為0.2—7.4、0.2—2.8、1.4—6.7、0.7—7.3、0.5—9.0, 平均值分別為2.2、1.3、3.2、2.8、3.1, 見表3, 污染程度呈現鋅>汞>鎘>銅>鉛的規律。重金屬銅和鉛整體上屬于中等程度污染, 低污染和中等程度污染的站位比例分別為83%、100%; 鋅、汞、鎘3種重金屬比較嚴重污染站位的比例分別為48.9%、46.8%、42.6%, 整體上屬于中等-比較嚴重污染狀態。Cd的范圍為4.3— 26.9, 平均值為12.6, 中等-比較嚴重污染的站位比例約87.2%。

圖5 大亞灣重金屬鎘的分布特征(mg·kg-1)

圖6 大亞灣重金屬汞的分布特征(mg·kg-1)

重金屬(銅、鉛、鋅、鎘、汞)E的范圍依次為1.0—36.8、0.9—14.1、1.4—6.7、20—220、20—360, 平均值分別為10.8、6.7、3.2、84.0、124.2, 見表4。風險呈現汞>鎘>銅>鉛>鋅的規律, 重金屬銅、鉛、鋅所有站位均屬于低風險水平, 而重金屬鎘和汞中等-較高風險的站位比例分別為63.8%、68.0%。R值的范圍為67—540.1, 平均值為228.9, 中等-較高風險的站位比例為82.9%, 見表4。

大亞灣沉積物重金屬整體上屬于中等-比較嚴重污染水平, 而潛在生態風險則屬于中等-較高風險水平, 大亞灣沉積物重金屬污染水平主要與鋅、鎘、汞有關, 而大亞灣沉積物重金屬生態風險指數則主要受汞、鎘2種重金屬的影響, 雖然這兩種重金屬的絕對含量并不高, 均不超過第一類海洋沉積物標準[14],但是相對大亞灣海域沉積物重金屬的背景值則增加了2.8—3.1倍, 導致大亞灣沉積物重金屬潛在生態風險水平增加。生態風險指數還受到重金屬的毒性影響, 汞和鎘對生物具有較強的毒害作用[28-29],生態毒性指數分別是40和30, 遠高于其他三種重金屬的毒性, 這兩種重金屬的含量和生態毒性導致大亞灣海域沉積物重金屬的潛在風險較高。徐姍楠等的研究也表明汞是大亞灣排污區潛在生態風險較高的主要原因[10]。

表3 大亞灣沉積物重金屬污染因子值

表4 大亞灣沉積物重金屬潛在生態風險值

Tab.4 The risk indices Eirand potential ecological risk factorsRiof heavy metals in Daya Bay

3.3 大亞灣底棲生物生物積累

大亞灣底棲生物生物體重金屬含量分析見表5, 銅、鉛、鋅、鎘、汞在生物體的含量范圍分別為9.0—21.3 mg·kg-1、1.0—8.5 mg·kg-1、66.5—84.1 mg·kg-1、1.0—4.6 mg·kg-1、0.02—0.03 mg·kg-1?？傮w上呈現鋅>銅>鉛>鎘>汞的規律。

通過公式5計算大亞灣海域的值, 結果見表6。不同的重金屬在生物體內的差異顯著, 重金屬鉛、汞在全部生物體樣品中均顯示沒有累積; 銅在棒錐螺和連珠蚶生物體, 鋅在棒錐螺生物體中均呈現輕度積累, 其他均無積累作用; 而重金屬鎘則在5種底棲生物體內呈現較強的積累作用, 生物體內的含量是沉積物重金屬含量的12.5—56.9倍, 見表6。

進入底棲生物體內的重金屬主要來源包括懸浮顆粒吸附的重金屬和水體中離子態重金屬, 當底棲生物濾食有機質顆粒時, 吸收懸浮顆粒物吸附的重金屬離子, 導致了重金屬在體內的積累, 此外底棲生物排出重金屬鎘的生物學半衰期要長于汞、鉛等重金屬[30], 這也是生物體內重金屬鎘的含量超過其他重金屬的原因之一。鎘與鈣元素的地球化學性質相近[31], 也使得鎘更易于在生物體內積累。重金屬的賦值形態也是影響底棲生物生物體重金屬含量的重要因素, 大亞灣沉積物重金屬銅、鋅、砷主要以殘渣態存在, 而鉛則是以還原態為主, 鎘則以弱酸提取態為主, 弱酸提取態的重金屬更容易被生物吸收[7]。

表5 大亞灣棲生物生物體重金屬含量(mg·kg-1)

Tab.5 The contaminants of heavy metal in benthos of Daya Bay(mg·kg-1)

表6 大亞灣海域重金屬的生物-沉積物積累因子(BSAF)

Tab.6 The biota –sediment accumulation factor of Daya Bay (BSAF)

4 結論

1)大亞灣海域表層沉積物重金屬含量呈現鋅>鉛>銅>鎘>汞的規律; 重金屬空間分布上呈帶狀分布, 北部沿岸海域含量較高, 南部口門附近海域最低。

2)大亞灣沉積物重金屬污染呈現鋅>汞>鎘>銅>鉛的規律, 整體上屬于中等-比較嚴重污染水平, 鋅、鎘、汞是大亞灣污染的主要因子, 而生態風險則呈現汞>鎘>銅>鉛>鋅的規律; 潛在生態風險則屬于中等-較高風險水平, 大亞灣沉積物重金屬的潛在生態風險主要受汞、鎘兩種重金屬的影響。

3)大亞灣底棲生物生物體重金屬含量呈現鋅>銅>鉛>鎘>汞的規律。重金屬鉛、汞在全部生物體樣品中均顯示沒有累積; 銅在棒錐螺和連珠蚶生物體, 鋅在棒錐螺生物體中均呈現輕度積累, 其他均無積累作用; 而重金屬鎘呈現明顯的積累作用。

致謝: 感謝保護國際基金會(Conservation Inter-national)的Siyu Qin女士對本文英文摘要的修改和潤色。

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LIN Lihua, WEI Hujin, HUANG Huamei. Contamination status and bioaccumulation of the heavy metals in the surface sediments and benthos in Daya Bay[J]. Ecological Science, 2017, 36(6): 173-181.

Contami-nation status and bioaccumulation of the heavy metals in the surface sediments and benthos in Daya Bay

LIN Lihua, WEI Hujin, HUANG Huamei

South China Sea Institute of Planning and Environmental Research, SOA, Guangzhou 510300, China

Based on heavy metal (Cu, Pb, Zn, Cd and Hg) concentration of 34 samples from the surface sediments and benthoscollected from Daya Bay in May of 2015, we assessed the level of heavy metal pollution, ecological risk and biota-sediment accumulation using the Comprehensive Pollution Index, the Potential Ecological Risk Index and the Biota-sediment Accumulation Factor. The results indicated that the average contents of Cu, Pb, Zn, Cdand Hg were 13.9, 29.1, 82.3, 0.08 and 0.03 mg·kg–1, respectively. The contribution to the marine pollution ranked as Zn＞Pb＞Cu＞Cd＞Hg. The contents of heavy metals were spatially distributed as bends, with the highest content in the North of Daya Bay and lowest content in the South of Daya Bay. The comprehensive pollution index of Daya Bay was between the medium and very high, and the contents of Zn, Cd, and Hg were the main contributors. The potential ecological risk of heavy metals in Daya Bay was at a medium-high level, and Cd and Hg were the highest potential ecological risk heavy metals. The rank for the contents of heavy metals in benthos was Zn>Cu>Pb>Cd> Hg. There was no significant bioaccumulation for Hg, Pb in the benthos, while Cu and Zn showed slight bioaccumulation in, and Cd showed a relativelyhigher bioaccumulation in the benthos.

Daya Bay; sediment heavy metals; biota-sediment accumulation; potential ecological risk

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.05.024

X

A

1008-8873(2017)05-173-09

2017-03-14;

2017-04-26

海洋生態紅線區劃管理技術集成研究與應用(201405007); 基于海洋健康的資源環境承載能力監測預警關鍵技術研究與區域示范應用(201505008)

林麗華(1980—), 女, 廣東陸豐人, 碩士, 工程師, 主要從事海洋生態環境保護研究工作, E-mail : airingl@qq.com