洞頭海域大型海藻重金屬及有害元素含量特征分析

陳星星，黃振華，周朝生，吳越，陸榮茂，張鵬

(浙江省海洋水產養殖研究所 浙江省近岸水域生物資源開發與保護重點實驗室，浙江 溫州 325005)

重金屬是指原子密度大于5 g·cm-3的金屬元素及其化合物，主要包括汞(Hg)、銅(Cu)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、砷(As)、鋅(Zn)、鈷(Co)、鎳(Ni)等。因其優異的物理、化學性能，被廣泛應用于工業、農業等領域，但在大量生產和應用的同時，帶來不可避免的重金屬污染問題，它們可通過諸多的自然因素及人為因素造成環境污染，同時重金屬在環境中很難降解，具有富集性，人體攝入后不易排除[1-3]。

海藻是海洋系統的初級生產者，一些大型海藻能為許多附著植物和動物提供生活空間，如微型生物、甲殼動物和魚類等。另外，海藻在重金屬污染水體的生物修復和重金屬離子的生物吸附方面具有較好的應用前景，海藻處理低濃度重金屬廢水具有成本低、吸附量大、凈化效率高、選擇性好、金屬可回收再利用及不產生二次污染等優點[4-5]。支田田等[6]對藻類去除水體中重金屬的機理有過報道，闡述了藻類吸附及富集重金屬的機理，但并未調查篩選天然海藻中富集重金屬元素的海藻。劉加飛等[7]對湛江近岸馬尾藻重金屬含量做過調查，但對浙江海域海藻重金屬的調查研究較少。

本研究在浙江省溫州市洞頭島海域附近采集了健康的完整海藻植株十余種，采用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS，安捷倫儀器有限公司)測定藻類中Al、Fe、As、Mn、Zn、Cu、Cr、Ni、Cd、Pb的含量，通過聚類分析及主成分分析，揭示了洞頭海域各海藻重金屬含量及海藻對特定重金屬的富集系數，旨在尋找理想的重金屬污染指示生物及生物修復材料，為今后食用藻類重金屬污染提供預警及保障的科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2018年5月在浙江省溫州市洞頭島海域附近采集健康的完整海藻植株十余種，包括褐藻門的鼠尾藻(Sargassumthunbergii)、鐵釘菜(Ishigeokamurae)、銅藻(Sargassumhorneri)；紅藻門的日本角叉藻(Chondrusnipponicus)、蜈蚣藻(Grateloupiafilicina)、舌狀蜈蚣藻(Grateloupialivida)；綠藻門的中間硬毛藻(C.media(Ag.) Kuetz)、石莼(Ulvalactuca)、刺松藻(Codiumfragile)、羽藻(Bryopsisplumosa)、剛毛藻(Cladophora)。另外，對海藻附近水域的海水進行了采樣，測定水體中重金屬的含量，準備后續進行藻類富集系數的分析。

1.2 試驗方法

1.2.1 海藻預處理

用采集的海水將藻體沖洗干凈，除去表面的泥沙及附著物等，小心保存。帶回實驗室后，用超純水沖洗藻體數遍，分裝在若干個塑料罐中，于70 ℃烘箱內烘干。將烘干后的藻體磨碎，分裝在自封袋中密封保存待測。

1.2.2 藻體重金屬檢測方法

分別稱取約0.2 g藻體(干樣)于消解罐中，加入適量消解液(5 mL硝酸+5 mL蒸餾水)微波消解后，經定容、過濾等步驟得到待測液，用ICP-MS檢測其中的重金屬元素及含量。

1.2.3 數據處理

根據各藻體檢測出來的重金屬元素及相應含量，采用Graphpad prism 5和SPSS 19.0制成圖表。由各海藻藻體內特定重金屬含量和海水中相應元素平均濃度的比值，得到海藻對特定重金屬的富集系數。

2 結果與分析

2.1 標準物質重金屬的含量

紫菜標準物質樣品經電感耦合等離子質譜儀分析，結果顯示，其所含各元素測量值與參照值比較，平均回收率為85.12%～108.52%，表明所用方法能滿足海藻樣品重金屬含量分析要求。

2.2 各海藻重金屬及有害元素的含量

由圖1可知，不同海藻中的重金屬含量不同且差異明顯，兩種相似種如蜈蚣藻、舌狀蜈蚣藻體內重金屬的含量也有較大差異。另外，通過海藻體內特定重金屬的含量數據情況，可以分析得到其對特定重金屬的富集能力。

圖1 洞頭海域大型海藻重金屬含量

各海藻中重金屬及有害元素含量平均值由高到低為Al>Fe>As>Mn>Zn>Cu>Cr>Ni>Cd>Pb，可知海藻體內Fe、As、Mn、Zn元素的含量相對較高，尤其是Fe，這與這些微量元素在植物體中的作用有關。Fe是光合作用、生物固氮和呼吸作用中的細胞色素和非血紅素鐵蛋白的組成，在氧化還原中起電子傳遞的作用；As對植物的生長也有一定的促進作用；Mn對植物細胞中的多種酶起活化作用；Zn在植物體內主要參與生長素的合成，是多種酶的組成成分。

Fe在各海藻中的含量較高，其中在鼠尾藻中含量最高，其次為石莼，含量最低的是舌狀蜈蚣藻。Mn、As、Cr、Ni、Pb含量最高的也均為鼠尾藻。Zn在舌狀蜈蚣藻中含量最高，在石莼中最低；Cu在日本角叉藻中含量最高，在銅藻中含量最低；Cd在剛毛藻中含量最高，在石莼中含量最低。

2.3 各海藻重金屬及有害元素富集系數

由表1可知，Al、Fe、Mn、As、Cr、Ni和Pb均在鼠尾藻的富集系數最高，Zn在蜈蚣藻中的富集系數最高，Cu在日本角叉菜中的富集系數最高，Cd在剛毛菜中的富集系數最高，在石莼中最低。

表1 洞頭海域大型海藻重金屬平均富集系數

2.4 各海藻重金屬及有害元素含量分布

從圖2中可以看出，Al、As、Fe、Mn、Cr、Ni和Pb在褐藻門中含量最高，Zn、Cu在紅藻門中含量最高，Cd在綠藻門中含量最高。

圖2 褐藻門、紅藻門及綠藻門海藻重金屬含量分布

2.5 聚類分析

以重金屬含量為指標，對海藻樣本進行聚類分析。將11種海藻分為4類(圖3)，第一類包括鐵釘菜、蜈蚣藻、舌狀蜈蚣藻、銅藻、刺松藻、剛毛菜和中間硬毛藻；第二類包括日本角叉菜和羽藻；第三類為鼠尾藻；第四類為石莼。

圖3 海藻聚類分析

主成分分析。對海藻中各重金屬含量進行PCA計算，根據特征方差累計貢獻率確定主成分個數。由圖4可以看出，前3個主成分累積貢獻率為86.84%，可反映全部數據的基本信息。第一主成分(PC1)貢獻率為63.65%，該因子變量在Al、Fe、Mn、Cr、Ni、Cu和Pb上有較高正載荷(>0.72)，因此，推測第一主成分與植物生命活動中必需的重金屬有關；第二主成分(PC2)貢獻率為12.51%，Zn載荷為0.753，表明第二主成分主要支配著海藻中Zn的富集能力；第三主成分(PC3)貢獻率為10.68%，與其相關的是Cd，載荷0.694。

圖4 各重金屬的三維載荷

為綜合評價大型海藻對重金屬的富集能力，用各海藻重金屬富集能力的綜合得分以進行分級。由表2可知，11種海藻富集能力綜合排序表現為鼠尾藻>日本角叉藻>石莼>羽藻>蜈蚣藻>鐵釘菜>剛毛藻>中間硬毛藻>刺松藻>舌狀蜈蚣藻>銅藻。鼠尾藻對重金屬富集能力最強，其次日本角叉藻，銅藻對重金屬富集能力最弱，與聚類分析結果相似。

表2 洞頭海域大型海藻重金屬及有害元素富集能力的綜合得分

3 討論

海藻中各元素濃度平均值差異較大，重金屬濃度最高的Fe含量為1 131.08 mg·kg-1，濃度最低的Pb含量為1.01 mg·kg-1。在Al、Fe、As、Mn、Zn、Cu、Cr、Ni、Cd、Pb中，若以Cu元素為中間線，其左側濃度都大于29 mg·kg-1，右側濃度都小于10 mg·kg-1。而左側除Al、As是非必需元素外，其他3個都是植物的必需元素，右側濃度低的均屬于非必需元素。作為非必需元素，Al、As卻以高含量出現在必需元素的隊伍中。從元素周期表發現，Al元素位于第三主族B的下方，As元素位于第五主族P的下方，而B元素是植物體內必需元素。孫穎等[8]發現，B元素在植物繁殖過程及形成繁殖器官時起很大作用。趙明城等[9]報道，P是能量代謝、核酸及膜合成的重要底物，在光合作用、呼吸作用及氮代謝過程中發揮著重要作用。由于Al、As分別位于B和P同一主族下方，化學結構存在相似性，植物在吸收營養元素的時候，同時吸收了該元素的可能性。藻類吸收了As以后，大部分將其轉化為毒性較低的有機砷，如MMA、DMA。黃東仁等[10]研究表明，砷的毒性與其存在的形態密切相關，其中無機砷的毒性最強，有機形態的MMA和DMA等毒性較低，而海洋生物體內存在的AsB、AsC被認為是無毒的。這說明即使藻類誤吸了砷等非必需元素，但自身存在解毒機制，可將毒性較高的無機砷轉化為毒性較低的有機砷。

11種海藻富集能力綜合排序表現為鼠尾藻>日本角叉藻>石莼>羽藻>蜈蚣藻>鐵釘菜>剛毛藻>中間硬毛藻>刺松藻>舌狀蜈蚣藻>銅藻。藻類細胞壁上的多糖、蛋白質、磷脂等多聚體提供了大量官能團(氨基、羥基、羧基等)，一部分官能團失去質子而帶負電荷，依靠靜電引力吸附金屬離子，而不同海藻的、多糖、蛋白質、磷脂等含量差異較大[3]。鼠尾藻對多種重金屬均表現出較高的富集能力。褐藻細胞壁主要含有3種物質：纖維素，褐藻酸和相應的藻酸鈉、鉀、鈣、鎂鹽，以及硫酸化多糖[6]。大量的多糖細胞基質，使得藻類具有良好的金屬結合能力，而鼠尾藻就是褐藻中的一種。因此，鼠尾藻可作為該海域重金屬污染物生物監測與生物修復的合適物種。