天然水體中磷的存在形態及其對魚類影響研究進展

胡佳，李艷華

（銅仁職業技術學院農學院，貴州 銅仁 554300）

磷是生物有機體生長和能量傳輸所必需的營養元素，也是陸地和水生態系統中初級生產的限制性營養元素[1，2]。天然水體中磷素的存在形態多樣，各種形態之間會隨著地球化學過程的變遷而循環轉化[3，4]。隨著全球人口劇增，現代農業生產的加速和工業生產的排放導致大量磷流失于土壤和自然水域中，造成磷的點源和面源污染[4]。這些磷及磷的化合物中，一些成為水體初級生產力的營養元素來源，有些在一定量內對魚類無毒無害，有些微量則對魚類直接造成負面影響。本文綜述了天然水體中磷的賦存形態，總結了磷對魚類的直接危害，為水域環境保護和水產品的質量安全提供參考。

1 天然水體中磷的存在形態

天然水體包括江河、海洋、冰川、湖泊、沼澤等地表水以及土壤、巖石層內的地下水等。礦石風化侵蝕、淋溶和人類活動的排放（如生活污水、畜禽水產養殖、化肥、有機磷農藥、暴雨徑流、雨污混流等）是天然水體中磷的主要來源[5，6]。一般而言，根據磷在天然水體中的物理性質和化學形態的不同，以溶解度為標準，天然水體的磷可分為可溶態磷（Dissolved Phosphorus，DP）和顆粒態磷（Particulate Phosphorus，PP）。DP 指能通過0.2μm 或0.45μm 微孔濾膜的溶解于濾液中的磷。PP 為水體中不能通過0.2μm 或0.45μm 微孔濾膜的磷形態[4]。

1.1 可溶態磷（DP）

DP 包括可溶態無機磷（Dissolved Inorganic Phosphorus，DIP）和可溶態有機磷（Dissolved Organic Phosphorus，DOP）。DIP 包括無機正磷酸鹽和無機縮聚磷酸鹽。正磷酸鹽是浮游生物和細菌能直接吸收利用的磷形態[7]，無機正磷酸鹽的存在形態有P043-、HP042-、H2P04-以及H3P04四種，常常同時存在于水體，各部分的相對比例隨pH 的不同而異，在pH 6.5～8.5 的正常天然淡水中以HP042-和H2P04-為主。無機縮聚磷酸鹽包括無機環狀縮聚磷酸鹽和無機線型縮聚磷酸鹽或絡合物[8]。無機環狀縮聚磷酸鹽，如三偏磷酸鹽（P3O93-、HP3O92-、P4O124-、HP4O123-）；無機線型縮聚磷酸鹽或絡合物，如焦磷酸鹽（P2074-、HP2O73-、H2P2O72-、H3P2O7-和H4P2O7）和三聚磷酸鹽（P3O105-、HP3O104-、H2P3O103-、H3P3O102-、H4P3O10-和H5P3O10）。

DOP 主要包括植酸鹽、磷蛋白、核蛋白、核酸、核苷酸、磷脂、磷酸單酯、磷酸雙酯、肌醇和有機磷農藥等[4，9，10]。天然水體中的DOP 有很大一部分可以被微生物群落和浮游動植物利用，將有機磷轉化為正磷酸鹽的形式釋放[11-13]，堿性磷酸酶（APA）在這一過程中起重要作用[14]。因此，除了正磷酸鹽外，溶解態有機磷在天然水體中也可作為初級生產者磷的來源[15]。

1.2 顆粒態磷（PP）

PP 主要以礦物與無定形物質的共沉淀和吸附于礦物表面的形式存在，主要包含礦物顆粒的磷和無定形的磷、磷灰石態磷、顆粒有機物和生物體內的磷，是河流系統和河口地區磷的主要存在形態[16，17]。研究表明：隨河流輸入海洋的磷懸浮顆粒態占90%～95%[18]。徑流中磷素輸出以顆粒態磷（PP）為主，占總磷（Total Phosphorus，TP）的比例介于75.47%～97.91%之間[19]。Benitez 等[20]將PP 又分為顆粒態無機磷（PIP）和顆粒態有機磷（POP）。PIP 是磷存在于顆粒懸浮物和沉積物中的重要形態，包括弱結合態、鐵結合態（FePO4）、鋁結合態和鈣結合態[如Ca（PO4）2、CaHPO4、Ca10（PO4）6（OH）2]。它們都屬于溶解度極小的無機磷酸鹽，其中弱結合態磷可以被浮游植物所利用。POP 主要存在于各種動植物殘體、腐殖質類有機物和各種磷化合物有機碎屑中。部分POP 經礦化或細菌分解轉化為無機磷被浮游植物利用，另一部分與水體中溶解態的無機磷發生吸附，以顆粒物的形式沉降，是底泥的重要來源[21，22]。

磷礦企業生產的黃磷（P4）也屬于顆粒態磷。黃磷是以磷礦石為原料，在高溫下用碳還原生成磷蒸汽，經冷凝后制成[23]。黃磷難溶于水，易溶于二硫化碳等有機溶劑，在15℃水中溶解度為3mg/L[24，25]。黃磷在水體中絕大部分為顆粒態磷，極少數為溶解態磷。它燃點低，在空氣中能自燃，保存運輸時安全要求高[26]。天然水體含單質黃磷主要是黃磷礦生產、包裝、運輸、使用過程中的污染或突發事故所致。漁業水質標準中明確規定，黃磷標準值不能超過0.001mg/L，人誤食0.1g 就能致死，皮膚若經常接觸黃磷也會引起吸收中毒。

2 磷對魚類的影響

天然水體中磷素的各種形態共同存在，其中DIP、DOP、弱結合態的PIP 及部分POP 經過礦化或細菌分解都能被水生生物和微生物群落吸收利用，形成了水環境的磷素循環。在磷的上述形態中，除有機磷農藥和黃磷是環境污染的檢測物，直接危害魚類外，其他形態磷對魚類的影響較小，未見危害報道。根據現有的文獻資料，磷酸鹽在河口或近岸可達0.91～2.19μmol/L，是造成水體富營養化的主要因子，但并未對魚類資源造成負面影響[27，28]。許多研究也證實：不同條件下富營養水體有效磷的臨界含量為0.6～2.4μmol/L[29]。目前地表水環境質量標準認定的劣V 類水體的總磷含量≤0.4mg/L，不少漁業水體遭受污染時，總磷含量遠高于這一標準，但是，總磷對魚類會造成負面影響的濃度，目前還沒有試驗研究，當前我國的漁業水質標準也沒有規定總磷的限值。基于此，本文主要總結討論有機磷農藥和黃磷對魚類的影響。

2.1 有機磷農藥對魚類的影響

有機磷農藥微溶于水，是世界上使用量最大的農藥，毒效大、易分解、殘留周期短[30]，在20 世紀90年代中期，有機氯農藥被美國和歐洲全面禁止使用后，有機磷農藥廣泛應用于農業、園藝和畜牧水產疾病防治，隨著有機磷農藥的大量使用，環境中的有機磷農藥殘留直接影響水生和陸生動物。1998年，由50 多個國家簽署的《PIC 公約》，將甲胺磷、對硫磷、甲基對硫磷、久效磷、磷胺5 種高毒有機磷農藥列入嚴格控制的名單[31]。按有機磷農藥對環境的危害程度，對硫磷、甲基對硫磷、內吸磷屬于劇毒農藥；敵敵畏屬于高毒性農藥；樂果、敵百蟲屬于中等毒性農藥；馬拉硫磷屬于低毒農藥。在我國水產養殖中常用有機磷藥物（如辛硫磷、馬拉硫磷）殺滅水體中的體外寄生蟲[32]。

有機磷農藥對具備神經系統動物的毒作用機理基本相同。它主要是抑制乙酰膽堿脂酶（AChE）活性，使其失去水解乙酰膽堿（ACh）的能力，造成膽堿能神經末梢釋放的ACh 大量蓄積，興奮ACh 的毒蕈堿受體（M受體）和煙堿能受體（N 受體），產生毒蕈堿樣和煙堿樣作用及中樞神經系統癥狀[33]。有機磷經魚體表吸收較少，主要經過鰓、胃腸道進入機體，經血液和淋巴分布到全身，在魚體內的生物降解半衰期從幾小時到幾個月不等。有些可在魚肝臟中轉化為毒性更強的物質。被有機磷污染過的水體可通過食物鏈作用于人體[34]。

已有研究表明，有機磷農藥對同種魚類的不同組織和不同魚類的同種組織AChE 的抑制程度不同。一般當組織膽堿酯酶抑制達40%～60%時，動物幾秒內即死亡[35]。施建軍等[36]研究了三唑磷、乙酰甲胺磷、增效水胺硫磷對麥瑞加拉鯪Cirrhina mrigola 幼魚的毒性作用，當三種有機磷農藥濃度分別高于0.005mg/L、0.028 mg/L 和11.321mg/L 時，魚體呈極度不安、呼吸加快以及鰓和內臟明顯充血等中毒癥狀。史清毅等[37]研究了久效磷對雄性孔雀魚Poecilia reticulate 的生殖毒性，在1.0mg/L 久效磷中飼養40d 后取樣做石蠟切片觀察，發現久效磷損傷了精巢結構，抑制了精巢精子的發生，降低了精子密度和數量，導致孔雀魚繁殖次數和仔魚數量減少。金彩杏等[38]比較了三唑磷對鱸Latealabrox japonicas、日本鰻鱺Anguilla japonica 苗、梭魚Liza haematocheila 和大彈涂魚Boleophthalmus pectinirostris 的毒性作用，發現無論是試驗時間是24h、48h，還是96h，梭魚的LC50都最低，分別為0.013mg/L、0.004mg/L 和0.0029mg/L，三唑磷對四種魚的毒性依次是梭魚＞大彈涂魚＞鱸＞日本鰻鱺苗。王亮等[39]研究了甲拌磷對斑馬魚Danio rerio 胚胎的毒性，發現斑馬魚卵在24h、48h 的半數致死濃度分別為25.63mg/L 和14.96mg/L，染毒斑馬魚胚胎發育過程中會出現尾部彎曲、心律消失、發育停止等特征。夏錦瑜等[40]研究了丙溴磷對鯽Carassius auratus 的毒性作用和在魚體中的富集效應，發現丙溴磷對鯽的96h 半數致死濃度為0.1929mg/L。在1/10 的96h-LC50劑量下連續作用14d 后，發現丙溴磷對鯽魚腦部乙酰膽堿酯酶（AChE）和羧酸酯酶（CarE）的活性抑制率分別為93.61%和83.03%。此外，丙溴磷在魚體肝胰臟、鰓和肌肉中均有不同程度的富集。宋志慧等[41]研究了氧化樂果對斑馬魚的毒性作用，發現其96hLC50為31.57mg/L，屬于高毒農藥。Henderson 等[42]比較了10 種有機磷農藥對鰷Pimepbales promelas 和藍鰓太陽魚Lepomis macrobirus 的毒性，其96h LC50范圍在0.25～150 mg/L，表明不同有機磷化合物的毒性范圍很廣。Pickering 等[43]研究了13 種有機磷殺蟲劑對孔雀魚、藍鰓太陽魚、鰷和金魚Carassius auratus 4 種魚類的相對毒性，結果發現不同魚種對不同有機磷殺蟲劑的96h LC50范圍在0.0052～610 mg/L，表明不同種或同種不同規格魚對有機磷的敏感度不同，不同物種對特定化合物的最大敏感度從4 到900 倍不等，較大的藍鰓魚（10g）對硫磷和馬拉硫磷的耐受性稍高于小的藍鰓魚（2g）。Gon?alves 等[44]評估了繼有機磷酸酯之后，新的合成農藥氨基甲酸酯對凹尾麗脂鯉Astyanax jacuhiensis 的影響，發現暴露于5μg/L、15μg/L 和30μg/L 氨基甲酸異丙醇（PPX）96h，肝胰臟和鰓中谷胱甘肽S-轉移酶（GST）活性降低。大腦和肌肉中的乙酰膽堿酯酶（ACHE）活性在PPX 濃度為15μg/L 和30μg/L 時降低。海水魚類胚胎和仔稚魚發育對有機磷農藥的污染相當敏感，引起魚類早期發育異常的濃度可作為判斷沿海水域污染程度的指標之一[45]。不同有機磷農藥對各種魚類毒理試驗結果見表1。

2.2 黃磷對魚類的影響

黃磷是地表水，特別是集中式生活飲用水地表水源地水質監測中的重要項目[46]。黃磷比較穩定，不易分解，分散體在水中的氧化反應是一級動力學反應，但其毒性劇烈，半衰期為2～7.5h，易造成水生動物不可逆的累積和急性中毒[47]。黃磷在魚體中的分布規律為：肝臟＞胰臟＞肌肉＞鰓，在肝臟中積累最為迅速，含量也最高。鱈Gadus morhua 在含黃磷1μg/L 的水中18h，肌肉殘留量可達50μg/kg、脂肪150μg/kg、肝臟高達25000μg/kg[48]。在濃度為0.01mg/L 的黃磷水體中試驗5h 后，黃磷在鰱Hypophthalmichthys molitrix、鳙Aristichthys nobilis、鯽、青魚Mylopharyngodon piceus、鲴Xenocypris sp.、翹嘴紅鲌Erythroculter ilishaeformis 的肝臟中的濃縮系數為41～253、胰臟中為113、肌肉中為2～97、鰓中為0～35[48]。黃磷對龍蝦Homarus americanus、鱒Salmo salar 和沙蚤Gammarus oceanicus 的起始致死劑量分別為40μg/L、18μg/L、3～4mg/L[47]，對鰱、鳙、青魚、鯽、鲴、翹嘴紅鲌等大多數魚類的96h 半數致死濃度為0.10～0.56 mg/L[48]，大西洋鱈Gadus morhua和大西洋鮭Salmo salar 對黃磷溶液的耐受性更低，它們對黃磷的起始致死濃度分別低至1.89μg/L和0.79μg/L，并分別在125h 和195h 達到LC50[49]。Fletcher[50]研究了用黃磷污染的含黃磷4～11μg/g 的鱈肌肉和含黃磷194μg/g 的鱈肝臟投喂紅點鮭Salvelinus fontinalis，鮭出現的中毒癥狀和直接暴露在黃磷水混懸液中的癥狀一樣，皮膚發紅、溶血及紅細胞容積減小。故磷礦企業生產的黃磷污染會對魚類造成直接和次生毀滅性災難。1969 年加拿大紐芬蘭長港港口黃磷污染事故導致魚類和甲殼動物死亡，港口黃磷污染點的龍蝦組織切片顯示，觸腺和肝胰腺均表現出退行性改變，肝胰腺導管呈現空泡或者閉塞，觸腺體腔囊破裂、血液凝結[51]。1989 年8 月17 日，在長江葛洲壩庫區黃柏河發生過嚴重的黃磷污染事故，中毒死亡魚類近40 萬kg，包括國家一級保護動物中華鱘Acipenser sinensis 死亡21尾，國家二級保護動物胭脂魚死亡300 多尾，200 余黃磷中毒人員[25]。此后，全國各地都陸續有黃磷污染事件發生[52]。關于黃磷對各種水生動物毒理試驗具體結果見表2。

表1 不同有機磷農藥對魚類毒理試驗結果匯總Tab.1 Summary of toxicological test of different organophosphorus pesticides on fish

續表1

3 結語與展望

在各種磷形態中，我國《地面水環境質量標準》（G3838-2002）分別限定了總磷、黃磷和對硫磷、甲基對硫磷、馬拉硫磷、樂果、敵敵畏、敵百蟲、內吸磷有機磷（不含甲胺磷）的含量。我國《漁業水質標準》（GB11607-89）則限定了黃磷和馬拉硫磷、甲胺磷、甲基對硫磷、樂果有機磷的含量，未對內吸磷、敵百蟲、敵敵畏等其它廣泛使用的有機磷農藥和殺蟲劑進行限定。高繼軍[53]對我國地表水的研究表明，敵敵畏和內吸磷在我國地表水中的檢出率分別達到89.1%和78.2%，檢測到的峰值分別達1552.0 ng/L和2560.0 ng/L，平均值分別為17.8 ng/L 和35.4 ng/L；樂果、甲基對硫磷、馬拉硫磷和對硫磷的檢出率均低于43.5%，但其檢測峰值也分別達到2660.0 ng/L、480.0 ng/L、1290.0 ng/L 和150.0 ng/L。20 世紀80 年代，中國科學院[54]對長江流域15 種有機磷農藥的檢測表明，治螟磷、樂果、甲基對硫磷、馬拉硫磷、對硫磷（一六○五）是污染長江的主要農藥，其污染總量可高達1.727 μg/L。此后，胡堪東等[55]對長江流域贛江支流章江水樣所含的治螟磷、內吸磷、樂果、乙硫磷和三硫磷為主的9 種有機磷農藥檢測表明，章江有機磷總污染量在1～486 μg/L，平均含量為163.8 μg/L。周慜等[56]對珠江河口有機磷農藥的檢測表明，9 種有機磷農藥總量在0.46～43.6 μg/L，平均為7.25 μg/L，其中甲拌磷、敵敵畏、乙拌磷是污染珠江流域的主要有機磷農藥。基于上述數據，結合表1 中單一有機磷對特定魚類96h LC50最低濃度為2.9 μg/L 推算，上述調查水域存在造成特定魚類滅亡的巨大風險。總磷（TP）為溶于水的有機與無機磷化物的總稱，是水樣經消解后將各種形態的磷轉變成正磷酸鹽后測定的結果。一般認為TP 無毒，也無群體TP 中毒事件的報道[52]。因此，對不同磷素污染的水域，總磷并不能如實反映各磷素的污染狀況及其嚴重程度，特別是對以黃磷為代表的陣發式污染事故或污染水域。基于上述推斷以及有機磷對水生生物和人類的現實和潛在風險[32，33，57]，建議在地方性的地表水環境質量標準中將無機磷和有機磷獨立進行標準限值，以將有機磷作為一大類獨立檢測，提高檢測效率的同時加強標準的針對性，特別是對于未涵蓋內吸磷、敵百蟲、敵敵畏檢測項目的漁業水質標準。將有機磷或有機磷農藥作為一大類獨立檢測，能更有效反映水體有機磷、特別是有機磷農藥的總體污染現狀，為水產資源保護、水產品食用安全和居民飲用水源安全提供參考標準。伴隨新型有機磷農藥的普及使用，特別是不同形態磷檢測方法的改進，如近年Tue-Ngeun 等[58]成功地建立了溶解活性磷酸（dissolved reactive phosphorus，DRP）、溶解有機磷（dissolved organic phosphorus，DOP）流動注射分析新方法。為了順應社會對飲用水、漁業用水以及水產品質量安全的新要求，應鼓勵和提倡新的檢測方法和檢測指標被納入地表水水質標準和漁業水質標準。因此，無論在提倡魚類福利，還是注重人類生態安全的今天，磷對魚類乃至人類的影響都有價值和必要成為研究者的關注與關切的方向。

表2 黃磷對水生動物毒理試驗結果匯總Tab.2 Summary of toxicological test of yellow phosphorus on aquatic animals