廣西主要貝類養殖區重金屬含量分布特征及污染評價*

陳繼藝,楊 娜,陳旭陽,冀春艷,劉保良

(1.自然資源部北海海洋中心,廣西北海 536000; 2.自然資源部第四海洋研究所,廣西北海 536000)

廣西主要的貝類養殖區域集中分布在廉州灣、欽州灣等重要的半封閉型天然良港,灣內灘涂寬闊,適合貝類生物的索餌棲息。隨著廣西北部灣經濟區的高速發展,近海捕撈和海水養殖規模大幅提升,沿海開發產業越發密集,加上近岸海域的入海河流較多[1],自然和人為因素使得養殖海域受到不同程度的污染,導致近岸海水養殖區面臨較嚴重的環境問題[2-4]。

海洋環境中的重金屬物質是養殖海域污染評價的一個重要指標[5]。重金屬污染物在海水-沉積物界面不是固定不變的,它可以通過一系列的理化過程重新釋放和循環遷移,對養殖海域造成二次污染[6]。重金屬元素在貝類體內富集和積累到一定濃度會導致貝類畸形甚至死亡[7],最終通過食物鏈傳遞影響人體健康[8]。目前國內學者對海洋環境重金屬的污染調查做了諸多報道[2,9,10],但大多只分析水質或沉積物介質中的重金屬污染狀況,而針對貝類養殖區水質、底質及生物體重金屬的污染研究相對較少。因此,本文以廣西沿海的主要貝類養殖區(廉州灣貝類養殖區、茅尾海牡蠣養殖區、紅沙牡蠣養殖區)作為研究對象,通過2016-2018年養殖區域的海水、沉積物及牡蠣生物體3種介質中重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As)的調查分析數據,結合重金屬的環境行為特征,對養殖區域不同環境介質中重金屬的含量分布特征和污染狀況進行綜合分析與評價,掌握重金屬污染物的積累規律及富集程度,根據尊重海洋、順應海洋、保護海洋的原則,為廣西海洋生態文明建設和貝類養殖海域環境的可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 站位設置

數據來源于2016-2018年廣西3個主要貝類養殖區域的海洋環境調查結果。以廣西主要貝類養殖區——廉州灣貝類養殖區(站位1-7)、茅尾海牡蠣養殖區(站位8-14)及紅沙牡蠣養殖區(站位15-21)為研究區域,共布設21個監測站位,即每個養殖區均設7個站位,具體地理位置如圖1所示。

圖1 養殖區監測站位

1.2 方法

1.2.1 樣品采集與分析

每年8月分別采集3個養殖區的海水、沉積物和貝類生物體樣品。其中海水樣品用5 L有機玻璃采水器采集,由于各養殖海域水深均小于10 m,因此每個監測站位只采集水深約0.5 m的表層水樣;沉積物樣品用不銹鋼抓斗式采泥器采集,利用長柄塑料勺挖取未受干擾的表層(0-5 cm)沉積物混合樣置于聚乙烯袋中冷藏保存;貝類生物體樣品采集已達到商品規格的牡蠣(共9份),每份牡蠣樣品的數量為15-20個,用現場海水沖洗干凈后裝入聚乙烯袋中冷凍保存。

所有樣品的采集、貯存與運輸、制備、消化預處理、分析檢測均依據《海洋監測規范》(GB 17378-2007)[11]第3-6部分的方法進行。其中,海水樣品中的Cu、Pb、Zn、Cd采用陽極溶出伏安法測定,沉積物及生物體樣品中的Cu、Zn采用火焰原子吸收光譜法測定,Pb、Cd采用無火焰原子吸收光譜法測定,3種介質中的Hg、As采用原子熒光光譜法測定。

1.2.2 單因子污染指數(Pi)法

研究區域海水、貝類生物體中重金屬污染程度的評價模式采用單因子污染指數法評價,其計算公式為

Pi=Ci/Si,

(1)

式(1)中,Pi為重金屬i的污染指數;Ci和Si分別為不同介質中重金屬i的實測含量及評價標準值,其中海水采用《海水水質標準》(GB 3097-1997)[12]中的二類水質標準進行評價,貝類生物體采用《海洋生物質量》(GB 18421-2001)[13]中的一類生物質量標準進行評價。

1.2.3 地積累指數法

地積累指數(Igeo)[14]是德國科學家Müller提出的關于沉積物重金屬污染程度的定量指標,是國內外學者廣泛應用的一種評價模式[15],其計算公式為

(2)

式(2)中,Igeo為沉積物中重金屬元素的地積累指數;Cn為重金屬n在沉積物中的實測含量;k為成巖作用而取的系數,綜合考慮了各地巖石差異可能會引起的背景值變化,一般取值1.5;Bn為普通頁巖中重金屬n的地球化學背景值。

1.2.4 生物富集系數

通常采用生物富集系數(Bioconcentration Factors,BCF)[16]來表示海洋生物對環境中重金屬的富集能力,其計算公式為

BCF=Ci/Cs,

(3)

式(3)中,Ci為生物體中重金屬的含量,Cs為海水中重金屬的含量。當BCF大于1 000時,表明水生生物對某種污染物質有潛在的嚴重積累風險[17]。

2 結果與分析

2.1 海水重金屬含量分布

廣西主要貝類養殖區海水中重金屬的含量水平見表1。從表1可以看出,除廉州灣貝類養殖區2018年的Hg、茅尾海牡蠣養殖區2017年的Hg和2018年的Cu、紅沙牡蠣養殖區2016年的Pb和2017年的Hg外,其余重金屬平均含量均小于《海水水質標準》(GB 3097-1997)中的一類標準值。

表1 廣西主要貝類養殖區海水中重金屬含量

不同養殖區域的海水重金屬含量分布特征略有差異,廉州灣貝類養殖區及茅尾海牡蠣養殖區的海水重金屬平均含量表現為Zn>Cu>As>Pb>Cd>Hg,紅沙牡蠣養殖區的海水重金屬平均含量(μg·L-1)為Zn(9.62)>Cu(2.38)>Pb=As(0.95)>Cd(0.15)>Hg(0.065),3個養殖區域的海水重金屬含量分布規律均為Zn的濃度最高,Cu次之,Hg最小。總體上,研究區域海水中重金屬平均含量均小于《海水水質標準》中的二類水質標準值,適合貝類養殖;其中最小含量為2016年茅尾海牡蠣養殖區的Cd,8-14站位含量均為未檢出,最大含量為2016年紅沙牡蠣養殖區的Cu,超標站位為19號站。

與國內其他海域比較(表2),廣西主要貝類養殖區海水重金屬Zn、Cd和As的平均含量水平相對較低,Cu、Pb和Hg的平均含量相差不大。

表2 與國內其他海域海水中重金屬含量比較

2.2 海水重金屬污染評價

采用《海水水質標準》的二類水質標準值(Si)對廣西主要貝類養殖區的海水水質狀況進行評價,評價等級劃分列于表3[23]。

表3 海水水質污染等級劃分

研究區域海水中各重金屬的污染指數(Pi)見表4。由表4可知,廣西主要貝類養殖區海水中的重金屬元素對水質污染程度依次為Cu>Hg>Zn=Pb>Cd>As,總體海水質量狀況較好,水質屬于本底水平。從單個養殖海域來看,廉州灣貝類養殖區2016-2018年的水質均屬本底水平;茅尾海牡蠣養殖區2018年Cu(0.57)、2017年Hg(0.41)的污染指數稍大,屬于海水清潔水平;紅沙牡蠣養殖區2016年Cu(0.45)、2017年Hg(0.65)的污染指數略大,屬于海水較清潔水平。

表4 廣西主要貝類養殖區海水重金屬Pi評價

2.3 沉積物重金屬含量分布

廣西主要貝類養殖區表層沉積物重金屬的含量分析結果見表5。由表5可知,除紅沙牡蠣養殖區2016年As的平均含量略高外,其余養殖區年際間重金屬的平均含量均低于《海洋沉積物質量》(GB 18668-2002)[24]中的一類標準值,適合養殖。

不同養殖區域的沉積物重金屬含量分布特征有所不同,廉州灣貝類養殖區的沉積物重金屬平均含量(mg·kg-1)為Zn(53.1)>Pb(29.3)>Cu(18.8)>As(9.37)>Cd(0.16)>Hg(0.05),茅尾海牡蠣養殖區的沉積物重金屬平均含量(mg·kg-1)為Zn(48.5)>Cu(19.9)>Pb(15.8)>As(8.20)>Cd(0.10)>Hg(0.060),紅沙牡蠣養殖區的沉積物重金屬平均含量(mg·kg-1)為Zn(78.7)>As(19.4)>Cu(19.0)>Pb(11.0)>Hg(0.118)>Cd(0.08)。3個養殖海域沉積物中重金屬含量的分布規律均為Zn最高,這與海水中Zn的分布特征是一致的,說明水體中含量較高的Zn元素在沉積物中也隨之較高。

與國內其他海域分析比較(表6)可知,廣西貝類養殖海域沉積物重金屬中Cu、Pb和Zn的平均含量水平相對較低,Hg略高,Cd和As的平均含量水平與其他海域差別不大。

表6 與國內其他海域沉積物中重金屬含量比較

2.4 沉積物重金屬污染評價

根據廣西主要貝類養殖區表層沉積物的分析結果,采用地積累指數(Igeo)法對該海區的沉積物重金屬進行污染評價。地積累指數作為研究水環境沉積物中重金屬污染的定量指標,不僅考慮了人為污染、環境地球化學背景值等因素,還特別關注自然造巖作用可能引起的背景值的變化。據此,采用中國陸殼豐度[28]作為廣西主要貝類養殖區沉積物重金屬的地球化學背景值,中國陸殼頁巖中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的背景值分別為38、15、86、0.055、0.08和1.9 mg·kg-1。地積累指數(Igeo)的污染等級劃分見表7。

表7 地積累指數污染等級劃分

研究區域表層沉積物中重金屬的污染狀況列于表8。結果表明,廣西主要貝類養殖區表層沉積物重金屬除As外,Cu、Pb、Zn、Cd、Hg的地積累指數(Igeo)均較小,基本介于0-1,沉積物屬于較清潔程度。其中As在3個養殖海域的Igeo值與其他5項沉積物重金屬相比均略高,可能是受養殖餌料與人工投放消毒劑的影響。一般來說,As受自然環境因素的積累是極少的。從整體上看,廣西主要貝類養殖區域沉積物中6種重金屬的污染程度依次為As>Cd>Pb>Hg>Cu=Zn。

表8 廣西主要貝類養殖區沉積物重金屬Igeo污染評價

2.5 生物體重金屬含量分布

廣西主要貝類養殖區生物體中重金屬的含量水平如表9所示,所采集的生物體均為近江牡蠣(Crassostrearivularis)。由數據可知,除Hg和As含量水平較低外,3個養殖海域近江牡蠣貝體中Cu、Pb、Zn和Cd在不同年際間的重金屬含量水平有超出一類海洋生物質量標準的情況,其中廉州灣貝類養殖區2017年1號站位的Cu超標最重,已超出三類海洋生物質量標準。

表9 廣西主要貝類養殖區生物體中重金屬含量

不同養殖區域的生物體重金屬含量分布特征亦存在一定差異,廉州灣貝類養殖區的生物體重金屬平均含量(mg·kg-1)依次是Cu(67.2)>Zn(40.6)>Cd(0.59)>As(0.13)>Pb(0.10)>Hg(0.011),茅尾海牡蠣養殖區及紅沙牡蠣養殖區的生物體重金屬平均含量均表現為Zn>Cu>Cd>As>Pb>Hg。總體上來看,研究區域生物體中重金屬平均含量的總順序亦與茅尾海、紅沙養殖區相同,這與趙鵬等[29]對北部灣欽州港近江牡蠣重金屬污染分析的研究結果是一致的。

與國內其他海域貝類生物體重金屬含量比較(表10)可以看出,廣西主要貝類養殖區生物體重金屬中Pb和As與其他海域相比含量較低,Cu、Zn、Cd和Hg的含量變化差別不大。

表10 與國內其他海域貝類生物體中重金屬含量比較

2.6 生物體重金屬污染評價及富集程度

采用《海洋生物質量》[13]中一類海洋生物質量標準值(Si)對廣西主要貝類養殖區生物體重金屬進行Pi評價,結果如表11所示。結果表明,研究區域2016-2018年近江牡蠣生物體中Cu、Pb、Zn、Cd和Hg存在不同程度的超標現象,僅As符合一類海洋生物質量標準值,其中廉州灣貝類養殖區近江牡蠣重金屬污染程度依次為Cu(6.72)>Cd(2.93)>Zn(2.03)>Pb(1.03)>Hg(0.22)>As(0.13),茅尾海牡蠣養殖區的污染順序為Zn(13.28)>Cu(3.54)>Cd(3.13)>Pb(1.30)>As(0.43)>Hg(0.27),紅沙牡蠣養殖區的污染順序為Zn(3.77)>Hg(0.79)>Cu(0.70)>Cd(0.67)>Pb(0.63)>As(0.10)。總體上,廣西主要貝類養殖區生物體中6種重金屬的污染程度表現為Zn>Cu>Cd>Pb>Hg>As。

表11 廣西主要貝類養殖區生物體重金屬Pi評價及BCF

海洋生物的富集狀況可以通過生物體中重金屬和海水中重金屬的含量比值來反映。由表11得知,廣西主要貝類養殖區近江牡蠣體內重金屬的富集能力為Zn>Cu>Cd>Hg>As>Pb。除Pb、Hg和As外,Zn、Cu、Cd的BCF均大于1 000,說明這3種重金屬在研究區域近江牡蠣貝體中的富集積累較為嚴重,這與高淑英等[34]對福建湄洲灣的研究結果是一致的,牡蠣對Cu、Zn和Cd的富集能力比其他海洋生物要高得多。

研究發現,海水中Zn和Cu的含量相對較高,近江牡蠣貝體中Zn和Cu的含量亦較高,這與其在海水中的棲息環境是密切相關的。通常情況下,Zn和Cu是海洋生物生長過程中必須吸收的微量元素,其他幾種非生命所需的重金屬元素與這兩種元素的富集量相比較低。廣西主要貝類養殖區近江牡蠣貝體中重金屬的富集能力與其含量的高低并不完全一致,一方面受海水和沉積物中重金屬的化學元素背景值相對較高的影響,另一方面也與海洋生物的種類、生命周期和攝食特征等因素有關[35]。

3 結論

①3個貝類養殖區海水中各類重金屬含量的空間分布差異較小,含量分布規律均表現為Zn最高,Cu次之,Hg最小。研究區域貝類養殖區海水中重金屬的含量依次是Zn>Cu>As>Pb>Cd>Hg,重金屬污染程度順序為Cu>Hg>Zn=Pb>Cd>As,符合二類海水水質標準。總體來看,廣西主要貝類養殖區海水質量狀況較好,屬于本底水平。

②各貝類養殖區表層沉積物中重金屬的含量分布規律均表現為Zn最高、Hg最低,這與海水中Zn和Hg的含量分布特征是一致的;6種沉積物重金屬的含量總順序是Zn>Cu>Pb>As>Cd>Hg,除2016年紅沙牡蠣養殖區As的平均含量略高外,其余年際間重金屬的平均含量均符合一類海洋沉積物質量標準;地積累指數(Igeo)法評價結果表明,廣西主要貝類養殖區除As的Igeo值略高外,Cu、Pb、Zn、Cd、Hg的Igeo值基本介于0-1,沉積物環境屬于較清潔水平,適合貝類養殖。

③廣西主要貝類養殖區近江牡蠣貝體中重金屬的平均含量順序是Zn>Cu>Cd>As>Pb>Hg,這與海水和沉積物重金屬中Zn、Cu的含量較高是一致的;近江牡蠣貝體中6種重金屬的污染程度順序是Zn>Cu>Cd>Pb>Hg>As,其富集能力為Zn>Cu>Cd>Hg>As>Pb,Zn、Cu和Cd的富集系數相對較高,在貝體內的蓄積情況較突出,應加以關注。