单独与混合暴露条件下褶纹冠蚌对Cu、Zn的积累与分布

夏天翔，刘雪华，赵孟彬

1.清华大学环境科学与工程系，北京100084

2.中关村海淀园北京锦绣大地农业股份有限公司博士后工作站，北京100049

单独与混合暴露条件下褶纹冠蚌对Cu、Zn的积累与分布

夏天翔1，2，刘雪华1，*，赵孟彬2

1.清华大学环境科学与工程系，北京100084

2.中关村海淀园北京锦绣大地农业股份有限公司博士后工作站，北京100049

采用室内模拟方法，在单独与混合暴露条件下研究了褶纹冠蚌（Cristaria plicata）对Cu、Zn的积累与分布特征.结果表明：褶纹冠蚌对水环境中的Cu、Zn具有良好的积累能力，持续暴露8d内，体内各组织重金属积累量基本呈线性上升，其中鳃与外套积累速率最快（p＜0.05）.Cu在褶纹冠蚌鳃、内脏团和生殖腺中的积累速率与Zn之间存在显著差异（p＜0.05），且Cu、Zn之间在各组织中的积累拮抗作用明显.暴露前，Cu含量在褶纹冠蚌体内依次为：生殖腺＞外套、内脏团＞鳃、足＞肌肉（p＜0.05），变化幅度为10倍左右；Zn含量依次为：鳃＞内脏团＞生殖腺＞足、外套＞肌肉（p＜0.05），变化幅度为4倍左右.暴露后，外套和鳃对Cu、Zn的积累量最高，且Cu、Zn含量在不同组织间的变化幅度明显增加.暴露前后，Cu含量在不同组织间的变化幅度均高于Zn.不同暴露条件下，褶纹冠蚌不同组织对Zn的浓缩系数（BCF）明显高于Cu.

褶纹冠蚌；积累速率；组织；铜；锌；浓缩系数

1 引言（Introduction）

双壳纲软体动物由于具有高滤水速率以及较强的重金属富集能力，因此常被用来进行重金属水体污染生物监测研究（Lecoeur et al.,2004），尤其是海水生态系统中的某些贻贝和牡蛎（Boening,1999），而淡水生态系统中双壳纲软体动物相关研究却较为少见.淡水与海水生态系统中的水生动物在渗透调节能力、重金属吸收速率、同化效率等方面具有明显差异（Wang and Rainbow,2008）.近年来的研究表明，淡水生态系统中斑马贻贝（Dreissena polymorpha）（Roditi and Fisher,1999）、三角帆蚌（Hyriopsis cumingii）（项黎新和邵继光，2002）、河蚬（Corbicula fluminea）（曾丽璇等，2004）对模拟水环境中的重金属同样具有良好的积累能力，包括Cd、Ag、Hg、Pb等有毒重金属.褶纹冠蚌（Cristaria plicata），属软体动物门，双壳纲，蚌科，过滤性取食，是我国分布广泛的优良淡水育珠蚌之一.目前，针对褶纹冠蚌的重金属积累相关研究还鲜见报道.Cu、Zn是水生动物生命活动的必需元素，在水生动物体内的生物化学过程中扮演重要角色，特别是作为辅酶存在（Harrison and Hoare,1980），但其富集浓度一旦超过适宜范围，同样会引起毒害作用（Herkovits and Helguero,1998）.随饲料进入水生生物食物链的重金属已成为一些水生动物重金属积累的主要来源（Ojo et al.,2008），Cu、Zn是水产养殖过程中随饲料输入水体的重金属主要种类.野外水体中水生动物对Cu、Zn的积累差异明显，Zn含量一般约为Cu的10倍以上（Herkovits and Helguero,1998），且在混合暴露条件下两者在生物体内的积累存在一定的交互作用，但交互作用结果明显受暴露浓度与生物种类的影响（Philips,1976;Ahsannullah et al.,1981;Elliott et al.,1986）.目前大部分研究仍以双壳纲软体动物软体组织整体积累为主，而重金属在体内不同组织间的分布对于重金属生物积累机制、水生生态系统重金属污染生物监测与修复均具有重要意义（Yap et al.,2003;Gundacker,1999;Kádár et al.,2006）.Widdows等（1992）认为：预测和判断重金属或其他环境胁迫条件下的生态学和生物学反应影响因素是生态毒理学研究的最终目的，因此必须建立：（1）环境中重金属浓度与生物组织中重金属含量之间的关系；（2）生物组织中重金属含量与其生物效应之间的关系.为此，本文现针对关系（1），在单独和混合暴露条件下，对褶纹冠蚌体内Cu、Zn的积累与分布进行初步试验，以期为重金属生物积累机制以及我国淡水生态系统重金属污染监测与管理提供参考.

2 材料与方法（Materials and methods）

2.1 实验蚌的采集与驯化

2008年10 月，3龄左右褶纹冠蚌购于北京水产市场，蚌体重400～500g，壳长16cm左右.用软毛刷小心除去蚌表面附着物，放入经2d以上曝气自来水中驯化，期间不投食物，早晚曝气，4d后选择活力强的褶纹冠蚌进行重金属暴露试验，实验期间室内温度在22℃左右.

2.2 污染物来源

污染物来源为CuSO4·5H2O（分析纯）和ZnSO4·7H2O（分析纯）.

2.3 试验设计与采样

将实验蚌放入8L左右钢化半透明塑料实验桶中，每桶一只，加入5L曝气自来水.每天早晚曝气半小时.参照Loayza-Muro和Elías-Letts（2007）研究结果，以及我国地表水环境质量标准（GB 3838-2002）（国家环境保护总局，2002）Ⅴ类限值（Cu 1000μg·L-1，Zn 2000μg·L-1）并在预备实验基础上设置相等Cu、Zn暴露浓度以便观察两种重金属在褶纹冠蚌体内积累的差异及其交互作用的结果.具体设置如下，单独暴露条件分别设置为：Cu（2000μg·L-1）、Zn（2000μg·L-1）；混合暴露条件设置为Cu+Zn（2000μg·L-1+2000μg·L-1）；以不加重金属组作为对照（CK）.各处理及CK分别设置12次重复，合计48只实验桶（蚌）.分别于第2、4、6、8d采集各处理中的实验蚌（3次重复），解剖后取出足、鳃、外套、内脏团、肌肉和生殖腺，每次采集蚌组织样品后（第8d除外）为剩余处理及对照更换同样重金属浓度的新鲜实验水体.试验结束后（第8d），绝大部分供试实验蚌（对照组除外）活力出现不同程度下降，少数出现壳关闭缓慢现象，但无死亡发生.另于驯化过程结束后，暴露实验开始前，取3只蚌解剖，并取下各组织进行测定，作为实验蚌Cu、Zn含量背景值.

2.4 样品处理与检测

用吸水纸吸去蚌组织样品表面水分，放入洁净的塑料杯中，60℃烘干至恒重（Ruelas-Inzunza and Páez-Osuna,2000）.将烘干样品粉碎后，称取0.1～0.2g，以5mL 70%硝酸消解，稀释至25mL，过滤，使用原子吸收分光光度计（PE AA-300，USA）进行测定（Liu and Deng,2007）.Cu、Zn的加标回收率分别为93.7%、95.5%.

2.5 数据处理

采用以EXCEL及SPSS 13.0对实验数据进行处理和分析.不同组织间重金属积累速率的差异采用一元方差分析，并进行多重比较.不同暴露条件下各组织重金属积累速率差异分别进行独立t检验.各组织重金属生物浓缩系数（BCF，Bioconcentration factor）采用公式（1）计算：

其中，Ce——暴露后组织中重金属含量（mg·kg－1）；Cs——水体中重金属暴露浓度（mg·L－1）

3 结果与分析（Results and analysis）

3.1 不同组织对Cu、Zn的积累速率

单独及混合暴露条件下，随着暴露时间的延长，褶纹冠蚌各组织对Cu、Zn的积累，基本呈线性上升（图1，图2）.一般而言，在可溶性污染物暴露条件下，双箱动力学模型能够很好地描述水生动物对污染物的吸收与释放过程，且随着时间的延长，不呈现简单的线性关系（张少娜等，2004）.但双箱动力学模型基本假设为污染物在水相和生物体内的两相分配过程，在低暴露浓度条件、较长时间的监测条件下，往往能够较好地解释生物对重金属的动态富集情况（张少娜等，2004;Clason et al.,2003;2004;陈海刚等，2008），因此该模型并不完全适合较高暴露浓度下的重金属的短期积累研究.许多实验室模拟研究均表明，对重金属的积累随暴露时间的延长而增加是双壳纲软体动物共同的特性（蔡立哲等，1999），本实验表明：褶纹冠蚌对Cu、Zn的短期积累与暴露时间基本符合正线性关系，以一元线性方程斜率（K值）表示不同组织对重金属的积累速率（表1），其中各组织对Cu的积累速率线性模拟结果R2范围为0.67～0.97，略优于Zn（R2范围为0.46～0.97）.双壳纲软体动物对Zn的吸收具有调节能力，与Cu相比，其积累更慢，释放更快（Yap et al.,2003），因此对Zn的积累时间效应关系应更为复杂.

一元方差分析结果表明：不同暴露条件下，褶纹冠蚌鳃与外套中Cu、Zn的积累速率最高（p＜0.05），肌肉中积累速率最低（表1），可见鳃与外套对Cu、Zn的积累能力强于其他组织.独立t检验结果表明：单独与混合暴露条件下，Cu在褶纹冠蚌鳃、内脏团、生殖腺中的积累速率与Zn相比均存在显著差异（p＜0.05），但积累速率的高低并不具有一致性（K1－K2和K3－K4）.与单独暴露条件相比，混合暴露条件下，褶纹冠蚌各组织（除足外）对Cu、Zn的积累速率均有所下降（K1－K3和K2－K4），表明Cu、Zn的积累具有拮抗作用.Cu、Zn在双壳纲软体动物体内均能被金属硫蛋白（MT）所固定，从而引起拮抗作用（Kǎgi and Kojima,1987）.一般认为MT作为生物重金属污染指示蛋白，能够代表生物对重金属污染的初期反应，其在生物重金属固定与释放动态平衡过程中扮演重要角色（Lecoeur et al.,2004），是双壳纲软体动物解毒机制的关键所在（Roesijadi,1994）.与单独暴露条件相比，混合暴露条件下褶纹冠蚌生殖腺对Cu的积累差异（K1－K3）达到显著水平（p＜0.05），鳃与外套对Zn的积累差异（K2－K4）达到极显著水平（p＜0.01），而在其他组织中则无显著差异（p＞0.05）.交互作用在不同组织中表现有所不同，应由双壳纲软体动物体内不同组织间MT固定重金属能力差异所引起（Yap et al.,2003）.

表1 单独及混合暴露条件下褶纹冠蚌不同组织中Cu、Zn的积累速率K（mg·kg-1·d-1）Table 1Bioaccumulation rates K（mg·kg-1·d-1）of Cu and Zn in each tissue of Cristaria plicata exposed to individual and mixed metals

3.2 不同组织中Cu、Zn的分布与浓缩系数

重金属暴露前后各组织中Cu、Zn的含量与浓缩系数见表2.结果表明：暴露前褶纹冠蚌各组织中Cu含量依次为：生殖腺＞外套、内脏团＞鳃、足＞肌肉（p＜0.05）；Zn含量依次为：鳃＞内脏团＞生殖腺＞足、外套＞肌肉（p＜0.05）.暴露后，各组织中Cu、Zn含量均明显增加，其中鳃、外套中Cu、Zn含量最高，这一结果与前文所述的鳃与外套对Cu、Zn的积累速率显著高于其他组织相对应.双壳纲软体动物鳃积累重金属能力较强已有不少报道（Yap et al.,2003;Gundacker,1999;Kádár et al.,2006），主要原因在于鳃与水体的接触面积较大，易化扩散作用明显（Philips et al.,1993）.而外套组织中Cu、Zn积累量较高则较为少见，我们在另一研究中发现：褶纹冠蚌在300μg·L－1Cu、300μg·L－1Zn混合暴露条件下外套中Cu、Zn的积累量同样远高于其他组织（尚未公开发表），其可能原因在于重金属胁迫条件下褶纹冠蚌外套组织中MT含量更高以及Zn由其他组织（鳃和内脏团）向外套转移.

表2 单独及混合暴露前后褶纹冠蚌不同组织中Cu、Zn的含量（mg·kg-1）及浓缩系数（BCF）Table 2Contents and bioconcentration factor（BCF）of Cu and Zn in each tissue of Cristaria Plicata before and after exposure to individual and mixed metals

暴露前各组织中的Zn含量约为Cu含量的7～30倍，其中Cu含量和Zn含量在不同组织间的变化幅度约为10倍和4倍.单独和混合暴露后，Cu含量在不同组织间的变化幅度分别增加到20倍和16倍；Zn含量在不同组织间的变化幅度分别增加到6倍和5倍左右.由此可见：暴露后Cu、Zn在不同组织间分布的差异均有所增加；且暴露前后，Cu在体内不同组织间的变化幅度均高于Zn，这与之前的研究结果相类似（Yap et al.,2003;Philips,1985;Rees et al.,1999），Zn在双壳纲软体动物体内移动性强于Cu、Cd等其他重金属离子（Yap et al.,2003），可能是导致这一结果的主要原因.生物浓缩系数（BCF）由于其直观性而在生物重金属积累研究领域被广泛使用（McGeer et al.,2003），其大小表明受检生物对环境中的重金属的富集能力.单独与混合暴露后，蚌体内各组织重金属富集现象明显，不同组织中Cu、Zn的浓缩系数分别为：4.35～88.95、40.10～245.45，可见褶纹冠蚌对Zn的富集能力应高于Cu，这与Shi和Wang（2004）在Cu、Zn暴露浓度相近条件下针对海水模拟系统中的翡翠贻贝（Perna viridis）的研究结果相符合，由于BCF大小受暴露浓度影响很大，褶纹冠蚌对Cu，Zn的积累能力与其他双壳纲软体动物之间尚无法直接比较.

综上所述,褶纹冠蚌各组织对较高暴露浓度条件下Cu、Zn的短期积累，随着时间的延长，基本呈现线性增长.不同组织对Cu、Zn的积累存在明显差异，其中鳃与外套对Cu、Zn的积累速率以及积累量均显著高于其他组织（足、外套、内脏团、生殖腺）.Cu、Zn在褶纹冠蚌体内的积累存在拮抗作用.不同暴露条件下，褶纹冠蚌不同组织对Zn的富集能力明显高于Cu，但Cu在蚌体内不同组织间的分布差异更大.

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Accumulation and Distribution of Copper and Zinc in the Freshwater Mussel,Cristaria Plicata,Exposed to Individual and Mixed Metals

XIA Tian-xiang1，2，LIU Xue-hua1，*，ZHAO Meng-bin2

1.Department of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084

2.Beijing Glorious Land Agricultural Co.,LTD Enterprise Postdoctoral Workstation of Zhongguancun（Haidian）Science Park,Beijing 100049

Characteristics of accumulation and distribution of Cu and Zn in the freshwater mussel,Cristaria plicata,exposed to individual and mixed metals were investigated under the laboratory conditions.Results showed that the Cristaria plicata mussel could concentrate Cu and Zn in each soft tissue,the contents in which linearly increased with exposure times from 0 to 8 days.The tissues of gill and mantle accumulated Cu and Zn more rapidly than the other tissues（p＜0.05）.Significant differences in accumulation rates between Cu and Zn were found at the tissues of gill,viscera and gonad（p＜0.05）and the interaction of the two metals during accumulation was antagonistic.Before the metal exposure,metal contents in different tissues were with the sequences of gonad＞mantle,viscera＞gill,foot＞muscle and the contents varied 10-fold range for Cu（p＜0.05）,and gill＞viscera＞gonad＞foot,mantle＞muscle and the contents varied 4-fold range for Zn（p＜0.05）.The metal exposures caused Cu and Zn contents reached the highest values in the mantle and gill respectively and the differences in Cu contents and Zn contents among each tissue were improved.The ranges of Cu contents varied in different tissues were higher than that of Zn contents varied before and after the exposure.At the different metal exposures,the bioconcentration factor（BCF）of Zn is higher than that of Cu obviously in each tissue of the test mussel.

Cristaria plicata；accumulation rate；tissue；copper；zinc；bioconcentration factor（BCF）

8 January 2009accepted2 March 2009

1673-5897（2010）2-169-07

X52

A

2009-01-08录用日期：2009-03-02

中国博士后科学基金（No.20080430453）；北京市海淀区科委资助项目（No.K2008199）

夏天翔（1979—），男，清华大学环境科学与工程系博士后；*通讯作者（Corresponding author），E-mail:xuehuahjx@mail.tsinghua.edu.cn

刘雪华（1964—），女，清华大学副教授，主要从事生态评价与生态规划，遥感和地理信息系统应用以及水环境污染治理等方面的研究.