矿区湖泊微型浮游生物对重金属的富集研究——以湖北大冶湖和磁湖为例

鄢 昭，刘 婷，2，孙俊霞，周 顺，周亚军，肖文胜，2

（1.湖北理工学院环境科学与工程学院，湖北 黄石 435003；2.矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003）

湖泊重金属污染直接影响到流域经济环境可持续发展，是当今世界重要的环境问题。近年来，国内外对重金属在湖泊水体、沉积物和生物体中的积累有较多的研究［1-4］，结果发现重金属在沉积物和水生生物中的富集情况与地理环境、生物种类和重金属种类有关。微型浮游生物是水生态系统中的重要组成部分，包括单细胞的藻类、原生动物和微型后生动物，它们可以吸收、转移、富集水体中的污染物［5-6］。在水环境中，微型浮游生物一旦富集重金属，重金属便能进入食物链，经过生物逐级放大，高剂量的重金属将危及水生生物和人类的健康［7］。目前，我国的湖泊重金属生物富集研究主要报道了鱼类和大型水生植物等对重金属的富集［8-10］，对湖泊微型浮游生物富集重金属的研究较少，相关的研究主要集中于城市大型湖泊，而对矿区湖泊水体的研究也较少。

湖北省黄石市位于长江中下游铜铁多金属成矿带上，煤、铁、铜、金、硅灰石等矿产资源丰富，是全国六大铜矿基地、十大铁矿基地之一，硅灰石储量居世界第二。多年来，该地区铜、铁等金属矿产的开采和冶炼给周围环境带来了严重的重金属污染问题。大冶湖和磁湖是黄石市的两个重要湖泊：大冶湖位于大冶市、阳新县、西塞山区和开发区黄金山新区之间，整个流域面积1 106km2，主要由三里七湖、红星湖、尹家湖和外湖组成；磁湖位于黄石市的市中心，湖北省重点治理的三湖三河之一，径流面积62.8km2，湖泊面积8.2km2，平均水深1.75m，湖体容量1 748×104m3。大冶湖和磁湖都是兼有防洪、排涝、养殖和游览为一体的多功能水资源地，由于沿岸工矿企业较多、水质不达标的排污口较多，重金属污染问题比较突出。为此，本文以大冶湖、磁湖为研究对象，对矿区湖泊表层水和微型浮游生物中重金属的浓度水平进行研究，并评价重金属在微型浮游生物中的富集情况，旨在为矿区湖泊的污染治理和生态修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

磁湖包括北磁湖和南磁湖，本次研究设置了8个采样点；大冶湖包括三里七湖、尹家湖、红星湖和外湖4个子湖，本次研究主要针对尹家湖和外湖，设置了9个采样点，采样点的位置如图1所示（外湖东部水域为渔业养殖场，采样船未能进入）。于2014年4月枯水期在各个采样点采集表层水和微型浮游生物样品。

在每个采样点水下50cm 处均用有机玻璃采水器采集500mL表层水样，装入聚乙烯瓶（用盐酸浸泡3d以上，用Millpore超纯水冲洗至中性后在超净台内吹干），运回实验室后于24h内过滤。微型浮游生物样品用25号浮游生物网（孔径为64μm）拖捞获得，装入聚乙烯瓶，运回实验室后于24h内过滤。

1.2 样品分析

表层水样经0.22μm 滤膜过滤后取200mL 滤液，采用HNO3消解，利用火焰原子吸收光谱仪（美国瓦里安240FSAA）测定样品中重金属Cu、Pb、Cd、Zn、Cr 和Fe 的含量。微型浮游生物样品 用0.22μm 滤膜（烘至恒重）过滤后烘干至恒重，采用HNO3-HClO4湿法消解，利用火焰原子吸收光谱仪测定样品中重金属Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的含量，微型浮游生物的重金属含量以干重表示。每个样品制备3组平行样，取平均值，同时做试剂空白对照，并以标准溶液进行质量控制。

1.3 数据处理

本文利用SPSS19.0软件对6种重金属含量进行单因素方差分析和Person相关系数分析，并采用单因子污染指数法评价不同重金属污染状况，其计算公式如下：

式中：Pi为第i 种重金属的单因子污染指数；Ci为第i种重金属实测含量的均值（mg／L）；Si为第i 种重金属的限量标准（mg／L）。

当Pi≤1时，表示地表水未受污染；当Pi＞1时，表示地表水受到污染。Pi值越大，则表明污染越严重。

为了分析微型浮游生物对湖泊中重金属的生物累积能力，本文计算了生物富集系数（bioconcentration factors，BCF），BCF=生物体的重金属含量（mg／kg）／表层水的重金属含量（mg／L）。BCF值越高，则表明生物从水中富集重金属的量越大［11］。

2 结果与讨论

2.1 大冶湖和磁湖表层水中重金属含量分析与评价

大冶湖和磁湖表层水中重金属含量统计分析结果见表1。由表1可以看出：大冶湖表层水中重金属Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均浓度分别为0.009 1mg／L、0.013 4mg／L、0.009 2mg／L、0.043 4mg／L、0.057 8 mg／L、0.338 2mg／L，磁湖表层水中重金属Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均浓度分别为0.004 3mg／L、0.012 7 mg／L、0.001 1 mg／L、0.389 2 mg／L、0.063 4 mg／L、0.711 0mg／L；磁湖表层水中重金属总含量高于大冶湖，说明其水质综合污染程度高；南磁湖表层水中重金属含量最高，其次是北磁湖，尹家湖表层水中重金属含量最低；各个子湖表层水中重金属含量排序不同，其中尹家湖表层水中各种重金属含量的排序为Fe＞Zn＞Pb＞Cr＞Cd＞Cu，外湖为Fe＞Cr＞Zn＞Pb＞Cu＞Cd，北磁湖和南磁湖为Fe＞Zn＞Cr＞Pb＞Cu＞Cd；在各个子湖中，表层水中Fe含量远高于其他重金属含量，占各采样点重金属总含量的48%以上。单因素方差分析结果表明，大冶湖的两个子湖的重金属含量没有显著性差异（p＞0.05），磁湖的两个子湖的重金属含量没有显著性差异（p＞0.05），磁湖和大冶湖重金属含量存在显著性差异（p＜0.05）。

由于大冶湖和磁湖是兼有防洪、排涝、养殖和游览为一体的多功能水资源地，所以将各湖表层水中重金属Cu、Zn、Pb、Cd和Cr的含量与《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中第Ⅲ类水的污染限值进行单因子污染评价，其中重金属Fe选用该标准中集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值（0.3mg／L）进行单因子污染指数法评价，其评价结果见表2。由表2可知：大冶湖的尹家湖表层水中各种重金属的单因子污染指数均小于1，符合地表水III类水标准，大冶湖的外湖Cu、Pb、Zn的单因子污染指数小于1，但Cd和Cr的单因子污染指数均大于1，未达到地表水III类水标准，Cd含量超过地表水V 类水标准，污染严重，Fe含量较高，高于集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值；磁湖表层水中Cu、Pb、Cd、Zn的单因子污染指数均小于1，符合地表水III类水标准，Cr的单因子污染指数大于1，大于地表水III类水标准但小于V 类水标准，Fe含量较高，高于集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值，也高于外湖的Fe含量。

大冶湖和磁湖各采样点6种重金属含量之间的Pearson相关系数分析结果见表3。由表3可见：大冶湖表层水中Cu与Cd、Fe含量的Pearson相关系数在0.932～0.986之间（双尾检验），两两之间呈极显著正相关，说明三者相互影响，并可能同来自周边的采矿、冶炼废水；磁湖表层水中的Fe与Zn含量呈极显著正相关，Cd、Zn与Cr含量呈显著正相关，Cu和Pb与其他金属含量的相关性不显著，可推测重金属的来源较为复杂。

表1 大冶湖和磁湖表层水中重金属含量（mg／L）Table 1 Content of heavy metals in surface water in Daye Lake and Cihu Lake（mg／L）

表2 大冶湖和磁湖表层水中重金属单因子污染指数（Pi）Table 2 Single factor contaminant indexes of heavy metals in surface water in Daye Lake and Cihu Lake

表3 大冶湖和磁湖表层水中各种重金属含量之间的相关性分析Table 3 Correlation coefficients between the content of heavy metals in surface water in Daye Lake and Cihu Lake

大冶湖的尹家湖是大冶市的城市备用水源，重金属含量相对较低。但是近年来，尹家湖由于长期接纳周边生产生活污水，加之水体容量小、自净能力差，水质已遭受污染。目前尹家湖表层水中Zn和Cd含量均高于2011 年的监 测含量［13］，Cu 含量与2011年的相当，表层水中Cu、Zn、Pb、Cd、Fe和Cr含量只能达到地表水III类水标准，不宜再作为城市备用水水源地。大冶湖的外湖表层水中重金属含量较高，Cd 含量超过地表水V 类水标准，污染严重；Cu、Cd与Fe含量呈极显著相关，可能来自周边矿区、矿厂、有色金属冶炼企业的废水排放。磁湖是黄石市区最大的浅水湖泊，周边分布有水泥厂、机械厂、化工厂和有色冶炼企业，中心城区工业和生活废水的排入使得表层水的重金属含量较高，来源十分复杂。大冶湖和磁湖表层水中重金属含量与国内一些湖泊的对比见表4。由表4可见，大冶湖和磁湖表层水中Cu、Zn、Cr、Fe含量均高于其他湖泊，Pb含量低于金银湖和墨水湖，Cd含量低于金银湖而高于其他的湖泊。总体来说，大冶湖和磁湖的重金属污染相对其他湖泊更为严重。

表4 大冶湖和磁湖表层水中重金属含量与其他湖泊的对比（mg／L）Table 4 Comparison of the content of heavy metals in surface water between Daye Lake and Cihu Lake and other lakes（mg／L）

2.2 大冶湖和磁湖微型浮游生物中富集的重金属含量分析与评价

本文对大冶湖和磁湖微型浮游生物富集的重金属含量统计分析结果见表5。由表5 可以看出：大冶湖微型浮游生物中重金属Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均浓度分别为278.6 mg／kg 干重、695.6 mg／kg干重、23.1mg／kg干重、578.0mg／kg干重、323.5 mg／kg干重、14 214 mg／kg干重，磁湖微型浮游生物中重金属Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均浓度分别 为316.1 mg／kg 干 重、361.4 mg／kg 干重、2.06 mg／kg干重、1 004.5 mg／kg干重、313.3 mg／kg干重、18 366 mg／kg干重；磁湖微型浮游生物中重金属总含量高于大冶湖，与表层水中重金属含量分析结果一致；南磁湖微型浮游生物中重金属含量最高，其次是北磁湖，尹家湖微型浮游生物的重金属含量最低；各个子湖微型浮游生物中各种重金属含量的排序不同，其中尹家湖微型浮游生物中各种重金属含量的排序为Fe＞Pb＞Zn＞Cr＞Cu＞Cd，外湖为Fe＞Pb＞Zn＞Cr＞Cu＞Cd，北磁湖为Fe＞Zn＞Cr＞Pb＞Cu＞Cd，南磁湖为Fe＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Cd；在各个子湖中，微型浮游生物中Fe含量远高于其他重金属含量，Cd含量最低。此外，由表5还可以发现，大冶湖微型浮游生物中Cu、Pb、Cd、Zn和Cr含量均值均超出大冶湖无明显污染的沉积物中重金属平均含量［17］，其中Cd超出背景值含量最多，尹家湖超出3 1.5 7倍，外湖超出74.43倍；除尹家湖的Cu以外，大冶湖微型浮游生物中的Pb、Cd、Zn和Cr含量均值也都超出环大冶湖农田土壤中重金属的平均含量［18］，除Fe之外，大冶湖其他重金属含量均值均超出湖北省A 层土壤背景值［20］；北磁湖微型浮游生物中重金属含量均值均超出北磁湖表层沉积物中重金属平均含量［19］，其中Fe超出背景值含量最多，超出3.25倍；南磁湖微型浮游生物中Cu、Pb、Zn、Fe含量均值均超出南磁湖表层沉积物中重金属平均含量［19］，其中Fe超出背景值含量最多，超出3.68倍；除Fe之外，磁湖微型浮游生物中其他重金属含量均值均超出湖北省A层土壤背景值［20］。

表5 大冶湖和磁湖微型浮游生物富集的重金属含量（×102 mg／kg干重）Table 5 Content of heavy metals in nannoplankton in Daye Lake and Cihu Lake（×102 mg／kg DW）

2.3 大冶湖和磁湖重金属在微型浮游生物中的富集系数

本文以各采样点6种重金属在微型浮游生物中的含量与相应表层水中重金属含量的比值，来计算重金属在微型浮游生物中的富集系数，用以反映微型浮游生物对重金属的富集能力大小，其结果见表6。由表6可以看出：各个子湖微型浮游生物对不同重金属的富集系数差异较大，尹家湖微型浮游生物对不同重金属的富集系数排序为Fe＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn＞Cd，外湖为Pb＞Fe＞Cu＞Zn＞Cr＞Cd，北磁湖为Cu＞Pb＞Fe＞Cr＞Zn＞Cd，南磁湖为Cu＞Pb＞Fe＞Zn＞Cd＞Cr；各个子湖微型浮游生物Cd、Zn、Cr的富集系数较小，对Cu、Pb、Fe的富集系数较大，可见湖泊微型浮游生物对重金属的富集有选择性。

通过比较大冶湖、磁湖表层水和微型浮游生物中的重金属含量可知，微型浮游生物中的重金属含量远高于表层水中的重金属含量，甚至高于表层沉积物中的重金属含量，这一结果与国内外文献报道的结果一致。如湘江水华藻体中的Pb、Cd、Cr和Fe含量远高于表层水中的含量［17］；斯洛文尼亚的一个矿区湖泊Velenjsko jezero，浮游生物中的Pb、Cd和Zn含量高于表层水和沉积物中的含量［2］；土耳其的湖泊Yeniçaˇga Lake，浮游生物中的Cu、Pb、Zn、Cr、Fe含量高于表层水的含量，其中Zn 和Pb的含量高于沉积物中的含量［1］。磁湖微型浮游生物中的Cu、Pb、Cd和Cr含量远高于鲫鱼、鳊鱼和鲢鱼体内的含量［8］，在Velenjsko jezero湖也有类似的发现，浮游生物中的Pb、Cd和Zn含量远高于欧白鱼、鲤鱼、鳊鱼和河鲈体内的含量。大冶湖和磁湖的微型浮游生物对重金属的富集系数在1 800～82 600之间，表明微型浮游生物对重金属有很强的富集能力。湘江水华藻体对Pb、Cd、Cr、Fe也表现出了很强的富集能力，各自的富集系数约为9 600、7 900、1 000和770 000［17］。与其他水生生物相比，微型浮游生物对Cu、Pb的富集能力较强，对Cd的富集能力低于大部分的水生植物和缢蛏，其结果见表7。

表6 大冶湖和磁湖6种重金属在微型浮游生物中的富集系数（×104）Table 6 Bioconcentration factors（BCF）of 6kinds heavy metals in nannoplankton in Daye Lake and Cihu Lake（×104）

表7 不同水体微型浮游生物对重金属的富集系数（×104）Table 7 Comparison of bioaccumulation factors（BAFs）of heavy metals between different aquatic organisms（×104）

水体中的微型浮游生物对重金属的强大富集能力可能与它们数量多、代谢活跃、比表面积大有关，可以快速吸附、吸收水体和表层沉积物中的重金属。藻类细胞壁、原生动物细胞膜上的多糖、蛋白质、磷脂等多聚复合物提供了大量可以与金属离子结合的官能团，如氨基、硫基、巯基、羧基、羰基、咪唑基、磷酸根、硫酸根、酚、羟基、醛基和酰氨基等，这些官能团能合理排列在具有较大表面积的细胞外，与重金属离子接触［22-23］。而在所有官能团中，以多糖提供的羧基最为重要［24］，胞外多糖对重金属的吸附量是藻体的数倍［22］。微型浮游生物还会向细胞外分泌大量有机物，胞外产物主要有糖类、果胶质等大分子物质，这些胞外产物能络合金属离子，形成缔合物或络合物［22］。藻类、原生动物细胞内还能产生螯合重金属的蛋白，如金属硫蛋白、植物螯合肽等，把有害的金属离子形式转变为无害的蛋白结合形式，从而能够耐受环境中的重金属污染［22，25］。

微型浮游生物富集重金属受到多方因素的影响，如水体和沉积物中的重金属浓度、水的理化性质、微型浮游生物的种类与数量、重金属种类等。大冶湖和磁湖的微型浮游生物富集的Cd、Zn含量与表层水中的含量呈显著正相关，而Cu、Pb、Cr和Fe的富集量与表层水中的含量没有显著相关性，见表8。

表8 微型浮游生物中重金属含量与表层水中重金属含量的相关性分析Table 8 Correlation coefficients between the content of heavy metals in surface water and nannoplankton

微型浮游生物处于水生食物链的低端，它们通过多种方式富集重金属，将重金属带入食物链，危及高端的生物，最终损害人类的健康。本研究证实，大冶湖和磁湖的微型浮游生物对重金属离子存在生物富集作用，将会对水生生态系统及沿岸居民健康构成威胁，因此必须加强大冶湖和磁湖的重金属排放控制和污染治理。

3 结论

（1）大冶湖表层水中重金属Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均浓度分别为0.009 1 mg／L、0.013 4 mg／L、0.009 2 mg／L、0.043 4 mg／L、0.057 8 mg／L、0.3382mg／L，磁湖表层水中重金属Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均浓度分别为0.004 3mg／L、0.012 7 mg／L、0.001 1 mg／L、0.389 2 mg／L、0.063 4mg／L、0.711 0mg／L。磁湖表层水中重金属总含量高于大冶湖。大冶湖和磁湖的重金属含量相对国内其他湖泊偏高。

（2）大冶湖表层水中的Cu与Cd、Fe含量呈极显著正相关，三者可能同来自周边的采矿、冶炼废水。磁湖表层水中的Fe与Zn 含量呈极显著正相关，Cd、Zn与Cr含量呈显著正相关，Cu和Pb与其他重金属含量的相关性不显著。

（3）大冶湖微型浮游生物中重金属Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均浓度分别为278.6 mg／kg 干重、695.6 mg／kg 干 重、23.1 mg／kg 干 重、578.0 mg／kg干重、323.5 mg／kg干重、14 214 mg／kg干重，磁湖微型浮游生物中重金属Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Fe的平均浓度分别为316.1mg／kg干重、361.4 mg／kg干重、2.06 mg／kg干重、1 004.5 mg／kg干重、313.3 mg／kg 干 重、18 366 mg／kg 干 重。磁 湖微型浮游生物中重金属总含量高于大冶湖，与表层水重金属含量分析结果一致。

（4）大冶湖和磁湖微型浮游生物中的重金属含量远高于表层水中的重金属含量，甚至高于表层沉积物中的重金属含量。大冶湖和磁湖的微型浮游生物对重金属的富集系数在1 800～82 600之间，其中微型浮游生物对Cd、Zn、Cr的富集系数较小，对Cu、Pb、Fe的富集系数较大。

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