河蚬在我国沉积物毒性评价与鉴定中的应用研究

郭晓宇，李茹枫，冯成洪,,*

1. 北京师范大学环境学院 水环境模拟国家重点实验室，北京 100875 2. 北京师范大学环境学院 水沙科学教育部重点实验室，北京 100875



河蚬在我国沉积物毒性评价与鉴定中的应用研究

郭晓宇1，李茹枫2，冯成洪1,2,*

1. 北京师范大学环境学院 水环境模拟国家重点实验室，北京 100875 2. 北京师范大学环境学院 水沙科学教育部重点实验室，北京 100875

河蚬作为原产并广泛分布于我国及东南亚的双壳类淡水软体动物，是我国众多水域的底栖优势种。河蚬对水体污染物具有较强累积能力，已成功用于水体沉积物生物富集及生物毒性效应研究。但应用于沉积物毒性鉴别评估(TIE)研究整体上仍处于起步阶段，尚未形成一套标准指标测定方法和技术体系。为此，本研究在调查底栖生物在我国沉积物毒性研究的基础上，以河蚬为主要研究对象，探讨其在我国生态分布等生物学背景，系统分析其对重金属和有机污染物的生物富集特征以及相关生物毒性效应方面的研究进展，以期为河蚬作为我国特色的沉积物毒性鉴别评估(TIE)受试生物提供参考依据。

河蚬；底栖生物；生物累积；毒性效应；沉积物

Received 30 November 2015 accepted 13 January 2016

双壳贝类作为一类世界性分布的沿岸底栖水生动物，具有分布广、活动性低、对污染物有较强的生物累积能力、可以直接反映水体污染而备受关注[1]。同时，双壳贝类在污染物的生物富集和传递过程中起着重要作用，可通过食用影响人体健康[2]，已成为环境毒理学研究关注的对象。

河蚬作为我国典型、特色双壳贝类，在我国各大水域广泛分布，是江河水库等众多淡水生态系统的底栖优势种之一。研究表明，河蚬对水体重金属、有机污染物均有明显吸收和富集作用。然而，以往研究多侧重于河蚬的营养价值、人工养殖以及野外生态现状调查，将河蚬作为受试生物应用于水体沉积物毒评价与鉴别研究相对较少，整体上还处于起步阶段，具有发展成为有中国特色受试生物的巨大潜力。此外，生物毒性测试方法较化学分析方法强调了污染物的生物可利用性，在一定程度上明确了样品是否具有生物毒性以及样品生物毒性与生物效应之间的关系，能够较好地表征沉积物综合毒性。以河蚬为代表的受试生物应用于我国水体沉积物毒性评价和鉴定研究，势必会引起越来越多的关注。

为此，本研究在调查底栖生物在我国沉积物毒性研究中的应用基础上，以河蚬为重点研究对象，系统探讨其在我国的生物学背景与生态分布，分析其在我国水环境尤其是水体沉积物中的生物累积效应和生物毒性效应研究进展，以期为河蚬发展成为标准受试生物并应用于水体沉积物的毒性评价、致毒因子鉴定提供参考依据。

1 底栖生物在我国沉积物毒性研究中的应用(Benthon in sediment toxicity studies in China)

近年来，沉积物毒性测定受到各国学者的广泛关注。大量学者针对天然水体，如典型城市平原河网温瑞塘河[4]、长江口南支[5]、化工沉积物[6]、乐安江[7]、大连大窑湾[8]、锦州湾[9-10]、天津永定新河、北塘排污河和大沽排污河[11]、广州6条污染较重城市河涌[12]、沈阳西部污水灌渠[13]等进行全沉积物或间隙水毒性分析。研究中既有使用单一生物的毒性测试，也有使用不同营养级生物、不同水体生物或不同效应终点的多指标生物毒性测试方法综合评估沉积物毒性。此外，也有部分研究进行实验室加标毒性评价，采用清洁沉积物加标重金属或有机污染物进行不同受试生物的敏感性表征。

本研究系统调查了国内已经开展的天然水体沉积物毒性研究，并归纳总结出目前沉积物毒性研究中常见的受试生物种类及测试终点，见表1。其中，全沉积物和间隙水方法都可以被用来进行沉积物毒性研究，间隙水试验的理论依据来源于一个假设，即间隙水和沉积物中污染物生物有效性是成比例的。然而研究发现全沉积物和间隙水毒性效应并不总是相似。因此，在水体沉积物毒性研究中，进一步探讨全沉积物及间隙水生物毒性效应是有必要的。

在沉积物毒性研究中，受试生物的选择是进行毒性实验的关键。由表1可知，在沉积物毒性评估中所用生物主要是底栖动物，包括河蚬[17,21]、河蜾蠃蜚[14]、铜锈环棱螺[15-16]、淡水单孔蚓和伸展摇蚊幼虫[19]、泥鳅[20]等。但由于底栖动物长期暴露于污染环境中生物敏感性较低，也有研究采用水生藻类、大型溞、鱼类、或者陆生生物的酶学指标来开展污染沉积物毒性评估。目前为止，虽然大量文献报道了使用不同生物毒性测试方法评估沉积物毒性的研究，但是这些研究大多仅止于毒性表征，受天然沉积物组分复杂性及污染物与生物响应关系不确定性的限制，仅有少数研究关注沉积物的致毒因子以及进一步展开沉积物毒性甄别评估研究等，并不能准确说明沉积物的致毒原因[80-85]。

2 河蚬应用于毒理学研究的生物学背景(Biological background of Corbicula fluminea in toxicology research)

2.1 河蚬的生物学背景

河蚬，拉丁名Corbicula fluminea(Müller，1774)，俗称蚬子、黄蚬、黑蚬或沙蚬等，为双壳类淡水软体动物，原产于我国及东南亚，也称亚洲蚬(Asian clam)。目前，在欧洲、美国等也有分布，但被视为入侵物种[31]。

河蚬最适宜生长和繁殖在水流畅通，食料丰富，流速缓慢的水域。成体壳长约1.5～2.8 cm，很少超过3 cm[32]。以浮游生物为食料，以硅藻为主，次为绿藻类[3]。河蚬耐低氧能力较差，溶解氧饱和度低于70%就会导致个体死亡[33]。生长最适水深为1.3～2.2 m[34]，适宜水质pH为7.0～7.2，透明度是0.7～1.7 m。河蚬属广温性贝类，水温适应范围在9～32 ℃之间，最适宜水温是24～29 ℃。穴居于底泥表层，穴居深度与季节、个体大小有关。夏季潜钻浅，冬季潜钻深，稚蚬潜钻浅，大蚬潜钻深。不同的底质会影响河蚬壳表面色泽变化。

表1 我国沉积物毒性研究中常见受试生物及测试指标

2.2 河蚬的生态分布

河蚬对环境水体适应能力很强，在我国各大湖泊及长江、淮河、黄河都有广泛分布。2013年张铭华等[35]调查鄱阳湖流域淡水贝类，发现双壳类中河蚬为各水系优势种，且多数水域占据绝对优势。2006～2007年蔡炜等[36]对太湖河蚬的年均密度、生物量及繁殖期进行了调查，发现溶解氧、水深、沉积物性质及食物来源是河蚬空间分布差异性的主要影响因素。除此之外，曹文明等[37]提出人为过量开采及污染等原因导致太湖河蚬资源处于衰减状态且小蚬居多。严维辉等[39]2007年对洪泽湖底栖生物进行调查，发现河蚬在各采样点检出率100%，并为优势种群。邓道贵等[40]2001～2002年2次对巢湖河蚬进行调查，发现河蚬生物量和种群密度与巢湖富营养化程度呈显著负相关，且与1981年比，巢湖河蚬资源量有较大幅度下降。此外，潘洪超等[41]、李德亮等[42]分别调查军山湖和大通湖两大养殖型湖泊河蚬现存量及分布特征，提出河蚬养殖影响底栖生物群落结构。在大通湖，河蚬平均密度和生物量有显著增加趋势，且分布范围变广，可能是由于养殖和开采过程中物化产品投入及软体动物捕捞加速河蚬分布区域扩展所致。人为干扰也极易导致河蚬消失。在四川邛海，彭徐[45]1984～1992年间调查发现邛海存在黄蚬、河蚬、刻纹蚬分布，然而随着人类活动导致的邛海富营养化加剧，这3种蚬自1993年后迅速减少；至1996年已基本在邛海消失。

不同水体河蚬形态和分布存在差异[40,49]。周会等[49]2011年调研了黄河、淮河、长江和西江等主要流域河蚬壳体三度空间大小，发现长江和西江水流较强地区河蚬相对高度、圆度和凸度均小于黄淮、汉水流域和西江水流缓慢地区，而水体化学组成、温度变化与河蚬形态变化之间不存在相关性。尽管河蚬形态、个体大小及颜色随环境不同而有所变异[45]，但其形态结构一般是一致的[48]。

2.3 河蚬备选受试生物的优势分析

很多国家把贻贝和牡蛎等贝类作为指示生物，广泛用于海洋污染的生物监测中[50]，而淡水贝类在生态毒理学研究中应用较少。通过河蚬生物学背景调研可知，河蚬作为我国淡水底栖生物优势种，在生态毒理学中的应用具有以下优势[3,51-54]：

(1)对多种污染物有较强的富集性和较低的代谢能力，能客观反映水环境污染状况；

(2)具有广泛的地理分布和足够的数量，并可全年在某一地域范围内获得；

(3)是生态系统的重要组成成分，具有重大的生态学价值；

(4)能够在沉积物-水界面微环境下生存；

(5)受沉积物理化性质(如沉积物颗粒大小、总有机碳含量等)的影响较小；

(6)在实验室内易于养殖；

(7)具有丰富的生物学背景资料，生活史和生理代谢等情况清楚；

(8)具有重要的经济价值和旅游价值，并与人类食物链联系；

(9)营穴居生活，迁移能力差，具有地方代表性；

(10)生命力强，对水环境的温度、盐度以及污染物的高浓度都有较强的适应能力。

目前，国内将河蚬作为受试生物进行的研究主要集中在2个方面：一是利用河蚬的生物富集性对污染水体进行生物监测。二是通过不同生物标志物及实验终点表征污染物的生物毒性。相对而言，后者研究较少。

3 河蚬的生物累积效应及生物毒性(Bioaccumulation and biological toxicity effect of Corbicula fluminea)

河蚬生活在水底，活动区域有限，更能直接反映水体污染特征[34,50,53,55-59]。我国对河蚬的生物富集研究主要集中在重金属及持久性有机污染物。

3.1 河蚬对重金属的富集特征研究

随含重金属农药、饲料的施用，含重金属煤炭、石油的燃烧，以及含重金属工业废水的大量排放，更多水体遭受重金属污染[50]。河蚬作为我国水体底栖生物的优势种，已有不少研究尝试利用其生物富集性对污染水体进行监测。1979年，黄玉瑶等[59]利用河蚬研究蓟运河汞污染，发现河蚬个体数量分布可大体反映蓟运河污染变化趋势，且河蚬体内汞含量与底泥中汞含量间存在相关关系。宋毅刚和黄玉瑶[60]1991年发现闽江福州段河蚬体内均检出Cu、Pb等7种重金属。即使在重金属污染较轻河段，河蚬体内也积累较高的重金属含量。也有研究探讨其他水体中河蚬的重金属富集特征。任静华等[51]2011年将河蚬暴露于镉(Cd)污染太湖沉积物中，研究河蚬软体组织中Cd富集量与沉积物中镉的有效形态(可交换态+碳酸盐结合态+Fe/Mn氧化物结合态)间存在显著相关。孙平跃等[52]2003年分析了长江口河蚬对Zn、Cu、Pb、Cd和Cr的积累特征及该地区河蚬的生物质量现状。结果表明，河蚬体内Zn和Cu含量显著高于Cd、Cr和Pb含量，且Zn和Cu含量之间呈显著正相关关系。毕春娟等[61]2006年也对长江口潮滩大型底栖动物体内重金属含量进行测定分析，发现河蚬是长江口滨岸潮滩分布最广的底栖动物，其软体组织对Cu、Mn和Zn有明显富集作用。

也有研究通过加标实验探讨河蚬对重金属的富集效应及影响因素。曾丽璇等[58,62-63]研究了河蚬对Cd、Cu的单独及复合富集情况及腐殖酸对Cd富集的影响，提出河蚬体内Cd、Cu含量与环境含量呈显著正相关，且在腐殖酸影响下，河蚬对低浓度Cd蓄积减少。李丽娜等[64]还研究了其他非生物因子如温度、盐度、沉积物粒径、有机质含量等对河蚬富集重金属能力的影响，发现温度提高有助于河蚬富集Cu、Zn、Cr、Ni；盐度对河蚬的重金属累积量影响比较复杂，仅在秋季表现出一定相关性；河蚬体内Cu含量与沉积物粒径存在显著正相关，Zn与沉积物中有机质含量存在一定正相关，Pb与沉积物中有机质含量存在着负相关；河蚬体内重金属元素两两间相关性明显。

整体上，无论是野外采样还是实验室加标分析，河蚬对重金属的累积特征与环境中重金属量分布都具有很好的相关性。河蚬可作为沉积物中重金属污染环境监测的有效指示生物。刘敏等[65]研究发现河蚬对重金属的吸收、脱毒机制主要依于体内存在的一种物质——金属硫蛋白(MT)。单一金属及多种金属在河蚬不同组织、器官中的富集情况以及因捕食作用引起的重金属在食物链中的放大效应等还有待进一步研究。

3.2 河蚬对有机污染物的富集特征

河蚬也已用作指示生物监测河流有机污染。1979年，任淑智[66]探索将河蚬作为监测蓟运河有机氯农药污染的指示生物，发现河蚬体内666含量和水中666含量存在相关关系。近些年，李天云等[53,55-57]论述了河蚬在太湖梅梁湾沉积物中对多环芳烃、HCHs和DDTs生物富集特征，提出河蚬的生物-沉积物富集因子与HCHs和DDTs的辛醇-水比值存在显著正相关，而与多环芳烃的辛醇水-比值则无相关性。河蚬对3种污染物的生物-沉积物生物富集因子分别为0.09～0.4、1.5±0.1和4.4±0.7，其中低分子量多环芳烃要比高分子量多环芳烃的生物富集因子要高。此外，也有研究发现PAH在河蚬鳃、肌肉、内脏团中的含量差别较大，且富集含量大小趋势依次为鳃、内脏、肌肉；而有机氯农药在河蚬不同组织中含量相差不大，具体原因有待进一步研究。

图1 我国河蚬生物富集效应应用研究现状Fig. 1 Bioaccumulation studies of Corbicula fluminea in China

整体上，如图1所示，现有研究更多是针对河蚬对重金属的生物富集作用开展，且野外调查研究大于实验室加标研究。而对有机物的研究中，多集中在持久性有机污染物中，且集中在实验室研究。

3.3 河蚬的生物毒性效应研究

目前，对河蚬在水生态毒理学研究主要集中在环境污染物对河蚬毒性效应评价和作用机制上。河蚬生物毒性效应可分为急性、亚急性和慢性3种，常采用不同测试指标表征。如：急性、亚急性毒性实验通常采用死亡率、虹吸行为、掘穴行为、耗氧率、排氨率等生物指标，及半致死浓度LC50值。慢性毒性实验通常采用DNA损伤、酶活性、细胞水平等指标。本研究系统归纳了我国现有针对河蚬作为受试生物的生物毒性研究，见表2。

由表2可知，目前河蚬的生物毒性效应研究中，多采用加标水溶液作为实验基质，针对全沉积物的毒性效应研究较少。而河蚬作为底栖生物直接接触沉积物，并可以通过鳃摄取沉积物间隙水中游离态污染物，也可以通过摄食途径取食富含污染物的颗粒物而累积污染物，直接反映沉积物的污染状况。因此，在生物毒性效应研究中实验基质的选取还需以全沉积物为实验基质进行探究。

表2 河蚬在我国生物毒性实验中的应用研究

注：CAT-过氧化氢酶、SOD-超氧化物歧化酶、GSH-Px-谷胱甘肽过氧化物酶、GST-谷胱甘肽硫转移酶、MT-金属硫蛋白、MDA-丙二醛、POD-过氧化物酶、GR-谷胱甘肽还原酶、TR-硫氧化还原蛋白。

Note: CAT-Catalase, SOD-Superoxide dismutase, GSH-Px-Glutathione, GST- Glutathione S-transferase, MT-Metallothionein, MDA- Malondialdehyde, POD-Peroxidase, GR-Glutathione reductase, TR-Thioredoxin reductase.

从表2也可以看出，已有研究目标污染物涉及重金属、有机农药、内分泌干扰物及一些新型药物等各类污染物。而在实验指标的选取上，对于能够产生急性致死效应的毒物多将半致死浓度值作为测试指标。除此之外，还有一些指标，如耗氧率(oxygen consumption rate, OCR)和排氨率(ammonia excretory rate, AER)，其大小及变化能够反映其呼吸代谢能力的高低及变化规律，因而可以作为反映某些污染物毒性大小的敏感指标[77]。过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、谷胱甘肽硫转移酶(GST)等抗氧化酶是生物体抵抗污染物毒性作用的屏障，对机体的氧化和抗氧化平衡起着重要的作用[21]，它们的活性可作为生物逆境生理和衰老生理指标[77]。同时，生物体在发生氧化应激时，会发生脂质氧化，而一些不饱和脂肪酸氧化代谢会产生丙二醛(MDA)。因此，MDA增加同样是细胞内活性氧(ROS)过多，机体产生氧化应激的生物标记物[79]。

整体上，已有研究提高了对环境污染物对河蚬毒性效应和作用机制的认识，为利用河蚬进行水体污染生物监测提供科学依据。但要将河蚬发展成为中国特色的沉积物毒性指示生物依然需要更广泛深入的探索。

4 展望(Prospect)

(1)河蚬具有丰富的生物学背景资料且对污染物有较高敏感性及较强的富集性，能够作为水体沉积物污染监测和毒性评价的有效指示生物，但是作为我国本土底栖生物，若成为模式生物，仍需从繁殖、驯养、测试指标筛选等方面进一步深入研究。

(2)我国针对河蚬的毒性效应研究多在水相进行，而针对全沉积物相的研究较少，后续研究中基质选取还需以全沉积物为主体进行探究。

(3)对于沉积物毒性鉴定评估(TIE)方法研究，我国仍处于起步阶段，所选受试生物多为国外所用模式生物，亟需提出一套以河蚬为特色受试生物、适用于我国国情的沉积物毒性鉴别评估方法体系。

(4)应继续拓展药品、新型污染物及纳米材料[86]对河蚬的生物毒性效应，并从分子生物学角度探究污染物对河蚬的慢性毒性及生物放大作用。

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◆

Corbiculaflumineain Sediment Toxicity Evaluation and Identification Studies in China

Guo Xiaoyu1, Li Rufeng2, Feng Chenghong1,2,*

1. State Key Laboratory of Water Environment Simulation, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 2. Key Laboratory for Water and Sediment Science of Ministry of Education, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

The freshwater bivalve Corbicula fluminea is native to Southeast Asia and China. As a benthonic dominant species, C. flumineais has strong capacity to accumulate pollutants and has been successfully used in the study on the bioaccumulation and biological toxic effects of multi-pollutants in sediments. However, the determination method and technology system for C. fluminea used in identification and evaluation (TIE) of sediment tocxicity are still in a primary stage. Therefore, based on the investigation of the benthic organisms in sediment toxicity in previous studies, this paper firstly investigated the ecological distribution and other background information of Corbicula fluminea and then analyzed the development in bioaccumulation characteristics and biological toxic effects. The purpose of this study is to develop Corbicula fluminea as a characteristic benthonic species in sediment toxicology identification and evaluation in China.

Corbicula fluminea; benthic organisms; bioaccumulation; biological toxic effects; sediment

10.7524/AJE.1673-5897.20151130007

环境保护部公益性行业科研专项(No.201409040)；北京市高等学校青年英才计划项目(No.YETP0235)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07203-006)

郭晓宇(1988-)，女，博士研究生，研究方向为污染物迁移转化及环境效应，E-mail: 201431180041@mail.bnu.edu.cn

*通讯作者(Corresponding author)， E-mail: fengchenghong@bnu.edu.cn

2015-11-30 录用日期：2016-01-13

1673-5897(2016)2-089-12

X171.5

A

简介：冯成洪(1978-)，男，博士，副教授，研究方向为污染物迁移转化及环境效应。

郭晓宇, 李茹枫, 冯成洪. 河蚬在我国沉积物毒性评价与鉴定中的应用研究[J]. 生态毒理学报，2016, 11(2): 89-100

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