羽毛对环境中重金属污染的指示作用研究 *

韩　爽，张思冲，周晓聪

(1.黑龙江省高校地理资源与环境遥感重点实验室，哈尔滨师范大学；2.哈尔滨市环境监测中心站)

*黑龙江省高等学校科技创新团队建设计划项目资助

0　引言

随着工业化的快速发展，城市人口的增多，汽车尾气、工业粉尘、废水、废渣、农业焚烧、煤炭和石油燃料等人为污染物排放量迅猛增长，这些污染物给大气，土壤，水体等环境带来了极其严重的污染，在这其中重金属污染尤为严重.重金属在大气，土壤，水体中的存在对生物体的健康带来了严重的威胁.重金属在生物体内的长期累积的毒性是无法轻松的通过体内的新陈代谢来减轻或者消除的.机械的环境监测也是一种常用的方法，它可以提供准确的数据，例如空气监测，可以通过各个监测站提供的大气数据来分析大气污染的情况.然而，和生物监测相比，机械监测缺乏生物可利用性，不能从机械的数据中得到重金属污染物在生物体的累积效应.利用生物手段常常可以比物化手段更容易监测到那些难以监测、难以被发现的变化，而鸟类对环境的变化甚至对环境中的微小变动都很敏感，而且鸟类是动物中比较容易观察的种群，在不同的环境都均有分布，能够较全面的反映环境变化，其变化较容易监测.自20世纪70年代起，鸟类应用于环境监测才开始了真正意义上的发展，早在1972年，美国科学家就确定了鸟类可以作为监控环境变化的最具有普遍意义的监测生物.到了20世纪90年代初期，鸟类作为指示生物用于环境污染方面的研究已趋于完善，应用于多方面的领域，在这其中就包括了重金属污染[1].Hutton和Johnston对于鸟类作为监测生物用于环境污染的监测进行了综合评价并且被用来评估危害城市区域环境的污染物[2].对于鸟类来说，羽毛是重金属污染的重要的指示剂，羽毛与其它组织相比有着很大的优势：(1)符合了保护生物的原则，响应环保主义，是一种无创性的生物材料.(2)羽毛很容易收集和存储，可以在不影响鸟类健康的情况下在相同的鸟身上收集羽毛.(3)羽毛在生长的过程中，血液中的重金属通过血液循环积聚在羽毛中，可以反映羽毛生长过程中的环境污染情况.

Hahn等(1993)对德国地区的鸟类飞羽中的Cd、Pb、Hg等重金属元素进行了研究，研究肯定了羽毛作为是监测重金属污染的指示剂的作用，镉和铅在生物体的沉积主要来源于大气中的污染元素，羽毛中的汞元素的含量主要来源于鸟类所食食物中的污染物质[3].Burger等(1994)测定了对已知年龄燕鸥(Sterna hirundo)胸羽中的Pb、Cd、Hg、Cr、Se、Mn等金属元素，Cr、Se和Mn的金属浓度随着年龄的增长(2～12岁)而增加，而Cd和Hg，幼鸟比成年鸟的浓度高.反应了繁殖区环境中的重金属浓度要高于冬季成鸟羽毛生长期环境的浓度，同时认为成年鸟羽毛脱毛的过程也是把汞元素排泄到体外的过程[4].Burger等(2008)对阿拉斯加州的三趾鸥(Rissa tridactyla)和蛎鹬(Haematopus bachmani)中的As、Cd、Cr、Pb、Mn、Hg、Se等元素进行了测定，除了Hg，三趾鸥羽毛中的重金属含量均没有年龄上的差异性，海鸥羽毛中的汞含量(平均2910 ng/ g(ppb))低于污染标准.发现了蛎鹬羽毛中的除了汞以外的重金属含量高于三趾鸥的重金属水平[5].Tom和Dauwe等测定了蓝山雀(Parus caeruleus)和大山雀(Parus major)尾羽中的四种元素Cu、Zn、Cd和Pb的浓度，结果表明污染区( 冶金工厂附近) 的Cu、Pb和Cd等金属元素的浓度明显高于对照区(距污染区以东4km)的浓度.在性别和年龄(4～9个月龄和16个月以上) 的比较中发现大山雀除了Zn有着性别上的差异，其他重金属元素的含量在性别和年龄上的差异性均不显著[6].

1　材料与处理

在采集样本之初，记录样本的年龄，性别，地区等因素，进行编号，将收集好的羽毛放入信封中完好保存.清洗羽毛时首先用自来水将羽毛浸湿，然后用95%浓度的丙酮浸泡5～10 min，丙酮起到了去除羽毛中油脂和杂质的作用，然后用洗涤剂清洗，最后依次用去离子水，超纯水各清洗三遍，清洗干净后放入称量瓶中在70～100℃的烘箱中至烘干，烘干后将处理干净的羽毛包入干净的锡纸中并做好标记放入封口袋中，放入干燥器中恒重保存，为后续的实验做好准备工作.

2　实验方法

常用的羽毛中的重金属含量的测定方法有微波消解，湿法消解、灰化法消解和萃取法，在文中重点介绍微波消解法.近年来电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法检测技术已经相当成熟，其检出限低，有着较高精密度，线性范围宽，有微弱干扰，可以同时测定多种元素，逐渐得到人们的青睐.

制备样品时用洁净的剪刀(不锈钢材质)将羽毛剪碎，称取0.2～0.3g，称重时对应每个样品做好记录.将称重好的羽毛组织样品放入消解罐中进行消解，依次加入5 mL硝酸(HNO3)，3 mL双氧水(H2O2)，在放入消解仪消解前静置一个小时,为了减少误差确保实验的可信度，每批消解要设置至少一个平行样，一个标准样，一个空白样，并在消解罐上做好标记或者消解架上做好标记，放入和取出时按顺序放置，将样品放入消解仪消解.程序设定：温度在8 min内升到100℃，持续5 min；温度在5 min内提高到150℃，持续5 min；温度在8 min内提升到190℃，持续15 min.在完成消解后可将消解罐取出并放凉至室温，以防止在赶酸时温度过高发生意外.将消解罐按顺序放置在赶酸电热板上进行赶酸，为了不使重金属元素损失过多，可将赶酸电热板的温度设置为90℃.消解罐内样品赶酸剩至1～2 mL时结束赶酸，取下放凉.将每个完成赶酸的样品依次转移到50 mL的测试瓶中，然后用超纯水清洗消解罐三次，最后将测试瓶中的样品定量至50g，摇匀，准备上机(ICP-MS)测试.

3　结果与讨论

通过实验的结果不难发现，不同控制条件下的羽毛组织中的重金属元素的浓度富集情况有着不同程度的差异性.

3.1　羽毛不同部位中重金属含量的差异性

鸟类的飞羽，背羽，胸羽，尾羽对于它们来说有着不同的作用，进而在环境中暴露的情况也各不相同.大部分的学者通常会选取胸羽作为研究对象.鸟类在飞行时，胸羽会受到很强的气流压力，鸟类在觅食时胸部的羽毛也会与水源，地面或者空气等污染源接触，这些都会使羽毛受到重金属的污染.Furness(1993)在他的研究中表明胸羽是所有部位羽毛中能够反映重金属水平的最好的指示部位[7]，我国学者张宇在对丹顶鹤的研究中也证明了这一点，各种重金属元素的最高值均出现在胸羽部位，汞元素更为明显[8].郭东龙在研究中发现重金属Hg在不同种类的鸟的各部分羽毛中的含量有差异性，例如金雕羽毛组织中Hg含量胸羽最高，尾羽最低.红脚隼的飞羽含量最高，胸羽含量最低，这可能与换羽的顺序有关系[9].

3.2　性别和年龄差异

羽毛中的性别和年龄的差异性均不显著，Lewis(1991)，Monteiro(1996)研究中表明鸟类羽毛中的重金属水平代表了其羽毛生长期血液内重金属的浓度[10].然而鸟类会定期的换羽，所以羽毛中的重金属随年龄累积的情况几乎不存在，没有显著的年龄差异性.因此，相比鸟类其他组织器官，羽毛更能表现出其所处环境的重金属污染状况.

3.3　区域差异

各地区的环境所受的污染程度不同，所以不同地区环境下的鸟类羽毛所受的污染程度也有所差异.Beyer，Saplding等(1997)检测了佛罗里达州和哥斯达黎加的黑头鹮鹳(Mycteria americana)胸羽中Pb、Cd、Hg等重金属的浓度[11]，结果表明, 美国弗罗里达州黑头鹮鹳胸羽中汞的浓度高于哥斯达黎加黑头鹮鹳胸羽中汞的浓度，反映出了两地汞浓度的差异性，因此不同区域羽毛中的重金属浓度的差异性可以反映出不同地区的环境差异.Naeem等(2015)的研究中发现在巴基斯坦不同地区的鸟类羽毛中的重金属浓度有差异，旁遮普(Punjab)地区的重金属污染浓度最高，与其他地区相比较有着显著的差异性(P<0.000)，而该地区在工业和农业的发展上相比其他地区较发达[12]，由此可见环境中重金属浓度的背景值可以反映到所测的鸟类羽毛中重金属的含量上，并且可以体现出区域的差异性.

重金属污染是威胁人类健康的重要原因之一，当前关于环境中重金属污染的研究多集中在野生鸟类，研究对象多偏向于海洋，矿区，湿地等环境区生长的鸟类.研究多集中在了种类、性别、年龄、地区等方面的重金属污染问题.目前城市化发展，人类活动的日益增多都对环境造成了污染，但是这些污染危害的严重性还鲜为人知.进行这些生物研究能够更好更直观的让人们感受到重金属污染给人类健康带来的威胁.然而，关于大型城市地区的鸟类羽毛重金属含量问题的研究较少，未来的研究可以在此方向上发展.

[1]赵洪峰，雷富民.鸟类用于环境监测的意义及研究进展[J]．动物学杂志，2002,37( 6) : 74-78．

[2]Hutton M, Goodman GT. Metal contamination of feral pigeons Columba livia from the London area. Part I: tissue accumulation of lead cadmium and zinc. Environ Pollut Ser A,1980,22:207-217.

[3]Hahn E, Hahn K, Stoeppler M. Bird feathers as bioindicators in areas of the German Environmental Specimen Bank- bioaccumulation of mercury in food chains and exogenous deposition of atmospheric pollution with lead and cadmium. Sci Total Environ,1993(139/140):259-270.

[4]Burger J, Gochfeld M.Heavy metal and selenium levels in feathers of known-aged common terns (Sterna hirundo). Arch Environ Contam Toxicol,1994,26:351-355.

[5]Burger J, Gochfeld M, Sullivan K, et al.Arsenic, cadmium, chromium, lead, manganese, mercury, and selenium in feathers of Black-legged Kittiwake (Rissa tridactyla) and Black Oystercatcher (Haematopus bachmani) from Prince William Sound, Alaska. Sci Total Environ,2008,387:175-184

[6]李枫，张微微，刘广平.扎龙湿地水体重金属沿食物链的生物累积分析.东北林业大学学报，2007,35(1):44-46．

[7]Furness RW.Birds as monitors of pollutants. In: Furness RW, Greenwood JJD(Eds.) Birds as Monitors of Environmental Change. Chapman & Hall, London, UK,1993.86-143.

[8]张宇.扎龙自然保护区丹顶鹤羽毛中汞、铅、镉、铜及砷含量测定分析[D].东北林业大学硕士学位论文,2010.23.

[9]郭东龙,周梅素,席玉英,等.重金属汞在鸟体羽毛组织中的含量及分布规律[J].动物学报，2001,47:139-149.

[10] Lewis SA, Furness RW. Mercury accumulation and excretion by laboratory reared black-headed gull (Larus ridibundus) chicks. Arch Environ Contam Toxicol,1991,21:316-320.

[11] Beyer W N, Saplding M, Morrison D. Mercury concen trations in feathers of wading birds from Florid a. Amb io, 1997, 26(2):97-100.

[12] Naeem AA, Veerle LBJ, Muhammad JIC,et al. Influence of taxa, trophic level, and location on bioaccumulation of toxic metals in bird’s feathers: A preliminary biomonitoring study using multiple bird species from Pakistan. Chemosphere, 2015,120:527-537.

[13] 翟丹蕾.羽毛的重金属指示剂的作用研究[J]．哈尔滨师范大学自然科学学报，2013,29(1).