巢湖表层沉积物与环棱螺重金属分布特征及生态风险评价

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(安徽大学 资源与环境工程学院，合肥 230601)

巢湖表层沉积物与环棱螺重金属分布特征及生态风险评价

江江，李玉成，蒋更可，王宁，张学胜

(安徽大学 资源与环境工程学院，合肥 230601)

以巢湖优势种淡水贝类——环棱螺与表层沉积物为研究对象，采用HNO3-HF-HClO4全消解法消解，然后使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)对二者重金属(Cd,Cr,Cu和Pb)的总量分布进行研究，同时运用潜在生态风险指数法及单因子污染指数法与均方根综合指数评价二者重金属风险。结果表明:巢湖沉积物均已受到了一定程度的重金属Cd,Cr,Cu，Pb污染，其中以Cd的潜在生态风险最大，而环棱螺中则以Pb和Cr为高风险元素;重金属的分布特征和相关性分析显示，巢湖沉积物中的重金属来源具有相似性，而环棱螺对重金属的积累因多种环境因素的综合作用，使得环棱螺体内的重金属来源不同。因此，在未来的巢湖环境治理过程中，可着重考虑对重金属Cd,Cr，Pb的治理，同时应加大对贝类等生物监测措施的应用。

表层沉积物；环棱螺；重金属；风险评价;巢湖环境治理

1 研究背景

巢湖是安徽境内最大的淡水湖泊，具有航运、渔业、农灌、防洪等多种功能。然而，近年来，随着巢湖地区工农业快速发展和人口急剧增长，入湖河流带来了大量的重金属[1-2]。由于重金属具有难降解、易积累、毒性大等特点，巢湖水生态系统受到了多种重金属的污染胁迫。伴随着水体的污染，日积月累，重金属元素会在鱼类和其它水生生物体内高度地积蓄。对生物体而言，重金属分为生命必需元素和非生命必需元素。生命必需金属元素在有机体进行正常生理活动不可缺少，而浓度超过一定阈值也会产生毒害，如铜、锌等；非生命必需金属元素不参加生理活动，如少量的镉就会对生物体产生危害[3]。水生生物在生存过程中，从水、悬浮物、沉积物中吸收养分和生命必需元素，与此同时，非生命必需金属也被水生物吸收并积累在机体组织中，使原来供人们食用的水产品可能成为浓缩毒物的载体。贝类因其生活在水与沉积物界面上，具有分布广、行动能力差、生活史长、易于辨认、对污染物有较强的富集能力等特点，是目前国内外公认的比较理想的指示生物[4]。母清林等[5]对浙江近岸海域的9种贝类的重金属污染进行了研究，发现各种贝类之间的重金属污染状况不同。A.R.Melwani等[6]利用加利福尼亚州海域沿岸30多年来的贝类监测数据准确地反映出当地的重金属和持久性有机物污染的变化趋势。环棱螺作为巢湖优势贝类，主要栖居在沉积物中，以摄食沉积物中有机碎屑、细菌和藻类为生，研究显示，环棱螺对沉积物重金属胁迫具有较高的敏感性，可以作为一种潜在的淡水沉积物毒性测试生物。

目前，有关巢湖重金属的研究主要通过水体及沉积物含量和形态的分析来评价重金属的污染状况[7-9],但对沉积物和生物体中的重金属污染进行系统的研究较少。因此,本文拟通过对巢湖的沉积物和优势种淡水贝类——环棱螺进行取样，分析重金属污染及评价其污染生态风险，为人们合理利用湖区生物和湖泊治理提供参考和依据。

2 材料与方法

2.1 样品的采集

2014年5月，借助 GPS全球卫星定位系统，如图1共布设16个采样点(西半湖10个、东半湖6个)，在各采样点按标准方法采集表层沉积物样3～4次混匀，使用1/40 m2的彼得逊采样器采集贝类样品5次。采获到的沉积物与贝类样品分别装入聚乙烯袋，洗净标记后运回实验室，于-80 ℃冰冻保存。

图1 巢湖采样点分布Fig.1 Sampling sites in the Chaohu Lake

2.2 样品的预处理和分析方法

采集的样品冷冻干燥后，去掉杂物及石块，经玛瑙研钵研磨处理，过100目尼龙筛，贮存备用。采集到的环棱螺，按《海洋生物质量监测技术规程》，每个采样点随机选取合适数量的环棱螺样品(壳长为(32.7±3.6) mm)，剖离壳体与软组织，将样品软组织的肌肉和肠溶物部分剥离。每点选用多个个体合并匀浆称重，冷冻干燥后保存，再称重，供消解分析，得到各点环棱螺肌肉部分含水率为80.1%～81.2%。

准确称量0.5 g沉积物、肠溶物和0.25 g环棱螺肌肉样品，使用HNO3-HF-HClO4全消解方法消解[10]，消解完成以1%HNO3定容至50 mL，使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)测定重金属Cd,Cr,Cu和Pb的含量。

采用三平行控制样品的精密度，平行样品数不少于测试样品的10%，分析得到Cd,Cr,Cu,Pb平行样的相对标准偏差(RSD)分别为8.1%,4.9%,2.9%,3.9%。为控制样品测试的准确度，样品测定中带入1个加标回收分析样质(GBW07304a)，4种重金属的加标回收率在88%～107%之间，符合美国EPA标准要求的80%～120%的范围。

2.3 重金属的生态风险评价方法

2.3.1 沉积物重金属

潜在生态风险指数法[11]是利用沉积学原理评价重金属污染状况以及对生物的影响。单个重金属的风险指数其表达式如下：

(1)

(2)

2.3.2 贝类重金属

对于生物体污染状况评价，目前国内尚未有权威的评价标准，有学者从不同角度提出了各自的评价方法，本文采用单因子污染指数法与均方根综合指数进行分析[12]，计算公式如下 ：

Pi=Ci/Si,

(3)

(4)

式中：Pi为单因子污染指数；Ci为样品中重金属i的实测含量；Si为重金属的评价标准值；参比值来源于《无公害食品 水产品中有毒有害物质限量》(NY 5073—2006)和《食品安全国家标准》(GB 2762—2012)中重金属的限值；PI为某一生物样品的综合污染指数；n为重金属的种类数。

2.4 数据分析

用SPSS18软件对数据进行处理和分析，并采用ArcGIS 10的地统计模块对分析结果进行克里格空间插值，绘制沉积物重金属的空间分布图。

图2 巢湖表层沉积物重金属含量分布特征Fig.2 Spatial distribution of heavy metals in the sediments of Chaohu Lake

3 结果与讨论

3.1 巢湖表层沉积物重金属分布与生态风险分析

巢湖表层沉积物中重金属含量的空间分布特征见图2。从图2可知，巢湖沉积物中重金属Cd,Cr,Cu,Pb在西半湖含量均高于东半湖，且西半湖均又以北部南淝河口附近区域含量最高。其中重金属Cd,Cr,Cu,Pb的最高浓度分别为0.303,111.92,37.00,64.76 mg/kg，分别是环境背景值[10]的1.87,1.40,1.16,2.23倍，表明巢湖已经受到了一定程度的重金属污染。表1为巢湖沉积物中重金属之间的相关性分析结果，结果显示出4种重金属之间具有较好的正相关关系，说明其来源具有相似性。而且重金属的分布特征为南淝河口附近重金属含量较高，原因为合肥市的快速城市化过程中，大量的工业废水和生活污水排入河道[13]，进入水体的重金属污染物绝大部分易于由水相转入悬浮物，随着悬浮物的沉降进入沉积物中，使得南淝河给巢湖带入了其流域附近的大量工业污染和合肥市的生活污染物[14]，同时由于巢湖西北部区域为水华爆发的主要区域，使得南淝河带入的大量重金属直接被蓝藻吸附沉降到沉积物中，导致该区域沉积物中重金属含量较高。

表1 巢湖沉积物中重金属含量的相关性分析Table 1 Correlations among heavy metals in sediments from Chaohu Lake

注：*,**分别表示5%，1%差异显著性水平

潜在生态风险指数法能得到各个重金属对生物体分别产生的潜在风险。如表2所示，单个重金属的潜在生态风险指数以5号点的Cd最高为109.1，处于较高的风险水平；2,3和4号点的Cd处于中级生态风险；其他各点和其他重金属在全湖均处于低风险状态。因此,从沉积物重金属污染角度得到，未来对于巢湖重金属污染的治理，需要着重考虑巢湖西北部南淝河入湖区域的Cd重金属元素的污染治理。

表2 巢湖沉积物中重金属的潜在生态风险指数值Table 2 Values of potential ecological risk index of heavy metals in sediments of Chaohu Lake

3.2 环棱螺中重金属的生态风险评价

污染指数分级标准见表3。由于环棱螺是人们口中的美食，因此各点环棱螺样品取其可食用的腹足肌肉部分进行Cd,Cr,Cu,Pb的污染分析。本研究中5号点由于未采集到样品而无法分析，12—16号点由于单点样品数量不足而选取原巢湖水源区附近的14,15，16号点合并为17号点分析，结果如表4所示。环棱螺体内4种重金属含量大小为Cu>Cr>Pb>Cd。Cu是生物体主动吸收的必需元素，Cr,Pb，Cd为有毒重金属元素，从而使得Cu的含量远高于其它重金属元素[15]。由表4可知,由于4种重金属的评级标准有所不同，从而得到的重金属风险水平与重金属含量的大小趋势并不一致，总体风险水平由高至低为Pb>Cr>Cu>Cd。铅是重金属污染中最常见的元素，也是食品安全问题中人们最关注的污染物[12]，其中在1,2,3,4号点处，Pb达到了重度的生态风险；Cr除7号点无风险外其余各点均有一定程度的生态风险；Cd和Cu均无风险。综合污染等级显示，1,2,3,4,9，10号点处有不同程度重金属污染。上述结果表明食用巢湖环棱螺的人群，会受到较高的Pb和Cr毒害风险。因此从贝类监测角度来看，巢湖中的Pb和Cr污染明显，同时需要重点整治巢湖西半湖区。

表3 单因子污染指数及均方根综合指数与分级标准Table 3 Rating standard of single factor pollution index and root mean square index

表4 巢湖环棱螺肌肉湿重重金属含量及生态风险水平Table 4 Heavy metal content and ecological risk of wet weight of the Bellamya muscle in Chaohu Lake

注：**表示重污染；*表示中污染

巢湖环棱螺是生活在水与沉积物界面上，平时以刮食沉积物为生，因此环棱螺肌肉中的重金属可能大量来自于沉积物。通过环棱螺肌肉部分和沉积物中重金属的相关性分析得到Pb在两者之间的相关系数为0.761(0.01水平上显著相关)。余秀娟等[8]、孔明[9]等对巢湖沉积物重金属的形态分析得到沉积物中的Pb以可还原态为主，而巢湖又是一个典型的富营养化湖泊，在水华爆发之后蓝藻沉降腐烂会消耗大量的溶解氧，使得Pb会被还原成生物可利用态。将环棱螺肌肉部分中的Cd,Cr,Cu,Pb与沉积物重金属进行相关性分析，结果如表5所示，而且从表5可知环棱螺肠溶物中的Pb浓度基本小于沉积物中的浓度，反映出环棱螺肌肉中的Pb确实是主要来自于沉积物。

表5 巢湖环棱螺肌肉中重金属含量与沉积重金属含量的相关性Table 5 Correlation of heavy metal content between Bellamya muscle and sediment of Chaohu Lake

由表5得到4种重金属之间相关性不显著，说明其来源有所不同，且Pb与Cd,Cu具有较高的反相关性，表明巢湖环棱螺中Pb的富集会对Cd,Cu的吸收存在一定的抑制作用，使得巢湖环棱螺通过沉积物大量富集Pb时而减少了对Cd和Cu的吸收，从而导致巢湖沉积物和环棱螺的Cd和Cu出现了一定的反相关性。通过实验也发现提高Cu,Zn,Pb,Ni等复合重金属暴露量会降低淡水贝类Pyganodongrandis对Cd的富集[16]。

由于巢湖沉积物中的Cu以残渣态为主、Cd以弱酸提取态为主，而笔者和他人研究发现巢湖水体是长期处于偏碱性状态，造成沉积物中Cd和Cu的生物可利用态含量较低，从而导致环棱螺肠溶物中的Cd和Cu被大量遗存下来，使得环棱螺肌肉中的Cd和Cu未超标(如表6所示)。Cr由于其相关系数均较小，并且在沉积物中又以残渣态为主[17]，反映出巢湖环棱螺肌肉中的Cr可能主要来源于水体等其他途径；但Cr在肠溶物中的浓度基本小于沉积物中的浓度，说明巢湖环棱螺可能吸收部分的残渣态Cr。因此,环棱螺肌肉中Cr的主要来源较为复杂，需要进一步深入研究。

表6 环棱螺肠溶物重金属含量Table 6 Content of heavy metals of Bellamya enteric lysate

生态系统是一个复杂的系统，生活在系统中的生物会受到多种环境要素的影响。本文得到的环棱螺对重金属的积累就是巢湖水体、沉积物和蓝藻等多种因子的综合作用结果。而通过沉积物等非生物监测巢湖污染状况得到的结果并不能准确地反映污染物对生物体的综合影响。因此,在未来的巢湖环境治理监测过程中，需要加大对贝类等生物监测手措施的利用。

4 结 论

(1) 沉积物重金属的分析表明Cd，Cr，Cu,Pb这4种重金属在巢湖均存在一定程度的污染，其中以5号点的Cd的潜在风险最大，达到了较重的风险程度，因此,未来对于巢湖重金属污染的治理，需要着重考虑巢湖西北部南淝河入湖区域的Cd元素的污染治理。

(2) 由于多种因素的综合作用，环棱螺受到了Pb和Cr的污染。因此从贝类监测角度来看，巢湖中的Pb和Cr需要重点整治。

(3) 通过沉积物等非生物监测巢湖污染状况得到的结果不能十分准确地反映污染物对生物体的综合影响。因此在未来的巢湖环境治理监测过程中，需要结合贝类等生物监测措施的利用。

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(编辑：赵卫兵)

Heavy Metals in Surface Sediments and Bellamya of Chaohu Lake:Distribution Characteristics and Risk Assessment

JIANG Jiang,LI Yu-cheng,JIANG Geng-ke,WANG Ning,ZHANG Xue-sheng

(School of Resources and Environmental Engineering,Anhui University,Hefei 230601,China)

Surface sediment samples andBellamyawere taken from the Chaohu Lake.The concentration and space distribution of heavy metals (Cd,Cr,Cu and Pb) were studied by HNO3-HF-HClO4digestion-ICP-AES (Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry).The pollution levels of the four heavy metals were evaluated by the potential ecological risk index,single factor pollution index and root mean square composite index.Results suggest that the sediments in Chaohu Lake have been polluted to a certain extent by heavy metals (Cd,Cr,Cu and Pb),among which Cd poses the largest potential ecological risk,while Pb and Cr are the high risk elements forBellamya.The distribution characteristics and correlation analysis of heavy metals showed that the heavy metal sources in the sediments of Chaohu Lake are of similarity; whereas the sources of heavy metals inBellamyaare different due to multiple environmental factors.In conclusion,treatments of heavy metals (Cd,Cr,Cu and Pb) should be emphasized and the application of biological monitoring mwasures to shellfish should be strengthened.

surface sediment;Bellamya; heavy metal; risk assessment; environmental governance of Chaohu Lake

X524

A

1001-5485(2017)10-0006-05

2016-06-23;

2016-07-24

国家自然科学基金项目(41172121)；安徽省自然科学基金青年项目(1608085QB45) ；安徽省高等学校自然科学重点项目(KJ2015090)

江 江(1990-)，女，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事水污染控制研究，(电话)13637090296(电子信箱)JJIANG2012anhui@126.com。

李玉成(1963-)，男，安徽合肥人，教授，博士，主要从事环境生物地球化学研究，(电话)0551-63861441(电子信箱)li-yucheng@ 163.com。

10.11988/ckyyb.20160639 2017,34(10):6-10,16