洞头海域大型海藻重金属及有害元素含量特征分析

陈星星，黄振华，周朝生，吴越，陆荣茂，张鹏

(浙江省海洋水产养殖研究所 浙江省近岸水域生物资源开发与保护重点实验室，浙江 温州 325005)

重金属是指原子密度大于5 g·cm-3的金属元素及其化合物，主要包括汞(Hg)、铜(Cu)、镉(Cd)、铬(Cr)、铅(Pb)、砷(As)、锌(Zn)、钴(Co)、镍(Ni)等。因其优异的物理、化学性能，被广泛应用于工业、农业等领域，但在大量生产和应用的同时，带来不可避免的重金属污染问题，它们可通过诸多的自然因素及人为因素造成环境污染，同时重金属在环境中很难降解，具有富集性，人体摄入后不易排除[1-3]。

海藻是海洋系统的初级生产者，一些大型海藻能为许多附着植物和动物提供生活空间，如微型生物、甲壳动物和鱼类等。另外，海藻在重金属污染水体的生物修复和重金属离子的生物吸附方面具有较好的应用前景，海藻处理低浓度重金属废水具有成本低、吸附量大、净化效率高、选择性好、金属可回收再利用及不产生二次污染等优点[4-5]。支田田等[6]对藻类去除水体中重金属的机理有过报道，阐述了藻类吸附及富集重金属的机理，但并未调查筛选天然海藻中富集重金属元素的海藻。刘加飞等[7]对湛江近岸马尾藻重金属含量做过调查，但对浙江海域海藻重金属的调查研究较少。

本研究在浙江省温州市洞头岛海域附近采集了健康的完整海藻植株十余种，采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，安捷伦仪器有限公司)测定藻类中Al、Fe、As、Mn、Zn、Cu、Cr、Ni、Cd、Pb的含量，通过聚类分析及主成分分析，揭示了洞头海域各海藻重金属含量及海藻对特定重金属的富集系数，旨在寻找理想的重金属污染指示生物及生物修复材料，为今后食用藻类重金属污染提供预警及保障的科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2018年5月在浙江省温州市洞头岛海域附近采集健康的完整海藻植株十余种，包括褐藻门的鼠尾藻(Sargassumthunbergii)、铁钉菜(Ishigeokamurae)、铜藻(Sargassumhorneri)；红藻门的日本角叉藻(Chondrusnipponicus)、蜈蚣藻(Grateloupiafilicina)、舌状蜈蚣藻(Grateloupialivida)；绿藻门的中间硬毛藻(C.media(Ag.) Kuetz)、石莼(Ulvalactuca)、刺松藻(Codiumfragile)、羽藻(Bryopsisplumosa)、刚毛藻(Cladophora)。另外，对海藻附近水域的海水进行了采样，测定水体中重金属的含量，准备后续进行藻类富集系数的分析。

1.2 试验方法

1.2.1 海藻预处理

用采集的海水将藻体冲洗干净，除去表面的泥沙及附着物等，小心保存。带回实验室后，用超纯水冲洗藻体数遍，分装在若干个塑料罐中，于70 ℃烘箱内烘干。将烘干后的藻体磨碎，分装在自封袋中密封保存待测。

1.2.2 藻体重金属检测方法

分别称取约0.2 g藻体(干样)于消解罐中，加入适量消解液(5 mL硝酸+5 mL蒸馏水)微波消解后，经定容、过滤等步骤得到待测液，用ICP-MS检测其中的重金属元素及含量。

1.2.3 数据处理

根据各藻体检测出来的重金属元素及相应含量，采用Graphpad prism 5和SPSS 19.0制成图表。由各海藻藻体内特定重金属含量和海水中相应元素平均浓度的比值，得到海藻对特定重金属的富集系数。

2 结果与分析

2.1 标准物质重金属的含量

紫菜标准物质样品经电感耦合等离子质谱仪分析，结果显示，其所含各元素测量值与参照值比较，平均回收率为85.12%～108.52%，表明所用方法能满足海藻样品重金属含量分析要求。

2.2 各海藻重金属及有害元素的含量

由图1可知，不同海藻中的重金属含量不同且差异明显，两种相似种如蜈蚣藻、舌状蜈蚣藻体内重金属的含量也有较大差异。另外，通过海藻体内特定重金属的含量数据情况，可以分析得到其对特定重金属的富集能力。

图1 洞头海域大型海藻重金属含量

各海藻中重金属及有害元素含量平均值由高到低为Al>Fe>As>Mn>Zn>Cu>Cr>Ni>Cd>Pb，可知海藻体内Fe、As、Mn、Zn元素的含量相对较高，尤其是Fe，这与这些微量元素在植物体中的作用有关。Fe是光合作用、生物固氮和呼吸作用中的细胞色素和非血红素铁蛋白的组成，在氧化还原中起电子传递的作用；As对植物的生长也有一定的促进作用；Mn对植物细胞中的多种酶起活化作用；Zn在植物体内主要参与生长素的合成，是多种酶的组成成分。

Fe在各海藻中的含量较高，其中在鼠尾藻中含量最高，其次为石莼，含量最低的是舌状蜈蚣藻。Mn、As、Cr、Ni、Pb含量最高的也均为鼠尾藻。Zn在舌状蜈蚣藻中含量最高，在石莼中最低；Cu在日本角叉藻中含量最高，在铜藻中含量最低；Cd在刚毛藻中含量最高，在石莼中含量最低。

2.3 各海藻重金属及有害元素富集系数

由表1可知，Al、Fe、Mn、As、Cr、Ni和Pb均在鼠尾藻的富集系数最高，Zn在蜈蚣藻中的富集系数最高，Cu在日本角叉菜中的富集系数最高，Cd在刚毛菜中的富集系数最高，在石莼中最低。

表1 洞头海域大型海藻重金属平均富集系数

2.4 各海藻重金属及有害元素含量分布

从图2中可以看出，Al、As、Fe、Mn、Cr、Ni和Pb在褐藻门中含量最高，Zn、Cu在红藻门中含量最高，Cd在绿藻门中含量最高。

图2 褐藻门、红藻门及绿藻门海藻重金属含量分布

2.5 聚类分析

以重金属含量为指标，对海藻样本进行聚类分析。将11种海藻分为4类(图3)，第一类包括铁钉菜、蜈蚣藻、舌状蜈蚣藻、铜藻、刺松藻、刚毛菜和中间硬毛藻；第二类包括日本角叉菜和羽藻；第三类为鼠尾藻；第四类为石莼。

图3 海藻聚类分析

主成分分析。对海藻中各重金属含量进行PCA计算，根据特征方差累计贡献率确定主成分个数。由图4可以看出，前3个主成分累积贡献率为86.84%，可反映全部数据的基本信息。第一主成分(PC1)贡献率为63.65%，该因子变量在Al、Fe、Mn、Cr、Ni、Cu和Pb上有较高正载荷(>0.72)，因此，推测第一主成分与植物生命活动中必需的重金属有关；第二主成分(PC2)贡献率为12.51%，Zn载荷为0.753，表明第二主成分主要支配着海藻中Zn的富集能力；第三主成分(PC3)贡献率为10.68%，与其相关的是Cd，载荷0.694。

图4 各重金属的三维载荷

为综合评价大型海藻对重金属的富集能力，用各海藻重金属富集能力的综合得分以进行分级。由表2可知，11种海藻富集能力综合排序表现为鼠尾藻>日本角叉藻>石莼>羽藻>蜈蚣藻>铁钉菜>刚毛藻>中间硬毛藻>刺松藻>舌状蜈蚣藻>铜藻。鼠尾藻对重金属富集能力最强，其次日本角叉藻，铜藻对重金属富集能力最弱，与聚类分析结果相似。

表2 洞头海域大型海藻重金属及有害元素富集能力的综合得分

3 讨论

海藻中各元素浓度平均值差异较大，重金属浓度最高的Fe含量为1 131.08 mg·kg-1，浓度最低的Pb含量为1.01 mg·kg-1。在Al、Fe、As、Mn、Zn、Cu、Cr、Ni、Cd、Pb中，若以Cu元素为中间线，其左侧浓度都大于29 mg·kg-1，右侧浓度都小于10 mg·kg-1。而左侧除Al、As是非必需元素外，其他3个都是植物的必需元素，右侧浓度低的均属于非必需元素。作为非必需元素，Al、As却以高含量出现在必需元素的队伍中。从元素周期表发现，Al元素位于第三主族B的下方，As元素位于第五主族P的下方，而B元素是植物体内必需元素。孙颖等[8]发现，B元素在植物繁殖过程及形成繁殖器官时起很大作用。赵明城等[9]报道，P是能量代谢、核酸及膜合成的重要底物，在光合作用、呼吸作用及氮代谢过程中发挥着重要作用。由于Al、As分别位于B和P同一主族下方，化学结构存在相似性，植物在吸收营养元素的时候，同时吸收了该元素的可能性。藻类吸收了As以后，大部分将其转化为毒性较低的有机砷，如MMA、DMA。黄东仁等[10]研究表明，砷的毒性与其存在的形态密切相关，其中无机砷的毒性最强，有机形态的MMA和DMA等毒性较低，而海洋生物体内存在的AsB、AsC被认为是无毒的。这说明即使藻类误吸了砷等非必需元素，但自身存在解毒机制，可将毒性较高的无机砷转化为毒性较低的有机砷。

11种海藻富集能力综合排序表现为鼠尾藻>日本角叉藻>石莼>羽藻>蜈蚣藻>铁钉菜>刚毛藻>中间硬毛藻>刺松藻>舌状蜈蚣藻>铜藻。藻类细胞壁上的多糖、蛋白质、磷脂等多聚体提供了大量官能团(氨基、羟基、羧基等)，一部分官能团失去质子而带负电荷，依靠静电引力吸附金属离子，而不同海藻的、多糖、蛋白质、磷脂等含量差异较大[3]。鼠尾藻对多种重金属均表现出较高的富集能力。褐藻细胞壁主要含有3种物质：纤维素，褐藻酸和相应的藻酸钠、钾、钙、镁盐，以及硫酸化多糖[6]。大量的多糖细胞基质，使得藻类具有良好的金属结合能力，而鼠尾藻就是褐藻中的一种。因此，鼠尾藻可作为该海域重金属污染物生物监测与生物修复的合适物种。