江苏省沿海脊尾白虾养殖池塘重金属污染及潜在生态危害评价

王李宝,黎慧,史文军,沈辉,万夕和

(江苏省海洋水产研究所，江苏 南通 226007)

江苏省沿海滩涂广阔，由滩涂开发派生出的池塘养殖占据江苏省海水养殖业的比例较大[1]。近年来，脊尾白虾成为江苏省海水养殖业中增长最快的品种，目前养殖面积超过3万hm2，年产量超过4.5 t[2]。随着沿岸工农业的不断发展，沿海地区的海水和沉积物环境均受到一定程度的污染，其中重金属是主要污染物之一。在海水养殖池塘环境中，重金属污染物不易降解，常由水相转入固相(悬浮物和沉积物)，最终进入沉积物中蓄积[3]，形成巨大的潜在危害和风险[4-5]。水相中的重金属浓度常因水动力条件和排放状况的不同发生变化。由于累积作用的影响，沉积物中的重金属浓度往往比相应水相中的高。一旦沉积环境受到严重污染且超过其承受能力，或其他外界因素(气候、水动力、pH值、盐度、氧化还原电位等)改变，长期积累的重金属会从沉积物中重新释放[6]，从而导致养殖池塘的生态环境恶化，污染物通过食物链对人体健康造成威胁[7]。

目前，养殖池塘重金属污染及风险评估的相关研究较多，但多集中于淡水池塘环境[8-10]，关于江苏省沿海脊尾白虾养殖池塘中的重金属污染特征及来源分析尚未见报道。现分析了重金属在江苏省沿海脊尾白虾养殖池塘中的分布特点和相关性，以及在虾肌肉中的质量分数，对养殖池塘沉积物中重金属的潜在生态风险进行评价，揭示了环境中重金属对脊尾白虾体内重金属累积的影响，为脊尾白虾的健康养殖及近海环境保护提供科学依据。

1 研究方法

1.1 样品采集

于2020年10月，选择江苏省沿海8个脊尾白虾养殖池塘(图1)，在每个池塘的近中心位置进行表层海水取样。用柱状采泥器采用四点取样法采集池塘中0～40 cm的沉积物样品，5 cm一段分割混匀后装入聚乙烯塑料袋中待用。同时在池塘中随机采集体长5～7 cm的脊尾白虾30条，装入聚乙烯塑料袋中冷冻保存待用。

图1 脊尾白虾养殖池塘采样站位

1.2 样品前处理

水样经0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤后备用；沉积物在阴凉通风处自然风干，剔除砾石、贝壳等杂物，采用四分法除去多余部分后混合均匀，用玛瑙研钵研磨过40目筛，装袋备用；生物样品在实验室解冻后去除虾头和虾壳，取出肌肉组织，匀浆后装袋，在-20 ℃条件下冷冻备用。水样经有机试剂萃取浓缩后，取有机相上机测试；准确称取风干的沉积物样品0.2 g，在酸性条件下完全消解后，定容到一定体积，取上清液上机测试；准确称取解冻后的虾肌肉组织0.5 g，在酸性条件下完全消解后，定容到一定体积，取上清液上机测试。

1.3 样品测定与数据处理

采用原子吸收分光光度法对样品中的铜(Cu)、铅(Pb)、镉(Cd)、锌(Zn)进行测定，其中Cu、Pb和Cd采用无火焰原子吸收分光光度法测定，Zn采用火焰原子吸收分光光度法测定。应用SPSS 20.0软件对测定的数据进行分析处理。

1.4 评价方法

1.4.1 沉积物重金属污染评价

采用单项污染指数法和尼梅罗综合污染指数法对养殖池塘沉积物重金属污染水平进行初步评价[11]。单项污染指数计算公式见式(1)。

(1)

式中：Pi——重金属i的污染指数；Ci——重金属i的实测质量分数；Ci0——重金属i的限量标准值。当Pi<1时，表示养殖池塘底泥未受污染；当Pi>1时，表示底泥受到污染。Pi值越大，表明受到的污染越严重。

在单项污染指数评价的基础上，采用兼顾单项污染指数平均值和最大值的尼梅罗综合污染指数法进行评价，计算公式见式(2)。

(2)

1.4.2 沉积环境的生态危害程度评价

参照Hakanson生态危害指数法对养殖沉积环境的生态危害程度进行评价[12]，生态危害系数和生态危害指数计算公式见式(3)和式(4)。

(3)

(4)

2 结果与讨论

2.1 江苏省沿海脊尾白虾养殖池塘海水中重金属分布特征

8个站位表层海水中的重金属质量浓度测定结果见表1。

表1 8个站位表层海水中的重金属质量浓度测定结果 μg/L

由表1可见，根据《海水水质标准》(GB 3097—1997)[14]，8个站位表层海水中Zn的平均质量浓度为(28.02±2.63) μg/L，达到二类标准；Cu、Pb、Cd的平均质量浓度均较低，达到一类标准。8个站位4种重金属质量浓度均符合《无公害食品 海水养殖用水水质》(NY 5052—2001)标准[15]。与2007年连云港附近海水重金属质量浓度相比，本次调查中除Cd的平均质量浓度低于对应的重金属质量浓度(0.178 μg/L)外，其他3种重金属质量浓度均高于对应的重金属质量浓度[16]，重金属污染呈现出阶段性加剧的趋势。

洋口化工园区附近的7号站位Zn的质量浓度出现异常高值(106.17 μg/L)，达到其他所有站位Zn质量浓度平均值的近4倍。养殖池塘表层海水的重金属污染原因主要是外源输入，但站位的某个重金属指标的异常高值可能与附近的点源污染有关[17]。潮间带区域养殖池塘易受到陆源污染物的影响，陆上部分重金属污染物经雨水冲刷被带入周边海域[18]。在脊尾白虾养殖周期结束后，从周边海域重新引入养殖用水，这很可能是造成该地区养殖池塘水体重金属指标异常偏高的重要原因。

2.2 江苏省沿海脊尾白虾养殖池塘沉积物中重金属分布特征

8个站位沉积物中的重金属质量分数测定结果见表2。

表2 8个站位沉积物中重金属质量分数测定结果 mg/kg

由表2可见，本次调查的沉积物中各重金属指标尚能达到《GB 18668—2002》一类标准，各养殖塘口均属于重金属轻度污染地区。与上海地区淡水养殖池塘沉积物中的重金属质量分数相比[9]，本次调查的4种重金属质量分数均值均显著高于对应的重金属质量分数，需要引起一定的重视。养殖池塘沉积物的重金属污染除了沉积物本底值外，养殖过程中可能还存在一定的外源污染[19]。

为了进一步分析脊尾白虾养殖池塘沉积物中重金属的空间分布特征，探明重金属的污染程度和污染来源，对不同站位、不同深度的沉积物重金属进行了测定，结果见图2(a)(b)(c)(d)。

图2 8个站位沉积物4种重金属质量分数测定结果

由图2可见，重金属在沉积物表层的质量分数较高，随着深度加深，虽然出现一定程度的波动，但是总体呈现出质量分数降低的趋势。本次调查的沉积物重金属分布趋势与苏北浅滩表层沉积物和北运河流域沙河水库沉积物中重金属的分布特征和趋势相类似[20-21]。有研究认为，养殖池塘沉积物重金属的垂向分布可能还与沉积物粒径大小呈负相关关系[22]。

2.3 江苏省沿海池塘脊尾白虾肌肉组织中重金属污染水平

8个站位脊尾白虾肌肉组织中重金属质量分数测定结果见表3。由表3可见，本次调查的脊尾白虾肌肉组织中重金属质量分数随养殖区域的不同而差异较大。《无公害食品 海水虾》(NY 5058—2006)标准中涉及Pb和Cd这2个指标[23]，本次调查结果均符合标准相关要求。按照《海洋生物质量标准》(GB 18421—2001)[24]，对各站位生物体样品重金属检测结果按单项污染指数法评价。对于Cu，50%的样品属于一类标准，50%的样品属于二类标准；对于Pb，100%的样品属于二类标准；对于Cd，62.5%的样品属于一类标准，37.5%的样品属于二类标准；对于Zn，25%的样品属于一类标准，75%的样品属于二类标准。重金属污染需要引起一定的重视。

表3 8个站位脊尾白虾肌肉组织中重金属质量分数测定结果 mg/kg

沉积物对重金属的富集系数要远高于生物体对重金属的富集系数。吸附了重金属的悬沙日积月累形成了沉积物，且重金属无法释放，故质量分数较高，呈现富集系数大的现象；而鱼类和甲壳类等生物体因自身具有重金属吸收和排除机制，对于有害及过量的重金属有排除能力[17]，呈现富集系数小的现象。这与本次调查中生物体重金属的质量分数要远低于沉积物重金属的质量分数相一致。

2.4 江苏省沿海脊尾白虾养殖池塘环境重金属污染来源及风险评估

池塘是一个受人为生产活动干预的开放式的小型生态系统，其沉积物中的重金属污染常呈现出不同的重金属联合效应[25]。采用环境中不同重金属之间的相关性研究，可以推测其污染源是否相同[26]。对8个站位的水体、沉积物和生物体中的重金属均值进行相关性分析(Pearson方法)，结果见表4。由表4可见，沉积物中Cu和Zn，生物体中Pb和Zn属于高度正相关(R2>0.8)，说明具有高度的同源性特征；水体中Cu和Zn，水体中Pb和Zn，沉积物中Pb和Cd，生物体中Cu和Pb，生物体中Cu和Zn,以及水体中Pb和沉积物中Pb都属于普通正相关(R2>0.5)；其他元素两两之间相关性均较差。与黑河流域水体及表层沉积物污染相关性特征不同[27]，本次调查的养殖环境中重金属污染来源尚难以明确判断，究竟是由于人为污染还是自然来源变化导致，需要进行更深入的研究。

表4 8个站位的水体、沉积物和生物体中的重金属相关性分析①

为了进一步评价脊尾白虾养殖池塘中沉积物潜在的生态风险，对重金属的单项污染指数和尼梅罗综合污染指数(Pm)进行计算，结果见表5。由表5可见，4种重金属的单项污染指数中，除少量站位Zn的单项污染指数>1，其余重金属和站位的单项污染指数均<1，说明除少数池塘沉积物受到Zn污染外，均未受到另外3种重金属的污染。从综合污染指数分析，仍然是Zn存在轻度污染，与2018年上海地区淡水养殖池塘沉积物中重金属污染情况相类似[9]，需要引起一定的重视。

表5 8个站位沉积物重金属的单项和综合污染指数

表6 8个站位沉积物中重金属的和RI

3 结论

(1)2020年10月调查的江苏省沿海8个脊尾白虾养殖池塘海水重金属污染较轻，个别站位Zn质量浓度超标，可能是受到附近陆源污染所致；沉积物重金属均属于轻度污染，且随着深度的加大，污染程度有所减轻；脊尾白虾肌肉组织的重金属质量分数符合《NY 5058—2006》标准。

(2)沉积物中Cu和Zn，脊尾白虾肌肉组织中Pb和Zn可能具有相同的污染来源。