广西主要贝类养殖区重金属含量分布特征及污染评价*

陈继艺,杨 娜,陈旭阳,冀春艳,刘保良

(1.自然资源部北海海洋中心,广西北海 536000; 2.自然资源部第四海洋研究所,广西北海 536000)

广西主要的贝类养殖区域集中分布在廉州湾、钦州湾等重要的半封闭型天然良港,湾内滩涂宽阔,适合贝类生物的索饵栖息。随着广西北部湾经济区的高速发展,近海捕捞和海水养殖规模大幅提升,沿海开发产业越发密集,加上近岸海域的入海河流较多[1],自然和人为因素使得养殖海域受到不同程度的污染,导致近岸海水养殖区面临较严重的环境问题[2-4]。

海洋环境中的重金属物质是养殖海域污染评价的一个重要指标[5]。重金属污染物在海水-沉积物界面不是固定不变的,它可以通过一系列的理化过程重新释放和循环迁移,对养殖海域造成二次污染[6]。重金属元素在贝类体内富集和积累到一定浓度会导致贝类畸形甚至死亡[7],最终通过食物链传递影响人体健康[8]。目前国内学者对海洋环境重金属的污染调查做了诸多报道[2,9,10],但大多只分析水质或沉积物介质中的重金属污染状况,而针对贝类养殖区水质、底质及生物体重金属的污染研究相对较少。因此,本文以广西沿海的主要贝类养殖区(廉州湾贝类养殖区、茅尾海牡蛎养殖区、红沙牡蛎养殖区)作为研究对象,通过2016-2018年养殖区域的海水、沉积物及牡蛎生物体3种介质中重金属(Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As)的调查分析数据,结合重金属的环境行为特征,对养殖区域不同环境介质中重金属的含量分布特征和污染状况进行综合分析与评价,掌握重金属污染物的积累规律及富集程度,根据尊重海洋、顺应海洋、保护海洋的原则,为广西海洋生态文明建设和贝类养殖海域环境的可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 站位设置

数据来源于2016-2018年广西3个主要贝类养殖区域的海洋环境调查结果。以广西主要贝类养殖区——廉州湾贝类养殖区(站位1-7)、茅尾海牡蛎养殖区(站位8-14)及红沙牡蛎养殖区(站位15-21)为研究区域,共布设21个监测站位,即每个养殖区均设7个站位,具体地理位置如图1所示。

图1 养殖区监测站位

1.2 方法

1.2.1 样品采集与分析

每年8月分别采集3个养殖区的海水、沉积物和贝类生物体样品。其中海水样品用5 L有机玻璃采水器采集,由于各养殖海域水深均小于10 m,因此每个监测站位只采集水深约0.5 m的表层水样;沉积物样品用不锈钢抓斗式采泥器采集,利用长柄塑料勺挖取未受干扰的表层(0-5 cm)沉积物混合样置于聚乙烯袋中冷藏保存;贝类生物体样品采集已达到商品规格的牡蛎(共9份),每份牡蛎样品的数量为15-20个,用现场海水冲洗干净后装入聚乙烯袋中冷冻保存。

所有样品的采集、贮存与运输、制备、消化预处理、分析检测均依据《海洋监测规范》(GB 17378-2007)[11]第3-6部分的方法进行。其中,海水样品中的Cu、Pb、Zn、Cd采用阳极溶出伏安法测定,沉积物及生物体样品中的Cu、Zn采用火焰原子吸收光谱法测定,Pb、Cd采用无火焰原子吸收光谱法测定,3种介质中的Hg、As采用原子荧光光谱法测定。

1.2.2 单因子污染指数(Pi)法

研究区域海水、贝类生物体中重金属污染程度的评价模式采用单因子污染指数法评价,其计算公式为

Pi=Ci/Si,

(1)

式(1)中,Pi为重金属i的污染指数;Ci和Si分别为不同介质中重金属i的实测含量及评价标准值,其中海水采用《海水水质标准》(GB 3097-1997)[12]中的二类水质标准进行评价,贝类生物体采用《海洋生物质量》(GB 18421-2001)[13]中的一类生物质量标准进行评价。

1.2.3 地积累指数法

地积累指数(Igeo)[14]是德国科学家Müller提出的关于沉积物重金属污染程度的定量指标,是国内外学者广泛应用的一种评价模式[15],其计算公式为

(2)

式(2)中,Igeo为沉积物中重金属元素的地积累指数;Cn为重金属n在沉积物中的实测含量;k为成岩作用而取的系数,综合考虑了各地岩石差异可能会引起的背景值变化,一般取值1.5;Bn为普通页岩中重金属n的地球化学背景值。

1.2.4 生物富集系数

通常采用生物富集系数(Bioconcentration Factors,BCF)[16]来表示海洋生物对环境中重金属的富集能力,其计算公式为

BCF=Ci/Cs,

(3)

式(3)中,Ci为生物体中重金属的含量,Cs为海水中重金属的含量。当BCF大于1 000时,表明水生生物对某种污染物质有潜在的严重积累风险[17]。

2 结果与分析

2.1 海水重金属含量分布

广西主要贝类养殖区海水中重金属的含量水平见表1。从表1可以看出,除廉州湾贝类养殖区2018年的Hg、茅尾海牡蛎养殖区2017年的Hg和2018年的Cu、红沙牡蛎养殖区2016年的Pb和2017年的Hg外,其余重金属平均含量均小于《海水水质标准》(GB 3097-1997)中的一类标准值。

表1 广西主要贝类养殖区海水中重金属含量

不同养殖区域的海水重金属含量分布特征略有差异,廉州湾贝类养殖区及茅尾海牡蛎养殖区的海水重金属平均含量表现为Zn>Cu>As>Pb>Cd>Hg,红沙牡蛎养殖区的海水重金属平均含量(μg·L-1)为Zn(9.62)>Cu(2.38)>Pb=As(0.95)>Cd(0.15)>Hg(0.065),3个养殖区域的海水重金属含量分布规律均为Zn的浓度最高,Cu次之,Hg最小。总体上,研究区域海水中重金属平均含量均小于《海水水质标准》中的二类水质标准值,适合贝类养殖;其中最小含量为2016年茅尾海牡蛎养殖区的Cd,8-14站位含量均为未检出,最大含量为2016年红沙牡蛎养殖区的Cu,超标站位为19号站。

与国内其他海域比较(表2),广西主要贝类养殖区海水重金属Zn、Cd和As的平均含量水平相对较低,Cu、Pb和Hg的平均含量相差不大。

表2 与国内其他海域海水中重金属含量比较

2.2 海水重金属污染评价

采用《海水水质标准》的二类水质标准值(Si)对广西主要贝类养殖区的海水水质状况进行评价,评价等级划分列于表3[23]。

表3 海水水质污染等级划分

研究区域海水中各重金属的污染指数(Pi)见表4。由表4可知,广西主要贝类养殖区海水中的重金属元素对水质污染程度依次为Cu>Hg>Zn=Pb>Cd>As,总体海水质量状况较好,水质属于本底水平。从单个养殖海域来看,廉州湾贝类养殖区2016-2018年的水质均属本底水平;茅尾海牡蛎养殖区2018年Cu(0.57)、2017年Hg(0.41)的污染指数稍大,属于海水清洁水平;红沙牡蛎养殖区2016年Cu(0.45)、2017年Hg(0.65)的污染指数略大,属于海水较清洁水平。

表4 广西主要贝类养殖区海水重金属Pi评价

2.3 沉积物重金属含量分布

广西主要贝类养殖区表层沉积物重金属的含量分析结果见表5。由表5可知,除红沙牡蛎养殖区2016年As的平均含量略高外,其余养殖区年际间重金属的平均含量均低于《海洋沉积物质量》(GB 18668-2002)[24]中的一类标准值,适合养殖。

不同养殖区域的沉积物重金属含量分布特征有所不同,廉州湾贝类养殖区的沉积物重金属平均含量(mg·kg-1)为Zn(53.1)>Pb(29.3)>Cu(18.8)>As(9.37)>Cd(0.16)>Hg(0.05),茅尾海牡蛎养殖区的沉积物重金属平均含量(mg·kg-1)为Zn(48.5)>Cu(19.9)>Pb(15.8)>As(8.20)>Cd(0.10)>Hg(0.060),红沙牡蛎养殖区的沉积物重金属平均含量(mg·kg-1)为Zn(78.7)>As(19.4)>Cu(19.0)>Pb(11.0)>Hg(0.118)>Cd(0.08)。3个养殖海域沉积物中重金属含量的分布规律均为Zn最高,这与海水中Zn的分布特征是一致的,说明水体中含量较高的Zn元素在沉积物中也随之较高。

与国内其他海域分析比较(表6)可知,广西贝类养殖海域沉积物重金属中Cu、Pb和Zn的平均含量水平相对较低,Hg略高,Cd和As的平均含量水平与其他海域差别不大。

表6 与国内其他海域沉积物中重金属含量比较

2.4 沉积物重金属污染评价

根据广西主要贝类养殖区表层沉积物的分析结果,采用地积累指数(Igeo)法对该海区的沉积物重金属进行污染评价。地积累指数作为研究水环境沉积物中重金属污染的定量指标,不仅考虑了人为污染、环境地球化学背景值等因素,还特别关注自然造岩作用可能引起的背景值的变化。据此,采用中国陆壳丰度[28]作为广西主要贝类养殖区沉积物重金属的地球化学背景值,中国陆壳页岩中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的背景值分别为38、15、86、0.055、0.08和1.9 mg·kg-1。地积累指数(Igeo)的污染等级划分见表7。

表7 地积累指数污染等级划分

研究区域表层沉积物中重金属的污染状况列于表8。结果表明,广西主要贝类养殖区表层沉积物重金属除As外,Cu、Pb、Zn、Cd、Hg的地积累指数(Igeo)均较小,基本介于0-1,沉积物属于较清洁程度。其中As在3个养殖海域的Igeo值与其他5项沉积物重金属相比均略高,可能是受养殖饵料与人工投放消毒剂的影响。一般来说,As受自然环境因素的积累是极少的。从整体上看,广西主要贝类养殖区域沉积物中6种重金属的污染程度依次为As>Cd>Pb>Hg>Cu=Zn。

表8 广西主要贝类养殖区沉积物重金属Igeo污染评价

2.5 生物体重金属含量分布

广西主要贝类养殖区生物体中重金属的含量水平如表9所示,所采集的生物体均为近江牡蛎(Crassostrearivularis)。由数据可知,除Hg和As含量水平较低外,3个养殖海域近江牡蛎贝体中Cu、Pb、Zn和Cd在不同年际间的重金属含量水平有超出一类海洋生物质量标准的情况,其中廉州湾贝类养殖区2017年1号站位的Cu超标最重,已超出三类海洋生物质量标准。

表9 广西主要贝类养殖区生物体中重金属含量

不同养殖区域的生物体重金属含量分布特征亦存在一定差异,廉州湾贝类养殖区的生物体重金属平均含量(mg·kg-1)依次是Cu(67.2)>Zn(40.6)>Cd(0.59)>As(0.13)>Pb(0.10)>Hg(0.011),茅尾海牡蛎养殖区及红沙牡蛎养殖区的生物体重金属平均含量均表现为Zn>Cu>Cd>As>Pb>Hg。总体上来看,研究区域生物体中重金属平均含量的总顺序亦与茅尾海、红沙养殖区相同,这与赵鹏等[29]对北部湾钦州港近江牡蛎重金属污染分析的研究结果是一致的。

与国内其他海域贝类生物体重金属含量比较(表10)可以看出,广西主要贝类养殖区生物体重金属中Pb和As与其他海域相比含量较低,Cu、Zn、Cd和Hg的含量变化差别不大。

表10 与国内其他海域贝类生物体中重金属含量比较

2.6 生物体重金属污染评价及富集程度

采用《海洋生物质量》[13]中一类海洋生物质量标准值(Si)对广西主要贝类养殖区生物体重金属进行Pi评价,结果如表11所示。结果表明,研究区域2016-2018年近江牡蛎生物体中Cu、Pb、Zn、Cd和Hg存在不同程度的超标现象,仅As符合一类海洋生物质量标准值,其中廉州湾贝类养殖区近江牡蛎重金属污染程度依次为Cu(6.72)>Cd(2.93)>Zn(2.03)>Pb(1.03)>Hg(0.22)>As(0.13),茅尾海牡蛎养殖区的污染顺序为Zn(13.28)>Cu(3.54)>Cd(3.13)>Pb(1.30)>As(0.43)>Hg(0.27),红沙牡蛎养殖区的污染顺序为Zn(3.77)>Hg(0.79)>Cu(0.70)>Cd(0.67)>Pb(0.63)>As(0.10)。总体上,广西主要贝类养殖区生物体中6种重金属的污染程度表现为Zn>Cu>Cd>Pb>Hg>As。

表11 广西主要贝类养殖区生物体重金属Pi评价及BCF

海洋生物的富集状况可以通过生物体中重金属和海水中重金属的含量比值来反映。由表11得知,广西主要贝类养殖区近江牡蛎体内重金属的富集能力为Zn>Cu>Cd>Hg>As>Pb。除Pb、Hg和As外,Zn、Cu、Cd的BCF均大于1 000,说明这3种重金属在研究区域近江牡蛎贝体中的富集积累较为严重,这与高淑英等[34]对福建湄洲湾的研究结果是一致的,牡蛎对Cu、Zn和Cd的富集能力比其他海洋生物要高得多。

研究发现,海水中Zn和Cu的含量相对较高,近江牡蛎贝体中Zn和Cu的含量亦较高,这与其在海水中的栖息环境是密切相关的。通常情况下,Zn和Cu是海洋生物生长过程中必须吸收的微量元素,其他几种非生命所需的重金属元素与这两种元素的富集量相比较低。广西主要贝类养殖区近江牡蛎贝体中重金属的富集能力与其含量的高低并不完全一致,一方面受海水和沉积物中重金属的化学元素背景值相对较高的影响,另一方面也与海洋生物的种类、生命周期和摄食特征等因素有关[35]。

3 结论

①3个贝类养殖区海水中各类重金属含量的空间分布差异较小,含量分布规律均表现为Zn最高,Cu次之,Hg最小。研究区域贝类养殖区海水中重金属的含量依次是Zn>Cu>As>Pb>Cd>Hg,重金属污染程度顺序为Cu>Hg>Zn=Pb>Cd>As,符合二类海水水质标准。总体来看,广西主要贝类养殖区海水质量状况较好,属于本底水平。

②各贝类养殖区表层沉积物中重金属的含量分布规律均表现为Zn最高、Hg最低,这与海水中Zn和Hg的含量分布特征是一致的;6种沉积物重金属的含量总顺序是Zn>Cu>Pb>As>Cd>Hg,除2016年红沙牡蛎养殖区As的平均含量略高外,其余年际间重金属的平均含量均符合一类海洋沉积物质量标准;地积累指数(Igeo)法评价结果表明,广西主要贝类养殖区除As的Igeo值略高外,Cu、Pb、Zn、Cd、Hg的Igeo值基本介于0-1,沉积物环境属于较清洁水平,适合贝类养殖。

③广西主要贝类养殖区近江牡蛎贝体中重金属的平均含量顺序是Zn>Cu>Cd>As>Pb>Hg,这与海水和沉积物重金属中Zn、Cu的含量较高是一致的;近江牡蛎贝体中6种重金属的污染程度顺序是Zn>Cu>Cd>Pb>Hg>As,其富集能力为Zn>Cu>Cd>Hg>As>Pb,Zn、Cu和Cd的富集系数相对较高,在贝体内的蓄积情况较突出,应加以关注。