柄海鞘對(duì)鋅的生物富集作用

姜愛莉，于 貞，王長(zhǎng)海

(煙臺(tái)大學(xué) 海洋學(xué)院，山東 煙臺(tái)264005，jal9035@163.com)

固著性的濾食性生物對(duì)一些重金屬離子有高度富集作用，同時(shí)其由于自身代謝的混合氧化系統(tǒng)存在缺陷，其體內(nèi)化合物的釋放與魚類或甲殼類相比就慢得多，結(jié)果造成其體內(nèi)較高的富集程度［1-2］，對(duì)海洋環(huán)境中重金屬的生物地球化學(xué)循環(huán)起著重要作用.由于濾食性動(dòng)物對(duì)重金屬具有很高的累積能力，且能夠可靠地反應(yīng)周圍環(huán)境的重金屬水平，作為指示生物廣泛用于監(jiān)測(cè)近岸水域的重金屬污染［3-5］，對(duì)它們的研究和應(yīng)用也受到日益重視.濾食性生物對(duì)重金屬的累積包括兩條重要途徑:對(duì)顆粒態(tài)的消化作用和對(duì)溶解相的吸收作用.由于它們具有很高的濾水能力，對(duì)溶解態(tài)重金屬的吸收可能是機(jī)體累積重金屬的一個(gè)非常重要的來源.很多學(xué)者研究了雙殼類動(dòng)物對(duì)重金屬的富集作用，特別是牡蠣和貽貝［6-8］.柄海鞘作為黃渤海重要的固著性濾食動(dòng)物，其生物量大，濾水能力強(qiáng)，在沿海海域的重金屬生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)重要角色，而目前關(guān)于這方面的研究報(bào)道很少.

本文利用半靜態(tài)的生物富集動(dòng)力學(xué)模型［9-10］，研究了柄海鞘對(duì)不同質(zhì)量濃度Zn2+的富集作用，用以估計(jì)Zn2+在生物體內(nèi)的富集程度并對(duì)人類的潛在威脅進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期為海洋環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)和改善提供重要參考資料.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用柄海鞘采自污染較輕的煙臺(tái)近海，實(shí)驗(yàn)前在實(shí)驗(yàn)室流水馴養(yǎng)兩周以上，選擇濕重8.0～9.5 g，生長(zhǎng)良好的生物個(gè)體進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)海水經(jīng)沉淀、砂濾和0.45 μm 膜過濾處理，符合國(guó)家一類海水標(biāo)準(zhǔn)(GB3097-1997)，pH7.5 ～7.9，鹽度為32‰左右，Zn2+質(zhì)量濃度(18.84 ±3.68)μg/L.實(shí)驗(yàn)期間水溫控制在(20±2)℃.

根據(jù)《中華人民共和國(guó)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097-1997)3 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和近幾年黃渤海水域的重金屬污染狀況的不同倍數(shù)設(shè)置4 個(gè)Zn2+質(zhì)量濃度梯度:0.1，0.5，1.0 和2.0 mg/L.

用ZnSO4·7H2O 配制5.0 mg/mL 的Zn2+溶液(蒸餾水配制)，向?qū)嶒?yàn)海水中加入一定量的Zn2+溶液，使海水中最終Zn2+含量達(dá)到設(shè)定值.

1.2 半靜態(tài)雙箱式生物富集動(dòng)力學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)分富集和排出兩個(gè)階段進(jìn)行，各進(jìn)行40 d.

富集階段:在12 個(gè)0.6 m3的長(zhǎng)方形玻璃鋼水槽中進(jìn)行，其中加入0.5 m3含不同質(zhì)量濃度Zn2+的海水，每個(gè)水槽中放入120 只海鞘.實(shí)驗(yàn)采用半靜態(tài)的方法，即每?jī)商鞊Q一次同質(zhì)量濃度的實(shí)驗(yàn)海水，以保持水體Zn2+質(zhì)量濃度基本恒定.水槽中分別充氧，保證實(shí)驗(yàn)過程中水體含氧量不低于6.5 mg/L.實(shí)驗(yàn)溫度為(20±2)℃.每天早晚用硅藻(Nitzschia closterium)喂生物各1 次.為避免重金屬通過生物放大作用進(jìn)入海鞘體內(nèi)，投喂時(shí)將海鞘從實(shí)驗(yàn)水槽中取出，分別放入30 L 的硅藻溶液中(密度約為5×106/mL-1)30 min.第0，2，5，9，13，18，23，19，35，40 天分別從各實(shí)驗(yàn)組取出柄海鞘4 只，取出后迅速冷凍，備分析.每個(gè)質(zhì)量濃度設(shè)3 個(gè)平行樣.

排出階段:富集實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將每個(gè)水槽中剩下的柄海鞘分別置于0.2 m3的玻璃鋼水槽中，流水暫養(yǎng)，每天喂以硅藻兩次.第0，2，5，9，14，20，26，33，40 天各取海鞘4 只，迅速冷凍備分析.

1.3 生物樣品的處理

實(shí)驗(yàn)過程中取出的海鞘解凍后，用不銹鋼剪刀進(jìn)行解剖，將柄海鞘分為背囊、生殖腺、消化腺和其他部分，準(zhǔn)確稱重后，用均質(zhì)器勻漿，微波消化.

1.4 重金屬的測(cè)定

按照海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范GB17378-1998，采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定水體和生物體內(nèi)Zn2+含量.

1.5 半靜態(tài)雙箱模型描述［4］

半靜態(tài)雙箱式生物富集動(dòng)力學(xué)模型是研究重金屬的生物累積和生物有效性的動(dòng)力學(xué)模型，特定金屬的生理學(xué)參數(shù)可通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)定，然后綜合估算動(dòng)物體內(nèi)的重金屬質(zhì)量濃度.

實(shí)驗(yàn)過程中，由于一開始生物對(duì)金屬的富集速率比較快，取樣頻率也相對(duì)高一些.實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)階段用方程描述為

富集過程:

排出過程:

式中:t*為富集階段結(jié)束的天數(shù)(d)，即40 d，C0為實(shí)驗(yàn)開始前生物體內(nèi)金屬的含量(μg/g).

由式(1)和(2)對(duì)富集和排出實(shí)驗(yàn)中動(dòng)物體內(nèi)重金屬質(zhì)量濃度的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行非線性擬合，即可得到k1和k2的值.

生物富集因子(FBC)可用下式得到:

生物的半衰期用公式表示為

富集達(dá)到平衡時(shí)，生命體內(nèi)金屬含量QAmax可表示為

即使沒有達(dá)到濃度平臺(tái)，雙箱模型也可用來計(jì)算理論平衡狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)參數(shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 柄海鞘不同組織對(duì)鋅的富集和排出作用

柄海鞘不同部分中的鋅含量與時(shí)間的關(guān)系見圖1 ～5，對(duì)富集過程和排出過程分別進(jìn)行擬合，得到其富集動(dòng)力學(xué)參數(shù)，見表1，2.

圖1 柄海鞘整體對(duì)鋅的富集和排出作用

圖2 柄海鞘外背囊對(duì)鋅的富集和排出作用

圖3 柄海鞘消化腺對(duì)鋅的富集和排出作用

將柄海鞘暴露于被鋅污染的養(yǎng)殖水體后，便不斷富積水體中的鋅，其體內(nèi)的鋅含量隨時(shí)間增加而增加.到 40 d 投藥結(jié)束時(shí)，柄海鞘體內(nèi)的鋅是海水中鋅質(zhì)量濃度的4 8.1 倍(0.1mg/L)、15.6倍(0.5mg/L)、10.5倍(1.0 mg/L)和7.2 倍(2.0 mg/L).隨著海水中鋅質(zhì)量濃度升高，柄海鞘體內(nèi)鋅的含量也上升，但是富集倍數(shù)卻呈下降趨勢(shì).

圖4 柄海鞘生殖腺對(duì)鋅的富集和排出作用

圖5 柄海鞘其他部分對(duì)鋅的富集和排出作用

柄海鞘移入新鮮海水中后，體內(nèi)的鋅迅速排出，10 ～20 d 后排出速度有所降低，到排出實(shí)驗(yàn)結(jié)束，柄海鞘體內(nèi)的鋅含量分別為0.490 mg/kg(0.1 mg/L)、1.580 mg/kg (0.5 mg/L)、2.006 mg/kg(1 mg/L)和2.529 mg/kg(2 mg/L).外背囊中鋅含量的排出率明顯低于其他器官.

表1 富集過程柄海鞘對(duì)鋅的富集動(dòng)力學(xué)參數(shù)

表2 排出過程柄海鞘對(duì)鋅的富集動(dòng)力學(xué)參數(shù)

回歸分析結(jié)果表明，在富集階段，柄海鞘不同器官對(duì)鋅的吸收速率常數(shù)k1均隨著外部水體質(zhì)量濃度的增大而減小，如在0.1 mg/L 的溶液中，柄海鞘整體對(duì)鋅的吸收速率常數(shù)為1.538 9，隨著水體中鋅質(zhì)量濃度的增加，k1值分別降低為0.535 4(0.5 mg/L)、0.326 6(1.0 mg/L)和0.221 4(2.0 mg/L).在排出階段也表現(xiàn)出相似的趨勢(shì).

在本實(shí)驗(yàn)的凈化排出階段，由于采用的是流水系統(tǒng)，可認(rèn)為生物在這一階段只排出體內(nèi)已富集的金屬，而從水體中重新吸收的金屬近似為零，所以利用方程(2)進(jìn)行曲線擬合得到的k2值比吸收階段得到的k2更加真實(shí)可靠.

隨著海水中Zn2+質(zhì)量濃度的提高，海鞘體內(nèi)各部分的鋅含量各有不同程度提高，各部分的鋅含量依次為:生殖腺＞消化腺＞其他部分＞外背囊.各部分對(duì)鋅的富集系數(shù)FBC基本是隨著外部水體Zn2+質(zhì)量濃度的增大而減少.其中外背囊對(duì)鋅的富集系數(shù)隨質(zhì)量濃度變化較小，而消化腺、生殖腺和其他部分的富集系數(shù)變化則比較明顯.各部分對(duì)鋅的富集系數(shù)依次為:生殖腺＞消化腺＞其他部分＞外背囊.各部分對(duì)鋅富集的平衡狀態(tài)下生物體內(nèi)金屬含量QAmax也隨著外部水體質(zhì)量濃度的增大而增大.

排出階段柄海鞘排出一半體內(nèi)己富集的鋅所需的時(shí)間，即生物學(xué)半衰期B1/2為11.36 ～23.98 d，隨暴露溶液質(zhì)量濃度的提高而增加.與富集速度相比，排出速度略高，有利于海鞘將進(jìn)入體內(nèi)的金屬鋅盡快排出體外，減少過量的金屬鋅對(duì)機(jī)體的危害.

2.2 富集平衡時(shí)柄海鞘富集Zn2+的最大量QAmax

通過曲線擬合得到的吸收速率常數(shù)k1，排出速率常數(shù)k2，得到生物體富集金屬達(dá)到平衡時(shí)，體內(nèi)富集金屬的最大量QAmax.QAmax與外部水體質(zhì)量濃度的關(guān)系如圖6 和表3 所示.可以看出，富集平衡時(shí)，生物體內(nèi)的鋅含量與外部水體的鋅質(zhì)量濃度基本成正相關(guān).

圖6 柄海鞘體內(nèi)鋅含量與水體中Zn2+質(zhì)量濃度的關(guān)系

表3 柄海鞘體內(nèi)鋅含量與水體中Zn2+質(zhì)量濃度的關(guān)系(QAmax=aCW+b)

2.3 討論

重金屬在生物體內(nèi)的富集程度取決于生物對(duì)重金屬的吸收速率與排出速率，當(dāng)吸收速率＞排出速率，重金屬在生物體內(nèi)富集;相反，則不會(huì)出現(xiàn)富集現(xiàn)象.

柄海鞘屬于固著性濾食動(dòng)物，海水中的重金屬在海鞘過濾海水的同時(shí)進(jìn)入海鞘體內(nèi).溶解態(tài)重金屬進(jìn)入柄海鞘體內(nèi)的大致途徑為:海水中的Zn2+隨海水從柄海鞘的入水管孔通入“萼杯”內(nèi)消化管的前端，在柄海鞘的呼吸器官——咽腔進(jìn)行初步吸附.因而這部分的鋅含量較高，而柄海鞘一旦進(jìn)入不含Zn2+的海水中，此部分的鋅含量減少最快.經(jīng)過濾的海水進(jìn)入咽底壁，經(jīng)纖毛規(guī)律性擺動(dòng)，集中到咽上溝，運(yùn)行到食道，進(jìn)入咽腔下方的胃和腸.經(jīng)過柄海鞘代謝后，部分排出體外，部分富集到生殖器官，另有部分經(jīng)柄海鞘的體內(nèi)轉(zhuǎn)移作用，與外背囊進(jìn)行結(jié)合貯存.這也是柄海鞘為避免過量重金屬的毒害作用而具有的自身保護(hù)作用.因而在柄海鞘的外背囊中，鋅含量緩慢增加;進(jìn)入排出階段后，有部分黏附在外背囊上的鋅被流水沖刷掉，而結(jié)合在外被囊中的鋅的釋放速度則明顯低于其他器官，表現(xiàn)為柄海鞘排出體內(nèi)富集的鋅所需的生物學(xué)半衰期B1/2高于其他器官.

同一種生物的不同器官，對(duì)重金屬的富集系數(shù)往往不同.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，柄海鞘的不同部分對(duì)重金屬的富集作用有所差異，不同器官中的重金屬含量依次為:生殖腺＞消化腺＞其他部分＞外背囊.柄海鞘為濾食性動(dòng)物，生殖腺與其他器官的物質(zhì)交換很少，所以，在柄海鞘的生殖腺內(nèi)金屬鋅的含量高于消化腺.對(duì)于其他水生生物來說，肝、鰓是魚、蝦、蟹體內(nèi)重金屬富集的主要部位，孫琪等測(cè)定了上海地區(qū)羅氏沼蝦微量元素［11］，證實(shí)蝦頭微量元素含量高，認(rèn)為這與蝦的肝、卵巢等器官對(duì)微量元素積累有關(guān).劉長(zhǎng)發(fā)從天津污水魚塘中采集了養(yǎng)殖的各種魚，測(cè)定其鰓、肝、腎、肌肉等部位中的銅、鉛蓄積量，結(jié)果［12］是:不同種魚銅鉛蓄積量差異不大，但銅鉛在不同部位中的蓄積量顯著不同，肌肉中蓄積量明顯低于鰓肝腎.二齡或三齡貽貝［13］，各部位砷含量的高低為:內(nèi)臟＞生殖腺，鰓＞體液.Cu、Pb、Ni 和Cr 在毛蚶體內(nèi)含量分布順序?yàn)椋?4］:鰓、外套膜、閉殼肌、內(nèi)臟、肌肉;沼蝦、河蟹對(duì)水體中的重金屬有很強(qiáng)的富集能力，特別是肝胰臟、鰓、腎［15-16］.因?yàn)楦蔚慕舛咀饔茫M織內(nèi)可誘導(dǎo)產(chǎn)生大量束縛重金屬的金屬硫蛋白(MT)，使肝成為體內(nèi)蓄積重金屬的主要部位;相比之下，肌肉對(duì)重金屬的親和力遠(yuǎn)比肝、鰓弱［17］.但是上述結(jié)果多是自然水域中生物體內(nèi)的重金屬調(diào)查結(jié)果，與本實(shí)驗(yàn)相比，水體金屬質(zhì)量濃度較低，且生物體暴露時(shí)間長(zhǎng)于本實(shí)驗(yàn)，因而與本實(shí)驗(yàn)通過回歸分析得到的結(jié)果有所差異.

Rainbow［18］指出，海洋生物對(duì)重金屬的富集實(shí)際上取決于金屬進(jìn)出生物體的速率.相對(duì)的速率變化決定了生物對(duì)特定金屬的富集，并認(rèn)為可以從調(diào)節(jié)型一直排列到強(qiáng)的凈積累型，各類型之間都有過渡形式.研究表明，同是濾食性動(dòng)物，牡蠣體內(nèi)鋅的富集量很高，而貽貝的富集量很低，這是由于牡蠣能富集高質(zhì)量濃度的顆粒鋅，而貽貝則會(huì)排出大量顆粒鋅.因此，牡蠣是鋅的強(qiáng)積累者，貽貝是鋅的弱積累者或?yàn)椴煌耆{(diào)節(jié)者.根據(jù)這個(gè)觀點(diǎn)，我們認(rèn)為柄海鞘是Zn 的強(qiáng)的凈積累者.

從海鞘對(duì)鋅的富集和排出過程可以發(fā)現(xiàn)，柄海鞘的生殖腺和外背囊中可蓄積大量的重金屬，而且積累和排出速度緩慢，滯后于生長(zhǎng)海域中的重金屬情況;而消化腺中的鋅可較準(zhǔn)確地反映海水中的污染狀況，因而作為海洋污染指示方面，海鞘的消化腺是一較理想的指標(biāo)，而生殖腺和外背囊則可反映較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的海水污染狀況.

3 結(jié) 論

1)柄海鞘的不同組織對(duì)鋅富集的吸收速率常數(shù)k1均隨著外部水體質(zhì)量濃度的增大而減小，排出速率常數(shù)k2為0.01 ～0.07.

2)柄海鞘的不同組織對(duì)鋅的富集系數(shù)FBC基本是隨著外部水體質(zhì)量濃度的增大而減少.

3)富集平衡時(shí)，柄海鞘不同組織中的金屬含量與外部水體的Zn2+質(zhì)量濃度基本成正相關(guān).

4)排出階段鋅在柄海鞘體內(nèi)的生物學(xué)半衰期為11.36 ～23.98 d.

5)在柄海鞘的不同器官中的鋅含量依次為:生殖腺＞消化腺＞其他部分＞外背囊.

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