大亞灣表層沉積物和底棲生物中重金屬的污染特征與生物積累

林麗華，魏虎進(jìn)，黃華梅

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大亞灣表層沉積物和底棲生物中重金屬的污染特征與生物積累

林麗華，魏虎進(jìn)，黃華梅

國(guó)家海洋局南海規(guī)劃與環(huán)境研究院，廣州 510000

通過分析2015年5月大亞灣海域34個(gè)采樣站位表層沉積物和底棲生物生物體中5種重金屬(銅、鉛、鋅、鎘、汞)的綜合污染程度因子、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子和生物-沉積物積累因子, 評(píng)估了大亞灣海域表層沉積物重金屬的污染現(xiàn)狀、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平和生物-沉積物積累程度。結(jié)果表明: 大亞灣海域表層沉積物中重金屬含量上呈現(xiàn)鋅>鉛>銅>鎘>汞的規(guī)律; 空間上呈帶梯度帶分布: 北部沿岸海域含量較高, 南部口門附近海域最低。重金屬污染屬于中等-比較嚴(yán)重污染水平, 其中鋅、鎘、汞是大亞灣沉積物污染的主要因子, 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)屬于中等-較高風(fēng)險(xiǎn)水平, 汞、鎘是較大的潛在風(fēng)險(xiǎn)因子。底棲生物生物體重金屬含量上呈現(xiàn)鋅>銅>鉛>鎘>汞。銅、鉛、鋅、汞四種重金屬除銅、鋅在棒錐螺()生物體輕度積累外, 其它均無明顯積累表現(xiàn), 而重金屬鎘呈現(xiàn)較強(qiáng)的積累現(xiàn)象。

大亞灣; 沉積物重金屬; 生物積累; 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

1 前言

重金屬通常是指比重大于5的金屬, 主要包括鉛(Pb)、鎘(Cd)、汞(Hg)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)、砷(As)等[1]。重金屬污染是指由重金屬或其化合物造成的環(huán)境污染, 主要表現(xiàn)水體污染、沉積物污染和生物體富集, 重金屬污染因生物毒性、持久性一直倍受關(guān)注[2-4]。

近岸海域是陸源污染物匯入海洋的直接區(qū)域, 也是污染物富集的重要場(chǎng)所, 受人類活動(dòng)影響較大, 因此研究近岸海域沉積物重金屬污染物時(shí)空分布、來源及其在底棲生物體內(nèi)的積累規(guī)律, 對(duì)判別近岸主要污染物、評(píng)估近岸海域的環(huán)境壓力和進(jìn)行近岸污染物控制具有重要的指導(dǎo)意義[5]。

大亞灣海域位于廣東沿海中部岸段, 東西寬約20 km, 南北長(zhǎng)約30 km, 水深范圍為6—16 m, 總面積約600 km2, 大亞灣屬亞熱帶溺谷型海灣, 底質(zhì)以粉砂和粘土為主[6]。近年來, 大亞灣周邊經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速, 石化、核電站、航運(yùn)等行業(yè)發(fā)展較快, 為大亞灣周邊帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益, 大亞灣面臨的環(huán)境壓力也隨之增加, 越來越多的學(xué)者對(duì)大亞灣海域環(huán)境問題展開了研究。包括大亞灣海域表層沉積物重金屬的濃度分布[7], 重金屬的賦值形態(tài)[6], 養(yǎng)殖、石化產(chǎn)業(yè)等人類活動(dòng)帶來的重金屬污染[8-10], 雖然有學(xué)者對(duì)大亞灣沉積物重金屬進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析, 但是這些分析研究往往集中在大亞灣的某個(gè)內(nèi)灣區(qū), 如大鵬灣[8-9]、石化排污區(qū)[10]等, 無法反映大亞灣沉積物重金屬整體的空間分布特征。然而, 針對(duì)大亞灣重金屬與底棲生物生物體的積累研究尚未見報(bào)道, 本文以大亞灣表層沉積物和底棲生物生物體重金屬為研究對(duì)象, 分析了大亞灣沉積物重金屬銅、鉛、鋅、鎘、汞的空間分布, 評(píng)估了大亞灣海域表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn), 計(jì)算了重金屬在底棲生物生物體的積累效應(yīng), 為大亞灣海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境管理提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與分析

2015年5月在大亞灣海域設(shè)置34個(gè)采樣站位, 見圖1。樣品采集與分析根據(jù)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB 17378.6-2007)中的相關(guān)要求進(jìn)行操作[11-14]。

大型底棲動(dòng)物樣品采用抓斗式采泥器, 采樣面積0.1 m2, 采用漩渦分選裝置淘洗, 泥樣分批倒入筒中, 保證較大顆粒沉積物不溢出筒體。樣品采用體積分?jǐn)?shù)為75%的乙醇固定。

生物體質(zhì)量樣品按要求選取足夠數(shù)量的完好生物樣, 用清潔海水沖洗干凈后放入干凈的聚乙烯袋中, 并封口, 低溫冷藏。樣品預(yù)處理時(shí)用合成洗滌劑將相關(guān)尺子, 鑷子等工具清洗干凈, 并用蒸餾水或清潔海水漂洗干凈。

采樣無火焰原子吸收分光光度法測(cè)定生物品中重金屬, 準(zhǔn)確稱取0.1 g干樣于50 mL燒杯中, 用幾滴水濕潤(rùn)樣品, 加入2 mL硝酸, 蓋上表面皿, 置于電熱板上, 低溫加熱至泡沫基本消失。取下燒杯, 緩慢的加入0.5 mL過氧化氫, 繼續(xù)加熱并蒸至約剩1 mL。再加入1 mL硝酸, 1.5 mL過氧化氫, 蓋上表面皿, 于加熱板180℃加熱, 并蒸至0.5 mL, 全量轉(zhuǎn)入10 mL具塞比色管中, 加水至標(biāo)線, 混勻。同時(shí)制備分析空白樣品。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

本文采用Hakanson[2]提出的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法對(duì)大亞灣表層沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià), 具體公式如下:

式中C為某一金屬的污染因子, C表為環(huán)境中重金屬的實(shí)測(cè)含量, C為環(huán)境背景值, 本研究采用大亞灣海域沉積物重金屬背景值[15];C為綜合污染程度;E為某一金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值;T為單個(gè)污染物的毒性響應(yīng)因子, 具體計(jì)算方法參考Hakanson[2];R為多種金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

2.2.2 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

根據(jù)公式2和公式4, 綜合重金屬污染因子和綜合重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)因子的值與重金屬的種類數(shù)目有關(guān), 本研究未涉及污染物多氯聯(lián)苯, 故在Hakanson的風(fēng)險(xiǎn)閾值基礎(chǔ)上減去多氯聯(lián)苯所占比例, 各個(gè)指標(biāo)的閾值見表1。

圖1 大亞灣采樣點(diǎn)站位圖

2.2.3 生物-沉積物積累因子(Biota-sediment Accu-mulation Factors)[16]

的大小可指示生態(tài)環(huán)境中重金屬的生物積累程度, 具體計(jì)算見公式5。

=C/C公式5

表1 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)

式中,C為生物體重金屬含量,C為沉積物重金屬含量, 當(dāng)>2, 表示積累程度較大; 1<< 2, 出現(xiàn)輕度積累;<1, 表示沒有積累[17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 大亞灣海域沉積物含量與分布

大亞灣海域表層沉積物重金屬銅、鉛、鋅、鎘、汞的含量范圍分別為1.3—47.4 mg·kg-1、3.7— 61.2 mg·kg-1、37.3—175 mg·kg-1、0.02—0.22mg·kg-1、0.005—0.09 mg·kg-1, 平均值分別為13.9 mg·kg-1、29.1 mg·kg-1、82.3 mg·kg-1、0.08 mg·kg-1、0.03 mg·kg-1, 見表2?？傮w上沉積物含量呈現(xiàn)鋅>鉛>銅>鎘>汞的規(guī)律。

大亞灣海域沉積物中不同重金屬之間的空間分布差異明顯, 同種重金屬在空間分布上也有差異。重金屬銅和鋅的空間分布特征比較相似(見圖2和圖3, 采樣圖和重金屬等值線圖采用Esir公司的ArcGIS軟件繪制, 等值線圖采用克里金插值法插值, 以下同), 高值區(qū)主要位于啞鈴灣, 而范和港、中部海域的含量居中, 口門附近海域含量最低, 重金屬鉛的空間分布呈現(xiàn)兩個(gè)高值區(qū), 分別是范和港海域和啞鈴灣海域, 其他區(qū)域含量值相對(duì)較低, 見圖4。重金屬鎘在大亞灣海域的空間分布呈現(xiàn)出由北到南遞減的趨勢(shì), 見圖5。范和港海域含量最高, 啞鈴灣、大鵬澳和中部海域含量要低于范和港, 大亞灣口門附近的含量最低。重金屬汞的分布特征表現(xiàn)為由灣頂?shù)娇陂T逐漸下降的趨勢(shì), 大亞灣灣頂海域含量最高, 包括范和港、啞鈴灣等海域, 而大鵬澳、中部海域含量低于范和港等海域, 口門附近海域含量最低。

表2 大亞灣沉積物重金屬含量值與背景值(mg·kg-1)

Tab.2 The contents of heavy metals and background value of surface sediment in Daya Day (mg·kg-1)

對(duì)比大亞灣的歷史資料可以看出大亞灣沉積物重金屬的濃度并非呈現(xiàn)簡(jiǎn)單線性增加的趨勢(shì), 如1996年大亞灣西南部海域的沉積物重金屬汞的濃度為0.162[18], 1999年該區(qū)域的重金屬汞的濃度值約為0.09[7], 2015年該區(qū)域的濃度則是低于0.04。2011年西北部是銅、鉛的高值分布區(qū)[6], 這與本研究相一致。在空間分布上也發(fā)生了明顯的變化, 1999年重金屬銅的高值區(qū)分布在口門、范和港區(qū)域[7], 隨著大亞灣石化區(qū)的建設(shè)和發(fā)展, 銅的高值區(qū)逐步向西遷移, 啞鈴灣區(qū)域的濃度值最高。

沉積物重金屬的來源主要有自然來源和人為來源兩種, 從工業(yè)革命以后, 人類活動(dòng)釋放的重金屬的量遠(yuǎn)超自然來源的重金屬的量, 通過大亞灣沉積物重金屬的空間分布可以看出, 大亞灣沉積物重金屬的空間分布與沿岸的產(chǎn)業(yè)有著密切的關(guān)系, 沉積物重金屬的濃度整體上呈現(xiàn)大亞灣口門處較低, 而大亞灣北部近岸區(qū)域濃度較高的特征。大亞灣沉積物重金屬的來源與沿岸工業(yè)有關(guān), 工業(yè)污廢水含有大量的銅、鋅、汞等重金屬[19-21]。谷陽光等認(rèn)為大亞灣核電站及配套工程是大亞灣重金屬污染的重要來源[22]。徑流也是近岸海域重金屬的重要來源[23-24]除了沿岸產(chǎn)業(yè)之外, 網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)亦能對(duì)大亞灣沉積物重金屬的空間格局產(chǎn)生影響, 大亞灣的養(yǎng)殖網(wǎng)箱多集中在啞鈴灣、范和港等區(qū)域, 這也就導(dǎo)致了范和港、啞鈴灣以及大鵬灣的TOC濃度較高, 中央列島、大亞灣口門等區(qū)域的TOC濃度稍低[25]當(dāng)離子態(tài)的重金屬進(jìn)入水體后, 通過與懸浮物絡(luò)合形成顆粒態(tài)重金屬[26], 范和港、啞鈴灣等區(qū)域的水動(dòng)力較弱, 傳輸?shù)酵夂５牧枯^少, 大部分經(jīng)沉降進(jìn)入水底, 導(dǎo)致該區(qū)域沉積物重金屬的濃度升高。曹玲瓏等的研究也表明大亞灣沉積物重金屬與TOC有明顯的相關(guān)性[6]。

圖2 大亞灣重金屬銅分布特征(mg·kg-1)

圖3 大亞灣重金屬鋅的分布特征(mg·kg-1)

圖4 大亞灣重金屬鉛的分布特征(mg·kg-1)

3.2 大亞灣沉積物重金屬污染和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)前Hakanson生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)被廣泛用于評(píng)價(jià)海域沉積物重金屬的生態(tài)危害[8-9,27], 根據(jù)公式對(duì)大亞灣的污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算, 結(jié)果表明大亞灣海域表層沉積物重金屬銅、鉛、鋅、鎘、汞的C含量范圍分別為0.2—7.4、0.2—2.8、1.4—6.7、0.7—7.3、0.5—9.0, 平均值分別為2.2、1.3、3.2、2.8、3.1, 見表3, 污染程度呈現(xiàn)鋅>汞>鎘>銅>鉛的規(guī)律。重金屬銅和鉛整體上屬于中等程度污染, 低污染和中等程度污染的站位比例分別為83%、100%; 鋅、汞、鎘3種重金屬比較嚴(yán)重污染站位的比例分別為48.9%、46.8%、42.6%, 整體上屬于中等-比較嚴(yán)重污染狀態(tài)。Cd的范圍為4.3— 26.9, 平均值為12.6, 中等-比較嚴(yán)重污染的站位比例約87.2%。

圖5 大亞灣重金屬鎘的分布特征(mg·kg-1)

圖6 大亞灣重金屬汞的分布特征(mg·kg-1)

重金屬(銅、鉛、鋅、鎘、汞)E的范圍依次為1.0—36.8、0.9—14.1、1.4—6.7、20—220、20—360, 平均值分別為10.8、6.7、3.2、84.0、124.2, 見表4。風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)汞>鎘>銅>鉛>鋅的規(guī)律, 重金屬銅、鉛、鋅所有站位均屬于低風(fēng)險(xiǎn)水平, 而重金屬鎘和汞中等-較高風(fēng)險(xiǎn)的站位比例分別為63.8%、68.0%。R值的范圍為67—540.1, 平均值為228.9, 中等-較高風(fēng)險(xiǎn)的站位比例為82.9%, 見表4。

大亞灣沉積物重金屬整體上屬于中等-比較嚴(yán)重污染水平, 而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)則屬于中等-較高風(fēng)險(xiǎn)水平, 大亞灣沉積物重金屬污染水平主要與鋅、鎘、汞有關(guān), 而大亞灣沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)則主要受汞、鎘2種重金屬的影響, 雖然這兩種重金屬的絕對(duì)含量并不高, 均不超過第一類海洋沉積物標(biāo)準(zhǔn)[14],但是相對(duì)大亞灣海域沉積物重金屬的背景值則增加了2.8—3.1倍, 導(dǎo)致大亞灣沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平增加。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)還受到重金屬的毒性影響, 汞和鎘對(duì)生物具有較強(qiáng)的毒害作用[28-29],生態(tài)毒性指數(shù)分別是40和30, 遠(yuǎn)高于其他三種重金屬的毒性, 這兩種重金屬的含量和生態(tài)毒性導(dǎo)致大亞灣海域沉積物重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)較高。徐姍楠等的研究也表明汞是大亞灣排污區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高的主要原因[10]。

表3 大亞灣沉積物重金屬污染因子值

表4 大亞灣沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值

Tab.4 The risk indices Eirand potential ecological risk factorsRiof heavy metals in Daya Bay

3.3 大亞灣底棲生物生物積累

大亞灣底棲生物生物體重金屬含量分析見表5, 銅、鉛、鋅、鎘、汞在生物體的含量范圍分別為9.0—21.3 mg·kg-1、1.0—8.5 mg·kg-1、66.5—84.1 mg·kg-1、1.0—4.6 mg·kg-1、0.02—0.03 mg·kg-1。總體上呈現(xiàn)鋅>銅>鉛>鎘>汞的規(guī)律。

通過公式5計(jì)算大亞灣海域的值, 結(jié)果見表6。不同的重金屬在生物體內(nèi)的差異顯著, 重金屬鉛、汞在全部生物體樣品中均顯示沒有累積; 銅在棒錐螺和連珠蚶生物體, 鋅在棒錐螺生物體中均呈現(xiàn)輕度積累, 其他均無積累作用; 而重金屬鎘則在5種底棲生物體內(nèi)呈現(xiàn)較強(qiáng)的積累作用, 生物體內(nèi)的含量是沉積物重金屬含量的12.5—56.9倍, 見表6。

進(jìn)入底棲生物體內(nèi)的重金屬主要來源包括懸浮顆粒吸附的重金屬和水體中離子態(tài)重金屬, 當(dāng)?shù)讞餅V食有機(jī)質(zhì)顆粒時(shí), 吸收懸浮顆粒物吸附的重金屬離子, 導(dǎo)致了重金屬在體內(nèi)的積累, 此外底棲生物排出重金屬鎘的生物學(xué)半衰期要長(zhǎng)于汞、鉛等重金屬[30], 這也是生物體內(nèi)重金屬鎘的含量超過其他重金屬的原因之一。鎘與鈣元素的地球化學(xué)性質(zhì)相近[31], 也使得鎘更易于在生物體內(nèi)積累。重金屬的賦值形態(tài)也是影響底棲生物生物體重金屬含量的重要因素, 大亞灣沉積物重金屬銅、鋅、砷主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在, 而鉛則是以還原態(tài)為主, 鎘則以弱酸提取態(tài)為主, 弱酸提取態(tài)的重金屬更容易被生物吸收[7]。

表5 大亞灣棲生物生物體重金屬含量(mg·kg-1)

Tab.5 The contaminants of heavy metal in benthos of Daya Bay(mg·kg-1)

表6 大亞灣海域重金屬的生物-沉積物積累因子(BSAF)

Tab.6 The biota –sediment accumulation factor of Daya Bay (BSAF)

4 結(jié)論

1)大亞灣海域表層沉積物重金屬含量呈現(xiàn)鋅>鉛>銅>鎘>汞的規(guī)律; 重金屬空間分布上呈帶狀分布, 北部沿岸海域含量較高, 南部口門附近海域最低。

2)大亞灣沉積物重金屬污染呈現(xiàn)鋅>汞>鎘>銅>鉛的規(guī)律, 整體上屬于中等-比較嚴(yán)重污染水平, 鋅、鎘、汞是大亞灣污染的主要因子, 而生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)則呈現(xiàn)汞>鎘>銅>鉛>鋅的規(guī)律; 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)則屬于中等-較高風(fēng)險(xiǎn)水平, 大亞灣沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要受汞、鎘兩種重金屬的影響。

3)大亞灣底棲生物生物體重金屬含量呈現(xiàn)鋅>銅>鉛>鎘>汞的規(guī)律。重金屬鉛、汞在全部生物體樣品中均顯示沒有累積; 銅在棒錐螺和連珠蚶生物體, 鋅在棒錐螺生物體中均呈現(xiàn)輕度積累, 其他均無積累作用; 而重金屬鎘呈現(xiàn)明顯的積累作用。

致謝: 感謝保護(hù)國(guó)際基金會(huì)(Conservation Inter-national)的Siyu Qin女士對(duì)本文英文摘要的修改和潤(rùn)色。

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Contami-nation status and bioaccumulation of the heavy metals in the surface sediments and benthos in Daya Bay

LIN Lihua, WEI Hujin, HUANG Huamei

South China Sea Institute of Planning and Environmental Research, SOA, Guangzhou 510300, China

Based on heavy metal (Cu, Pb, Zn, Cd and Hg) concentration of 34 samples from the surface sediments and benthoscollected from Daya Bay in May of 2015, we assessed the level of heavy metal pollution, ecological risk and biota-sediment accumulation using the Comprehensive Pollution Index, the Potential Ecological Risk Index and the Biota-sediment Accumulation Factor. The results indicated that the average contents of Cu, Pb, Zn, Cdand Hg were 13.9, 29.1, 82.3, 0.08 and 0.03 mg·kg–1, respectively. The contribution to the marine pollution ranked as Zn＞Pb＞Cu＞Cd＞Hg. The contents of heavy metals were spatially distributed as bends, with the highest content in the North of Daya Bay and lowest content in the South of Daya Bay. The comprehensive pollution index of Daya Bay was between the medium and very high, and the contents of Zn, Cd, and Hg were the main contributors. The potential ecological risk of heavy metals in Daya Bay was at a medium-high level, and Cd and Hg were the highest potential ecological risk heavy metals. The rank for the contents of heavy metals in benthos was Zn>Cu>Pb>Cd> Hg. There was no significant bioaccumulation for Hg, Pb in the benthos, while Cu and Zn showed slight bioaccumulation in, and Cd showed a relativelyhigher bioaccumulation in the benthos.

Daya Bay; sediment heavy metals; biota-sediment accumulation; potential ecological risk

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.05.024

X

A

1008-8873(2017)05-173-09

2017-03-14;

2017-04-26

海洋生態(tài)紅線區(qū)劃管理技術(shù)集成研究與應(yīng)用(201405007); 基于海洋健康的資源環(huán)境承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究與區(qū)域示范應(yīng)用(201505008)

林麗華(1980—), 女, 廣東陸豐人, 碩士, 工程師, 主要從事海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究工作, E-mail : airingl@qq.com