基于MERLIN—EXPO曝光建模工具研究水產(chǎn)食物網(wǎng)中微量元素的積累情況

趙恩旭

摘要：受湖邊流域長期和大規(guī)模工業(yè)活動(dòng)以及城市化的影響，我們對(duì)水生生物中選定的微量金屬的生物積累進(jìn)行了建模，并與當(dāng)?shù)厮锏奶镩g數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。本研究基于陽澄湖（中國江蘇南部）湖口數(shù)據(jù)的暴露情景，用最近開發(fā)的建模工具M(jìn)ERLIN-Expro對(duì)水生食物網(wǎng)和沿海環(huán)境中衡量金屬的暴露情況做出評(píng)估。模型結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明，被檢測(cè)金屬中的As，Cd，Cu，Ni，Pb和Zn無脊椎動(dòng)物積累最多，而較高營養(yǎng)級(jí)物種積累較少。在含金屬Cr元素的情況下，所取樣動(dòng)物中具有最高測(cè)量濃度的身體部分主要是肌肉，腸和肝臟以及魚皮。

關(guān)鍵詞：水生食物；微量元素；陽澄湖

1.引言

眾所周知，包括金屬和各類金屬在內(nèi)的微量金屬主要從天然和人為來源中釋放出來，由于它們?cè)谑澄锞W(wǎng)中的積累會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。由于上世紀(jì)的快速城市化和工業(yè)化，包括金屬在內(nèi)的人類污染物來源眾多，中國的沿海和湖口生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)在面臨著越來越多的金屬污染壓力，因?yàn)殡S著城市和工業(yè)廢氣物一起釋放的金屬可能通過河流進(jìn)入海洋，并最終在沿海地區(qū)積累，帶來長期累積效應(yīng)。中國江蘇南部，如陽澄湖，被認(rèn)為受金屬污染影響最大。更重要的是，金屬可以被海洋生物吸收從而進(jìn)入食物鏈并可能轉(zhuǎn)移到上層營養(yǎng)水平，最終可能因食用受污染的海產(chǎn)品而對(duì)人類產(chǎn)生不利的影響。目前，海鮮產(chǎn)品安全問題引起了人們的極大關(guān)注。金屬和有機(jī)污染物的積累，如塑料和微塑料，對(duì)水產(chǎn)的影響這需要我們要加深對(duì)食物鏈中污染物累積的理解，對(duì)非生物環(huán)境中的污染物轉(zhuǎn)移到特定食品的研究，對(duì)于食品的質(zhì)量和安全性具有重要意義。

2019年水產(chǎn)養(yǎng)殖全球產(chǎn)量增加至8000萬噸，其中三分之一包括軟體動(dòng)物，甲殼類動(dòng)物和其他非魚類動(dòng)物，中國仍然是水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要國家。僅亞洲國家就占全球軟體動(dòng)物產(chǎn)量的91%和全球水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的70%。中國國內(nèi)對(duì)海鮮的需求量從1985年的每人每年8公斤急劇增加到2005年的25公斤和2013年的37.8公斤。中國目前消耗全球海產(chǎn)品和水產(chǎn)品產(chǎn)量的37%，人均海產(chǎn)品消費(fèi)量達(dá)到44公斤，預(yù)計(jì)到2020年將增加到50公斤。

食品安全可以從本研究的預(yù)測(cè)模型應(yīng)用中獲益，該模型主要應(yīng)用于評(píng)估微量金屬的暴露和生物積累以及基于水生生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。

對(duì)水生食物網(wǎng)中金屬轉(zhuǎn)移的預(yù)測(cè)，在很大程度上取決于對(duì)生物如何從環(huán)境中積累金屬的研究。重要的是需要將認(rèn)識(shí)水生生物暴露于可溶性和膳食來源的微量金屬考慮在內(nèi)。因此，生物動(dòng)力學(xué)模型可以為我們理解控制金屬生物積累的關(guān)鍵過程提供關(guān)鍵信息，從而解釋不同動(dòng)物物種中金屬負(fù)荷的巨大差異。另外，現(xiàn)有的機(jī)械模型允許結(jié)合生物動(dòng)力學(xué)參數(shù)的可變性，從而找到在不同環(huán)境在不同物種中生物積累的可能解釋。盡管存在大量現(xiàn)有的食物網(wǎng)生物積累模型，但這類模型主要用于模擬非極性有機(jī)污染物的曝光，幾乎不支持在估算曝光時(shí)的空間和時(shí)間的變化。而MERLIN-EXpo曝光建模工具是為包括微量金屬在內(nèi)的廣泛環(huán)境污染物開發(fā)的，允許用戶使模型適應(yīng)局部暴露場(chǎng)景的特定要求。由于這些原因，它被選為此次研究的主要應(yīng)用。

本研究的主要目的是模擬中國江蘇南部（陽澄湖）水生物中微量金屬的濃度。模擬包括從測(cè)量的水/沉積物金屬污染數(shù)據(jù)計(jì)算無脊椎動(dòng)物和魚類生物特有的金屬濃度水平，以及模型結(jié)果與陽澄湖食物網(wǎng)中水生物種的測(cè)量金屬濃度的比較。此外，應(yīng)用靈敏度分析有助于從模型中識(shí)別最終影響生物體中總金屬濃度的最關(guān)鍵參數(shù)。

2.研究材料和方法

2.1研究區(qū)域和監(jiān)測(cè)活動(dòng)的描述

陽澄湖湖口位于中國江蘇南部，并具有中國許多湖口具有的高污染壓力的代表性特征。陽澄湖流域包括中國的一些傳統(tǒng)工業(yè)熱點(diǎn)，長期受到重工業(yè)的影響，包括石化，鋼鐵和機(jī)械。據(jù)報(bào)道，陽澄湖流域約占整個(gè)江蘇南部河域污染物排放量的60%，陽澄湖中有大量污染物進(jìn)入湖口。因此，湖口的水生環(huán)境質(zhì)量受人為活動(dòng)的影響很大。此外，眾所周知，陽澄湖是中國主要的漁場(chǎng)之一，尤其是陽澄湖及其周邊地區(qū)。因此，海鮮在當(dāng)?shù)乇蝗藗兏叨认M(fèi)，大部分海鮮來自當(dāng)?shù)氐臐O業(yè)區(qū)。本次實(shí)驗(yàn)采點(diǎn)時(shí)間為18年6月，采樣點(diǎn)均勻分布在陽澄湖下游、中游以及上游，我們收集了水表面沉積物和生物群樣品并結(jié)合當(dāng)?shù)厣虡I(yè)漁民使用拖網(wǎng)收集魚類和無脊椎動(dòng)物進(jìn)行研究。我們?cè)谌狱c(diǎn)用稀硝酸將所有水樣酸化至PH≤2.6.運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室中，將水樣通過0.5μm玻璃過濾纖維過濾器，然后通過ICP-MS直接分析。將所有沉積物樣品冷凍干燥并通過120μm尼龍篩研磨，然后用HNO3-HF-HClO4消化以使用ICP-MS測(cè)定金屬的總濃度Qc值。此外，我們?cè)诮馄是皽y(cè)量生物群樣品的生理指標(biāo)。從每個(gè)物種的一些個(gè)體中取出約100g肌肉進(jìn)行冷凍干燥。通過冷凍干燥前后重量的差異，通過重量分析測(cè)定肌肉組織的含水量。使用瑪瑙研缽和研杵將干燥的肌肉樣品研磨成細(xì)粉。將部分雞肉樣品在微波爐中使用HNO3-H20消解得到Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Sb和Zn的含量，將所得數(shù)據(jù)用作模型輸入的數(shù)據(jù)構(gòu)成了數(shù)據(jù)的子集。在陽澄湖湖口的所有五個(gè)采樣點(diǎn)平均測(cè)量沉積物和水中的金屬輸入濃度。在所選水生物種的各種器官中測(cè)量了9種金屬（As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Sb，Hg和Zn）僅將在肌肉中測(cè)量的那些與生物積累模擬結(jié)果進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，被檢測(cè)金屬中的As，Cd，Cu，Ni，Pb和Zn中無脊椎動(dòng)物積累最多，而較高營養(yǎng)級(jí)物種積累較少。實(shí)驗(yàn)測(cè)得在含有Cr的情況下，具有最高測(cè)量濃度的金屬的取樣動(dòng)物的身體部分主要是肌肉，腸和肝臟以及魚皮。

2.2水產(chǎn)食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

為了更好地了解影響水生生物中化學(xué)物質(zhì)濃度的生物積累過程，需要為研究區(qū)域提供特定地點(diǎn)的食物網(wǎng)。陽澄湖的食物網(wǎng)中，除了浮游植物和浮游動(dòng)物區(qū)的基本環(huán)境，還包括6種水生生物，其中有3種無脊椎動(dòng)物，構(gòu)成了陽澄湖的簡(jiǎn)單食物網(wǎng)。本研究中選定的物種涵蓋了從初級(jí)生產(chǎn)者到頂級(jí)捕食者的特定營養(yǎng)作用。此外，因?yàn)檫@些物種也與當(dāng)?shù)厝丝诘娘嬍秤嘘P(guān)，所以值得將它們納入人類暴露于環(huán)境污染物的評(píng)估中。

3 結(jié)論

對(duì)水生環(huán)境中高金屬濃度的擔(dān)憂主要源于這些污染物可能對(duì)生物體造成的風(fēng)險(xiǎn)，包括在食物鏈的頂端可能食用受污染海產(chǎn)品的人。

所以我們運(yùn)用了最近開發(fā)的工具M(jìn)ERLIN-Expro用于模擬水生生物對(duì)幾種微量金屬的特定位置暴露情況，且獲得了令人滿意的模擬結(jié)果。特別是對(duì)于Zn和As的生物積累，其與水生生物的測(cè)量值趨近一致。通過測(cè)量包括諸如水產(chǎn)環(huán)境和生理過程的因素，可以改善動(dòng)態(tài)平衡的應(yīng)用模型主要涉及水生生物的金屬累積過程，以此從生態(tài)和人類健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的角度能更好地描述目標(biāo)水生生物吸收的微量金屬的情況。基于此下一步可以尋求改進(jìn)建模的另一個(gè)方面是模擬水產(chǎn)生理上必須的金屬濃度，從而進(jìn)一步研究可能導(dǎo)致不利影響的過量金屬積累過程。

此外陽澄湖的其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集可以在未來模擬演習(xí)的擴(kuò)展中，用以估計(jì)當(dāng)?shù)厝丝谕ㄟ^攝入受污染的魚類和海鮮接觸積累的微量金屬情況。

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（作者單位：江蘇大學(xué)京江學(xué)院）