太湖沉积物重金属的生物有效性及毒性研究-任静华.docx

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1、陕西科技大学 硕士学位论文 太湖沉积物重金属的生物有效性及毒性研究 姓名：任静华 申请学位级别：硕士 专业：环境科学 指导教师：马宏瑞 201105 太湖沉积物重金属的生物有效性及毒性研究 摘要 本论文首先调查了太湖表层沉积物中重金属分布特征和赋存形态，以镉 (Cd)为目标研究物，研究了不同 Cd 暴露浓度和暴露时间对底栖生物和沉水 植物的氧化胁迫效应，旨在揭示其在水生生物体内的致毒机制，选择敏感的 生物标志物，同时研究了 Cd 在生物体内的富集，为评价 Cd 的水环境生态 安全提供一定的科学依据。主要研究结果如下： (1) 评价了太湖表层沉积物中重金属的污染现状，同时，使用薄膜扩 散梯度技术

2、 （ DGT)和 BCR 三步提取法评价了 Cu、 Zn、 Ni 和 Cd 的生物可 利用性。结果表明：重金属在太湖北部富集严重， BCR 提取结果表明 ， Cu 和 Zn 的生物有效性较高， Ni 和 Cd 的较低，以残渣态为主。 Cu、 Zn 和 Ni 的还原态含量与沉积物中 Fe (Cu: r=0.602, p Mn (Cu: r=0.801, p0.01; Zn: F=0.882, p0.01; Ni: r=0.882, p0.01)含量显著性相关；氧化态浓度与总有机碳 （ TOC)含量的相关性也 很好 (Cu:r=0.863， p0.01;Zn:r=0.887，p0.01;Ni:r=

3、0.896， p0.01)， 然而，未 发现 Cd 的这种相关性。多元线性回归分析结果表明， DGT 测定能够反映 pH 和 TOC 对重金属生物有效性的影响。 (2) 通过实验室模拟方法，将河蚬暴露于不同浓度 Cd 污染太湖沉积 物中，研究河蚬肝脏抗氧化酶活性、谷胱甘肽含量、脂质过氧化及金属硫蛋 白含量的变化；同时研究了河蚬软体组织中 Cd 富集量及其水环境中 Cd 的 分布规律，采用DGT 和 BCR 形态分析法分别测定沉积物中 Cd有效形态和 释放规律。结果表明，超氧化物歧化酶 （ SOD)和还原型谷胱甘肽 （ GSH) 比过氧化氢酶 （ CAT)、 过氧化物酶 （ POD)、 氧化型谷

4、胱甘肽 （ GSSG)等 更敏感，它们在抗氧化防御的第一个阶段发挥了重要作用，有望成为早期预 警生物标志物，丙二醛 （ MDA)和金属硫蛋白 （ MT)响应滞后但是测定结 果稳定，具有成为早期 预警生物标志物的潜力。当沉积物中 Cd 含量为 0.91mg/kg 时，生物体内就出现了效应，是该试验浓度组中的最低可观察效 应浓度。随着加标浓度增大， DGT 和 BCR 测得 Cd 浓度值增高，上覆水中 Cd 含量增加，河蚬体内 Cd 富集量增多，暴露 14d 和 28d 后， DGT及 BCR 两种方法获得的有效态浓度值与河蚬软体组织 Cd 富集均显著相关， r2值均 在 0.9 以上。 (3)

5、将苦草暴露于 Cd 污染太湖沉积物中，研究了苦草叶片抗氧化系 统和叶绿素含量对 Cd 的响应，苦草叶片和根部 Cd 富集量，并且分析了 BCR 提取浓度与苦草组织 Cd 富集量之间的关系。结果表明： Cd 诱导了苦草叶片 组织中自由基的生成，且自由基的信号强度与 POD 活性呈正相关，揭示金 属 Cd 诱导机体生成活性氧 （ ROS)， 导致的氧化胁迫可能是重要的致毒机 制； SOD、 POD 和MDA 均是随 Cd 暴露浓度的增大，其活性或含量是先增 后减的，与对照组相比，在低浓度下就有了显著性差异，说明它们对环境中 Cd 的胁迫是敏感的，可以考虑作为敏感生物标志物；同样 Cd 含量在 0.

6、91mg/kg 时，苦草组织就出现了效应，是该实验浓度组中的最低可观察 效 应浓度；随着 Cd 加标浓度增大，苦草体内 Cd富集量增多，并且与沉积物 中 Cd 浓度具有很好的相关性； BCR 测得 Cd 浓度值与苦草叶片和根部 Cd 富集量有很好的相关性， r2值均在 0.96 以上。 (4) 研究了不同暴露时间，河蚬肝脏抗氧化防御系统对 Cd 的响应， 软体组织中 Cd 富集量与暴露时间的关系。研究结果如下： SOD、 MDA 和 GSH 在较短的暴露时间内，与对照相比，就出现了显著性差异，比 CAT 和 GSSG 要敏感；当暴露 Id 时，生物体内就出现了效应，是该实验浓度组中 的最短效应

7、时间；随着暴露时间的延长，河蚬体内 Cd 富集量增大，在第 4d 时开始迅速增加， 28d 时达最大值，加标浓度越大，体内富集量越多。 关键词：太湖，沉积物，重金属，氧化胁迫， DGT， 河蚬 STUDIES ON BIOANAILABILITY AND TOXICITY OF HEAVY METALS IN SEDIMENTS FROM LAKE TAIHU ABSTRACT In the present study, we investigated the distribution and chemical speciation of heavy metals in the surface

8、 sediments of Lake Taihu. The cadmium was chosed as the pollutant. The effects of different exposed concentrations and time on the antioxidant system of the bentonic organism and submerged plant were studied in order to reveal mechanisms of toxicity and discuss early-warning biomarker under the stre

9、ss of Cd. The bioaccumulation of Cd in the organism was also investigated. These results will offer the scientific evidence for its behavior in aquatic environment. The major results were summarized as follows: (1) The purpose of this paper was to evaluate the pollution of heavy metals in the surfac

10、e sediments from 13 sampling sites of Lake Taihu. At the same time, the Diffusive Gradient in Thin Films (DGT) techniques and the BCR (European Communities Bureau of Reference) three-step sequential extraction procedure were used to assess the availability of Cu, Zn, Ni and Cd. The results showed th

11、at enrichment of heavy metals was most serious in the northern of Lake Taihu. The BCR indicated relatively high mobility of Cu and Zn while poor mobility of Ni and Cd, which were associated with the residual fraction. The reducible fraction of metals had significant correlation (Cu: r=0.602, p0.05;

12、Zn: r=0.678, p0.05; Ni: r=0.772, p0.01) with Fe and (Cu: r=0.801, p0.01; Zn: i=0.882, p0.01; Ni: r=0.882, p0.01) with Mn and the oxidizable fraction was well correlated (Cu: r=0.863, p0.01; Zn: r=0.887, p0.01; Ni: r=0.896, p0.01) with the content of TOC. However, the similar relationship was not fou

13、nd for Cd. The multiple linear regressions between DGT measurements and BCR fractions, pH and TOC showed DGT technique consider the effect of TOC and pH on metal availability. (2) A simulated experiment that Corbicula fluminea was exposed in the Cd contaminated sediment of Lake Taihu was conducted i

14、n the laboratory. The effects of Cd on the antioxidant enzyme activities, the contents of glutathione malondialdehyde (MDA), and metallothionein (MT) in the liver of Corbicula fluminea were studied. The bioaccumulation of Cd in Corbicula jluminea and the distribution regularity of Cd in water were a

15、lso discussed. The concentration of Cd extracted by DGT and BCR three stage sequential extraction procedure and the releasing regularities were determined in sediment of Lake Taihu. The results showed that the activity of superoxide dismutase (SOD) and the content of reduced glutathione (GSH) were m

16、ore sensitive than the activities of peroxidase (POD), catalase (CAT) and the oxidized glutathione (GSSG). They may play a vital role in the first guard in the detoxification process. The MDA and MT responded later, but the results were stable, which had the potential to be used as early-warning bio

17、markers. The 0.91mg/kg was the lowest effect concentration. With the contaminated concentration increase, the concentration of Cd extracted by DGT and BCR, in overlying water and accumulated in Corbicula fluminea increased .The content of Cd in Corbicula fluminea were significantly correlated with t

18、he results measured by two methods after 14 days， and 28days exposure. The related coefficients (r2) were greater than 0.9. (3) The Vallisneria natans were exposed in the Cd contaminated sediment of Lake Taihu .The bioaccumulation and oxidative stress in the leaf of Vallisneria natans under Cd expos

19、ure were studied. The relationship between bioaccumulation of Cd and the concentration extracted by BCR was investigated too. The results showed that free radical induced by Cd was positively related to POD activity, revealed that the production of reactive oxygen species (ROS) resulted oxidative st

20、ress which was important mechanisms of toxicosis. SOD, POD and MDA had the similar change trends with the exposure concentration increased, which increased firstly and then reduced. They had significant difference in low concentrations compared with CK, indicating that they were sensitive and could

21、be used as early-warning biomarkers. The 0.91mg/kg was the lowest effect concentration too. With the contaminated concentration increase, the concentration of Cd accumulated in Vallisneria natans increased. The contents of Cd in leaf and root of Vallisneria natans were significantly correlated with

22、the concentration in sediment and extracted by BCR. The related coefficient (r2) was greater than 0.96. (4) We discussed that the response of the antioxidant system in the liver of Corbicula fluminea under Cd exposure at different time and the relationship between bioaccumulation and exposure time.

23、The results showed that SOD, MDA and GSH expressed significant difference in short time comparing with CK and were more sensitive than CAT and GSSG The effect appeared at the first day, which was the shortest time. The concentration of Cd in the body of Corbicula fluminea increased with the time pro

24、longing. The content increased sharply at the 4th day and reached the maximum after 28d.The concentration increased with the content of Cd in contaminated sediment increasing. KEY WORDS: Lake Taihu, sediments, heavy metals, oxidative stress, DGT, Corbicula fluminea 1绪论 1.1 沉积物重金属污染 1.1.1重金属简介 环境科学中所

25、指的重金属主要是指生物毒性大、易对环境产生污染的元素，还包括 生物必需的但是超过一定阈值又具有毒性的金属，也包括砷这样的类金属。值得关注的 是，某些重金属元素化合物亦己列入 “ 环境激素 ” 的名单之列。其中，由美国国家环保局 所属实验室筛选确认有 7 种 （ As、 Cd、 Cu、 Pb、 Mn、 Hg、 Sn)， 由美国国家环境健康 中心和世界野生动物基金会实验室确认的有 3 种 （ Pb、 Cd、 Hg 及其配合化合物） twl。 根据毒性的大小，重金属可划分为三类：生物必须且毒性相对较低的重金属，如 Zn;生 物体内必需的但是高浓度会产生毒性的重金属，如 Cu;生物体内非必需的而且低浓

26、度就 会产生毒性的重金属，如 Cd和 Pb 等。 1.1.2沉积物中重金属来源 沉积物是水环境的基本组成部分，研究表明，进入水体中的大部分重金属与悬浮物 及沉积物结合，当外界环境发生变化时，其中的重金属释放出来，造成二次污染。通过 调查沉积物中重金属的总量，分布特征以及赋存形态等，可以反映该地区的环境质量变 化，可以作为环境评 价中一个非常重要的指标。大多数的研究【 4】已经表明，近年来，沉 积物中重金属的沉积速率以及含量的增加明显高于以前，与周围人类生活和生产活动有 很大的关系。沉积物中重金属的来源主要是人为来源。各种地球化学作用等自然过程构 成了环境背景值，其含量一般很低，生物毒性也很低。

27、人为来源是造成水体重金属污染 的主要原因，主要包括以下几个方面的来源：地表径流将携带土壤吸附固定的重金属冲 入湖水中；工农业生产排放的含重金属的废水，如：矿山开釆产生的酸性废水、城市工 业排放的污水和废水、冶炼厂的排污废水以及农药化肥使用等。还 有生活污水等。 1.1*3沉积物中重金属的迁移转化 进入水体中的重金属主要存在于溶解相、悬浮颗粒物和沉积物这三部分中，水体中 含有大量的黏土矿物、铁锰氧化物和有机质 而且悬浮物具有大的表面积，能够吸附 大量的重金属元素，悬浮物在迁移过程中逐渐转变为沉积物，因此，沉积物是重金属的 蓄积库。同时，当外界环境发生变化时，沉积物作为源，又会将其中的重金属重新释

28、放 出来，通过食物链进入人体内，引起急慢性疾病。 沉积物表层 15cm 和上覆水之间的界面，是水体发生物理、化学和生物作用的主要 界面16)。沉积物的主要理化性质影响重金属迁移过程，主要包括：温度、 PH、 氧化还原 电位、离子的竞争吸附和有机络合剂等。水生生物吸收水体中的重金属，并沿着食物链 在高营养级的生物体内富集，这些生物死后被分解，体内的重金属重新释放到水体中， 同时水生生物的扰动也会使沉积物中的重金属释放出来进入水体中。 1.2沉积物中重金属元素的賦存形态研究 沉积物中重金属的总量可以反映沉积物受污染的状况，但是同一元素的不同形态具 有不同的活性和毒性，测定元素的形态是评价元素毒性、

29、研究其迁移和转化规律的重要 依据 |7。重金属形态是指重金属的价态、化合态、结合态和结构态四个方面，即某一种 重金属元素在环境中以某一离子或分子存在的实际形式。许多学者根据不同的划分依 据，有不同的形态分类方法，根据操作过程，可分为一步提取法和分级提取法。 一步提取法操作简单，方便 t9】 。重金属的不同结合形式，可以被不同种类的溶剂和 不同浓度来提取，能够得到重金属与沉积物中特定组分的结合信息，常用的提取剂包括 : 水、无机盐（包括氯化钙、硝酸钠和硝酸铵等 )、无 机或有机酸（包括盐酸、硝酸、柠檬 酸和苹果酸等 ） 和有机络合物（包括醋酸、 EDTA、 DTPA 等 )。目前为止很难找到一种

30、 提取剂，能够提取沉积物中特定的金属形态，同时又不损失其他形态，这就限制了该方 法的应用。 分级提取就是利用反应性不断增强的提取剂，针对重金属的不同物理化学形态，逐 级提取沉积物中不同生物有效性重金属的方法叫。其中被大家广泛使用的，而且有代表 性的是Tessier在 1979 年提出的五步连续提取法，该方法将重金属的形态分为可交换态、 碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态。同时很 多学者在该基础上 提出了改进的连续提取法，例如： Forstner*12提出了七步连续提取法，将重金属分为交换 态、碳酸盐结合态、无定型氧化锰结合态、有机态、无定型氧化铁结合态、晶型氧化铁 结合态和残

31、渣态。针对不同实验室、不同学者所获得的数据难以进行比较的问题，欧共 体标准署在 1987 年提出了一套三步连续提取法 （ BCR)， 将可提取重金属形态分为弱酸 提取态、可还原态和可氧化态，后来 Ure 等人 M 在原有的 BCR 提取法基础上提出了改 进的 BCR 法，将三步改为四步，增加了残渣态的提取，它将重金属形态分为四种：可交 换态及碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物及硫化物结合态、残渣态。改进后的 BCR 法应用越来越广泛，已成为国内外研究土壤和沉积物中重金属污染形态的方法。 1.3薄膜扩散梯度技术 1.3.1DGT 装置的组成和原理 薄膜扩散梯度技术 （ DGT 技术）是英国

32、Lancaster 大学的 Davison 和 Zhang Hao提出 的，是近年来发展起来的一种新的形态分析方法，以 Fick 第一扩散定律为理论基础 。DGT 技术主要的核心是外层的滤膜、扩散相和结合相。扩散相的主要材料一般采用聚丙烯酰 胺凝胶，水或者沉积物孔隙水中的溶解态离子或者小分子的络合态金属离子能够通过 DGT外层的滤膜和扩散凝胶，到达树脂凝胶固定层被固定，使凝胶层的金属离子浓度为 0,这样在扩散层就形成了一个浓度梯度，导致外界的金属离子能够源源不断的扩散、固 定。 DGT 结合相分子结构中含有一些可提供配位电子对，并且能够与金属离子发生配位 反应的官能团 (如羟基、氧基、竣基等

33、)|15】 ，最早使用的结合相是离子螯合树脂 Chelex100, 其功能团是亚氨基二乙酸，具有很强的结合能力，能够有效地和 水体中的配体争夺金属 离子，这种竞争是一种优势，能够牢固的结合进入到固定层中的金属离子，避免发生解 析【 能够累积许多重金属如 Cu、Cd、 Ni 等。后来发现 CELLPHOS 能够代替 ChelexlOO 作为结合相，累积水体等复杂样品中的重金属离子等 。 Zhang et aim 将水合氧化铁嵌入 到凝胶中最为结合相累积水体、沉积物或土壤中的 P 和 As。 Teasdale 等人 8在凝胶中加 入 Agl 作为结合相测量沉积物和水中的硫。目前 DGT 结合相已经

34、多于了 10 种，其中还 出现了液态结合相，随着研究的进展，DGT 装置的准确性和精密度有了极大的提高。 1.3.2DGT 技术的应用 DGT 技术已经广泛地应用在了水体、土壤和沉积物中，可以测量环境中的痕量或超 痕量物质的浓度，以及分析重金属在土壤或沉积物中的空间分布特征，沉积物空隙水中 重金属的释放通量等等。 Maria 等人 19使用 DGT 技术定量测定池塘中有效态的 Cu、 Fe、 Mn 和Ni 的含量，表征污染现场的重金属行为。 Tian 等人 i 叫吏用 DGT 技术测定了土壤 中重金属的含量，同时测定了水稻中金属富集量，结果表明，它们之间具有很好的线性 相关性，而且DGT 测定

35、能够包括影响 重金属生物有效性的主要环境因子，如 :PH、 阳离 子交换量等。Marina 等人叫使用 DGT 测定了淡水沉积物中的生物可利用金属的含量，并 且与同步可提取金属浓度作比较，然后将这两种方法得到的重金属的浓度与淡水生物夹 杂带丝蚓体内富集的金属量作比较，结果表明 DGT 测定的 Cd、 Cu、 Pb、 Ni、 Zn 的浓 度总和与通过 SEM 测定的金属浓度之间的相关性很好， r2可达到 .88,单个金属的 DGT 浓度与 SEM 测定浓度的相关性也很好，丝蚓 28天体内富集金属的量与 DGT 测定的沉 积物中各金属量的相关性很好。范英宏等人 M 研究了 沉积物的粒径分布、有机质

36、含量与 DGT 测定金属浓度之间的关系，得出沉积物中孔隙水中 Cr、 Cu 和 Cd 的浓度和从固 相释放的动力学过程受 Mn、 Al、 Fe 和有机质影响比较大。 Marie-H 從 ne 等人間也研究 了 DGT 测定金属浓度与水体中有机质含量的关系，以铜为例说明了与腐殖酸、芳香族 化合物结合的铜，其有效性大大降低，但是与藻类释放物质相结合的铜是不稳定的，容 易被生物体所利用。 M. Schintu 等人【 241 在意大利的撒丁岛选择了 4 个受人类活动不同影响 的地区，将 DGT 与牡蛎一同放入网箱中进行一个月的富集实验，考虑了各种环境因子 的影响以后，回归分析得出 DGT 测定的 C

37、d、 Pb 浓度与牡蛎体内富集浓度具有很好的相 关性。同时得出牡蛎不适合作为铜污染的指示生物，这与很多学者的研究结果是一致的 【 25。目前很多研究表明 DGT 在生物有效性研究方面具有广阔的应用前景。 1.4 太湖沉积物中重金属研究现状 对太湖沉积物中重金属污染和分布状况的全面研究开始于 1980 年，着重分析了沉积 物中 Hg、 As 和 Cr 的污染状况【 1988 年的污染调查，确定了无 锡、苏州和长兴沿岸是 主要污染区。 2000 年前后，对于太湖沉积物中重金属总量和形态分布的研究越来越多， 2001 年，戴秀丽等人 对太湖北部的梅梁湾、贡湖和竺山湾表层沉积物中的重金属污染状 况进行

38、了评价。 2004 年刘恩峰等人 分析了太湖表层沉积物重金属元素的来源。 2005 年 顾征帆等人对底泥中重金属污染现状进行了调查。 2005 年黄顺生等人对太湖北部表 层沉积物中重金属元素分析 ,并利用 Hakanson 潜在生态危害指数对其生态危害进行了评 价。 2006 年向勇等人分析重金属含量分布以及富集状况，并且也对其生 态危害作了评 价。也有很多学者研究了沉积物中重金属的赋存形态。 2002 年，王海等人采用 BCR 三步分级提取法测定了太湖沉积物中8 种重金属 （ Cr、 Mn、 Cu、 Cd、 Ni、 Pb、 Zn 和 As)不同形态的含量，初步评估了其生物有效性。 2004

39、年袁旭音等人問用连续提取法分 析了太湖沉积物中 Cu、 Pb、 Cd、 Cr 和 Zn五种重金属的地球化学形态。 2005 年刘恩峰 等人 P6采用 BCR 提取法，测定了西太湖沉积岩芯中 Cu、 Fe、 Mn、 Ni、 Pb 和 Zn6 种重 金属不同形态的质量分数。目前为止，未见用 DGT技术和传统形态分析法一起来研究 表层沉积物中重金属形态的报道。 1.5 镉的污染和危害 镉的工业用途很广，主要用于电镀、增塑剂、颜料生产、 Ni-Cd 电池生产、电解、 农药和医药生产、纺织印染，另外在磷肥和矿物燃料中也含有少量的镉，因此这些企业 排出的废水中含有大量的镉，进入湖泊河流海洋等水体中，污染水

40、体。镉在环境中易与 各种有机和无机配体形成各种配合物和螯合物，与水体中的悬浮物或颗粒物结合，沉积 在湖底。水体底泥对镉有较强的吸附作用，浓缩系数可达 500-50000,因此，水中的镉 大部分会沉积在底泥中。但是镉化合物的溶解度较大，会在水中迁移。 重金属对生物体产生毒性的途径主要有以下几个方面： （ 1)重金属结合了酶中的巯 基引起酶空间构型的变化，引起各种酶活性的降低或失活，如乙酰胆碱酯酶 (2)会 改变细胞膜的通透性 （ 3)重金属离子会与 ADP 或 ATP 的活性基团和磷酸基团发生亲和 反应当生物体受到外界污染物的干扰时，会启动其体内的一些抗性机制，主要的抗 性机制包括以下几个方面： （ 1)通过一些途径排出进入生物体的金属离子； （ 2)将金属 离子隔离在机体或细胞不同的位置；（ 3)细胞或组织分泌一些特 异性的有机大分子或小 分子来螯合进入体内的一些金属离子等。生物体内的谷胱甘肽、植物络合物 （ PCs)、 铁