重金属在小球藻——菲律宾蛤仔食物链上的累积与传递研究-汪远丽.docx

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1、中国海洋大学 硕士学位论文 重金属在小球藻 -菲律宾蛤仔食物链上的累积与传递研究 姓名：汪远丽 申请学位级别：硕士 专业：海洋化学 指导教师：单宝田；曲克明 201106 重金属在小球藻一菲律宾蛤仔食物链上的累积与传递研究 摘要 随着科技的飞速进步和社会的迅猛发展，重金属污染给海洋环境尤其是近岸 养殖环境造成了严重危害，并日益引起人们的广泛关注，成为了环境科学、生物 学的热点研究问题之一。海水中重金属可通过食物链转移或富集到水产品尤其是 贝类产品中，直接或间接地威胁人类的健康。因而，研究重金属在微藻 -贝类食 物链中的转移、传递，具有重要的理论和现实意义。本文以铜、铅、镉为研究对 象，研究了重

2、金属在小球藻 -菲律宾蛤仔食物链中的累积与传递，主要研究内容 和结论如下： 1. 菲 律 宾 蛤 仔 富 集 海 水 中 的 重 金 属 研 究 。 以胶 州湾典型的经济型贝类 “ 菲律宾蛤仔为研究对象，模拟了菲律宾蛤仔对海水中重 金属铜、铅、镉的富集。采用半静水法进行富集实验，实验海水盐度为 28.5_29.0% , pH为 8.1-8.3,水体中铜、铅和镉浓度分别为 10pg/L、 50吨几和 lOOfig/L,菲 律宾蛤壳长为 3.0-3.6cm,体重为 6.0-7.8g。 在 Id、 3d、 5d、10d、 15d、 20d、 25 d、 30 d取出部分贝类用微波消解 -原子吸收光谱

3、法测定重金属含量 。 由菲律宾 蛤对海水中铜、铅和镉等 3种重金属的富集实验结果可以看出，菲律宾蛤仔对不 同浓度 Cu、 Pb、 Cd的富集系数 BCF变化范围分别为： 105-268、185-690和 26-85, 对 3种重金属的富集能力依次为 PbCuCd;对同一金属的富集，水体中重金属 浓度越高，贝类体内富集的重金属含量也越高；对于富集系数，随着海水中重金 属离子浓度的增大而减少。 2. 重金属对小球藻 (a/ore/a)的胁迫作用及其在小球藻中的富集作用研究。 在温度为 201C,盐度为 28.5-29.0%。， pH为 8.07-8.20,光照强度为 4000 lx, 光暗周期为

4、L/D=12/12,采用位培养基，对小球藻进行培养。在 Cu2+、 Pb2+和 Cd2+浓度为 10pg/L、 50pg/L和 100阳 /L的溶液中，进行小球藻在重金属胁迫下 的毒性与累积实验。结果显示， Cu2+、 Pb2+和 Cd2+的浓度越高，对小球藻的生长 抑制作用越强。小球藻对三种重金属离子的耐受性存在明显差异，重金属对小球 藻的毒性大小为 Cd2+Pb2+Cu2+。 达到平衡时，小球藻对 Cu2+、 Pb2+和 Cd2+富集 能力为 Cd2+Pb2+Cu2+， 对不同浓度的 Cu2+、 Pb2+和 Cd2+的富集系数分别为 1626-3161、 3198-7799 和 9313-

5、5438,随水体中的 Cu2+、 Pb2+、 Cd2+的浓度增加， 小球藻对 Cu2+、 Pb2+、 Cd2+富集量增大，富集系数 BCF呈现降低趋势。 3. 菲律宾蛤仔通过摄食小球藻对重金属的富集研究。在受控条件下，模拟 了重金属铜、铅、镉在小球藻 -菲律宾蛤仔食物链中的累积和传递，测定了重金 属在食物链上的富集系数 BCF及传递系数 BMF。 重金属在沿着小球藻 一 菲律宾 蛤仔传递过程中，蛤仔体内重金属的含量随着时间的增加而显著上升。达到平衡 时，菲律宾蛤仔对小球藻中 Cu、 Pb、 Cd的富集系数 BCF分别为 364-821、 1089-936 和 245-736,高于直接从海水中测

6、定的富集系数，其大小顺序为 PbCuCd。 Cu、 Pb、Cd的传递系数 BMF值均小于 1，说明 3种重金属在小球藻 -菲律宾蛤仔食 物链上没有明显的生物放大效应，传递系数 BMF的大小为 PbCuCd。 本项研究将为研究重金属对贝类的生态毒理学奠定理论基础 ,并为制定水产 品中有毒有害物质的限量标准提供科学依据。 关键词：重金属富集；小球藻；菲律宾蛤仔；食物链 Transmission and accumulation of heavy metal in ChloreUa-Ruditapes philippinarum Food Chain Abstract With the rapid

7、development of scientific technology and society, heavy metal pollution has threatened marine environment, especieally aquaculture environment, which were taken seriously. Its pollution has become one of the hot researching spots of environmental science and biology. Heavy metals will be biomagnifie

8、d and transferred into seafood, especially along with seafood chains of the shellfish, which will threaten oure survival, life and health badly. Thus, the study of transmission and accumulation of heavy metals in the algae-shellfish food chain has important theoretical and practical significance. In

9、 this paper, the transmission and accumulation of copper, lead and cadmium in the ChloreUa-Ruditapes philippinarum food chain was studied, and the main conclusions were as follows: 1. The experiment, Ruditapes philippinarum accumulation of heavy metal in seawater was carried out in law-hydrostatic m

10、ethod. The condition of seawater was suitable for the experiment, with The salinity of 28.5-29.0% , pH of 8.1-8.3. The concentration of heavy metals (Cu2+, Pb2+and Cd2+) in the seawater was set for the three series of 10jig/L, 52. Stress and accumulation of heavy metal in Chlorella was studied, and

11、the Chlorella were cultured under the seawater condition with 201 C in water temperature, 31-32.5% in salinity and 4000 lx in light intensity. In the toxic experiment of heavy metals in the seawater, its concentrations were set for 10 (ig/L, 50 ig/L and 100 ng/L. The results showed that, the suppres

12、sion to the Chlorella growth became stronger with the concentration of heavy metal ion higher. The toxicity of heavy metals on Chlorella was Cd2+ Pb2+Cu2+. Chlorella had strong accumulation ability of Cu, Pb, Cd, and its BCF in state of balance were 1626-3161, 3198-7799 and 9313-5438, respectively,

13、with the concentrations of heavy metals in seawater increasing, the accumulation increased, but the BCF decreased. 3. Accumulation and transmission of heavy metal Cu, Pb, Cd in Chlorella-Ruditapes philippinarum food chain was simulated under controlled conditions. BCF of Cu, Pb, Cd in Chlorella and

14、Ruditapes philippinarum were determined, followed by BMF of Cu, Pb, Cd in Chlorella-Ruditapes philippinarum food chain. In the system of heavy metal-seav/atei-Chlorella-Ruditapes philippinarum, Ruditapes philippinarum had a stronger ability of biological enrichment of Cu, Pb and Cd. The contents of

15、heavy metals in Ruditapes philippinarum inceased significantly in the cultured time. The BCF in Ruditapes philippinarum from food chain were 364-821, 1089-936 and 245-736. The BCF of different heavy metal was PbCuCd. The BCFs through Chlorella were much larger than through Ruditapes philippinarum an

16、d the B刖 g 自从人类跨入工业时代以来，环境污染带来的生态问题以及给人类健康状况 造成的不利影响己引起世界的广泛关注。重金属是对生态危害极大的一类环境污 染物，其污染的基本特点包括来源广泛，残留时间较长、并具有蓄积、还能沿着 食物链转移、被污染后较难被发现、很难复原等 u。 通过沉淀、吸附、络合与 鳌合以及氧化还原作用，重金属在水体和沉积物中迁移转化，或被海洋生物吸收 后随食物链积累与放大。环境中的重金属污染物一般通过食物链传递而累积，污 染较高营养级的人类和动物，从而引起食品安全事故。 自从 20世纪 50年代在日本出现水 水俣病和骨痛病证明这是由于 Hg污染和 Cd污染所引起的 公

17、害病 以后，重金属的环境污染问题曰益受到人们的极大 关注。近年来突发性的环境污染事件骤增，其中属于重金属污染的事件占有很大 的比例。自从 2008年以来，在我国的贵州独山县、湖南辰溪县、广西河池、云 南阳宗海、河南大沙河先后发生了多起被砷污染的事件。至 2009年 8月以后， 陕西的凤翔又发生了儿童血铅超标、湖南的浏阳发现镉污染以及山东的临沂砷污 染等多起重金属污染事件。重金属污染问题日益严重，对污染环境的治理迫在眉 睫。 所以，重金属污染物在环境中的含量 、分布、存在形态、迁移转化、生物效 应以及防治对策等方面都日益引起人们的关注。其中，重金属的生物富集、迁移 路径和重金属生物有效性等是近年

18、来研究的重点课题 3。本论文以铜、铅、镉为 研究对象，研究了重金属在小球藻 -菲律宾蛤仔食物链中的累积与传递，以期为 重金属的生态毒理学研究奠定基础，并为水产品中有毒有害物质限量标准的制定 提供依据。 1文献综述 1.1重金属的来源及其危害 重金属在天然的海洋环境中含量极微，通常被称之为痕量元素。海洋中重金 属的来源分为天然来源和人为来源两大类 4。其中天然来源包括地壳的岩石风 化、海底火山中的喷发、海水的动力作用以及陆地上的大气沉降等多种方式将重 金属注入海洋，行成海洋环境的重金属本底值。人为来源是指人类的生产和生活 活动使海洋中重金属元素含量增加的部分。重金属进入海洋途径的人为来源，主 要

19、来自矿山与油井的开发，工农业废水的排放，如，电池电镀、冶金、制革、颜 料涂料、以及化工厂的排水和农药厂的废水排放等。 近几十年来，由于社会的发展，工农业生产的快速发展，尤其是沿海重工业 的兴起，造成世界范围内的海洋重金属 污染日趋严重。据有关的统计显示，全世 界范围内的汞年生产量约为一万吨，最终进入海洋的量与年生产量相当。目前太 平洋表层的海水中铅浓度比 30年前增加了数十倍。银、萊、铜、铅、铬等重金 属污染也越来越突出。我国的汞使用量是世界上最大的国家，据统计， 2000年 世界汞使用量约两千吨，而我国的汞使用量近千吨。再以光电源行业为例， 2000 年排放的含有汞的废气多达 20亿立方米，

20、含汞的废水多达百万吨，含汞的废渣 近万吨。依据国家环保总局发布的中国的海洋环境保护统计，仅 2002年我 国主要入海河流黄河、长江、闽江、九 龙江、珠江等处排放入海的污染物中重金 属 (Hg、 Cd、 Cr和 Pb)就多达近五万吨、沿海的省、市、自治区入海陆源工业污 水中重金属 1.5万吨。而随着我国工业、电子业和基础产业的全面发展，输入海 洋的重金属污染物不断加剧。 铜是人体健康不可缺少的微量营养素，对于血液、中枢神经和免疫系统，头 发、皮肤和骨骼组织以及肝、心等内脏的发育和功能有重要影响。铜主要从曰常 饮食中进入人体。过多的铜摄入可引起恶心、呕吐、上腹疼痛、急性溶血和肾小 管变形等症状。铜

21、急性中毒表现为剧烈呕吐、腹泻，并伴有腹绞痛、便血、剧烈 的头痛、 出冷汗和脉弱等现象，严重的中毒可导致休克、肝肾损害甚至死亡。可 溶性铜盐都有毒，主要因为铜离子能使蛋白质变性，使其失去生理活性。 镉不是人体的必需元素，属剧毒物质，且与其他的毒物有协同作用，可使进 入体内的其他毒物的毒性增大 9人体内的镉是出生后从外界环境中吸取的，主要 通过食物、水和空气而在人的肝、肾、胰腺和甲状腺内积累。由于肾小管的中毒 发生变性导致钙质吸收能力下降，而引起骨骼、消化道以及血管的病变，临床表 现为神经痛、肾炎、骨质疏松、贫血和内分泌失调等症状。镉还有 致癌、致畸和 致突变的作用。著名的日本 痛痛病 就是因为人

22、体内镉积累过多，引起肾功能 失调，骨质中的钙被镉取代，使骨骼弱化，极易自然骨折，疼痛难忍而得名。这 种病潜伏期长，发病后很难治疗，短则数年，长则几十年。所以水体中镉的浓度 要受到严格的控制，我国的生活饮用水卫生标准 (GB 5749-2006)已将水中镉的含 量从原来的 0.01 mg/L降低到 0.005 mg/L。 在当今众多危害人体健康和儿童智力的 罪魁 中，血铅的污染首当其冲。 铅离子可引起发生溶血，使大脑皮质兴奋，抑制正常的功能，引起一系列神经系 统症状。人体吸收铅及其化合物主要通过呼吸，摄食，镉沉积在骨豁系统中，少 量存留于肝、脾、肾、肌肉等器官和血液内。儿童、婴儿、胎儿和孕妇对铅

23、比成 人较为敏感。 2009年 8月发生了陕西凤翔儿童血铅超标事件。国家生活饮用水 卫生标准 (GB 5749-2006)已将水中铅的含量从原来的 0.01 mg/L降低到 0.005 mg/L 此外，人们发现重金属污染与赤潮现象也有一定的联系。在河口海岸地区， 上游河流与人为活动共同作用下，含有重金属和大量营养盐的物质一起被输入海 洋，使重金属成为与赤潮现象相伴随的重要原因 P， 61。 另外，有些重金属如 Cu、 Zn、Fe等是浮游植物生长需要的重要元素，起着特定的生理作用，其些金属甚 至有时候成为藻类生长的营养限制因子，因此对赤潮的形成具有重要作用。有相 关的研究表明，包括微量的重金属元

24、素同水体中的营养盐以及某些特殊的有机物 如维生素、蛋白质等的存在形式和浓度直接影响着赤潮的生长、繁殖与代谢，它 们与赤潮的形成和发展奠定着物质基础 7。 重金属污染与其他有机化合物的污染不同。不少有机化合物可以通过自然界 本身物理的、化学的或生物的净化，使有害性降低或解除，而重金属具有富集性， 很难在环境中降解。重金属污染已成为水环境面临的重要污染问题之 ，著名的 公害病 一水俣病和骨痛病就分别是由于重金属萊和镉污染引起的。重金属污 染具有存留时间长、生物富集和生物放大作用等特点，通过食物链由较低的浓度 累积到极高的浓度，直接或间接地威胁着人类的身体健康，甚至有可能引发严重 的社会问题。上世纪

25、中期，日本发生了著名的水俣事件，这是由甲基汞污染引起 的严重汞中毒。这次事件造成了几百人死亡，数千人患上中枢神经系统疾病，有 感觉异常的超过万人，日本政府用几十年的时间 来处理水俣病。近年来我国的突 发性环境污染事件骤增，其中属于重金属污染的事件占有很大的比例。自从 2008 年以来，在我国的贵州独山县、湖南辰溪县、广西河池、云南阳宗海、河南大沙 河先后发生了多起被砷污染的事件。至 2009年 8月以后，陕西的凤翔又发生了 儿童血铅超标、湖南的浏阳发现镉污染以及山东的临沂砷污染等多起重金属污染 事件 .重金属污染问题已日益严重，对污染环境的治理迫在眉睫。 自 1972年以来，我国学者相继开展了

26、渤海、黄海、东海和南海等海域重金 属污染调査研究 8-11。国外学者从 20世纪 70年代起开展了对苏格兰福斯湾 (Scotland Forth Bay)、 波罗的海 (Baltic Sea)、 孟加拉湾 (Bengal Bay)、马尼拉湾 (Manila Bay)、 阿尔及利亚湾 (Algeria Bay)、 韩国昂山湾(Korean OnshanBay)和那 不勒斯港 (Naples Harbor)等海域的重金属污染研究工作 12_15。这些研究围绕水体、 悬浮颗粒物、沉积物和水生生物的重金属含量、污染程度、污染历史，重金属在 水体中的形态和行为、重金属在生物体内的积累、重金属的环境容量和

27、污染控制 等方面开展。 1.2藻类富集重金属的研究概况 浮游填物是海洋生态系统的重要组成部分，是主要的初级生产者，它们利用 光能摄取营养盐，把无机碳转化为有机碳，并释放氧气，从而直接或间接地为海 洋中其他生物提供赖以生存的物质基础 16， 17。作为海洋中的主要初级生产者（微 藻在海洋浮游植物中占有很大的比例 ）， 微藻为其他生物提供赖以生存的物质基 础，是水产养殖区里贝类、甲壳类等经济动物的优质饵料，近年来，水产品重金 属污染事件频发，研究发现，微 藻对水体中的重金属有较强的富集作用，并通过 被摄食而进入贝类、甲壳类等生物体内。 与其他的水生生物相比，微藻对重金属的胁迫作用更加敏感，并且生长

28、周期 短、易于分离培养，可以直接观察细胞水平上的中毒症状等优点，是较为理想的 毒性实验材料 118。早在 30年代，开始对藻类与重金属关系进行研究。 30年代到 50年代的研究主要集中在金属对藻类营养方面的作用 191， 50年代以后，重金属 对藻类的毒性作用才开始引起人们的重视，其中研究最多的是 Cu对藻类的毒性 作用 2(“24。目前重金属对藻类作用的研究主要集中于藻类对金属的生物富集作用 |25_27，金属对藻类作用机理研究等方面 28。 1.2.1重金属对微藻生理生化的影响 重金属离子较低的浓度可促进微藻的生长，较高浓度则抑制其生长，这种低 浓度促进、高浓度抑制作用被认为是 Horme

29、sis效应。一般情况下，重金属对藻 类的致毒效应主要表现在 :影响藻类的生长代谢、抑制光合作用、减少细胞色素、 导致细胞畸变以及改变天然环境中藻类的种类组成，可以对藻类的 DNA、 RNA、 蛋白质合成及酶活性等方面造成影响。施国新等 29电镜观察发现，黑藻叶细胞 遭受 C，毒害初期，髙尔基体消失，内质网膨胀后解体，叶绿体中的类囊体和线 粒体中的脊突膨胀，核中染色质凝集，随着叶细胞毒害程度的加重，核仁消失、 核膜破裂，叶绿体和线粒体解体，质壁分离使胞间连丝拉断，最后细胞死亡。 微藻中可溶性糖的含量与其生长情况有关，当微藻生长状态良好，其光合能 力强盛，则合成的糖分就较多。张亚楠 3(发现绿色巴

30、夫藻 （ Poviova v/nVfc)在 重金属镉的胁迫作用下与未受镉胁迫作用相较，可溶性糖含量曾现明显的降低， 当 Cd2+浓度达到 20mg/L时，可溶性糖含量仅为空白时的 35/在重金属 Pb2+ 和 Zn2+的协同作用下，糖与藻浓度的比值与空白相比大约低 . 1。这可能是在重 金属的胁迫作用下，绿色巴夫藻的细胞受到破坏，同时重金属被吸附在藻壁上阻 碍了对其他营养物质的吸收，抑制了细胞的生长繁殖，导致了细胞内可溶性糖含 量的降低。对螺旋藻富集铬的研究实验发现，当添加 C#浓度为 200 mg/L培养 条件下对螺旋藻进行测定，提取的多糖中无机铬含量为 158 mg/kg占总铬的 10.1%,占有机铬的 11.2%311。李梅等 32对锶胁迫下的亚心形扁藻 似 生理生化的变化情况做了详细的研究，结果发现随着添加的锶离 子浓度的升高，亚心形扁藻细胞内的脂肪酸含量减少，并且种类也降低。尤其当 添加的锶离子浓度高于 0.36mmol/L时，脂肪酸种类急剧减少，细胞膜是由大量