1、生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第 18 卷 第 5 期 2023 年 10 月Vol.18,No.5 Oct.2023 基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(PM-zx097-202104-089);国家自然科学基金青年项目(42107468);广州市科技计划项目(202201010150)第一作者:张敏(1994),女,硕士研究生,研究方向为生态风险评价,E-mail: *通信作者(Corresponding author),E-mail:huguochengscies.org#共同通信作者(Co-corresponding author
2、),E-mail:DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20221221001张敏,陈小霞,潘俊,等.鄂尔多斯国家级自然保护区水鸟体内重金属的组织分布及潜在来源J.生态毒理学报,2023,18(5):218-226Zhang M,Chen X X,Pan J,et al.Tissue distribution and potential sources of heavy metals in waterbirds in Ordos National Nature Reserve J.AsianJournal of Ecotoxicology,2023,18(5):218-226(i
3、n Chinese)鄂尔多斯国家级自然保护区水鸟体内重金属的组织分布及潜在来源张敏1,2,陈小霞1,2,潘俊1,2,罗豪杰2,张琪2,蔡丹2,李廷真1,#,胡国成1,2,*1.重庆三峡学院环境与化学工程学院,万州 4041302.生态环境部华南环境科学研究所,国家环境保护环境污染健康风险评价重点实验室,广州 510535收稿日期:2022-12-21 录用日期:2023-02-08摘要:水鸟通常栖息在湿地,属于食物链中的高级消费者,重金属很容易在水鸟体内积累。为了解鄂尔多斯国家级自然保护区水鸟体内的重金属累积、分布特征及其潜在来源,评估潜在毒性,对鄂尔多斯保护区水鸟体内不同组织(肌肉、肝脏和肾
4、脏)中的重金属锌(Zn)、铜(Cu)、铅(Pb)、镉(Cd)和锰(Mn)含量进行分析。采用多元分析方法解析重金属潜在来源,使用毒性阈值评估重金属的潜在毒性。结果表明:(1)各重金属平均含量为 Zn(79.73 mg kg-1)(以干质量计,下同)Cu(35.80 mg kg-1)Mn(5.64mg kg-1)Cd(2.5 mg kg-1)Pb(0.75 mg kg-1),其主要累积器官是肝脏和肾脏;水鸟中 Zn、Cu 和 Mn 含量存在显著的种间差异(PCu(35.80mg kg-1)Mn(5.64 mg kg-1)Cd(2.5 mg kg-1)Pb(0.75 mg kg-1),and hea
5、vy metals were preferential accu-mulated in the liver and the kidney of waterbirds.A significant interspecific difference was found for levels of Zn,Cu,and Mn among waterfowls(P0.05).The distribution characteristics of different heavy metals in the tissues ofwaterbirds varied greatly.(2)the sources
6、of Zn,Cu,and Mn in waterbirds may be related to the emissions of themfrom the nearby industrial productions and agricultural activities,while the sources of Cd and Pb may be related tothe pollutions from the agricultural activities(including cultivation,fertilization and livestock breeding).(3)Cd wa
7、sthe only element with concentration exceeding the toxicity threshold in this study and was potentially toxic towaterbirds in this reserve area.Therefore,in order to reduce the potential health hazards caused by heavy metals inthis area,the prevention and control system for Cd should be established.
8、Keywords:heavy metals;waterbirds;tissue distribution;potential sources;toxicity assessment 随着经济发展和人类活动的增加,环境中重金属污染程度日益加剧。经调查研究发现,重金属广泛存在于水环境中,且具有一定的环境持久性、生物累积性和毒性1-2。研究表明,大多数金属可在野生生物中积累,并通过食物链转移3,危害生态环境健康4-5。例如,环境浓度的 Pb 和 Cd 会导致野生鸟类的产蛋量减少、孵化率下降和孵化死亡率增加,并改变鸟类的行为反应6-9。水鸟类常处于食物链顶端,且其栖息地、越冬地以及迁徙地,特别容易受到
9、重金属污染7,10。其体内的重金属水平和组织分布,可提供有关污染物对动物和人类影响的重要信息。因此,可将水鸟用于环境污染的指示生物4,10。研究表明,不同水鸟的不同组织对不同重金属元素的积累能力是存在差异的10。例如,在赤膀鸭中,铬(Cr)和镍(Ni)主要分布在肌肉组织中,Cd 主要分布在肾脏中,Cu 主要分布在肌肉和肝脏中,Zn 主要分布在肝脏和胸骨中,铁(Fe)主要分布在肝脏中11。另外,研究还发现一些重金属(Cr、Cu、Pb 和 Zn)元素在不同水鸟中存在种间差异12。然而,目前关于重金属在野生水鸟组织中的积累和分布方面报道甚少。内蒙古自治区鄂尔多斯市拥有煤炭、钢铁、冶金等多项支柱产业。
10、工业迅速发展的同时,企业生产时产生的大量工业废水对周边环境造成一定污染。例如,孙锐等13研究发现鄂尔多斯高原煤矿土壤中汞(Hg)、钒(V)、Cr、Cu、Zn、Cd、Pb 的浓度水平均超过自治区的背景值,其浓度主要受煤炭开采、化石燃料燃烧和大气交通的影响。此外,内蒙古鄂尔多斯遗鸥国家级自然保护区(以下简称鄂尔多斯保护区)是中国干旱和半干旱地区唯一被列入世界湿地名录的湿地,也是保护遗鸥的重要湿地。遗鸥是该湿地的优势物种14。据了解,重金属在该湿地不同水鸟的累积分布研究较少,其可能的来源也不清晰。因此,有必要评估不同重金属元素(如 Zn、Cu、Pb、Cd 和Mn)在内蒙古鄂尔多斯自然保护区不同水鸟的
11、污染特征,并分析其潜在来源,评估其潜在毒性,为水鸟保护和管理及当地环境污染现状提供科学材料支撑。1 材料与方法(Materials and methods)1.1 研究区域鄂尔多斯保护区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市,距离东胜市区约 45 km,属于泊江海子镇和苏布尔嘎苏木境内。地理位置为东经 10914 10923,北纬 3925 340015。该保护区东西宽约 12km,南北长度为 15 km,总体呈现不规则的长方形,保护区总面积约为 14 770 hm2 15。该保护区是遗鸥等水鸟主要的栖息地、繁殖地、迁徙地14,16。1.2 样品采集2007 年 8 月,在鄂尔多斯保护区共采集到 4 种水
12、鸟,分别为赤麻鸭、赤膀鸭、遗鸥和黑翅长脚鹬。由于某些物种属于濒危物种,样本量有限。各水鸟详细描述见表 1。研究中的水鸟被发现时已死亡或在采集后不久死亡,这可能与霍乱、交通事故和饥饿有关17。解剖水鸟的肌肉、肝脏和肾脏组织,共 48个样本。收集到的样本进行冷冻干燥,用搅碎机研220 生态毒理学报第 18 卷磨成粉末后,放于聚乙烯密实袋并保存在-20,直到进一步分析。1.3 金属含量测定Zn、Cu、Pb、Cd 和 Mn 的测定:取干组织样品0.3g 置于聚四氟乙烯(PTFE)消解管中,加入硝酸(HNO3)过氧化氢(H2O2)=5 1(VV)的混合液 6?mL,摇匀拧紧后放入微波消解仪中进行消解,并
13、用微波消解系统加热消解2 h18。具体消解步骤如下:采用电热板进行消解(初始温度为室温,升温时间30 min,升温到 180,保持时间视样品消解情况而定(120 150 min,开盖赶酸),直至样品消解为基本澄清透明液体。为避免样品蒸干,可在样品赶酸至小体积时反复加水赶酸;消解结束后进行冷却,样品用超纯水定容至 25 mL 待用,同时做试剂空白试验(无样品,加入等量的酸),然后通过 0.45 m 滤膜过滤,保存待测。采用日立 Z-2300 型偏振塞曼原子吸收分光光度计(AAS)分析测定其含量。1.4 质量控制分析过程中使用的所有玻璃器皿都用稀硝酸溶液(0.1%VV)处理以防止污染。用试剂空白测
14、定?法校正仪器误差。采用空白的 3 倍标准偏差估计检出限19。Zn、Cu、Pb、Cd 和 Mn 的检出限分别为1.46、0.24、0.28、0.02 和 0.67 ngg-1(以干质量计,下同)。采用生物标准品(GBW10010 GBW10019)(国家标准品研究中心)对分析方法进行质量控制。标准样品回收率为 90%110%,当平行重复率 10%,平行样分析误差5%时,分析结果是可靠的。1.5 多元统计方法采用统计学方法对水鸟中重金属来源进行解析。用 Pearson 方法确定元素间的相关性分析(cor-rection analysis,CA)可以计算重金属间的相关程度,以此可能判断各种重金属是
15、否同源20。聚类分析(cluster analysis,CA)是将研究对象按相似关系归类划分的过程,变量之间的距离可以衡量变量间的相似关系,距离近的样品可归为一类21,其距离越近表明两者越相似。主成分分析方法(principal compo-nent analysis,PCA)可从多个原始变量中计算出主导成分,并给出相关性较大的影响因子,为重金属源解析提供数据支撑22。1.6 数据分析数据采用 SPSS 25.0 进行统计分析。为了进行统计分析,选择检出率高于 60%的样品,低于检出限(LOD)的值被视为 LOD/2。用 Shapiro-Wilk 检验正态性。符合非正态分布数据,采用 Man-
16、WhitneyU 检验分析组织差异性,Kruskal-Wallis 检验分析种间差异性。符合正态分布的数据,采用独立样本t检验分析组织和种间差异性。为了与其他研究作比较,本研究采用干质量数据进行较。用 Pearson 方法确定元素间的相关性。此研究中,显著性标准设定为PCuMnPbCd;肝脏为 ZnCuMnCdPb,肾脏为 ZnCuCdMnPb。水鸟肌肉、肝脏和肾脏组织中的重金属含量存在显著差异(P0.05)。此外,在肝组织中发现了高含量的 Zn(100.40 mgkg-1)、Cu(59.52 mgkg-1)、Mn(7.82 mg kg-1),而在肾组织中发现了高含量的 Pb(1.25 mg
17、kg-1)、Cd(8.09 mg kg-1)。这些结果表明,重金属很容易在水鸟的肝脏和肾脏中积累23-24。表 1 鄂尔多斯保护区水鸟的样本信息Table 1 Sample information of the waterbirds from Ordos Reserve物种Species拉丁学名Latin name数量Number体质量/gWeight/g食性Feeding赤麻鸭Ruddy shelduckTadorna ferruginea61 190.0杂食Omnivorous diet赤膀鸭GadwallMareca strepera4975.0植食Phytophagy遗鸥Relic g
18、ullIchthyaetus relictus3317.0杂食Omnivorous diet黑翅长脚鹬Black-winged stiltHimantopus himantopus3249.0动物性食物为食Animal food as a diet第 5 期张敏等:鄂尔多斯国家级自然保护区水鸟体内重金属的组织分布及潜在来源221 Zn 是鄂尔多斯保护区水鸟体内的第一大主要元素,其肌肉、肝脏和肾脏中含量范围分别为 32.70133.14、34.56 196.15、68.61 110.52 mgkg-1(表3)。与其他研究相比,水鸟组织中的 Zn 含量低于美国(21 390 mg kg-1)25和
19、西班牙(83.64 296.2 mgkg-126;78 243 mg kg-1 27)。本研究中赤膀鸭肝脏中的 Zn 含量最高,与 Taggart 等19研究一致,这可能与血液中的金属含量有关28。同一组织不同水鸟中Zn 含量水平存在种间差异。在肝脏和肾脏中,赤麻鸭和赤膀鸭中的 Zn 含量显著高于其他物种(P0.05);?在肌肉中,遗鸥和黑翅长脚鹬中的 Zn 含量显著高于其他物种(P0.05)。Zn 在组织分布上存在显著性差?异,即肝脏和肾脏中 Zn 含量显著高于肌肉(P0.05)。Cu 是鄂尔多斯保护区水鸟体内的第二大主要元素,其含量范围为 5.40 190.83 mgkg-1(表 3)。与
20、其他国家相比,本研究中水鸟肝脏 Cu 含量水平(14.94 104.67 mgkg-1)与西班牙观察到的含量水平相当(19 138 mgkg-1)27。Cu 在肝脏中存在种间差异,即赤麻鸭和赤膀鸭肝脏中的 Cu 含量显著高于其余物种。Cu 在组织分布上存在显著性差异。例如,肝脏组织中的 Cu 含量最高,且显著高于肌肉和肾脏组织(P0.05),这与之前研究相似31-32。Pb 在?组织分布上存在显著性差异,即肾脏中 Pb 含量显著高于肝脏(P0.05)。除了 Pb 和 Hg,Cd 被认为是毒性最强的金属之一。本研究中 Cd 在水鸟中的含量范围为 ND 43.33 mg kg-1(表 3),其含量
21、水平高于西班牙(0.27 2.28 mg kg-1)26和奥地利(0.64 2.64 mgkg-1)33,但低于美国水鸟组织中的 Cd 含量(0.1 98.92 mg kg-1)25。不同地区的水鸟对 Cd 元素的累积水平存在差异,这可能与栖息地30、物种和营养水平有关26。赤麻鸭、赤膀鸭、遗鸥和黑翅长脚鹬中 Cd 含量分布模式表明,肾脏是 Cd 累积的主要器官(这种金属有时被称为肾毒素),其次是肝脏,最后是肌肉,这与之前的研究一致10,29,34。由表 3 可知,Mn 在水鸟肌肉、肝脏和肾脏中的含量范围分别为 0.22 10.26 mgkg-1,1.48 11.61mg kg-1和 5.59
22、 9.82 mgkg-1。与其他国家相比,Mn 在我国鄂尔多斯保护区水鸟肝脏中的平均含量(6.85 10.86 mgkg-1)与西班牙(9.4 15 mgkg-1)27、日本(7.60 16.60 mg kg-1)35和韩国(6.92 17.7 mg kg-1)31水鸟相当。本研究发现,Mn 元素在肌肉上存在种间差异,即遗鸥和黑翅长脚鹬中的 Mn含量显著高于赤麻鸭和赤膀鸭(P0.05)。Mn 元素在?组织上存在显著性差异(P0.05)。例如,肾脏和肝脏?中的含量水平显著高于肌肉(P0.5)和 Bartlett 球形度检验(0.000.05),结果表明适合进行主成分分析。聚类分析(CA)对PCA
23、 结果进行验证,如图 1 和图 2 所示,CA 的分析结果与 PCA 分析结果吻合。如 PCA 分析结果所示,共提取 2 个主成分,其特征值分别为 2.18 和1.41,累积方差贡献率为 71.9%。第一主成分(PC1)的方差贡献率为 43.63%,其Zn(0.921)、Cu(0.720)和 Mn(0.831)载荷较高,且根据相关性分析(表 5),Zn 与 Cu 和 Mn 之间显著相关,Cu 与 Mn 之间存在正相关,表明这些重金属元素可能有相似的来源。通过调查发现,内蒙古自治区有色金属采选业企业数量多,其中铅锌矿采选企业数量最多,铜矿采选次之41-42,导致 Zn 和 Cu 含量高的原因所在
24、。由此推断,湿地中 Zn 和 Cu 的来源与当地金属矿业污染有密切关系。Mn 是重要的肥料微量元素之一,在畜牧养殖中,常在饲料中添加硫酸锰来促进牲畜良好发育43,同时牲畜活动会破坏土壤稳定性,导致排泄物更容易随着下渗或雨水一起将锰元素带入河流中。在农业种植活动中,农药与化肥中的 Mn 元素的释放与迁移会导致土壤中 Mn含量升高,并随灌溉浸出进入水体,造成污染44。据图 1 PCA 的因子载荷图Fig.1 Biplot of PC loadings based on PCA图 2 水鸟中重金属聚类分析Fig.2 Cluster analysis of heavy metals in waterb
25、irds表 5 鄂尔多斯保护区水鸟重金属相关性分析Table 5 The correlations among heavy metals of waterbirds from Ordos ReserveZnCuPbCdMnZn1.000Cu0.582*1.000Pb-0.109-0.2521.000Cd0.256-0.0960.2841.000Mn0.689*0.356*-0.0340.3841.000注:*显著性水平为 0.05,*显著性水平为 0.01。Note:*correlation is significant at the 0.05 level;*correlation is si
26、gnificant at the 0.01 level.224 生态毒理学报第 18 卷调查发现,该保护区流域内耕地面积约为 45 km2,农作物主要为玉米,主要产业为畜牧业45。由此可见,Mn 元素可能来源于畜牧业和耕植施肥等农业活动的输入。故 Zn、Cu 和 Mn 这3 种元素可能与工业和农业活动有关。第二主成分(PC2)的方差贡献率为 28.27%,其Pb(0.763)和 Cd(0.787)载荷高。刘亚军等46研究结果表明 Pb 和 Cd 通常受到人工源输入影响,其源解析分析表明内蒙古土壤中的 Pb、Zn、Cd、Cu 含量主要受尾矿渣的影响47-49。因此,Pd 和 Cd 可能均与工业活
27、动有关。综上所述,本研究表明:(1)本研究发现鄂尔多斯保护区水鸟体内可累积重金属(Zn、Cu、Pb、Cd、Mn),其肝组织中 Zn、Cu和 Mn 含量最高,肾组织中 Pb 和 Cd 含量最高。4种水鸟中 Pb 和 Cd 未达到差异显著水平,但 Zn、Cu和 Mn 含量水平存在种间差异。(2)水鸟中的 Zn、Cu 和 Pb 含量水平远低于安全值,但值得注意的是,6 个样本中的 Cd 含量水平高于安全值,这可能会对水鸟造成潜在威胁。(3)通过多元统计分析结果可知,水鸟中的 Zn、Cu 和 Mn 可能与工业和农业活动有关,Pb 和 Cd 均与工业活动有关。通信作者简介:胡国成(1978),男,博士,
28、正高级工程师,主要研究方向为环境健康与环境毒理学。共同通信作者简介:李廷真(1978),男,博士,教授,主要研究方向为环境化学领域污染控制技术。参考文献(References):1 Fu J,Zhao C P,Luo Y P,et al.Heavy metals in surfacesediments of the Jialu River,China:Their relations to en-vironmental factors J.Journal of Hazardous Materials,2014,270:102-1092 Barlas N,Akbulut N,Aydogan M.A
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