海水养殖区底泥中重金属生物有效性、生态风险及生物毒性研究

摘要

沉积物是污染物的源和汇，是水生生态系统的重要组成部分，也是众多底栖生物的生存场所和食物来源，其中的重金属可被底栖生物直接或间接利用，再通过食物链放大，危害人体健康。沉积物中重金属污染状况及生态风险颇受关注。汞是毒性较大的重金属之一，不同形态的汞毒性差异较大，也并非所有的汞都可被生物吸收利用，对汞进行形态和生物可利用性分析有助于了解环境中汞对生物的毒性影响。本文通过加标模拟汞外源输入过程，分别对无机汞在海水沉积物中生物有效性、迁移转化过程、对底栖生物的毒性效应进行研究，并对海水养殖区底泥中重金属的生态风险进行评价。主要内容如下： （1）首先建立了海水养殖底泥中甲基汞和乙基汞的高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱（HPLC-ICP-MS）分析检测方法。选择体积比为5∶1的酸性KBr（m/v，18%）与CuSO4（1mol/L）混合溶液浸提样品，之后采用二氯甲烷（v/v=1∶1）萃取浸提液中的Hg形态，色谱柱为Zorbax Plus C18（4.6×150mm，5μm），流动相为0.1%（m/v）L-半胱氨酸、60mmol/L乙酸铵和5%（v/v）甲醇混合液（pH=4.5，1.0mL/min），等度洗脱，5min内可完成甲基汞和乙基汞的分离。优化条件下测定，甲基汞和乙基汞在0.25～10μg/L范围内线性关系良好，相关系数均大于0.9998，对沉积物样品中甲基汞和乙基汞的检出限（LOD）分别为0.3和1.2ng/g。对采集的海水养殖底泥进行汞的形态分析结果表明，底泥样品中均未检出甲基汞和乙基汞。在加标浓度5~20ng/g时，平均加标回收率为83.6%～99%，相对标准偏差（RSD）为1.6%～7.6%。方法精密度好，准确度高，可满足海水养殖沉积物中烷基汞的检测要求。 （2）通过向沉积物中滴加无机汞，模拟外源汞输入，研究其在沉积物中的生物有效性及迁移转化。分别采用单级提取法、薄膜扩散技术、离心法测定沉积物中生物有效态的汞。采用0.5mol/LCH3COONH4-0.5mol/LEDTA（样液比1∶10，250rpm振荡2h）、0.03%C2H4O2S-1/15mol/LNa2HPO4（样液比1∶10，250rpm振荡2h）提取剂单级提取、采用薄膜扩散梯度技术（DGT）被动采集（在含水率90%的沉积物中放置24h），同时采用离心法采集（4000rpm，离心15min），利用塞曼效应汞分析仪测定三种方法提取液（采集液中）Hg的含量，分析了单级提取、离心法二者与DGT法测定结果的相关性，评估沉积物中Hg的生物有效性，并利用HPLC-ICP-MS考察了外源Hg在沉积物中的形态转化。结果表明：沉积物中汞总量和外源汞在沉积物中的输入浓度、稳定时间均可对其生物有效性产生影响。在污染物浓度存在变化的情况下，存在生物扰动时0.5mol/L CH3COONH4-0.5mol/LEDTA提取法与DGT测定结果相关性较好（r=0.6877）；不存在底栖生物扰动时，0.03%TGA-1/15mol/LNa2HPO4提取法分析结果与DGT测定结果相关性较好（r=0.6322）。单级提取、离心、DGT三种方法测定的沉积物中Hg的生物有效性与沙蚕体内富集的Hg含量间均为极显著正相关关系，其中0.5mol/L CH3COONH4-0.5mol/L EDTA提取法测定结果与沙蚕体内Hg的富集量相关性较高（r=0.9707）。离心、单级提取两种方法测定的沉积物中生物可利用态Hg浓度与沙蚕体内Hg富集量具有较好的一元线性关系，且离心法测定结果与沙蚕体内Hg富集量的一元线性方程中k接近1，可用于直接估算底栖生物（沙蚕）体内污染物富集量。外源Hg在沉积物中稳定化后（老化45天），其生物有效性逐渐增加，然而在底栖生物存在14天后生物有效性降低。无论是否有底栖生物扰动，外源Hg加到沉积物后，随着时间的增加甲基汞含量都逐渐增加，底栖生物扰动下甲基汞含量增加显著；外源Hg在沉积物中的生物甲基化和化学甲基化都在起作用，与第0天相比，底栖生物扰动下沉积物中甲基汞含量较无底栖生物扰动下沉积物中甲基汞含量增加15%~102%，底栖生物活动是生物甲基化的重要因素。 （3）通过将沙蚕暴露于Hg污染沉积物中，考察暴露时间、污染物浓度对沙蚕体内Hg的富集、Hg胁迫下产生的氧化应激效应的影响。结果表明：汞易在沙蚕体内富集，富集量随暴露时间的增长和污染物浓度的增加呈现先急剧上升，后上升速度减缓，接近饱和状态的趋势，体内丙二醛含量呈持续上升趋势，体内细胞膜损伤程度不断加重。沙蚕体内分子水平的反应对于污染物的胁迫较为敏感，体内超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽含量迅速上升，以去除体内活性氧。 （4）采集柘林湾海水养殖区8个位点表层沉积物样品，考察了沉积物样品中重金属含量、生物有效性和形态分布，并分别利用基于总量的Hakanson指数法和基于形态的风险评价指数（RAC）评价了沉积物中重金属的生态危害风险。结果表明，柘林湾海水养殖区大部分位点沉积物中重金属含量符合海洋沉积物质量Ⅰ类标准限值，少数位点Zn和Pb含量超过Ⅰ类限值但低于Ⅱ类限值。沉积物中重金属的薄膜扩散梯度技术（DGT）测定浓度（CDGT）与间隙水中的浓度（CIW）对重金属生物可利用性评估状况基本一致，Zn、Ni和Pb生物可利用性较高。沉积物中Cr、Ni、Zn和Cu以残渣态为主，Cd和Pb以弱酸提取态为主。柘林湾沉积物中重金属总体存在轻度到中度生态危害风险，Cd和Pb生态危害风险较高。沉积物中Cr、Ni、Zn、Cu和Cd的CDGT与其弱酸提取态含量明显正相关，重金属弱酸提取态能较好反应其生物可利用性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 海水养殖区底泥中重金属污染状况

1.1.1 海水养殖区底泥中重金属污染来源与特点

1.1.2 重金属的危害

1.2 重金属生物有效性研究方法

1.2.1 单级提取法

1.2.2 同位素稀释法

1.2.3 道南膜技术

1.2.4 薄膜扩散梯度技术

1.3 沉积物中重金属生态风险评价

1.3.1 地积累指数法

1.3.2 沉积物富集系数法

1.3.3 潜在生态风险评价指数

1.3.4 风险评价指数法

1.4 课题研究内容

1.4.1 研究内容

1.4.2 课题创新性

第2章 海水养殖区底泥中汞形态分析

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 仪器与仪器条件

2.2.2 试剂与标准曲线

2.2.3 样品采集与处理

2.3 结果与讨论

2.3.1 ICP-MS检测条件优化

2.3.2 HPLC分离条件的优化

2.3.3 萃取方法的优化

2.4 方法特征及实际样品测定

2.4.1 线性关系与检出限

2.4.3 回收率与精密度

2.5 本章小结

第3章 海水养殖底泥中汞的生物有效性及外源汞形态转化

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 仪器与仪器条件

3.2.2 试剂与标准曲线

3.2.3 样品采集与处理

3.2.3 测定与分析

3.3 结果与讨论

3.3.1 汞外源输入在海水养殖区沉积物中的稳定化

3.3.2 底泥中汞的生物有效性提取方法

3.3.3 底泥中汞的生物有效性提取方法的适用性

3.3.4 无底栖生物扰动条件下底泥中汞的形态转化

3.3.4 底栖生物扰动对汞形态转化的影响

3.4 本章小结

第4章 海水养殖底泥中汞对沙蚕的生物毒性效应

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 仪器与试剂

4.2.2 沉积物染毒与底栖生物暴露

4.2.3 测定与分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 沙蚕对底泥中汞的吸收富集

4.3.2 底泥中汞对沙蚕的毒性效应

4.4 本章小结

第5章 海水养殖区底泥中重金属生物有效性及生态风险评价

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 仪器与试剂

5.2.2 样品采集与预处理

5.2.3 测定与分析

5.3 结果与讨论

5.3.1 沉积物中重金属含量及理化性质

5.3.2 沉积物中重金属生物有效态含量

5.3.3 沉积物中重金属的补给能力

5.3.4 沉积物中重金属的形态分布

5.3.5 沉积物中重金属生态风险评价

5.3.6 讨论

5 .4 本章小结

结论及研究展望

展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录