魁蚶对3种重金属生物富集动力学研究

李 晓，王 颖，吴志宏，刘天红，孙元芹

( 山东省海洋生物研究院，山东 青岛 266100 )

魁蚶对3种重金属生物富集动力学研究

李 晓，王 颖，吴志宏，刘天红，孙元芹

( 山东省海洋生物研究院，山东 青岛 266100 )

以魁蚶为研究对象，应用半静态双箱动力学模型，模拟魁蚶对3种重金属As、Cd、Pb的生物富集试验，对魁蚶体内重金属含量进行检测，并进行非线性拟合，试验结果表明，魁蚶在GB 3097-1997二类水质标准下富集重金属的动力学常数分别为无机砷38.97，铅1039.88，镉1566.80；富集能力依次为镉>铅>无机砷；生物学半衰期分别为无机砷20.5 d，铅15.4 d，镉21.3 d。结合NY 5135-2005 《无公害食品 蚶》的安全限量，通过生物富集系数换算得到魁蚶养殖水体中3种重金属安全限量分别为无机砷0.02900 mg/L、铅0.00096 mg/L、镉0.00064 mg/L，可为制定的养殖魁蚶水质标准中安全限量提供科学依据。

魁蚶；重金属；安全限量

魁蚶(Scapharcabroughtonii)俗称赤贝，为冷水性贝类，我国山东及辽宁沿海均有分布，以黄海北部较多[1]。魁蚶成体个大体肥，营养丰富，是颇受欢迎的经济价值较高的贝类。其斧足加工后称为蝴蝶贝，是出口创汇率较高的海珍品之一。

双壳贝类属滤食性生物，对一些重金属离子有高度富集作用[2-3]。多数重金属毒性较大，微量即可对生物产生毒性效应，有些重金属还可在微生物作用下转化为毒性更强的金属化合物[4]。由于双壳贝类用于代谢的混合氧化系统存在缺陷，导致其对污染物的释放比鱼类和甲壳类慢，对重金属富集程度较高[5-7]。海湾扇贝(Argopectenirradians)[8]、长牡蛎(Crassostreagigas)[9]、紫贻贝(Mytilusedulis)[10]等对重金属的富集试验已有诸多报道，但关于魁蚶对重金属富集的研究尚不多见。

现行海水水质标准的重金属限量是以水生生物重金属毒性试验数据结合相应安全系数制定的，而生物体(蚶)残留量标准的重金属含量是以重金属对小白鼠等生物毒性兼顾对人体毒性吸收换算制定的[11]。魁蚶在符合标准的水质中养殖，体内的重金属含量可能并不符合相应食用标准限量，标准之间未能有效衔接。本文采用半静态双箱动力学模型，量化3种重金属在魁蚶体内的生物富集系数，结合食品安全限量标准，推算养殖水体中的As、Cd、Pb 安全限量建议值，为魁蚶增养殖工作提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料

用去离子水配置As、Cd、Pb储备液，质量浓度分别为810、135、135 mg/L，与海水混合至所需质量浓度。

试验海水经自然海水逐级沉淀后经砂滤池处理制得，pH 7.96～8.20，盐度31.18±0.34，氨氮2.97～4.54 mg/L，亚硝酸盐0.005～0.010 mg/L，溶解氧>6.0 mg/L；重金属本底值：砷0.905 μg/L，镉0.127 μg/L，铅0.975 μg/L，均符合GB 3097—1997国家一类海水标准[12]。

魁蚶采自荣成海域，2龄，壳长(50.47±1.93)mm，壳宽(29.28±1.39) mm，壳高(37.72±2.17) mm，质量(26.01±1.61) g。

1.2 试验方法

1.2.1 魁蚶的暂养

清除魁蚶表面附着物，水泥池中暂养2周，保持水温(12.0±0.7) ℃，pH 8.14±0.03，充气，自然光照(2000～3000 lx)。每日8：00投喂小球藻(Chlorellavulgaris)，及时清除死亡个体。

1.2.2 生物富集试验

300 L水族箱11个，水体均为270 L，挑选规格一致、活力强的魁蚶，每箱放入150只。设空白对照2组，处理组按每种重金属各设3组平行，质量浓度设置参照GB 3097—1997中二类海水限量标准，即：砷质量浓度0.030 mg/L，铅质量浓度0.005 mg/L，镉质量浓度0.005 mg/L，配制时扣除海水本底。采取半静态法，每24 h更换海水。试验分富集和代谢2个阶段。富集阶段持续35 d，之后将各处理组魁蚶移入自然海水继续养殖35 d。

试验期间保持自然光照(2000～3000 lx)，水温(19.25±0.86) ℃。每日8：00和17：00投喂小球藻(其中重金属含量均小于自然海水中相应本底值，在生物富集中的作用忽略不计)。

1.2.3 试验取样及预处理

第0、5、10、15、20、25、30、35、40、50、55、65、70 d分别取样，每箱每次取样5只，-20 ℃保存。

分析前，将魁蚶解至半冻，软体部打浆，均分为3份，样品密封待测。

1.3 分析方法

水体中重金属按照GB 17378.4—2007 《海洋监测规范 第4部分：海水分析》[13]中相应方法进行测定；生物样品重金属含量分别按照GB/T 5009.11—2003《食品中总砷及无机砷的测定》[14]、GB/T 5009.12—2003《食品中铅的测定》[15]、GB/T 5009.15—2003 《食品中镉的测定》[16]中相应方法进行测定。

1.4 生物富集双箱动力学模型[17-20]

试验的2个阶段用方程描述为：

富集阶段(0

代谢阶段(t>t*)：

式中，t*为富集阶段结束的天数(35 d)；C0为试验开始前魁蚶体内金属含量(mg/kg干质量)；CW为水体中金属含量(mg/L)；CA为魁蚶体内金属含量(mg/kg干质量)；k1为生物吸收速率常数；k2为生物排出速率常数。

2 结 果

2.1 魁蚶对无机砷、铅、镉的生物富集曲线

根据样本检测结果，分别富集和代谢阶段的相应公式进行拟合，得到魁蚶体内重金属含量与时间的拟合曲线。

图1 魁蚶对无机砷的生物富集曲线

2.2 魁蚶对无机砷、铅、镉的生物富集动力学参数

表1 魁蚶对砷、镉、铅的富集动力学参数

图2 魁蚶对铅的生物富集曲线

图3 魁蚶对镉的生物富集曲线

由表1可知，3种重金属在魁蚶体内的生物富集系数分别为无机砷38.97，铅1039.88，镉1568.80；生物学半衰期分别为砷20.5 d，铅15.4 d，镉21.3 d。魁蚶对3种重金属的富集能力为镉>铅>无机砷，代谢能力为铅>无机砷>镉。

2.3 养殖水体中砷、铅、镉安全限量

魁蚶在二类水质标准下养殖35 d，软体中无机砷、铅、镉的最高含量分别达到1.9671、2.5946 、7.2222 mg/kg。经富集处理的魁蚶即便在重金属质量浓度很低的海水中代谢35 d，软体中无机砷、铅、镉的残留量分别为0.4058、1.3515、3.1341 mg/kg(表2)。

表2 NY 5135—2005与本研究得到的魁蚶体内无机砷、铅、镉的含量比较 mg/kg

根据NY 5135—2005 《无公害食品 蚶》[21]的安全限量(无机砷≤1.0 mg/kg，铅≤1.0 mg/kg，镉≤1.0 mg/kg)，结合生物富集系数换算得魁蚶养殖水体中3种重金属安全限量分别为0.02900、0.00096、0.00064 mg/L(表3)。

表3 GB 3097—1997与本研究得到的魁蚶养殖水体中砷、铅、镉的安全限量比较 mg/L

3 讨 论

3.1 魁蚶对3种重金属的富集与代谢能力

不同种类的海洋贝类对重金属富集的能力存在差异[22]。菲律宾蛤仔(Ruditapesphilippinarum)对砷的富集量低，且富集和排出均无明显规律[23]；菲律宾蛤仔对重金属的富集能力依次为铅>铜>镉>锌[4]；长牡蛎对重金属的富集能力为汞>铅>镉>砷[9]；紫贻贝对砷的富集系数为15.41(质量浓度100 μg/L)，相同质量浓度下对镉的富集系数可达到851.3，而对其他重金属的富集能力也很强，富集能力为汞>镉>铅>砷[10]。本研究表明，魁蚶对无机砷富集能力较低，富集系数为38.97(质量浓度为30 μg/L)，富集能力依次为镉>铅>无机砷。

泥蚶(Tegillarcagranosa)[24]在二类水质标准下，对铅、镉的富集系数分别为1712.6(铅质量浓度为5.1 μg/L)、1873.7(镉质量浓度为6.32 μg/L)；2种重金属在泥蚶体内的半衰期分别为106.6 d(铅质量浓度为5.1 μg/L)，91.2 d(镉质量浓度为6.32 μg/L)。魁蚶对铅、镉的富集能力与泥蚶相似，但代谢能力均要较泥蚶强。两者对同种重金属富集能力相同，而代谢能力不同，这表明对同种重金属的积累差异与贝类种属有关[25]。这可能是与不同种属贝类体内金属硫蛋白的含量有关[26]。研究结果表明，重金属能诱导金属硫蛋白合成，同时金属硫蛋白又可以调节重金属在贝类体内的平衡[27-28]。随着贝类体内的铅、镉等重金属含量的升高，重金属会使得巯基组氨酸三甲基内盐在贝类体内达到饱和，过高含量的重金属离子会促进新的巯基组氨酸三甲基内盐的mRNA的转译。由于重金属结合到巯基组氨酸三甲基内盐上大部分没有毒性，因而重金属可以在贝类体内有较高含量的累积[29-30]。

3.2 魁蚶养殖水体中砷、铅、镉安全限量讨论

GB 3097—1997海水水质标准中对二类水质的描述为适用于水产养殖区，即在二类水质下养殖的魁蚶应该符合食用标准。本研究在二类水质标准下养殖魁蚶35 d，软体中无机砷、铅、镉的最高含量均超过了NY 5135—2005 《无公害食品 蚶》的相应限量(表3)，即便在重金属含量很低的海水中代谢35 d，软体中无机砷、铅、镉的残留量仍较相应限量高。在符合养殖的水质标准下的魁蚶体内重金属残留并不符合相应生物体残留限量标准；结合NY 5135—2005 《无公害食品 蚶》的安全限量，通过生物富集系数换算出魁蚶养殖水体中3种重金属安全限量分别为0.02900 mg/L，0.00096 mg/L，0.00064 mg/L。而GB 3097—1997海水二类限量分别为本研究得到限量的1.01倍，5.56倍，7.84倍。2个标准之间缺少有效衔接。

目前，我国对海水养殖水体环境的重金属进行了限量，但具体到特定养殖品种并无相应规定。由于生物多样性，重金属代谢复杂性等诸多因素，有关养殖水体中重金属安全限量的标准尚未统一。因此，开展魁蚶对重金属富集能力的研究，针对水环境中重金属限量标准和生物体残留限量标准的一致性做出判断，为相应标准的进一步修订和完善有积极的意义，进而能服务于魁蚶养殖产业及销售出口产业的发展[31]。

4 结 论

魁蚶在GB 3097—1997二类水质标准下养殖35 d内，体内无机砷、铅、镉的平均富集速度分别为0.051、0.060、 0.181 mg/(kg·d)；代谢35 d内，魁蚶对无机砷、铅、镉的代谢速度分别为0.0446、0.0355、0.1168 mg/(kg·d)。应用半静态双箱动力学模型，得到魁蚶对无机砷、铅、镉的生物富集系数分别为无机砷38.97，铅1039.88，镉1568.80；富集能力依次为镉>铅>无机砷；生物半衰期分别为无机砷20.5 d，铅15.4 d，镉21.3 d。

结合NY 5135—2005 《无公害食品 蚶》的安全限量，通过生物富集系数换算得到魁蚶养殖水体中3种重金属安全限量分别为无机砷0.02900 mg/L，铅0.00096 mg/L，镉0.00064 mg/L，可为制定的养殖魁蚶水质标准中安全限量提供科学依据。

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SafetyLevelsofThreeHeavyMetalsinClamScapharcabroughtoniiCulturingWater

LI Xiao，WANG Ying，WU Zhihong，LIU Tianhong，SUN Yuanqin

( Marine Biology Institute of Shandong Province，Qingdao 266100，China )

The bio-concentration and elimination of As, Cd and Pb in the tissue of clamScapharcabroughtoniiwere investigated in double-boxes kinetic model in order to provide reference for aquaculture practices safety levels. A semi-static system was maintained throughout a 35-day exposure period in different concentrations of heavy metals. The aquaculture water concentrations of heavy metals were set according to the national second-class seawater standard (GB 3097—1997), removing the background values in natural seawater. Then, the test organism was transferred to clean seawater for a elimination period of 35 days. The results showed that the bio-concentration factor (BCF) was 38.97 for inorganic arsenic, 1029.88 for Pb and 568.80 for Cd. The accumulation ability order was expressed as Cd>Pb>inorganic arsenic. And the biological half-life (B1/2) was 20.5 d for inorganic arsenic, 15.4 d for Pb and 21.3 d for cd. In this study, under the national second-class seawater standard (GB 3097—1997)，the maximal content of heavy metals in the tissue of the clam was inorganic arsenic 1.9671 mg/kg, Pb 2.5946 mg/kg and Cd 7.2222 mg/kg. Combined with the safe limit of NY 5135—2005, three kinds of heavy metal safety limited converted from BCF: 0.02900 mg/L in inorganic arsenic, 0.00096 mg/L in Pb, 0.00064 mg/L in Cd. The findings can provide scientific basis for the safety limits of the culture water quality.

Scapharcabroughtonii；heavy metal；safety level

10.16378/j.cnki.1003-1111.2016.05.021

S968.314

A

1003-1111(2016)05-0578-05

2015-03-25；

2016-02-16.

海洋公益性行业专项经费资助项目(201505030-7).

李晓(1985—)，女，助理研究员；研究方向：水产品加工与安全.E-mail：lixiaohappy9@163.com.通讯作者：王颖(1971—)，女，研究员；研究方向：水产品加工与质量控制. E-mail: food_rc@sina.com.