利用中型实验系统（Mesocosm）定量分析入侵双壳类亚洲蚬（*Corbicula fluminea*）体内重金属生物累积

《Environmental Challenges》：Quantifying Heavy Metal Bioaccumulation in an Invasive Bivalve Asian Clam ( Corbicula fluminea) using a Mesocosm Experimental Approach

　　

摘要

研究人员对城市工业水体环境水及底栖沉积物中铜（Cu）和锌（Zn）的重金属污染状况进行了表征。通过实验室规模的中型实验系统（mesocosm）实验，研究人员考察了双壳类动物*Corbicula fluminea*软组织及硬组织（贝壳）中金属生物累积的潜力。每个中型实验系统（mesocosm）在环境条件（17°C）下，分别添加特定浓度的Cu（1.3 mg/l、2.6 mg/l、3.9 mg/l）、Zn（5 mg/l、10 mg/l、15 mg/l）以及Cu和Zn的联合处理（1.3 mg/l 与 5 mg/l；2.6 mg/l 与 10 mg/l；3.9 mg/l 与 15 mg/l）。软组织中的生物累积量随水体中重金属浓度的增加而成比例增加，尽管观察到的水平仍处于世界卫生组织（WHO）指南范围内，且随时间变化不显著。Cu和Zn的生物累积遵循一级动力学关联，观测值与估算值之间具有指示性的一致性。在所研究的条件下，Cu表现出比Zn更高的累积趋势。在硬组织（贝壳）中，对照组和处理组的金属浓度均持续高于软组织，表明其相对于水相中金属浓度存在成比例的生物累积。对照组中的高水平反映了蚬在实验前于自然环境中整个生命周期内已在贝壳内累积了金属。贝壳中的Cu和Zn生物累积也遵循一级动力学关联。本研究强调了确定合适生物指示物以监测和管理重金属污染的必要性。研究结果还表明，*Corbicula fluminea*可作为淡水生态系统中重金属污染及污染物迁移途径的潜在生物指示物。

基于中型实验系统（Mesocosm）的入侵双壳类亚洲蚬（*Corbicula fluminea*）重金属生物累积定量研究解读

**1. 研究背景与问题**

河流生态系统的重金属污染是一个全球性的环境问题，尤其在历史遗留污染场地尤为突出。当金属组分在水生生物组织内累积并对人类健康和 aquatic 生态系统的长期完整性构成潜在威胁时，这一问题变得尤为重要。尽管存在必需金属与非必需金属之分，但任何金属浓度超过特定限值都可能对人体造成伤害，例如高浓度铜（Cu）暴露可导致人类胃部不适、无尿、黄疸和肝脏疾病，而高浓度锌（Zn）暴露则可引起恶心、呕吐、上腹疼痛、腹泻、中枢神经系统紊乱、肺部疾病、金属烟热和前列腺癌等。

对水生生态系统中重金属生物可利用性及其生物累积潜力的监测需求，源于与界面间质量传递和特定重金属累积相关的人类健康与环境担忧。然而，环境水体中的金属浓度在大多数时候通常低于分析仪器的检测限，使得不规则的水样采集在表征金属污染方面效率低下。在此类情况下，水生生物因其终生暴露于环境污染物并可能累积金属及其他有毒化合物，可被用作重金属污染的生物指示物。沉积物测量存在局限性，因为通过吸附作用结合到底质上的污染物可能无法被水生生物利用。

**2. 研究目标与意义**

*Corbicula fluminea*是一种原产于东亚、澳大利亚和非洲的淡水双壳类动物，已广泛引入南美洲、北美洲和欧洲，在许多地方因意外释放而被视为入侵物种。该物种于1998年在英国诺福克布罗兹首次记录，随后扩散至泰晤士河、大乌斯河、特伦特河、塔尔伯特港和梅德韦河。鉴于其硬壳可作为长期环境变化生物监测器和档案，且已知重金属在双壳类软组织和硬质碳酸钙壳中的累积存在差异，本研究旨在利用一系列实验室规模的中型实验系统（mesocosm）实验，评估*C. fluminea*软组织和硬组织（壳）中的金属生物累积。研究的四个具体目标是：量化野外研究点环境水、底栖沉积物及*C. fluminea*软硬组织样本中的Cu和Zn浓度；量化实验室中型实验系统（mesocosm）中*C. fluminea*软硬组织的短期Cu和Zn累积；将数据拟合至经过实验验证的*C. fluminea* Cu和Zn生物累积动力学理论模型；比较短期生物累积与实验开始前硬组织内已有累积量。

**3. 主要关键技术方法**

本研究采集自英国莱斯特郡拉夫堡大联合运河的野外样本，包括水样、沉积物和*C. fluminea*样本。水样经0.2 μm尼龙注射器过滤器过滤并用65% HNO₃酸化至pH<2后，采用X射线荧光（XRF）分析测定元素组成；沉积物样本经干燥、研磨、过筛后，采用王水（3:1浓盐酸:浓硝酸）进行酸消解，再经XRF分析；*C. fluminea*软组织样本经解剖、干燥、研磨后，采用HNO₃和H₂SO₄混合酸消解，再经XRF分析；贝壳硬组织经球磨机研磨成细粉并过筛后，直接采用XRF分析，并用扫描电子显微镜（SEM）及能量色散X射线能谱（EDX）表征元素组成。实验室中型实验系统（mesocosm）实验在15 L水体中加入指定浓度的Cu（1.3、2.6、3.9 mg/l）、Zn（5、10、15 mg/l）及联合处理，每个处理设置特定暴露浓度，于第3、7、10天采集样本分析。动力学参数采用来自文献Urien et al. (2015)的Kin = 1.01 L g^?1 d^?1和Kout = 0.33 d^?1，利用一级动力学方程进行拟合。

**4. 研究结果**

**4.1 野外点位水体、沉积物及*C. fluminea*软硬组织（壳）中的金属含量**

SEM和EDX分析显示沉积物样本中Cu含量为0.10%，Zn含量为0.29%。*C. fluminea*软组织样本初始元素组成主要为碳（C）64.47%、氧（O）34.03%、磷（P）0.55%、硫（S）0.51%、钾（K）0.28%、铜（Cu）0.07%和锌（Zn）0.09%。硬组织（壳）初始组成主要为氧（O）57.15%、钙（Ca）21.65%、碳（C）20.23%、铜（Cu）0.20%和锌（Zn）0.32%。野外水样中Cu平均浓度为0.05至0.06 mg/l，沉积物中为6.47至7.62 mg/kg，*C. fluminea*体内为2.54至2.93 mg/kg；Zn的最高浓度在水、沉积物和*C. fluminea*样本中分别为0.24 mg/L、24.41 mg/kg和6.08 mg/kg。所有观测浓度均低于国际标准规定的最大可接受限值。

**4.2 *C. fluminea*软组织中型实验系统（mesocosm）实验结果**

中型实验系统（mesocosm）水样中观测到的Cu浓度反映出随剂量增加的相关性，范围为0.05 mg/l至0.07 mg/L，均低于WHO推荐水平94.62%。*C. fluminea*软组织中的Cu累积总体呈随浓度增加的趋势，但处理间差异不显著（ANOVA P > 0.05），第10天Cu浓度最高值（3.98 mg/kg）记录于第3个Cu处理组。Zn浓度同样反映剂量增加，低于推荐水平95.2%，组织累积增加不显著，最高浓度为第3个联合处理组第10天的6.09 mg/kg。观测到的所有组织浓度均低于国际标准限值。在研究期间，水体理化参数除电导率（645-946 μS/cm）外均在WHO推荐范围内，但高剂量金属处理组出现了严重的酸化现象（pH降至2–4）。

**4.3 中型实验系统（mesocosm）实验*C. fluminea*软组织生物累积结果**

**4.3.1 生物累积因子**

利用公式计算*C. fluminea*软组织的生物累积因子（BAF），结果表明Cu的生物累积因子大于Zn。Zn处理组与对照组的BAF几乎相同，而Cu金属处理组的BAF高于对照组，但差异未达到统计显著水平。总体而言，Cu和Zn的BAF均表明*C. fluminea*组织对金属的摄取量高于周围水体。

**4.3.2 生物累积动力学**

采用一级反应动力学（Kin = 1.01 L g^?1 d^?1，Kout = 0.33 d^?1）拟合*C. fluminea*组织中Cu和Zn的累积。在单一和联合处理中，Cu和Zn的累积均观察到线性关系。简化动力学模型估算的Cu和Zn浓度与观测值呈相似的增长趋势，观测值与估算值总体吻合。Zn浓度在不同暴露水平下几乎相同，最可能反映了*C. fluminea*的生物学饱和效应，即作为必需微量元素，Zn受生理调控，组织储存能力达到上限后，额外摄取受限。

**4.3.3 金属生物累积速率**

在单一和联合处理中，Cu和Zn的生物累积速率均随时间增加，但增速不同。Cu在所研究条件下表现出比Zn更高的累积趋势，但差异不显著。这可能是因为*C. fluminea*组织对Zn的排泄量较高，而即使体内Cu浓度升高也未向周围环境排泄Cu。

**4.4 *C. fluminea*壳组织中型实验系统（mesocosm）实验结果**

*C. fluminea*壳组织中Cu浓度随剂量增加略有上升，范围为2.99 mg/kg至6.94 mg/kg，均低于国际标准最大可接受限值。Zn浓度相比对照呈轻微上升趋势，范围为12.77 mg/kg至23.37 mg/kg，同样低于国家标准和国际标准限值，但高于中型实验系统（mesocosm）水体中的背景水平。

**4.5 *C. fluminea*软组织与壳组织的比较**

*C. fluminea*壳中的Cu和Zn浓度均显著高于软组织（ANOVA：Cu - F=82.24, P<0.001；Zn – F=515.23, P<0.001），但实验天数或处理间无统计学差异。第10天，Cu浓度在壳中平均比软组织高57.27%，Zn浓度高106.12%。主要原因在于壳能够在整个生命周期内累积金属，其主要成分碳酸钙易与环境中的金属结合，将其锁定在硬组织中。这表明硬组织中绝大多数金属累积发生在实验之前。

**4.6 *C. fluminea*壳组织中型实验系统（mesocosm）实验生物累积结果**

**4.6.1 生物累积动力学**

一级动力学同样适用于拟合蛤壳中Cu和Zn的累积。在单一和联合处理中，Cu和Zn在*C. fluminea*壳中的累积均观察到线性关系。估算的Cu和Zn浓度与观测值呈相似的增长趋势。

**4.6.2 观测生物累积与估算生物累积的比较**

利用简化动力学模型（Kin = 1.01 L g^?1 d^?1，Kout = 0.33 d^?1）估算*C. fluminea*壳中的Cu和Zn生物累积水平，与观测值之间总体吻合，两者遵循相似的趋势/模式。

**4.7 *C. fluminea*软组织与硬组织（壳）累积的比较**

已有研究如Al-Jaberi (2014)发现*Corbicula*壳中金属水平高于软组织，Lewbart et al. (2008)也在美国两个州发现Cu、Zn、Cd和Pb在壳中的水平高于软组织。本研究结果表明Cu和Zn在*C. fluminea*壳中的累积程度高于软组织，生物体在其一生中将金属固定于壳基质中。

**5. 讨论与结论**

本研究测定了环境水、底栖沉积物和*C. fluminea*（软组织和硬组织）样本中的金属浓度，并通过实验室中型实验系统（mesocosm）实验测量了*C. fluminea*体内Cu、Zn及联合金属的生物累积。由于水生生态系统的重金属污染通常是多元素问题而非单一元素问题，本研究同时考察了单一和联合金属系统，但单一与联合金属处理的结果之间无显著差异。实验数据拟合一级动力学模型。结果表明，生物累积程度与水相中的金属浓度成正比，但所有样本中的观测浓度均在人类健康建议水平之内。在较高金属浓度下观察到的严重酸化可能改变了金属摄取和生理反应。

*C. fluminea*组织中Cu和Zn均观察到较高的生物累积因子，表明蛤组织对金属的摄取量高于周围水体。Cu和Zn的生物累积符合一级反应动力学关联，观测值与估算值高度一致。Cu表现出比Zn更高的累积趋势，表明*C. fluminea*对Cu的排泄能力较低，突显其作为金属污染指示物的价值。研究还发现壳中的观测浓度高于软组织，同样符合一级反应动力学。这项研究的结果将有助于指导未来的评估策略，以避免潜在的重大环境和人类健康影响。

论文发表于《Environmental Challenges》。