墨西哥受保护滨海泻湖沉积物中重金属的发生及其在Rangia cuneata蛤中的生物积累因子

《Toxics》：Occurrence of Heavy Metals in Sediments and Bioaccumulation Factor in Rangia cuneata Clams from a Protected Coastal Lagoon in Mexico Alejandro Ruiz-Marin, Claudia Alejandra Aguilar-Ucan, Carlos Montalvo-Romero, Julia G. Cerón-Breton and Francisco Anguebes-Franseschi

　　

本研究评估了位于墨西哥东南部、面临日益增加人为压力的热带河口——波姆-阿塔斯塔(Pom–Atasta)潟湖系统中重金属的季节性变化、来源及生态风险。主要目标是确定季节变化如何影响沉积物和底栖生物中金属的分布、生物可利用性及风险。研究人员在旱季、雨季和北风季节监测了30个采样站。测量了沉积物中砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、镍(Ni)、铅(Pb)和钒(V)的浓度，并评估了双壳类Rangia cuneata的生物积累情况。利用不良效应指数(Adverse Effects Index, AEI)、毒性风险指数(Toxic Risk Index, TRI)和潜在生态风险指数(potential ecological risk index, ERI)评估了生态毒性风险。结果显示，金属浓度在雨季和北风季节更高，这可能是由于径流增加和沉积物再悬浮所致。铬(Cr)和镍(Ni)显示出最高的富集度，浓度分别为115.0至130.4 μg g?1和60.5至75.9 μg g?1。镍(Ni)在R. cuneata中表现出最高的生物积累因子(Biota-Sediment Accumulation Factor, BSAF > 1.51)，表明其具有高迁移性和环境可利用性。某些金属(As、Cr和Pb)之间的弱相关性暗示了自然和人为的混合来源。毒性风险指数(TRI)值表明存在低到中度的毒性风险，潜在生态风险指数(ERI)将多数站点归类为低风险(ERI < 60)。有机碳含量保持在底栖动物群可耐受限度(<10%)内。这些发现凸显了季节动态在金属分布中的作用，并证实了R. cuneata作为监测热带河口系统生态健康的合适生物指示剂。

研究背景与目的

沿海生态系统是重金属污染的重要汇，重金属在特定浓度阈值以上会对生物群产生毒性，威胁生态环境。重金属富集主要源于采矿、化肥使用、金属冶炼、化石燃料燃烧等人为活动。波姆-阿塔斯塔(Pom–Atasta)潟湖系统位于墨西哥东南部的坎佩切州，属于塔米诺斯潟湖(Términos Lagoon)动植物保护区的一部分，具有高生物多样性，是重要商业物种的关键栖息地，也是海龟和候鸟的筑巢区。然而，该地区面临石油勘探开采、废水排放、森林砍伐和水生物种过度开发等人类活动的持续威胁，对本地物种如Rangia cuneata蛤的种群数量造成严重影响。目前，缺乏对该系统沉积物毒性水平及Rangia cuneata生物积累因子的评估，这使得难以建立监管物种消费和保护其栖息地的知识基础。因此，本研究旨在分析沉积物中重金属浓度的时空变化、评估其生态风险，并以Rangia cuneata作为生物指示剂，评估重金属的生物积累情况，从而为制定环境管理策略和污染控制措施提供依据。

关键技术方法

研究人员在波姆和阿塔斯塔潟湖设置了30个采样站，在旱季、雨季和北风季三个气候期采集了表层沉积物(0–10厘米)样本，并从五个站点采集了约50个Rangia cuneata样本。通过微波辅助酸消解(EPA method 3051A)和微波等离子体原子发射光谱法(Microwave Plasma Atomic Emission Spectrometry, MP-AES)测定沉积物和蛤组织中的重金属(As、Cd、Cr、Ni、Pb、V)浓度。采用Bouyoucos比重计法和Walkley-Black法分别分析了沉积物粒度分布、有机质(OM)和总有机碳(TOC)含量。通过比较样本金属含量与沉积物质量指南中的阈值效应水平(Threshold Effect Level, TEL)和可能效应水平(Probable Effect Level, PEL)，计算了不良效应指数(AEI)。结合TEL和PEL计算了毒性风险指数(TRI)。通过比较样本浓度与参考值，并乘以各金属的生物毒性响应因子(Toxic Response Factor)，计算了综合污染指数(C_d)和潜在生态风险指数(ERI)。通过比较蛤组织和沉积物中的金属浓度，计算了生物-沉积物积累因子(Bio-Sediment Accumulation Factor, BSAF)。采用单因素方差分析(ANOVA)和事后Tukey检验分析季节和区域间的显著差异，并通过Pearson相关性分析探讨金属间的关联。

研究结果

3.1. 沉积物质地和有机质含量

对沉积物粒度(沙、粉砂、粘土)的分析显示，沙和粉砂含量在不同季节间存在显著差异(ANOVA, p ≤ 0.01)，而粘土含量无显著变化(p = 0.172)。沙和粉砂含量在北风季节与旱季和雨季相比存在显著差异。沉积物组成顺序为沙 > 粉砂 > 粘土。有机质(OM)和总有机碳(TOC)含量在各季节间无显著差异，变化范围分别为2.97%–3.94%和1.72%–2.28%，未超过安大略省环境与能源部(1993)沉积物质量指南中10%的限值，表明污染水平是大多数底栖生物可耐受的。

3.2. 沉积物中的重金属浓度与软体动物中的生物积累

沉积物中痕量金属的浓度顺序为：铬(Cr: 115.0–130.4 μg g^?1) > 镍(Ni: 60.5–75.9 μg g^?1) > 钒(V: 32.0–35.7 μg g^?1) > 砷(As: 12.7–15.4 μg g^?1) > 铅(Pb: 8.3–14.7 μg g^?1)。砷(As)、铬(Cr)和镍(Ni)的浓度超过了海洋沉积物质量参考值和ISQG-TEL阈值，表明存在生态风险。与上地壳参考值相比，砷(As)、铬(Cr)和镍(Ni)的含量较高，表明存在人为源富集，而铅(Pb)和钒(V)的低浓度则暗示了地壳来源。综合污染指数(C_d)显示，在所有气候季节，两个潟湖的沉积物重金属污染程度为低度。镍/钒(Ni/V)比值(>1)及相关性分析表明，镍(Ni)和钒(V)有相似的来源，可能主要归因于城市和工业废水排放，而非完全源自附近的石油活动。重金属的最高浓度出现在雨季和北风季，这与降雨径流、河流输入和沉积物再悬浮增加有关。砷(As)、铬(Cr)、铅(Pb)和镉(Cd)之间的低相关性表明这些金属可能具有混合的自然和人为来源。

蛤Rangia cuneata组织中的重金属浓度顺序为：镍(Ni: 21.36 μg g^?1) > 铬(Cr: 9.48 μg g^?1) > 汞(Hg: 0.51 μg g^?1) > 镉(Cd: 0.43 μg g^?1) > 砷(As: <0.3 μg g^?1) > 铅(Pb: <1 μg g^?1)。组织中金属水平与沉积物中镍(Ni)、铬(Cr)、砷(As)和铅(Pb)浓度呈弱相关。值得注意的是，在蛤组织中检测到的镉(Cd)和汞(Hg)在沉积物中未检出。Rangia cuneata的生物积累顺序为镍(Ni) > 铅(Pb) > 铬(Cr) > 砷(As)。尽管铬(Cr)是沉积物中浓度最高的金属，但其生物-沉积物积累因子(BSAF) < 1；而镍(Ni)显示出最高的生物积累(BSAF > 1)，这与其较高的环境生物可利用性和生物吸收机制有关。

3.3. 重金属毒性评估

砷(As)、铬(Cr)、铅(Pb)、钒(V)和镉(Cd)的不良效应指数(AEI) < 1，表明这些金属在沉积物中的浓度不足以对生物群产生不良影响。而镍(Ni)在两个潟湖的AEI值均 > 1，表明其可能对沉积物动物群产生影响。这与镍(Ni)具有最高的生物积累因子(BSAF = 1.51)的结果一致。根据毒性风险指数(TRI)，两个潟湖的重金属浓度具有低到中度的毒性风险潜力和较低的生态风险潜力(ERI)。

结论与讨论

本研究揭示了波姆-阿塔斯塔潟湖系统沉积物中重金属浓度存在显著的季节性变化，在雨季和北风期浓度更高。这种变化可能是由于河流输入、地表径流和沉积物再悬浮的增加所致，这有助于铬(Cr)、镍(Ni)和钒(V)等金属的运输和沉积。某些金属(砷[As]、铬[Cr]、铅[Pb]和镉[Cd])之间缺乏显著相关性，表明其来源既有自然的也有人为的。尽管砷(As)、铬(Cr)、铅(Pb)和钒(V)的总体浓度低于其他河口系统报告的水平，但在两个潟湖水体中检测到铬(Cr)和镍(Ni)的显著富集，表明受到城市和工业排放的影响。

特别是镍(Ni)，尽管不是沉积物中含量最高的金属，但在Rangia cuneata中表现出最高的生物积累因子(BSAF > 1)。这强化了以下观点：生物积累与金属的生物可利用性和环境分布的相关性，比与沉积物总浓度的相关性更强。使用不良效应指数(AEI)和毒性风险指数(TRI)进行的生态毒理学评估表明，大多数金属对水生生物群构成低到中度风险，但镍(Ni)除外，它超过了生态风险阈值，对底栖动物群构成潜在威胁。

毒性风险指数(TRI)和生态风险指数(ERI)值表明存在低到中度风险，这可能对当地渔业和食品安全产生影响，特别是如果Rangia cuneata被附近居民食用。虽然这些数值并未发出即时健康警报，但它们强调了持续监测的必要性，以检测重金属分布和毒性的变化，特别是像镍(Ni)这样在滤食性生物中表现出高迁移性和生物积累潜力的金属。

总体而言，本研究为热带河流-潟湖系统中重金属的季节动态、来源和生态风险提供了有力证据，有助于更深入地了解其环境影响，并为制定环境管理策略和污染控制措施奠定基础。