重金属在海洋食物链中的传递
第24卷第3期
2004年3月生 态 学 报Vol.24,No.3Mar.,2004
重金属在海洋食物链中的传递
王文雄,潘进芬
(香港科技大学生物系,香港九龙清水湾)
摘要:近年来,金属在不同海洋食物链中摄食富集的定量研究得到越来越多的关注。自然环境中生物体内金属的浓度并不一定和生物在食物链中所处的营养级有相关关系,金属在生物体内的富集还受到生物的同化、排出等过程以及其它生理生化因子的影响。在经典的海洋浮游生物食物链中(浮游植物→桡足类→鱼类),桡足类往往可以很有效地排出体内的金属,同时鱼类的金属同化率又很低,所以该食物链中金属的浓度随食物链水平增加而减少。目前研究发现只有甲基汞和铯Cs会被食物链所放大。在以腹足动物为顶级捕食者的底栖食物链中,因为生物结合金属的效率很高,高同化率和低排出率导致金属浓度在生物体内得到放大。重金属在生物体内的可利用性可以通过测定同化率、排出率等参数、并结合考虑生物对该金属的消化行为,运用一个简易的动态模型来估算。已有的研究中人们多考虑金属的化学性质对食物链传递的影响。着重介绍了近年来国外对金属在不同海洋食物链(底栖和浮游)中的传递的研究成果,强调在金属的生物可利用性评估中,要充分考虑到动物的生理、生化过程的影响,同时也必须认识到不同的海洋生物有着复杂且不同的金属代谢机制。
关键词:重金属;食物链;传递因子;生物放大;无脊椎动物;鱼类
Thetransferofmetalsinmarinefoodchains:Areview
WANGWen-Xiong,PANJin-Fen (DepartmentofBiology,HongKongUniversityofScienceandTechnology,ClearWaterBay,Kowloon,HongKong).ActaEcologicaSinica,2004,24(3):599～604.
Abstract:Therearenowincreasinginterestsinthefoodchaintransferofmetalcontaminantsindifferentmarinefoodchains.Theimportanceofmetaldietaryuptakeinaquaticanimalshasbeenhighlightedinmanyrecentstudiesusingbothempiricalexperimentalandmodelingapproaches.Theapplicationofbioenergetic-basedkineticmodelhasplayedanimportantroleinthedelineationoftheexposureofmetalcontaminantsintheanimals.Thisreviewsummarizestherecentprogressinthisfield,particularlyonthemeasurementsofafewimportantmetalphysiologicalparameters(e.g.,assimilationefficiencyfromingestedfoodsources-AE,effluxrateconstantduringphysiologicalturnoverperiod)inseveralrepresentativemarineanimals,includingcopepods,bivalves,gastropodsandfish.Differencesofthesemetalphysiologicalparametersindifferentgroupsofmarineanimalsarediscussed.Thepotentialtrophictransferfactor(orbiomagnificationpotential)ofmetalsalongmarinefoodchainscanbepredictedbasedonasimplekineticequationbyincorporatingmetalAE,metaleffluxrateandingestionactivityoftheanimals.Withsuchapproach,itispossibletodissectthecomplicatemetal-foodchaininteractioninmarineecosystems.Thetransferofafewmetals(e.g.,Cd,Hg,Zn)mayberelatedtothetrophiclevelsinthefoodchain,whereasforothermetals,suchtrendsarelessobvious.Ateachtrophiclevel,thepotentialbiomagnificationofmetalsisinfluencedeitherbymetalAEonly,orbymetaleffluxonly,orbybothassimilationandefflux.Intheclassicalmarineplanktonicfoodchain(phytoplanktontocopepodstofish),copepodscanveryefficientlyremovethemetalsbytheireffluxsystems,leadingtoalowmetalconcentrationintheanimals.Theinter-speciesdifferenceinmetalAEisrelativelysmallandmetalAEiscontrolledbybothmetaldistributioninthephytoplanktoncytoplasmandmetalgutpassageacrossthecopepod'sgut.Typicallyparticlereactivemetalsarelessassimilatedbythecopepodsascomparedwiththoselessparticlereactivemetals.Incontrast,themetalassimilationefficiencyinfishisgenerallylow,resultinginalowtrophictransferfactorofmetalsinthefish.ThemetalAEsshowlessvariationamongdifferentfunctionalgroupsoffish.Consequently,thepotentialbiodiminutionofmetalsinthe收稿日期:2002-11-03;修订日期:2003-05-20
作者简介:王文雄(1965～),男,福建人,博士,主要从事金属生物地球化学及生态毒理学研究。E-mail:[email protected]
Receiveddate:2002-11-03;Accepteddate:2003-05-20
Biography:WANGWen-Xiong,Ph.D.,Associateprofessor,mainlyengagedintracebiogeochemistryandecotoxicologystudy.E-mail:wwang@
600生 态 学 报24卷planktonicfoodchainiscausedbytheefficienteffluxinzooplanktonandthelowassimilationinfish.MetalsshowingexceptiontothisgeneraltrendarethemethylmercuryandSe.RadiocesiumalsohasthepotentialofbeingbiomagnifiedinthemarinefishasaresultofitsveryhighAE.Inthemarinebenthicfoodchains,metalsareefficientlyassimilatedandretainedinthebivalves,resultinginhightrophictransfer.Thereisalargeinter-speciesdifferenceinmetalAEsamongdifferentspeciesofbivalves,reflectingthecomplexityofmetalhandlingstrategiesinmarinebivalves.Inthebenthictoppredatorssuchasthegastropods,metalsarefurtherefficientlyassimilatedandretainedintheanimals,thusthereisafurtherincreaseintrophictransferfactor.Marinegastropodsdeveloprathersophisticatedmechanisms(e.g.,granuleparticles,metallothioneins)inbindingwiththemetals.Thus,marinebenthicfoodchainsmaypossessthepotentialofmetalbiomagnfication,evenforthosemetalsthatarebiodiminishedintheplanktonicfoodchains(e.g.,Cd).Althoughthephysico-chemicalpropertiesofmetalsincontrollingfoodchaintransferaregenerallyconsideredinmanypaststudies,wesuggestthatthephysiologicalandbiochemicalprocessesneedtobeemphasizedinanyfuturestudy.Finally,weidentifyseveralimportantresearchareasinmetal-biotainteractioninmarinefoodchains.
Keywords:foodchain;tracemetals;biomagnification;trophictransferfactor;planktonic;benthic;fish
文章编号:1000-0933(2004)03-0599-06 中图分类号:Q143 文献标识码:A
从20世纪50年代的“水俣事件”至今,重金属沿食物链的传递受到越来越多的关注。在过去10a中,由于引入了不同生理生化方法来评估金属的生物可利用性,对金属的食物链传递研究取得了很多新的成果。大量的研究已经表明,食物相的摄取是许多水生动物生物累积的主要来源。早期对金属传递的研究多以生物和水体之间的平衡理论为基础,但对水环境中的大部分生物而言,除了单胞藻及其它生命周期短的生物外,金属在生物体内和水体之间的平衡是很难达到的。这种平衡态研究方式其实在某种程度上限制了这一领域的研究。近十年来研究人员认识到动力学在水生生物金属蓄积中的重要意义[1]。在已建立的金属生物可利用性的动力学研究模型中,有几个重要参数已经研究得很深入,一是生物对食物相中金属的同化率(assimilationefficiency),指被动物摄食后经过肠道(gutlining)初步吸收的那部分金属中,最终被同化到动物组织的金属比率;二是动物对水体中金属的摄取速率(influxrate)或吸收率(absorptionefficiency);三是动物对体内金属的排出速率(effluxrate)。近几年来在一些水生动物(如贝类、甲壳动物、腹足类、鱼类)中对这3个参数做了大量的测定工作。
本文目的在于总结近年来金属在不同海洋食物链中的传递研究。通过运用新的定量检测手段,最近人们对金属的生物可利用性有了更深入的理解,发现了食物网中的几个代表性的金属-食物链反应模式。本文突出了对控制金属的食物链传递起重要作用的两个参数,即生物对金属的同化率和金属经生理代谢之后的排出速率常数。这些参数可以结合到动态模型中,用来计算不同条件下各海洋食物链中金属的传递因子。本文强调了金属及食物链(网)的复杂特性,指出了当前该领域研究的不足和空白,希望可以促进国内在该领域的研究。
1 不同海洋食物链中各营养级的金属蓄积(bioaccumulation)
关于海洋食物链上不同营养级的生物体内金属的蓄积已经有很多报道[2～5]。目前可用常规的方法测定金属在不同生物体或器官中的浓度。大量的研究证实,生物体内的金属浓度差异不仅存在于种间,也存在于种内。例如,对于同一地点(LongIslandSound,NY,USA)采集到的美国牡蛎Crassostreavirginica和贻贝Mytilusedulis,前者体内Ag,Cd,Cu和Zn的浓度分别比后者高16倍,2倍,32倍及40倍;而Cr,Pb和Se的浓度在前者体内又比后者分别低5倍,3.5倍及1.6倍[6]。另外,Zn在腹足动物Morulamusiva体内的浓度是其在另一种腹足动物Thaisluteostoma(同一地点采集)体内的10倍,而Cd在二者体内的浓度相近[7]。深入理解并预测不同水生生物体内金属的富集程度和相关的生理过程是生态毒理学家面临的挑战之一[5]。在过去几年,金属生态毒理学的一个重要研究领域即是发展不同的数学模型,用于预测生物体内金属的浓度。已发展的模型包括自由基活度模型[8,9]和生物能动力学模型(Bioenergetic-basedkineticmodel[10])。
大多数金属经过食物链传递被生物富集的规律目前尚难以准确地掌握,但是对某些金属人们已经有了较深入的了解,例如沿浮游植物→浮游动物→鱼类这一浮游生物食物链的传递过程中,Cd的浓度通常会随着营养级的升高而降低,Hg却相反[3,4]。金属在生物体内的浓度同时与生物蓄积金属的特定生理方式有关,例如在深海缩甲虾(Systellaspisdebilis)体内Cd的浓度就远比食物中的含量高[11～13]。一般而言,金属沿着底栖或浮游生物食物链的传递过程中,经过不同的营养级浓度会被生物放大还是稀释,不同的食物链或金属有不同的规律。同时,食物链之间错综复杂的关系如何影响金属向高营养级的输送至今仍不清楚。由于不同生物对金属的代谢机制不同,食物链关系越错综复杂,金属生物可利用性的变化也越大。目前这方面的研究才刚刚起步,对于不同金属在不同海洋食物链或在不同海洋生态系中的传递差异了解还甚少。
3期王文雄 等:重金属在海洋食物链中的传递601 生物体内金属蓄积的动力学模型。Thomann[14]综合考虑水相和食物相重金属的吸收,建立了可以估算吸收速率的一级动力学方程。在稳态条件下,食物链传递而导致的生物体内蓄积的金属浓度可用下式进行计算(仅考虑食物相金属的吸收):
Cn,f=(AE