2. 包头南海子湿地保护区管理处, 内蒙古 包头 014080
2. Nanhaizi Wetland Scenic Area Management Office in Baotou, Baotou 014040, China
水鸟是湿地生态系统中的重要组成部分，近年来随着工业废水的排放，水鸟赖以生存的环境受到污染，其生存面临着严重威胁[1]。当重金属累积超过生物体的承载力时，将会对其繁殖、生长发育和生理等机能造成毒害[2]。研究表明，重金属具有毒性强、难降解、生物富集等特征[3]。鸟类为食物链的高级消费者，对重金属具有富集作用，可作为环境污染的指示性材料。因此研究水鸟体内重金属含量分布特征及迁移转化规律对水鸟及环境保护具有重要意义。
包头市是我国北方重工业城市，拥有涵盖稀土、冶金、机械制造及军工等多项支柱产业。工业迅速发展的同时产生了大量废水，对周边水体[4]、农田[5]及湿地[6]等造成了一定程度污染。包头南海子湿地保护区位于包头市东河区南侧1.5 km处，毗邻黄河，是包头黄河国家湿地公园的重要组成部分，在调节气候、涵养水源、维持区域生态平衡等方面发挥着重要作用[7]。同时该湿地地处东亚和中亚候鸟迁徙路线上[8]，为众多候鸟重要的迁徙驿站[9]和栖息繁殖地[10]。鸭科鸟类为湿地常见水鸟，已作为指示物对湿地环境进行监测与评估[2, 11]。目前已有学者展开了对雉科(Phasianidae)[12]、雀科(Passeridae)[13]和鹭科(Ardeidae)[1]等鸟类组织中重金属含量及分布规律的研究，以及对鸟类健康面临的潜在威胁方面的预警，同时也对其生存环境进行了科学的评价，但关于鸭科鸟类组织中重金属的分布规律方面的报道较为鲜见，尤其缺乏重金属的迁移转化和生态效应方面的研究。笔者通过对包头南海子湿地优势鸟种赤膀鸭(Mareca strepera)各组织样品及环境因子中重金属含量的分析，旨在阐明重金属在赤膀鸭组织中分布规律及潜在威胁，为鸟类保护及环境质量评估提供科学依据。
1 研究区概况包头南海子湿地保护区总面积为1 664 hm2(图 1)，是黄河改道后形成的湖泊和滩涂地，包括水域、沼泽、灌丛和草地等生境类型，境内有333 hm2的湖泊南海子。
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图 1 包头南海子湿地保护区示意 Fig. 1 The map of Nanhaizi Wetland Reserve in Baotou City |
目前共记录湿地鸟类228种，其中夏候鸟以鸭科(Anatidae)为主[14]，每年6月在湿地核心区人工岛上做巢繁殖，2016年6-7月调查结果显示，在湿地核心区岛屿上繁殖的赤膀鸭为35巢，7月中旬赤膀鸭在核心区水面上育雏，11月-翌年3月赤膀鸭在不封冻的水域越冬。保护区年平均气温8.5 ℃，最低气温-34.4 ℃，最高气温38.4 ℃，年平均降水量307.4 mm。南海子湿地被南绕城公路、景观路和浮桥路分隔成不同的功能区，其中湿地核心区位于保护区最南侧，水域面积较宽阔，水深0.5~1.0 m，水域中分布面积大小不等的人工岛屿(图 1)，岛屿上分布的主要植物为灰菜(Chenopodium album)、酸模叶蓼(Polygonum lapathifolium)、扁杆藨草(Scipus planiculmis)、碱蓬(Suaeda glauca)和猪毛菜(Salsola collina)等。
2 材料与方法 2.1 样本采集与处理2016年10月3-10日，选择赤膀鸭经常栖息、采食的区域，采集与其生活相关的环境样本(水样、土样、鱼虾、丝藻和沉积物)及死亡赤膀鸭新鲜样本，具体采集方法如下。
水样：采集南海子湿地保护区表层水样共10个(图 1)，采样后现场过滤，加硝酸稀释至pH < 2，用稀硝酸浸泡过夜的聚乙烯瓶装水样带回实验室，过0.5 μm孔径滤膜，冰冻保存，解冻后直接测定。
土壤样品：采集水位下降后裸露地表 0~20 cm土壤，采集前预先去除地表沙石及动植物残体，每个样点周围随机采5份土壤后混合均匀作为该样点的代表样本。土壤样品在20 ℃阴凉通风处自然干燥，研磨后过0.15 mm孔径筛，置于干燥器内保存、备用。
生物及沉积物样品：根据赤膀鸭的采食习性(身体垂直倒立采食，半身沉于水下)及体长，设计口径为30 cm，网孔直径约为0.5 cm的网，乘皮划艇在赤膀鸭采食区用网捞取食物及沉积物，其中动物性食物主要为鱼虾类，包括小鲫鱼(Carassius auratus)、麦穗鱼(Pseudorasbora parva)和秀丽白虾(Exopalaemon modestus)，植物性食物主要为丝藻(Ulothrix)，去除动植物样品后剩余的样品为沉积物，将样品带回实验室洗净、烘干、研磨。称取动、植物及沉积物样本各10个，每个样本0.50 g左右，消解定容后待测。
赤膀鸭组织样品：2016年10月5日采集湿地核心区东侧污水渠边死亡新鲜的雌、雄成鸟及幼鸟(雄性)各10只，塑料密封袋封装后带回实验室，称重测量基本数据后，放入冰箱-20 ℃条件下保存。分析前先解剖标本，分别取胸肌、心脏、肾脏、肝脏及胸骨，用自来水、蒸馏水、去离子水依次充分洗涤，以除去各组织表面的血污，吸干组织表面的水分，为避免其他金属元素加入，用干净的陶瓷剪刀剪碎组织，在鼓风干燥箱中70 ℃干燥24 h后用研钵研磨至粉末状，继续烘干直至恒重，将样品保存在干燥器中备用。剩余的样本保存在-20 ℃冰箱。
2.2 样品测定与分析称取0.50 g左右的样品放入55 mL消化管中，加入4 mL混酸〔V(HCIO4):V(HNO3)=1:4〕在微波消解仪上(CEM Mars6美国)进行消解，消化液用w=2%的HCl(优级纯)稀释定容至25 mL的消化管中，用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-OES，美国PerkineElmer)对样本中重金属元素含量进行测定，目标元素的选择参照文献[4, 6]后确定。每个样品均设置2个平行样，同时做1份空白试剂。组织中的检出限：Cd为0.01 μg·g-1；As、Cr和Hg为0.1 μg·g-1。环境因子中的检出限：As为0.001 μg·g-1；Cd和Hg为0.01 μg·g-1；Cr为0.1 μg·g-1。
生物富集系数(bioaccumulation factor, BAF，FBA)指生物整体或者某个关注部位经生物体所有的接触途径(包括空气、水、沉积物/土壤和食物)，在此过程中富集重金属的能力[15]。用BAF值来反映赤膀鸭组织、鱼虾和藻类对环境(水、土壤、沉积物)重金属的富集作用。
| $ {F_{{\rm{BA}}}} = {C_{\rm{b}}}/{C_{\rm{f}}}。$ | (1) |
式(1)中，Cb为受检生物体内重金属含量，μg·g-1；Cf为受检生物所处环境因子(水、土壤和沉积物)中重金属含量，μg·g-1。
生物放大因子(biomagnification factor，BMF，FBM)指某种污染物在一个特定的营养级生物体内的含量与较低营养级生物体内的含量之比，可用于表示污染物沿食物链的生物放大能力[16]。若FBM大于1，说明重金属从食物到赤膀鸭存在生物放大效应。
数据用SPSS 17.0软件进行处理，用单因数方差分析及S-N-K (Student-Newman-Keuls)多重比较法检验不同组织间的金属元素含量差异性，显著性水平设置为0.05。用Pearson相关方法确定组织与各种环境因子中重金属含量之间的相关性。
3 结果与分析 3.1 环境样本中重金属含量检测与赤膀鸭生存密切相关的环境样本水、土壤、沉积物、鱼虾(小鲫鱼、麦穗鱼、秀丽白虾)和丝藻中的重金属含量，检出率均为100%(表 1)。
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表 1 环境样品中重金属平均含量及环境质量国家标准 Table 1 The average content of heavy metals in the environmental samples and the national environmental quality standards |
南海子湿地水样中的重金属含量与GB 3838-2002《地表水环境质量标准》[17]中适于保护区水质标准的Ⅰ类值比较，4种被检测的重金属元素中w(As)为0.003 μg·g-1，低于环境质量标准，另外3种元素Hg、Cr、Cd含量均已不同程度超标，分别是国家标准值约500、375和38倍。南海子湿地土壤样品与GB 15618-2018《土壤环境质量标准农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[18]中的风险筛选值比较，As、Cd、Cr、Hg这4种元素含量低于土壤标准值。通过食物资源调查，将湿地中赤膀鸭潜在食物(小鲫鱼、麦穗鱼、秀丽白虾)中重金属含量与GB 2762-2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》[19]比较，Cd和Hg含量在国家标准范围内，As和Cr分别是国家标准值的21和15倍。
3.2 赤膀鸭各组织中重金属含量分别取赤膀鸭雌、雄成鸟及雄性幼鸟各10只为研究对象，其中幼鸟的年龄为14~16周左右(根据其孵化后的日期推算)，赤膀鸭的基本参数如表 2所示。
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表 2 包头南海子湿地赤膀鸭的基本参数 Table 2 Basic parameters of the Mareca strepera in Baotou Nanhaizi Wetland |
通过单因素方差分析(one-way ANOVA)检验赤膀鸭组织间重金属含量差异，结果表明，4种元素在组织中的分布规律为：As主要蓄积在肾脏和心肌组织中，平均含量最高的为肾脏(5.51 μg·g-1)，且显著高于胸肌和骨骼组织。Cr主要蓄积在肌肉组织中，平均含量最高为胸肌(7.79 μg·g-1)，且显著高于其他各组织。Cd主要蓄积在肾脏中，平均含量最高为2.42 μg·g-1，且显著高于其他组织。Hg在5种组织中最高含量分布在胸肌(2.87 μg·g-1)，最低含量分布在骨骼(2.23 μg·g-1)，组织间的含量不存在显著性差异(图 2)。
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同一组直方柱上方英文小写字母不同表示不同；组织间重金属含量差异显著(P < 0.05)。n=30。 图 2 赤膀鸭不同组织重金属含量 Fig. 2 Heavy metal contents in Mareca strepera tissues |
依据赤膀鸭各组织、鱼虾、藻类对环境样品水、土壤和沉积物中重金属的平均含量计算富集系数及生物放大因子(表 3, 4)。赤膀鸭5种组织中重金属含量受环境影响较大，除Cr元素外，对水、土壤和沉积物中As、Cr和Hg这3种元素均表现富集特征。
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表 3 食物链中生物富集系数（FBA） Table 3 Bioaccumulation factors in the food chain |
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表 4 食物链中生物放大因子（FBM） Table 4 Biomagnification factors in the food chain |
心肌和肾脏组织对水中的As富集较明显。鱼虾和藻类对环境因子的富集系数与赤膀鸭组织的富集特征类似，其中藻类对水中的As具有较强的富集性，富集系数最高为1 840.928。4种金属元素在食物链的生物放大因子中，赤膀鸭的5种组织对鱼虾类中的As、Cd和Hg 3种元素均呈现生物放大特征，而鱼虾对藻类中的Cr的生物放大因子最高为1.061。
3.3.2 组织与环境因子间重金属含量的相关性结合与赤膀鸭生活密切相关的环境因子水、土壤、沉积物、鱼虾(小鲫鱼、麦穗鱼、秀丽白虾)和丝藻分析组织与环境中重金属含量之间的相关性(表 5)。
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表 5 食物链中重金属含量之间的相关系数 Table 5 Correlation coefficient of heavy metal contents in the food chain |
赤膀鸭各组织中As含量与环境样本中的含量相关性较强，心肌与丝藻(r=0.665，P=0.036)、肾脏与土壤(r=0.716，P=0.020)、肝脏与水(r=0.732，P=0.016)中As含量呈显著正相关。胸肌中Cr含量与鱼虾Cd含量呈显著正相关(r=0.737，P=0.015)，其他组织与环境样本Cr含量相关性不显著。
肾脏中Cd与鱼虾Cd含量(r=0.634，P=0.045)、鱼虾Cd含量与丝藻Cd含量(r=0.641，P=0.040)呈显著正相关，另外，骨骼与水(r=0.762，P=0.010)、水与沉积物(r=0.704，P=0.023)中Cd含量呈显著正相关，而心肌中的Cd含量与鱼虾(r=-0.831，P=0.003)、丝藻(r=-0.795，P=0.006)中的Cd含量呈极显著负相关。骨骼与鱼虾(r=0.718，P=0.019)、鱼虾与丝藻(r=0.848，P=0.002)中Hg含量呈显著、极显著正相关。肝脏与沉积物(r=0.738，P=0.015)、骨骼与丝藻(r=0.654，P=0.040)中Hg含量呈显著正相关。沉积物中Hg含量分别与胸肌(r=-0.633，P=0.049)和心肌(r=-0.654，P=0.040)中Hg含量呈显著负相关。
4 讨论As是一种半金属元素，兼有金属与非金属的性质。在自然环境中，As污染主要来源于农药、金属冶炼加工、燃煤过程中产生的三废[20]，其化合物均有毒性。砷在体内排泄缓慢，可造成蓄积性中毒，神经系统、肝脏、肾脏和生殖系统是其主要靶器官[21]。该研究中As主要蓄积在心肌和肾脏中，平均含量达4.54 μg·g-1，超过加拿大黑雁(Branta canadensis)组织中的含量水平[21]，也高于对鸟类的影响阈值1~2 μg·g-1[20]，表明As可能对赤膀鸭的健康产生了一定影响。相关分析表明，赤膀鸭心肌与丝藻、肾脏与土壤、肝脏与水中As含量呈显著正相关，表明赤膀鸭组织中As主要来自于食物和环境。另外，环境因子水和土壤样中As含量虽未超过国家标准，但鱼虾中的As平均含量已远高于GB 2762-2017[19]，是其21倍，表明鱼虾类食物可能对赤膀鸭健康构成潜在威胁。赤膀鸭组织、鱼虾、和藻类对水中的As的FBA较高，尤其丝藻对水环境中的As生物FBA达1 840.982，环境中的As随着水-藻类-鱼虾-赤膀鸭组织产生生物放大效果，因此，赤膀鸭组织As含量可作为包头南海子湿地环境中As的评价指标。
结合与赤膀鸭生活密切相关的环境因子水、土壤、沉积物、鱼虾(小鲫鱼、麦穗鱼、秀丽白虾)和丝藻分析组织与环境中重金属含量之间的相关性(表 5)。
Cr广泛存在于土壤、大气和水中，高浓度的Cr6+可致畸、致癌。BURKE等[22]在研究纽约哈德森地区Cr污染时指出其主要源于工业生产活动。该研究Cr主要分布在赤膀鸭胸肌组织中，平均含量为7.79 μg·g-1，远高于奥地利绿头鸭(Anas platyrhynchos)、日本绿头鸭、斑嘴鸭(Anas poecilorhyncha)、绿翅鸭(Anas crecca)[23]、美国新泽西州加拿大黑雁(Branta canadensis)等鸭科鸟类肌肉组织中的平均含量[21]。EISLER[24]研究指出，鸭科鸟类的组织中w(Cr)平均值超过4 μg·g-1既被认为受到污染。该研究中赤膀鸭肌肉组织中Cr含量远高于污染阈值。相关分析表明赤膀鸭胸肌组织与鱼虾类中Cr含量呈显著正相关，表明其主要来源于食物鱼虾。另外，包头南海子湿地的水中环境Cr含量是GB 3838-2002[17]限值的375倍，鱼虾类Cr平均含量约为GB 2762-2012限值的15倍，表明湿地环境中Cr污染相对严重；鱼虾类对水环境中Cr的FBA为8.022，赤膀鸭的胸肌组织对鱼虾中Cr的FBM为0.259，表明水环境中Cr随着水-鱼虾类-赤膀鸭胸肌组织的食物链放大，为此赤膀鸭胸肌组织可作为当地水环境中Cr的指示性材料，关于Cr污染问题应该引起关注。
Cd是重金属中最具毒性的重金属之一，主要蓄积在肾脏组织中造成肾损伤，因此也称为 肾毒素 [25]。WHITE等[26]用200 μg·g-1的CdCl2注射给绿头鸭(Anas platyrhynchos)后发现Cd在肾脏组织中明显累积，w(Cd)超过130 μg·g-1，同时睾丸组织中也有明显分布。Cd除了造成肾损伤外还会使睾丸萎缩，精子发育受损，从而降低繁殖成功率。另外，长期低剂量摄入Cd会使鸟类免疫能力降低，易感染其他疾病[27]。该研究Cd在赤膀鸭肾脏组织中含量最高，与其他组织间存在显著性差异，这与波兰西北地区绿头鸭组织中Cd的分布规律一致[27]。另外，Cd主要源于当地采矿和冶炼加工，也是波兰西北地区鸭科鸟类种群数量下降的决定因素[28]。该研究中赤膀鸭肾脏组织中Cd平均含量与波兰西北部地区绿头鸭的含量相当。相关分析表明，赤膀鸭肾脏中Cd平均含量与鱼虾中Cd含量呈显著正相关，鱼虾中Cd含量与藻类Cd含量呈显著正相关，表明肾脏中的Cd主要源于食物。肾脏对鱼虾的FBM为77.799，表现出明显的生物放大效应，因此赤膀鸭肾脏也可作为环境中Cd的指示性材料。另外，南海子湿地水样中Cd含量约为GB 3838-2002限值的38倍，表明水体已受到污染。骨骼中Cd含量与水样中Cd含量呈极显著正相关，为此骨骼可作为当地水环境中Cd的评价指标。
Hg是一种能够引发生物机体不可逆损伤的重金属，对机体毒性作用较强[2]。高含量的Hg会影响鸟的行为、生理及繁殖成功率[29]。汞在鸟类体内的分布具有较强的选择性，主要蓄积于肝脏和肾脏[3]，该研究赤膀鸭组织中除肝脏和肾脏外，肌肉组织中也含有较高Hg含量。一般鸭科鸟类肌肉组织中Hg含量较低，如阿拉斯加绿头鸭肌肉组织w(Hg)的平均值为0.008 9 μg·g-1[30]，奥地利绿头鸭肌肉组织为0.049 μg·g-1[31]，加利福尼亚琵嘴鸭(Anas clypeata)肌肉组织为0.132 μg·g-1[32]，该研究中赤膀鸭肌肉组织中的w(Hg)为2.79 μg·g-1，远高于上述地区鸭科鸟类的报道。另外，HEINZ等[33]指出绿头鸭肌肉组织中w(Hg)达到0.62~0.83 μg·g-1时会影响其繁殖行为。FISK等[34]指出鸭科鸟类组织中w(Hg)超过3 μg·g-1时会降低繁殖率。该研究胸肌组织中Hg平均含量与FISK等[34]报道的限值接近。相关性分析结果表明，赤膀鸭肝脏组织中Hg含量与沉积物中Hg含量呈显著正相关，骨骼中的Hg含量与鱼虾、丝藻中Hg含量呈显著正相关，鱼虾中Hg含量与藻类Hg含量呈极显著正相关，表明赤膀鸭组织中Hg的累积受环境因素影响较大。环境因子检测结果显示，水中Hg含量约为GB 3838-2002限值的500倍，表明当地污染较重，应引起关注。
另外，根据鸟类重金属富集研究结果显示，Hg更易于富集在羽毛；Cd易于富集在卵壳中，鸟类通过换羽或产卵等方式将机体不需要的元素排出体外，以降低其对机体的毒害作用[1, 35]。该研究赤膀鸭的肌肉组织与部分环境因子中的Cd和Hg含量呈显著负相关，可能与生物体存在更复杂的新陈代谢机制将体内积聚过多的重金属排出体外有关。
5 结论综上所述，包头南海子湿地水样、鱼虾类环境样本中的As、Cr、Cd、Hg这4种被检测的重金属含量均有不同程度超标，表明其存在严重污染。赤膀鸭组织样品中的4种被检测的重金属含量均已超过目前国际鸭科鸟类的检出水平，且主要来源于环境污染，表明当地环境对赤膀鸭的健康生存构成潜在威胁，当地管理部门应该积极采取应对措施，防止环境进一步恶化。
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