白令海与楚科奇海陆架区底栖食物链中金属的来源分析及传递过程

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本研究以生物分析为基础,结合同区域沉积物样品,通过8种金属元素(Zn、Fe、Cu、Cr、Cd、Mn、Ni以及Pb)和稳定同位素比值(C、N和Pb)的分析测定,结合生态风险评价、金属来源分析以及营养层次分析等多种方法,综合讨论白令海-楚科奇海陆架区域底栖生态系统重金属的来源、传递及其在生物体内部、生物之间的迁移转化过程。  白令海-楚科奇海区域沉积物环境质量良好,基本处于环境背景值,金属元素迁移在一定程度上受到人为活动的影响,但均未到达环境污染水平。白令海北部靠近白令海峡区域内沉积物金属含量水平大致呈现:Fe>Mn>Zn>Ni>Cu>Pb>Cd。白令海北部沉积物呈现为“东高西低”的金属含量分布趋势,基于Igeo和RI对底栖生物生存环境的金属评价都说明该区域沉积物中重金属含量基本低于或接近页岩背景值,说明无人为污染,生态状况良好。  白令海-楚科奇海区域底栖生物金属含量水平普遍较低,未受到重金属污染,且不同物种生物对不同金属元素的响应差异较大。6种双壳纲生物,其体内Fe和Zn含量较高,Cu次之,Pb含量最低;2种腹足纲生物体内,除Fe、Pb外的6重金属均在肝脏或肾脏中达到含量最大值,金属Zn和Fe含量远高于其它金属;采自2个不同站位虾的肌肉中,明显出现与沉积物类似“东高西低”的金属分布规律;3种螃蟹体内,鳃为金属元素积累程度最高的组织,肌肉和肝胰腺次之。  基于生物累积系数(BAFs)对生物金属累积的研究发现金属Fe、Mn、Ni和Pb等4种金属在所有生物样品中均低于生存环境的沉积物金属含量,表现为无生物积累作用,且生物组织积累方面,大致表现出在生物肌肉组织中累积程度较小的现象。类似地将RI用于生物样品分析风险,Cd的毒性系数较大,加之软体动物体内含量较高,基本表现为Cd驱动的潜在风险。  本研究中涉及的生物营养级跨度较大,约4.2个营养层次:双壳纲生物大多处于1.1~2.6级;底栖鱼、北太平洋雪蟹和虾的营养级在2.9~3.1级;琵琶螺和双弘互爱蟹,营养层次范围4.1~4.5,蟹的营养级跨度较大。结合碳、氮稳定同位素技术,白令海-楚科奇海陆架区底栖生物的δ13C范围较宽(-3.49~-23.63‰),与该地区沉积物和水体颗粒有机碳中发现其研究中δ13C较为一致,说明本研究中选取的底栖生物营养物质来源为相应研究区域,生物移动区域较小。δ15N范围为5.1~18.1‰,表现出由双壳贝类向鱼类、虾蟹类(节肢动物)动物递增的趋势。大部分生物组织呈现出内脏营养级高于肌肉营养级的现象,这种N的分馏现象是生物对食物进行吸收转化的一种重要体现。  白令海-楚科奇海底栖生物物种和生物量都极其丰富,这对讨论物质在食物链中的传递造成了较大困扰。食物链富集因子在该区域底栖食物链中的富集并不明显,仅有Cu出现轻微生物放大现象;金属Fe、Cr和Pb与δ15N均为负相关,表示此3种金属沿食物链向更高营养级呈现递减趋势(生物稀释作用),但趋势较小。生物放大因子(BMFs)则可以通过生物体间的富集差异,讨论金属在较短生物链上的传递规律。贝类→鱼类(肌肉和内脏)传递出现明显的生物稀释现象;贝虾、贝→螺(肌肉)传递的过程中仅有Cu的BMF>1,表现出了生物放大;Cd的放大以贝→螺(内脏)的传递最为明显;Cr的放大以虾→蟹的传递最显著,Pb的生物放大现象也在此食物链中最为明显。综合考虑,认为白令海-楚科奇海陆架区底栖生物网中金属并无明显生物放大效应。  稳定Pb同位素比分析法可以较为准确的示踪物质的长距离大气来源,可以较为确定的指示物质最初产生区域,适用于大多数稳定介质(沉积物、植物、动物及海洋生物)的来源分析。白令海-楚科奇海陆架区的生物组织Pb同位素比值变化与美国的气溶胶Pb同位素基本一致:北美气溶胶排放的Pb可能是白令海-楚科奇海陆架区生物Pb的重要来源。但即便是影响较大的北美区域,其人为活动也未对该区域造成污染,区域内生物的金属传递仍以自然条件下的地球化学循环为主。
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