环境科学学报  2018, Vol. 38 Issue (3): 1256-1262
引用本文
何依芳, 黄清辉, 陈玲, 等. 2018. 南极菲尔德斯半岛近岸海洋生物体有机锡污染状况[J]. 环境科学学报, 38(3): 1256-1262.
He Y F, Huang Q H, Chen L, et al. 2018. Organotin contamination in Marine Biota from the Fildes Peninsula coast, Antarctic[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 38(3): 1256-1262.
南极菲尔德斯半岛近岸海洋生物体有机锡污染状况    [PDF全文]
何依芳1 , 黄清辉1 , 陈玲2 , 王峰1     
1. 同济大学环境科学与工程学院, 长江水环境教育部重点实验室, 上海 200092;
2. 同济大学环境科学与工程学院, 污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092
收稿日期: 2017-08-01; 修回日期: 2017-10-30; 录用日期: 2017-11-03
基金项目: 南北极环境综合考察与评估专项（No.CHINARE2015-04-01-07，CHINARE2015-02-01-08）
作者简介: 何依芳(1992-), 女, E-mail:heyii09660@gmail.com
通讯作者（责任作者）: 黄清辉, E-mail:qhhuang@tongji.edu.cn
摘要: 在南极地区已发现丁基锡污染，但有关苯基锡污染及有机锡在食物链中的传递等相关研究尚未见报道.为此，自2014年12月—2015年1月从南极菲尔德斯半岛周边采集了20种海洋生物共32个混合样品（即由多个同种生物个体混合而成），经甲醇/醋酸提取、四乙基硼化钠衍生和弗洛里硅土柱净化等过程处理后，采用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）对样品中一丁基锡（MBT）、二丁基锡（DBT）、三丁基锡（TBT）、二苯基锡（DPhT）和三苯基锡（TPhT）进行测定，并讨论了不同有机锡化合物在食物链中的传递特征.结果表明：海藻、无脊椎动物、鱼类、海豹、鸟类中有机锡含量分别为n.d.~19.5、8.6~11.0、10.8、4.2~12.9、21.6~27.0 ng·g-1（以Sn计，若未注明均以干重计），生物样品中TBT、DBT、TPhT、DPhT均有检出，而MBT均未检出；大型海藻对TBT、DBT有一定富集能力，且TBT一定程度上表现出随营养级生物放大效应；TBT和TPhT在食物链顶端含量最高，同时发现高营养级的生物具有排出部分有机锡的能力.
关键词: 南极     丁基锡     苯基锡     海洋生物     生物积累    
Organotin contamination in Marine Biota from the Fildes Peninsula coast, Antarctic
HE Yifang1, HUANG Qinghui1 , CHEN Ling2, WANG Feng1    
1. Key Laboratory of Yangtze River Water Environment of the Ministry of Education, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092;
2. State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092
Received 1 August 2017; received in revised from 30 October 2017; accepted 3 November 2017
Supported by the Chinese Polar Environment Comprehensive Investigation & Assessment Programs (No. CHINARE2015-04-01-07, CHINARE2015-02-01-08)
Biography: HE Yifang(1992—), female, E-mail:heyii09660@gmail.com
*Corresponding author: HUANG Qinghui, E-mail:qhhuang@tongji.edu.cn
Abstract: Butyltin compounds were found in limited areas in Antarctic, but there are no reports about the phenyltin contamination and organotin transfer across trophic levels in Antarctic marine food chains. Therefore, thirty-two pooled samples (pooled by a number of individuals of same species) of 20 marine biota species were collected from the Fildes Peninsula coast, Antarctic since December 2014 to January 2015. Extraction by methanol/acetic acid, derivatization by sodium tetraethylborate and purification by Florisil column were carried out before monobutyltin (MBT), dibutyltin (DBT), tributyltin (TBT), diphenyltin (DPhT) and triphenyltin (TPhT) in these samples were measured using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The transmission characteristics of different organotin compounds along food chain were discussed. The concentration ranges of organotin in the seaweeds, invertebrates, fish, seals and birds were n.d.~19.5, 8.6~11.0, 10.8, 4.2~12.9 and 21.6~27.0 ng·g-1(as Sn, dry weight, if not specified), respectively. TBT, DBT, DPhT and TPhT were detected in biological samples, whereas MBT was not detectable. Macroalgae had the bioconcentration ability for TBT and DBT, and TBT showed a certain extent biomagnification with the increase of the trophic level. The concentrations of TBT and TPhT were the highest in organisms at the top of the food chain. Meanwhile some organisms at high trophic level were found to be able to eliminate some organotins.
Key words: Antarctic     butyltin     phenyltin     marine biota     bioaccumulation    
1 引言(Introduction)

人类活动产生的许多持久性有毒物质(如Hg和POPs)可以长距离迁移到达人迹罕至的极地环境, 并危害极地生态.有机锡化合物曾广泛应用于船舶防污涂料、塑料热稳定剂和杀真菌剂等, 在港口和近岸地区普遍存在, 对动物的生殖和发育具有一定的危害.早在1985年就有研究分析了南极海域小须鲸肝脏中的丁基锡化合物, 但未检出(Tanabe et al., 1999).但近十几年来已有迹象表明, 南北极局部地区海水、沉积物和生物存在丁基锡污染(Strand et al., 2006; 2003; Curtosi et al., 2010), 尤其是北极图勒空军基地近岸水域普遍受到三丁基锡(TBT)污染而频繁发生海螺(B. finmarkianum)性畸变(Strand et al., 2006).就南极海水而言, 最早在长城湾检测到痕量的一丁基锡和二丁基锡(刘稷燕等, 2002), 但未发现三丁基锡(TBT), 而在亚南极的南大洋海水中检出痕量的TBT(Kurihara et al., 2007).在南极麦克默多海峡和波特湾沉积物中检测出较高浓度的丁基锡(包括TBT)(Negri et al., 2004; Curtosi et al., 2010), 在南极特拉诺瓦湾和波特湾的海洋双壳类等动物体中均检出痕量的丁基锡(Magi et al., 2004; Curtosi et al., 2010).但至今尚未发现南极海洋生物样品中苯基锡污染的有关报道, 也不清楚南极海洋食物链中鱼类及高等哺乳动物体中是否存在有机锡的生物积累和生物放大效应.

菲尔德斯半岛位于西南极地区南设德兰群岛的乔治王岛西南部的无冰区, 是全球南极科学考察站较为集中的地区, 已有研究发现其近岸海水中存在痕量丁基锡的污染(刘稷燕等, 2002).本研究以菲尔德斯半岛为研究区域, 研究南极海洋食物网中代表性生物样品中丁基锡和苯基锡的赋存特征, 以期阐明其在南极海洋食物网中的传递状况.

2 材料和方法(Materials and methods) 2.1 样品采集及前处理

如图 1所示, 2014年12月—2015年1月在中国第31次南极科学考察期间, 从南极菲尔德斯半岛近岸采集32个海洋生物样品, 涉及13种大型藻类、3种无脊椎动物、1种鱼类、2种鸟类、1种哺乳动物(表 1).涵盖了从初级生产者到顶级消费者的各营养级生物, 是南极菲尔德斯半岛具有种群代表性的海洋生物种类(沈静等, 1999).所采集的藻类、无脊椎动物样品由大约20~100个同种生物个体混合而成, 很大程度上消除了个体差异的影响.南极鱼及无脊椎动物取肌肉部位和其余生物样品经真空冷冻干燥去除水分后密封保存在玻璃瓶或铝箔袋中, 运回实验室进一步处理.冻干前后记录生物样品质量及大小, 并计算样品含水率.

图 1 南极菲尔德斯半岛的主要采样位置分布示意图 Fig. 1 Distribution map of sampling sites in Fildes Peninsula, Antarctic

表 1 南极菲尔德斯半岛生物样品信息 Table 1 Sampling information of organisms in Fildes Peninsula, Antarctic
2.2 样品中有机锡的测定

冻干的生物样品用球磨机(TL2012, 鼎昊源, 中国)粉碎, 备用.称取0.5 g冻干样品, 加入10 mL提取剂(甲醇:醋酸=9:1, 体积比, 含0.03%的环庚三烯酚酮), 混匀后超声30 min.取5 mL上清液于-85 ℃冰箱中冷冻2 h, 5000 r·min-1离心5 min.将上清液全部转出, 加入100 mg N-丙基乙二胺(40~63 μm, 上海安谱科学仪器有限公司), 振荡10 min(150 r·min-1), 离心5 min(5000 r·min-1)后将上清液转入70 mL试管中, 依次加入40 mL醋酸/醋酸钠缓冲溶液(1 mol·L-1, pH=4.5)、1 g氯化钠(分析纯, 国药集团化学试剂有限公司)、5 mL正己烷(色谱纯, 美国Honeywell公司)、100 μL三丙基锡内标储备液(1 mg·L-1, 德国Dr. Ehrenstorfer GmbH公司)、600 μL NaBEt4(1%, 质量分数, 德国Dr. Ehrenstorfer GmbH公司), 振荡20 min(150 r·min-1).静置至两相分离, 取3 mL有机相浓缩后过Florisil小柱(500 mg, 6 mL, 上海安谱科学仪器有限公司)净化, 5 mL洗脱液(正己烷:乙醚=9:1, 体积比)洗脱, 氮吹至0.5 mL待测(Chen et al., 2017).

2.3 分析方法及条件

配置不同浓度梯度的有机锡(MBT、DBT、TBT、DPhT、TPhT)混合标准溶液, 采用三丙基锡为内标.以上述方法经NaBEt4衍生后, 采用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS-QP2010 Plus, 岛津)测定样品中的MBT、DBT、TBT、DPhT和TPhT, 利用有机锡质谱图、混合标液的保留时间定性, 内标法定量, 选择性离子作为定量参数(表 2).气相色谱所用色谱柱为HP-5(30 m×0.25 mm×0.25 μm), 进样口温度为250 ℃, 进样量为1 μL, 不分流模式进样, 恒流模式, 柱流量为1 mL·min-1.柱温采用程序升温, 起始温度为60 ℃, 保持1 min, 以10 ℃·min-1的速率升至150 ℃, 再以8 ℃·min-1升至290 ℃, 并保持2 min.采用EI(70 V)离子源, 温度为230 ℃, 质谱接口温度为280 ℃, 载气为高纯氦气(99.99%).质谱采用全扫(Scan)和选择性离子扫描(SIM)两种扫描方式, 并通过SIM中的出峰图在谱库中进行检索, 辅助定性分析.MBT、DBT、TBT、DPhT、TPhT的检测限分别为4.5、2.1、0.3、2.5、1.2 ng·g-1.

表 2 有机锡标准物质性质及其定量参数 Table 2 Properties and quantitative parameters of organotin certified reference materials
2.4 质量保证与质量控制(QA/QC)

根据质量浓度x对峰面积比y(目标物峰面积/内标峰面积)做校准曲线, 得到的工作曲线方程线性关系良好, 6种有机锡化合物可决系数均在0.997以上.用生物标准参考物质(ERM-CE477, 欧盟Joint Research Center)及空白生物样品中加标回收进行质量控制.生物标准参考物质(n=3)通过生物(干样)前处理方法, 测定结果均在定值范围内(表 3), 说明建立的方法准确可靠.

表 3 有机锡生物标准参考物质的QA/QC数据表 Table 3 QA/QC data of organotin in organism standard reference materials
2.5 数据处理

生物富集系数(BCF)常用来衡量生物的富集能力, 通过同时测定生物体内(Cb)和水体中(Cw)有机锡浓度获得(BCF=Cb/Cw)(全燮等, 1997).生物放大因子(BMF)是指某种污染物在一个特定的营养级生物体内的浓度与较低营养级生物体内的浓度之比, 可用于表示污染物沿食物链的生物放大能力(王雪莉等, 2016).本文BCF和BMF计算中, 以鲜重(FW)计, 干重根据样品含水率换算得到.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 菲尔德斯半岛近岸生物样品中有机锡的赋存特征

如图 2所示, 南极的大型海藻中总有机锡(包含MBT、DBT、TBT、DPhT、TPhT, 下同)含量为n.d.~19.5 ng·g-1, 平均值为8.3 ng·g-1(均以Sn计，下同); 而无脊椎动物、鱼类、海豹中有总机锡含量为9.3~13.0 ng·g-1.总体上, 它们显著低于鸟类中总有机锡含量(21.6~27.0 ng·g-1), 这可能与鸟类习性、降解机制有关, 需进一步研究.

图 2 菲尔德斯半岛近岸海洋生物样品总有机锡含量分布 Fig. 2 Contamination of organotin in marine biota from the coast of Fildes Peninsula

大型海藻是南极近岸海洋生态系统中重要的生产者, 对全球碳循环起着至关重要的作用.本研究涉及的20种大型海藻中, 除了MBT未检出之外, DBT、TBT、DPhT和TPhT等均有检出(图 3a), 范围为n.d.~13.4 ng·g-1, TBT的检出率为70%.TBT最高含量检出于小腺囊藻, 为7.9 ng·g-1, 而倒卵银杏藻、孟氏酸藻的DBT含量较高, 可达6.2 ng·g-1; 菊苣紫菜对苯基锡富集相对其它藻类较强, DPhT最高含量达13.4 ng·g-1(图 3b).

图 3 菲尔德斯半岛近岸海洋藻类有机锡含量特征(a.各种形态有机锡检出情况, b.不同海藻中有机锡形态分配; N.D.表示未检出) Fig. 3 Concentrations of different organotin in seaweeds from the coast of Fildes Peninsula

如图 4a所示, 大型底栖动物和牛首南极鱼等4种生物与大型藻类一样均没有检出MBT, 且除小红蛤之外, 均未检出TPhT和DPhT.其中, 牛首南极鱼中TBT的平均含量可达7.3 ng·g-1, 显著高于笠螺、肥肠海星及小红蛤等底栖软体动物中含量, 而牛首南极鱼中DBT的含量与小红蛤中的相近, 平均值为4.6 ng·g-1, 但显著低于笠螺和肥肠海星等底栖软体动物体中的含量.南极菲尔德斯半岛近岸的小红蛤比南极波特湾软壳蛤(L. elliptica)(Curtosi et al., 2010)肌肉组织中TBT、DBT含量略低, 且TPhT和DPhT均有检出.

图 4 菲尔德斯半岛近岸鱼类及无脊椎动物(a)及海豹和鸟类(b)样品中有机锡含量特征 Fig. 4 Characteristics of organotin content in samples of fishes and invertebrates(a) and seals and birds(b) from the coast of Fildes Peninsula

在所调查的海豹和鸟类等样品中均检出TBT, 含量为4.0~13.0 ng·g-1(以干重计); 但TPhT仅仅在花斑鹱羽毛、企鹅羽毛和企鹅卵等鸟类样品中检测到, 最高可达15.6 ng·g-1(以干重计)(图 4b).DPhT在鸟类样品中检出, 但含量较低, 均小于2.9 ng·g-1; DBT在鸟类羽毛和海豹皮下脂肪样品中检出, 但未在海豹肌肉、皮毛及企鹅卵中发现.

3.2 菲尔德斯半岛近岸食物网中有机锡的生物富集与生物放大

本研究采集的大型海藻主要分布于菲尔德斯半岛沿岸潮间带(杨宗岱等, 1992), 是许多较高营养级生物(如无脊椎动物和鱼类等)的重要食物来源, 由于生长于礁岩和砂质海床上, 所以其体内有机锡主要是从水体直接吸收而来.若分别与文献报道的南大洋海水TBT浓度0.266 ng·L-1(Kurihara et al., 2007)和南极长城湾DBT浓度2.3 ng·L-1(刘稷燕等, 2002)进行比较和计算, 可以发现, 菲尔德斯半岛沿岸大型海藻对TBT、DBT的富集系数分别为109.4~8808.1、219.8~703.3, 且大多数海藻对TBT的富集能力要高于DBT.显然, 大型海藻对有机锡有一定的生物富集作用.

南极笠螺和小红蛤为植食动物(杨宗岱等, 1992), 而肥肠海星食性较杂, 根据同位素示踪技术, 这些无脊椎动物总体上处于第2营养级(Pauly et al., 1998).牛首南极鱼是一种主要的近岸底栖鱼类, 主要食物为帽贝(也称笠螺)、小红蛤、螺类及大型海藻(杨宗岱等, 1992; 黄凤鹏等, 1992; Iken et al., 1997), 处于第3营养级, 其对第2营养级生物的TBT具有生物放大作用, BMF值在2.1~5.4之间变化.海豹主要以各种海洋鱼类为食, 也捕食底栖无脊椎动物及少量的小型乌贼类动物及小型浮游鱼类动物(Iken et al., 1997); 花斑鹱主要以磷虾、各种鱼类为食(Casaux et al., 1998); 阿德利企鹅主要以南极磷虾及极地鱿鱼为食, 也会食用一些鱼类和甲壳动物(Emslie et al., 2007; Ainley et al., 2004), 总体上处于第4营养级.如图 5所示, 菲尔德斯半岛沿岸食物网中, 最高营养级生物的TBT和TPhT含量(TBT、DBT、TPhT、DPhT均以鲜重计)相对较高, 而三取代与二取代有机锡相对含量在各个营养级生物体中存在差异, 可能是生物对其的吸收与代谢各有不同(Wade et al., 1998).就TBT而言, 海豹和鸟类对底栖动物的BMF均大于1, 而对南极鱼不完全是这样的(表 4).

图 5 南极海洋食物网中不同营养级生物体中有机锡含量的比较(N.D.为未检出) Fig. 5 Comparison of organotin concentrations in biota of different trophic levels in Antarctic marine food web

表 4 菲尔德斯半岛海洋生物生物放大因子(TBT) Table 4 Biological magnification factors of marine organisms in the Fildes Peninsula(TBT)

三丁基锡在南极海洋食物链的中低营养级表现出一定的生物放大效应, 但第4营养级并未显著高于第3营养级, 而苯基锡并没呈现出生物放大现象, 仅小红蛤对藻类的TPhT生物放大因子为1.9.这可能与这类高营养级的生物对有机锡具有解毒机制有关.本研究中企鹅卵检测到有机锡的积累, 据此推测鸟类可以通过产卵方式从体内排出一部分有机锡.据文献所述, 海豹作为鳍足类动物，细胞色素P-450活性较高, 其较强的新陈代谢过程使得有机锡化合物降解, 并通过换毛的方式排出(Iwata et al., 1995; Tanabe et al., 1998), 也可能像甲基汞一样可通过皮毛排出(Bargagli et al., 1998).

4 结论(Conclusions)

1) 南极地区已经受到丁基锡、苯基锡污染物的污染, 海洋生物体中除MBT未检出之外, TBT、DBT、TPhT和DPhT均有检出.

2) 三丁基锡在南极海洋食物链的中低营养层次表现出一定的生物放大效应, 而三苯基锡没有此效应, 但可以通过食物链进入企鹅和鸟类等高营养级生物体中.

3) 高营养级动物对有机锡的代谢能力存在着一定的差异.鸟类和海豹等哺乳动物均对三丁基锡有一定的代谢能力, 而海豹体中并未检出三苯基锡, 可能与其代谢能力有关.

致谢: 感谢中国第31次南极科学考察队长城站各位队员在野外工作中的支持!
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