（分析化学专业论文）鄱阳湖水生生物中痕量元素砷硒汞的环境和生物效应研究.pdf

鄱阳湖水生生物中痕量元素砷硒汞的环境和生物效应研究 作者：姚刚导师：邓天龙廖梦霞 摘要 水生生物作为监测环境污染物一种有效的生物指标，一直是人们关注的焦 点。在导师主持的国家自然科学基金项目( 编号：4 0 1 0 3 0 0 9 、4 0 5 7 3 0 4 4 ) 和教育 部优秀青年教师基金项目( 编号：2 0 0 1 1 7 6 6 ) 的联合资助下，以我国最大且具有 代表性的鄱阳湖中的水生生物为研究对象，首次开展了不同水层的水生生物中 砷、硒和汞的环境及生物效应研究。 主要研究内容：生物样品微波消解方法的优化；建立痕量、超痕量元素 硒的连续蠕动进样一氢化物一原子荧光光谱分析方法；不同水层生物样品中痕 量元素砷、硒和汞分布行为；沉积物、间隙水、底栖生物和鱼类中痕量元素的 分布行为。 本文首先建立了l 一半胱氨酸为还原剂测定生物样品中痕量硒的氢化物原子 荧光光谱分析方法：采用微波溶样一氢化物发生一原子荧光光谱法对水生生物样 品中痕量元素砷、硒、汞进行了系列测定，首次揭示了这些痕量元素在鄱阳湖地 区水生生物体内及其在不同层位水生生物链间的分布、迁移、转化规律及生物累 积效应。研究结果表明：水生生物中砷、汞含量较低，而硒含量较高，这一研究 可为都阳湖生态环境保护提供科学依据。 关键词：鄱阳湖，水生生物，硒，砷，汞 s t u d i e so ne n v i r o n m e n t a la n d b i o l o g i c a le f f e c t so ft r a c e e l e m e n t so fa r s e n i c ，s e l e n i u m ，a n dm e r c u r yi na q u a t i c o r g a n i s mi np o y a n gl a k e ，c h i n a g r a d u a t e ：gy a os u p e r v i s o r s ：t l d e n gm x l i a o a b s t r a c t i ti sf o c u s e do nm o n i t o r i n gt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t a n ti na q u a t i cs y s t e mu s i n g a q u a t i co r g a n i s ma sa l le f f e c t i v eb i o t e l e m e t r yb ye n v i r o n m e n t a ls c i e n t i s t sa r o u n dt h e w o r l da tp r e s e n t ，t h r o u g ht h ef i n a n c i a ls u p p o r t sf r o mt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n t ：4 0 1 0 3 0 0 9 ，4 0 5 7 3 0 4 4 ) ，t h ee x c e l l e n ty o u n gt e a c h e r s p r o g r a mo fm o e ，p rc h i n a ( g r a n t ：2 0 0 11 7 6 6 ) ，r e s p e c t i v e l y , t h ee n v i r o n m e n t a la n d b i o l o g i ce f f e c t so nt r a c ea n du l t r a t r a c ee l e m e n t so fa s ，s ea n dh gi na q u a t i c o r g a n i s ml i v i n gi nd i f f e r e n tl a y e r so ft h eo v e r l y i n gw a t e r si np o y a n gl a k ei nc h i n a w e r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l s t h em a i nc o n t e n t sr e s e a r c h e da r ei n c l u d i n g ：t h ed i g e s t i o nm e t h o df o r b i o l o g i c a ls a m p l e sw a so p t i m i z e du s i n gm i c r o w a v ei nt h ef i r s t ；as e n s i t i v e a n a l y t i c a lm e t h o df o rt r a c es e l e n i u ms p e c i e si nb i o l o g i c a ls a m p l e sw a se s t a b l i s h e db y h y d r i d eg e n e r a t i o na t o m i cf l u o r e s c e n c es p e c t r o m e t r y ( h g a f s ) ；d i s t r i b u t i o n b e h a v i o r so ft r a c ea n du l t r a t r a c ee l e m e n t so fa s ，s ea n dh gw i t h i nt h es a m ea n d d i f f e r e n ta q u a t i co r g a n i s m sw e r ed e m o n s t r a t e d ；t od i s c u st h ed i s t r i b u t i o n s b e h a v i o r so f a s ，s ea n dh gi ns e d i m e n t s ，p o r e w a t e r s ，b e n t h o sa n df i s h e s an o v e lp r o c e d u r eo nt r a c ea n du l t r at r a c ee l e m e n t a ls e l e n i u mi nb i o l o g i c a l s a m p l e sw a ss u c c e s s f u l l ye s t a b l i s h e du s i n gl s y s t e i n e a sa ne f f e c t i v er e d u c e rb y h g a f s as e r i e so fb i o s a m p i e sw e r ea n a l y z e du s i n gt h ec o m b i n e dm i c r o w a v e d i g e s t i o n - h g - a f s a f t e ras e r i e so fc o m p a r i s o n sf o rt h ed i s t r i b u t i o n so fa s ，s ea n d h gw i t h i nt h es a m ea n dd i f f e r e n ta q u a t i co r g a n i s m sc h a i n s ，p r i n c i p l e so nt h et r a n s f e r a n dt r a n s f 0 1 - i nb e h a v i o ra n dt h ea c c u m u l a t i o no ft h et r a c ea n du l t r a - t r a c ee l e m e n t si n a q u a t i co r g a n i s mw e r e c a r r i e do u t a ne s s e n t i a la s s e s s m e n ts h o w e dt h a tt h e c o n c e n t r a t i o n so fa r s e n i ca n dm e r c u r yb o t ha r er e l a t i v e l yl o ww h e r e a s t h e c o n c e n t r a t i o no fs e l e n i u mi sh i 曲e n o u g h t h er e s e a r c hr e s u l t sc a l lp r o v eav i t a l e v i d e n c et os t r e n g t h e nt h ee c o l o g yp r o t e c t i o ni np o y a n gl a k e ，c h i n a k e y w o r d s ：p o y a n gl a k e ，a q u a t i co r g a n i s m ，m e r c u r y , s e l e n i u m ，a r s e n i c 第l 章前言 第1 章前言 1 1 论文的研究意义 伴随着人类活动的不断加剧，每年都有数万种化学物质进入环境中，尤为重 要的是，已发现某些化学物质有的在n g 级或者更低的浓度就足以对生态环境、 环境中的生物产生有害影响。其中砷、硒和汞等元素及其化合物是对环境和人类 健康影响最大的化学物质之一，汞作为一种剧毒的重金属很早就被人所熟知，砷 则是公认的致癌物质，硒虽然是人体必须的十四种微量元素之一，具有许多重要 的生理功能，但硒的安全阀范围很窄，超过其安全阀也可有毒性、诱变性及致癌 变的作用。这些在生物体内的痕量元素并不能被生物本身所分解吸收，而是通过 生物链的传递在生物体内不断的浓缩、累积和放大，最终影响到处于生物链顶端 的人类的生命健康。 水产是世界各国非常受欢迎的一类食物，同时它也与环境接触非常密切，极 易受到环境的影响，特别是当水环境受到污染时，往往会迅速的，不知不觉的反 映到水生生物上，表现为各种症状。如北卡罗莱纳 l b e l e w sl a k e 由于在7 0 年代 中期的火电厂废水造成硒污染，随后导致湖中的2 0 多种鱼类出现血球密度和血色 素减少、角膜白内障等多种症状，最后导致2 0 种鱼类中1 9 种濒临灭绝。更严重 的是，当人类食用了这些通过生物链累积达到致毒水平的鱼时，可能会导致食物 中毒，甚至危及生命。因此把水生生物作为监测环境污染物一种有效的生物指标， 一直是人们关注的焦点。 生物监测能较好的反映出环境污染物协同作用对生物产生的综合效应，并且 对低浓度甚至是痕量污染物迅速做出反应，显示出可见的症状，因此生物监测可 在早期发现污染并及时预警。此外生物监测可用于测定那些剂量小、长期作用产 生的慢性毒性效应，并且克服了理化监测的局限性和连续取样的繁琐性【2 j 。 生态监测的目的，一方面是了解湖泊污染( 尤其是慢性污染) 对湖泊生态系 统机构和功能的影响，以便及早向有关部门提供信息；另方面利用某些生物( 指 示生物) 对污染物有高的吸收和累积能力，或对某种污染物在生理、生化或形态 的敏感指标预示海域的污染程度。 位于长江中下游交接处的鄱阳湖是我国最大的淡水湖，有鱼类1 4 0 余种，占 江西省8 1 以上。而且鄱阳湖水域人口众多，很多人以水生资源捕捞或者养殖 为生，因此以鄱阳湖中的水生生物作为研究对象具有非常实际的意义。择环境生 物中的砷、硒和汞的环境及其生物效应的作为本课题的研究对象，目的在于通过 量化这三种金属污染物在不同水层、不同食物链阶层的水生生物体内的生物富集 结果，反映金属污染物对生物产生损害作用的发生、发展，探索毒物在生物体内 成都理工大学硕士学位论文 累积与毒物浓度的关系；通过和湖泊水样以及不同水生生物的对比，揭示其在水 环境和生物体之间的迁移转化规律及生物累积效应，为评价环境污染效应和生态 风险、制定相应的环境标准，并对环境污染的修复与生态系统的恢复提供了科学 依据。 1 2 湖泊水生生物痕量元素的环境和生物效应研究进展 目前，对于湖泊水生生物中痕量元素的研究主要集中于某一或某一类生物样 品体内各金属元素总量的研究。如：珠江入海河口经济鱼类重金属含量分析口j 、 南充境内嘉陵江水生态系统中五种重金属的分布【4 j 、北方海洋生态站几种经济动 物体内5 种重金属残留量【5 1 。这些研究大部分集中于重金属在水生生物体内的分 布情况，难以揭示湖泊中痕量元素在不同水层、不同习性水生生物之间沿食物链 的变化以及在水生生物与湖泊水环境和沉积物之间的迁移转化规律。 痕量元素对于水生生物体内的影响，主要集中于( 1 ) 对鱼类免疫的影响。 重金属离子引起鱼类免疫性的改变是显而易见的，极微量的h 矿+ 可使t r i c h o g a s t e tt r i c h o p t e r u s 幼鱼头肾细胞的酵母聚糖诱导的化学发光反应受抑制，如水 体0 0 4 5 m g l 和0 0 9m g l l 的h 9 2 + 可使上述的化学发光反应水平比对照组分别下降 1 0 和5 0 ，所h 9 2 + 的毒性是相当强的【6 】。( 2 ) 对鱼类呼吸强度和呼吸运动的影 响。贾秀英 _ 7 1 研究了铜、铅、汞、锌4 种重金属对泥鳅幼鱼呼吸强度的影响。试 验结果表明，在染毒历时l o m i n 时，泥鳅幼鱼的呼吸强度明显高于对照组，原因 可能是由于在中毒后，泥鳅必须依靠消耗大量的氧气来维持受损机体的生理代。 ( 3 ) 对鱼类胚胎发育和仔鱼毒性的影响。杨再福等m j 采用人工配制成的不同浓度 t u 9 2 + 对草鱼受精卵孵化的影响。结果表明，h 9 2 + 的浓度分别低于o 0 3 m g 见和0 1m 昏几时。草鱼卵子的孵化率与对照组无显著差异；当h g ”浓度在 0 0 6 0 1 5 m 掣 l 时。孵化率随h g 浓度的升高而递减在0 1 5m l 时。孵化率为0 。 ( 4 ) 对鱼类基因的毒性的影响。周新文等 9 1 研究发现，在重金属离子的暴露作 用下，鲫鱼d n a 总甲基化水平发生变化。结果表明，铜、锌、镉、铅及其混合重 金属离子极大地提离了鲫鱼肝脏d n a 的总甲基化水平；铜、锌两种生物元素对d n a 总甲基化水平的改变要小于铅和镉两种非生物元素；随着混合重金属离子浓度的 增加，鲫鱼肝脏d n a 的总甲基化水平也有所增高；混合重金属离子对不同组织d n a 总甲基化水平的影响不同，肝脏 鱼鳃 肾脏。 1 2 1汞的环境和生物效应研究进展 汞是一种剧毒的重金属，具有较强的挥发性、迁移性和高度的生物富集性。 汞对于生物的毒性不仅取决于它的浓度，而且与汞的化学形态以及生物本身的特 征有密切关系。科学试验证实，人体血液中汞的安全浓度1 , u g l o m l ，当到达 2 第1 章前言 5 - 1 0 1 0 m l 时，就会出现明显中毒症状。经计算，如果一个人每天食用2 0 0 9 含汞o 5 m g k g 的鱼，人体所摄入的汞量恰好在此安全范围内。 汞进入海洋的主要途径是工业废水、含汞农药的流失以及含汞废气的沉降。 此外，含汞的矿渣和矿浆也是其来源之一。环境科学家认为沉积物中的重金属污 染是环境中的一颗“定时炸弹”，当外界条件适应时，就可能导致过早爆炸。例 如在缺氧的条件下，一些厌氧生物可以把无机金属甲基化。尤其近2 0 年来大量 污染物无节制的排放，已使一些港湾和近岸沉积物的吸附容量趋于饱和，随时可 能引爆这颗化学污染“定时炸弹”。 一般认为，汞是通过水生生物体表( 皮肤和鳃) 的渗透或摄含汞的食物进入体 内的【l 。汞及其化合物很容易溶解在脂肪类物质中，沿着食物链( 更多的是沿着 水生生物的食物链) 逐级浓缩，最终造成水生生物体内汞的含量远远高于环境水 体中的汞浓度，可高达2 0 万倍! 日本发生的震惊世界的水俣病就是由于居民长 期食用了八代海水俣湾中含有汞的海产品所致。工厂排放的氯化汞和硫酸汞在海 底泥里能够通过一种叫甲基钴氨素的细菌作用变成毒性十分强烈的甲基汞。甲基 汞每年能以1 速率释放出来，对上层海水形成二次污染，长期生活在这里的鱼 虾贝类最易被甲基汞所污染，据测定水俣湾里的海产品含有汞的量已超过可食用 量的5 0 倍，居民长期食用此种含汞的海产品，自然就成为甲基汞的受害者。一 旦甲基汞进入人体就会迅速溶解在人的脂肪里，并且大部分聚集在人的脑部，粘 着在神经细胞上，使细胞中的核糖酸减少，引起细胞分裂死亡。 1 2 2 砷的环境和生物效应研究进展 砷及砷化合物是世界卫生组织( w h o ) 下属的国际癌症研究所 ( i a r c ) 、美国环境卫生科学研究院( n l e h s ) 和美国环保局( e p a ) 等 诸多权威机构所公认的人类已确定的致癌物。对于一个标准体重7 0 k g 的 人，其a s2 0 3 中毒剂量为1 0 - 1 5 m g ，敏感者1 0 m g 目p 可中毒，2 0 m g 可致死。饮用 含砷高的水可导致皮肤癌和其它几种内脏癌。水和沉积物中的砷主要以砷酸盐的 形式存在，还有少量的亚砷酸盐、一甲基砷酸( m m a ) 和二甲基砷酸( d m a ) 1 1 1o 在 海洋生物体中有2 5 种不同的无机砷和有机砷【l ”，其浓度比海水高出很多【l ，而 在鱼与甲壳动物中砷与甜菜碱( a s b ) 是主要形式【l ”。此外在海藻中还存在着丰富 的砷糖( d i m e t h y l a r s i n o y l r i b o s i d e s 与t i m e t h y l a r s i n o y l r i b o s i d e s 的衍生物) 。由于 这些砷及其化合物存在于可供人类使用的动植物中，这些化合物的毒性研究有助 于正确的风险性评估。一般认为毒性强弱a s ( 1 1 1 ) a s ( v ) m m a d m a 砷糖，而甜菜碱( a s b ) 、砷胆碱( a s c ) 、t m a o 和四甲基胂离子( t m a s ) 基 本无毒。但是以亚砷酸盐存在的a s ( 1 1 1 ) 比以砷酸盐形式存在的a s ( v ) 的毒性要 高出6 0 倍 1 5 】。由于甲基化合物比离子砷的毒性小得多，砷的甲基化过程是一个脱 3 成都理工大学硕士学位论文 毒的过程，而不像汞的甲基化过程。然而，无机a s ( i i i ) 对于多数生物而言，只 能在生物的肝脏中被甲基化，而在进入肝脏之前，能与血液中的蛋白质起反应， 从而破环蛋白质的结构，引起机体病变 1 ”。 砷比汞、铅等更容易发生水流迁移，其迁移去向是经河流到海洋。砷的沉积 迁移是砷从水体析出转移到底质中，包括吸附到粘粒上，共沉淀和进入金属离子 的沉淀中。砷一般都积累在表层，向下迁移困难。同时生物可以蓄集砷，能够沿 着食物链而扩大。比如格陵兰以西海域海洋生物a s 的含量：浮游动物6 0 p p m ， 褐藻3 5 5 p p m ，贻贝1 4 1 1 6 7 p p m ，虾6 2 9 - 8 0 2 p p m ，不同种类的鱼平均为 8 8 4 p p m 1 6 】。日本学者s u h e n d r a y m a 等【1 7 】研究了砷在日本鱼中的富集、转移及其 毒性，结果发现，砷在鱼体内的直接富集量随着水6 7 a s ”浓度的提高而提高，富 集的砷其中- d , 部分转化为了甲基砷，而大约7 0 的砷被直接排出体外。在国内 也有一些相关的报道，罗国钧【i ”研究了鲫鱼体内重金属的分布和积累规律，发现 砷在鲫鱼体内含量最高的部分为鱼鳞，其次为鱼肉和内脏。 1 2 3 硒的环境和生物效应研究进展 硒作为重要的1 4 种必需的生物微量元素之一而被研究，是近二十年才开始 的，目前已经引起全世界的广泛关注 1 9 1 。机体内硒水平下降将直接影响骨骼、 心肌及肝脏、眼睛、前列腺、甲状腺等多种重要的生命组织器官 2 ，美国医学部 门建议每天从饮食中摄入的硒的含量为7 0 微克。但在实际生物体内，通常硒仅 在一个有限的浓度闽值范围内发挥作用，它的需要量和中毒量之间比较接近，因 此研究各种硒化物的不同的生理、生物活性，及其迁移转化规律是非常必要的。 无机态存在的硒主要有单质硒，硒的金属化合物及硒酸盐、亚硒酸盐等。有 机形态的硒直接与碳成键，主要有硒代半胱氨酸、硒蛋氨酸、硒代胱氨酸、二甲 基硒( d m s e ) 、二甲基二硒( d m d s e ) 、三甲基硒( t m s e ) 。硒代氨基酸是人r 常膳食中获取硒的主要来源【2 ”，其中硒代蛋氨酸来自于植物体【2 2 1 ，硒代半胱氨 酸来自于动物体h ”。 随着人们对生物微量元素硒认识的不断深入，建立和发展各种富硒样品特别 是复杂的富硒生物与环境样品中硒的测定方法，在有关硒的研究中占有十分重要 的地位。段敏等【2 4 】利用h g a f s ；、坝i 定了甲鱼中的硒为2 0 8 p g l ，甲鱼肉中硒元素的 含量非常丰富，硒含量是普通动物鲜肉中的1 2 9 4 倍，是新鲜瓜果蔬菜的几十 至几百倍。 有关硒形态的研究主要有以下几方面：( 1 ) 尿中硒的测定；( 2 ) 微生物和植 物中硒氨基酸的选择性测定；( 3 ) 哺乳动物中硒蛋白的表征。而其中生物样品中 硒的形态分析是个难题，其硒的含量低，硒化合物的热稳定性差，又缺少标准参 考物可供参考。在形态分析方面，q u i j a n o 等 2 5 1 分别以2 ；1 和l ：2 比例的甲醇、 4 第1 章前言 氯仿混合物为提取液，通过两步蛋白酶水解过程提取金枪鱼和贻贝中的硒，用 r p h p l c i c p m s 分析，在色谱分离过程中有蜂重叠现象，回收率仅为3 0 ，说 明有些化合物丢失。鱼中有s e ( i v ) ，s e ( v i ) ，s e m e t 和t m s e 检出，其余为未知化 合物。 1 3 痕量元素砷、硒和汞的分析方法研究进展 海洋和湖泊等水生态系统中的砷、硒和汞研究是近二十年来深受关注的问 题。传统的生物样品分析方法中，前处理是其分析的难点之一。因为生物样品中 一般金属元素的含量均较低，一般在n g g 级，而传统的干法和湿法消化均步骤复 杂且不密闭，极易造成挥发损失和玷污。现在微波消解的出现为其扫除了障碍， 微波消解具有简单、快捷不易损失和污染等特点，成为生物样品前处理的一个非 常有效的方法。m a h e r 等在0 0 7 9 鱼样 力n a l m l 浓硝酸，再分三档消解样品，用 h p l c i c p m s n t 定了澳大乖t j w m a c q u a r i e 湖胭脂鱼的血和不同组织的砷含量，揭 示了砷在生物体内的迁移转化机理【2 6 1 。 砷的形态分析中应用最广的方法是h p l c ( s e c 、r p h p l c 、i e s ) 分离后用 i c p m s 检测砷。海洋生物如海藻和鱼类中提取砷糖一般用甲醇一水溶液( 1 ：1 ) ， 超声振荡后离心，取出提取液，重复操作两次，在减压条件下，用旋转蒸发仪于 3 0 去除溶剂。残渣溶于水后，保存于4 c 。k o n m e y e r 等 2 7 用h p l c i c p m s 3 j v 离和检测了海洋生物中1 7 种无机和有机砷。砷化合物用甲醇一水提取，用阴离子 交换色谱( a e c ) 分离，硝酸溶液和离子对试剂淋洗。所有砷的化合物均出现在色 谱图中。分析结果说明a s b 是海洋动物中砷的主要化合物，而海藻中大部分是砷 糖和砷酸盐。蛤l 肾中砷糖用水提取 2 射，在5 0 。c 超声振荡2 h ，离心后取出清液。残 渣再次用水提取。所得提取液经冷冻干燥后溶于水，在4 c 经超声离心，清液用 体积排斥色谱( s e c ) 和高效液相色谱( h p l c ) 提纯和分成不同组分待测。s a n c h e z r o d a s 等【2 9 1 分析了牡蛎中的砷，应用了两种分析方法，h p l c 。e s i m s s d h p l c u v - h g a f s 。在牡蛎的水提取液中用h p l c u v - h g a f s 找出了砷酸盐，亚砷酸 盐，d m a * 1 1 - - 未知物。该未知物用h p l c e s i m s 鉴定，与4 种砷糖标准( 砷糖a 、 b 、c 、d ) 比较，确定为砷糖b ，与前人的结果相符川。 有关硒形态的工作已有综合报道【3 1 1 。血浆、乳清和尿液等样品经过过滤和稀 释后可直接进入色谱柱。硒氨基酸为水溶性，用热水可浸取出与大分子结合的硒 化合物。样品用水搅匀，经超声振荡加热处理和超声离心，硒浸取约为1 0 。含 硒酵母中的硒也会全部被提取，硒氨基酸可用超滤或透析分离，硒半肮氨酸( s e c y t ) 和某些硒氨基酸容易氧化降解，用经甲基衍生物可以稳定s e c y t 以防其降解p “。 c a o 等口3 】用h p l c 分离尿中的硒经振荡雾化器( o c n ) 进入i c p m s 检测，找出了6 种含硒化合物，利用e s i m s m s 获得分子结构信息。 5 成都理工大学硕士学位论文 气相色谱法( g c ) 、高效液相色谱法( h p l c ) 及反 h h p l c 法等均用于样品中 甲基汞、乙基汞、苯基汞和无机汞等形态的分析。梁淑轩等口4 以聚四氟乙烯为内 管线连接色谱柱和原子吸收光谱仪，并自制石英炉原子化器，改进气相色谱的分 离条件及原子吸收的测定条件，选用0 5 m 的短柱，控制原子化温度为7 0 0 。c ，4 m i n 内同时分离测定甲基汞、二甲基汞，其检出限分别为0 0 9 n g 、o 0 6 n g 。近年来， 色谱和各种检测器的联用技术在汞的形态分析中得到了越来越广泛的用。王萌等 吲用超声波提取高效液相色谱一电感耦合等离子体质谱( h p l c i c p m s ) 联 用测定生物样中的无机汞和甲基汞，检出限均达n g l ，方法简单，灵敏度高。陈 云登等【3 刨采用安捷伦( a g i l e n t ) 公司p f a 微量雾化器的h p l c i c p m s 系统，通 过在i c p m s 系统安装屏蔽炬( s h i e l dt o r c h ) 高灵敏度装置，控制双通道雾室于一5 保持汞信号的稳定，对甲基、乙基和无机三种形态汞的分析可以达到单个n g l 的量级甚至, 亚n e , l 量级。 原子光谱因高灵敏度、检出限低，成本低等优点，和氢化物发生法( h g ) 联用在砷、硒和汞的形态分析中运用也较多。a m j a ds h r a i m 等【j ”研究了氢化物浓 度、酸度以及半胱氨酸( l c y s t e i n e ) 预还原剂对h g a a s 测定不同形态砷的影响， 总砷用0 0 1m 盐酸、2 n a b h 、4 5 l c y s t e i n e ，反应时间小于1 0m i n ；d m a 则需用1 0m 盐酸、o 3 _ o 6 n a b h 4 ，、4 o l c y s t e i n e ，反应时间小于5r a i n ； 测定a s ( i i i ) 4 _ 6m 盐酸和o 0 5 n a b t 4 4 ，不加入l c y s t e i n e 还原剂；m m a 用4 0 m 盐酸、o 0 3 n a b h 4 、o 4 l c y s t e i n e ，反应时间约3 0 m i n ；a s ( v ) 则利 用差减法得到结果。l l ：e p b d e n g 等j 利用8 - 羟基喹啉对a s ( v ) 的掩蔽作用，k i 对a s ( v ) 的还原作用，测定了j f i n 植物中a s ( v ) 、a s ( i i i ) 、有机砷和总砷。 原子荧光仪测定硒时，要把s e ( v i ) 还原为s e ( ) ，通常采用在浓酸介质中加热的 办法，沸水浴加热【3 9 1 、恒温回流加热和微波密闭加热 4 1 1 等。还有采用硫脲抗 坏血酸还原试剂 4 2 】，但这种试剂要求将样品溶液中的酸赶除，否则会剧烈反应生 成气泡，导致反应结果很不稳定，也有报道称加入异丁基醇可以消除起泡。 综上所述，痕量砷、硒和汞的分析方法主要使用的是色谱和光谱两类，而其 中色谱虽然有很多的优点，但像i c p m s 之类的昂贵价格，还不能在一般分析实 验室中普及。而光谱同样具有类似的优点，特别是h g - a f s 这一具有中国特色的 分析仪器分析成本低廉，且拥有较低的检出限和较高灵敏度，因此本实验采用 h g a f s 作为生物样品的主要分析方法。 1 4 湖泊水生生物痕量元素的环境和生物效应研究存在的问题 ( 1 ) 若单一考虑某一水生物种的痕量元素分布，难以有效地揭示痕量元素通过 食物链富集转移的情况。 ( 2 ) 虽然有关于重金属对于多种水生生物的研究，多局限于生物体内的影响， 6 第l 章前言 但对于整个水生系统的相互作用仍然有很大部分的不确定性。 ( 3 ) 关于我国长江中下游鄱阳湖地区痕量、超痕量元素砷、硒和汞在水生生物 体内的研究，目前国内外尚未见报导。 1 5 本论文的课题来源 本课题研究受到国家自然科学基金( 编号：4 0 1 0 3 0 0 9 、4 0 5 7 3 0 4 4 ) 和教育部 优秀青年教师基金( 编号：2 0 0 1 1 7 6 6 ) 联合资助。 1 6 本论文的研究目标 ( 1 ) 结合本实验室实际情况，解决生物样品中砷、硒和汞的分析问题，建立可 靠的痕量元素分析方法。 ( 2 ) 通过水生生物与沉积物系列样品中砷、硒和汞的分析，揭示在水环境和生 物体之间的迁移转化规律及生物累积效应。 ( 3 ) 分析实验数据，初步探讨环境因素与生物相互作用规律或环境变化对生物 作用的数学模型，为其发展趋势进行一定的预测。 1 7 拟解决关键问题 ( 1 ) 样品在采样、运送过程直至样品测定前的正确处理( 低温保存运输、超低 温冷藏) ，减少样品中痕量元素的损失。 ( 2 ) 生物样品的前处理以及痕量、超痕量元素的砷、硒和汞的准确测定。 ( 3 ) 揭示痕量、超痕量元素砷、硒和汞的迁移、转化、富集规律，建立其相应 的模型。 1 8 创新之处及主要特色 ( 1 ) 关于我国长江中下游鄱阳湖地区痕量、超痕量元素砷、硒和汞在生物体内 的分布及其环境与生物效应的研究，目前国内外尚未见报导，本研究可填补相应 的空白。 ( 2 ) 建立了生物样品的微波消解前处理方法，利用新的还原剂创立了痕量、超 痕量元素硒的高灵敏度连续蠕动式氢化物原子荧光光谱分析方法。 7 成都理工大学硕士学位论文 第2 章鄱阳湖资源状况 2 1自然资源 鄱阳湖是世界生命湖泊网成员，是长江流域最大的通江湖泊，也是我国第一 大淡水湖、国际重要湿地。鄱阳湖位于江西省北部九江与南昌之间的长江中游南 岸，南北长1 7 0 公里，东西最宽处达7 0 公里，湖岸线长6 0 0 公里，湖面积3 5 8 3 平方公里。湖面海拔2 1 米，平均水深7 米，最深处1 6 米左右，蓄水量约2 5 立 方公里。该地区属于亚热带气候，年降水量1 4 0 0 1 9 0 0 m m ，4 - 6 月为雨季，1 0 月 至翌年3 月为旱季，年平均气温1 7 。c ，夏季最高气温4 0 ，1 月份平均气温5 ，最低一4 。 鄱阳湖水位涨落受“五河”( 即赣江、抚河、信江、饶河、修水) 及长江来水的 双重影响，每年1 0 月至翌年3 月为枯木期，水位基本处于海拔1 1 1 2 m ，保护区 内水落滩出，形成9 个独立的湖泊。湖水面积减至5 0 0 平方公里左右，形成大 面积的湖滩、草洲、沼泽湿地、浅水湖泊。水退之后，水草、螺、蚌等便成为候 鸟丰盛的食物。每年4 9 月丰水期，9 个湖泊融为一体，与鄱阳湖连成一片汪洋， 最大面积达4 6 0 0 平方公里。这时鄱阳湖一片汪洋，水生生物鱼、虾、螺、蚌及 水草大量繁殖。 2 2 水生资源概况 浮游植物是鄱阳湖水体中最简单的初级生产者，种类繁多，数量较大，分布 很广，对鄱阳湖的渔业生产有着极为重要的意义。现已鉴定的浮游植物计有5 4 科1 5 4 属。其中绿藻类门有7 8 个属，占总数的5 1 ，屠首位。其次为硅藻门， 3 1 个属，占总数的2 0 。其他为蓝藻门属，甲藻门3 属，金藻门6 属，黄藻门4 属，裸藻门6 属，共占总数的1 3 。鄱阳湖浮游动物所包括的类型，主要有原生 动物、轮虫类、枝角类和桡足类。水生维管束植物是湖泊的初级生产者，是鄱阳 湖水生生物的一个重要组成部分，现已查明鄱阳湖中有水生维管束植物1 0 2 种， 分隶于3 8 科。鄱阳湖植被面积2 2 6 2 平方公里，湖泊汛期总面积按4 1 年长系列 记录的7 月份平均水位1 7 5 3 m 计，约为2 7 9 7 k m ，水生植被占全湖总面积的8 0 8 。 底栖动物是鱼类和鸟类等的天然食物，也是水环境质量监测指示生物。鄱阳 湖已知底栖动物1 0 6 种，其中包括软体动物8 7 种，水生昆虫5 目8 科1 7 种，寡 毛类1 2 种。底栖动物的分布因水深、水流、底质和水生植物生态类型的种类和 数量有显著的差异。在沉水植物区双壳类占绝对优势，其次是湖北钉螺( 日本血 吸虫的中间宿主) 、中华沼螺和纹沼螺。在菰丛区则主要是腹足类的梨形棱螺、 中国圆田螺和中华圆田螺。在河1 5 、河道中有大量的刻纹蚬、背角无齿蚌、方格 短钩蜷、铜锈环棱螺、背瘤丽蚌等。底质有机质丰富的地带，方形环棱螺和中华 8 第2 章鄱阳湖资源状况 圆田螺的数量较多。湖中的消落区软体动物贫乏。 鄱阳湖虾类有8 种，占江西已知虾类1 0 种的8 0 ，其中秀丽白虾( p a l a e m o m m o d e s t u s ) 和日本沼虾( m a e r o b r a c h i u m n i p p o n e n e s ) 为优势种。鄱阳湖有蟹类4 种， 占江西已知蟹类1 4 种的2 8 5 7 。中华绒螯蟹( 河蟹) ( e r i o c h e i rs i n e n s i s ) 分布长江 和鄱阳湖等地。 鄱阳湖已记载鱼类有1 4 0 种，隶属2 1 科，主要成分是鲤科，有7 5 种，占鄱 阳湖鱼类种数的5 3 5 。主要优势种为鲤、鲫、鳊、鲂、鲐、鲩、青、鲢、鳙等， 占我国淡水鱼类种数的1 7 5 0 。鄱阳湖东南部的波阳、余干等县水域是鲤、鲫 鱼的集中产地，湖区南部程家湖的赵河、黄老湖的项予口、草湾湖的岭口是长颌 鲚产卵场，永修县吴城松门山以北的蜈蚣山一带是鲥鱼幼鱼的主要索饵场，珠湖、 西湖渡、青岚湖、大郁池一带是银鱼的主要产地。渔获物主要由鲤、鲫、鲶、青、 草、鲢、鳙、鳊、鲂、鳃、鳜、鲍、黄颡鱼等组成。其中鲤鱼占2 5 ，鲫鱼占 2 0 ，鲶鱼占1 0 ，青、草、鲢、鳙占1 0 ，鲚、鲐、黄颡鱼等占3 5 。渔获物 以当年繁殖的鱼多，2 龄鱼少，出现低龄化和个体小型化。鄱阳湖渔获物产量占 江西省水产品年产量1 2 7 ，1 1 0 4 t 的2 7 4 。 2 3 实验研究采样点的布设 如前所述，世界瞩目的我国第一大淡水湖鄱阳湖，位于长江中下游交接 处的南岸、江西省北部，上承赣江、抚河、信江、饶河、修水五大河流，下接浩 浩长江，受到河流和湖泊的双重作用。由于位于鄱阳湖流域信江中游的永平铜矿 和乐安河中、下游的德兴铜矿，是我国著名的大型铜业基地，各金属矿床的开采 已有相当长的历史。矿山开采产生的重金属污染已经对鄱阳湖湿地的生态环境造 成了一定的影响。 因此在选择采样点时有必要考虑到矿山开采所产生的含重金属的废水对该 地区水生生态环境。为了使得采集的生物样品更具有普遍代表性，排除人为污染 造成的影响，选择了瑞洪点作为水生生物样品的采集点。 选择瑞洪点( e1 1 6 0 2 0 4 1 1 ”、n2 8 4 5 4 0 1 ”) ，除信江外，是在相对自然条件 下，上游相对无大型矿产资源，亦不存在矿产开发，且该地区渔业较为发达。 9 成都理工大学硕士学位论文 第3 章实验方法 3 1 仪器设备 本研究工作所需要的主要仪器设备见表3 一l 。 表3 1 主要仪器设备 t a b l e3 - 1s o m em a i ni n s t r u m e n t su s e di nt h es t u d i e s 仪器设备基本性能或产地 a f s 2 2 0 2 型双道原子荧光光度计 包括蠕动进样一氢化物发生气液分离系统北京海光仪器公司 砷、硒和汞编码空心阴极灯 m i c r op e p e t1 i l 连续可调式微量加样枪 1 0 1 0 0 , u l 、1 0 0 1 0 0 0u l ： 加拿大 1 0 0 0 - 1 0 0 0 0 , u l 日本 功率；3 0 0 w ；频率：5 0 h z ； m o d e ls p a - 1 5 0 - z ，v i b r a t i n gi n c u b a t o r 电源电压：2 2 0 v ；温度范围：0 ，5 0 ； 电热恒温培养箱 上海跃进医疗器械厂 额定输入功率：1 3 0 0 w ；微波输出功率： w p 8 0 0 型微波炉 8 0 0 w ，广东顺德格兰士电器有限公司 振幅：4 0 h z ；温控：o 1 0 0 ； z b e 2 0 b 超声波洗涤器 上海电器仪器设备厂 s i md e e pf r e e z e r 一8 5 超低温冰箱美国 a b l 0 4 nm e t t l e rt o l d o 电子分析天平 0 1 m g 感量，梅特勒- 托列多( 上海) 仪器 艾科普三蒸超纯水生产仪上海艾科普超纯水设备厂 5 0 m l 特氟龙( t e f l o n ) 消解罐自制 3 2 主要药品试剂 3 2 1 主要药品试剂 药品试剂除注明外，均为分析纯( a r ) 3 2 1 1 浓酸 ( 1 ) 硝酸( g r )( 2 ) 盐酸( g r )( 3 ) 高氯酸( 4 ) 氢氟酸( 5 ) 浓硫酸 3 2 1 2 分析测试用主要药品 1 0 第2 章鄱阳湖资源状况 ( 6 ) 硼氢化钾( k b h 4 ) ( 7 ) 重铬酸钾( k z c r 0 4 )( 8 ) 氢氧化钾( 9 ) 碘化钾 ( 1 0 ) 抗坏血酸( v c ) ( 1 1 ) 三氯化钛( t i c l 3 )( 1 2 ) 8 - 羟基喹啉( 1 3 ) 硫脲 ( 1 4 ) l 一半胱氨酸( l e y s t e i n e ) 3 2 1 3 配制标准用主要药品( g r ) ( 1 5 ) 偏砷酸钠( n a a s 0 2 ) ( 1 6 ) 元素硒( 光谱纯) ( 1 7 ) 氯化汞( h g c l 2 ) 3 2 2 主要试剂溶液的配制 k b h 4 ( 2 5 ) ：称取2 5 9 的优级纯k o h 于5 0 0 m l 烧杯中，加蒸馏水溶解， 加入1 2 5 9 固体k b h 4 ，溶解后过滤于5 0 0 m l 的容量瓶中，用水稀释刻度，此溶 液现配现用 k b h 4 ( 1 5 ) ：称取2 5 9 的优级纯k o h 于5 0 0 m l 烧杯中，加蒸馏水溶解， 加入7 5 9 固体k b h 4 ，其余步骤同上 k b h 4 ( o ，5 ) ：称取0 0 5 9 的优级纯k o h 于5 0 0 m l 烧杯中，加蒸馏水溶解， 加入o 2 5 9 固体k b i - 1 4 ，其余步骤同上 k i 溶液( 5 0 ) 含1 0 的l - 抗坏血酸：称取5 0 0 9 的k i 和1 0 o g 的l 抗坏 血酸( 9 9 ) 溶液在1 0 0 0 m l 的蒸馏水中，此溶液在4 。c 下，能稳定保存4 0 d 供使用 8 羟基喹啉溶液( 1 o ) ：称取1 0 9 的8 一羟基喹啉溶液溶解在1 0 0 m l 的无 水乙醇( 9 9 8 ) 中，然后用3 0 m o l l l 的h c l 稀释到1 0 0 0 m l 的带盏的聚乙烯的 管中，此溶液放置于4 。c 下，能稳定三个月供使用 8 一羟基喹啉溶液( o 1 ) ：称取o 1 9 的8 一羟基喹啉溶液溶解在1 0 0 m l 的无 水乙醇( 9 9 8 ) 中，然后用3 0 m o l l 的h c l 稀释到1 0 0 0 m l 的带盖的聚乙烯的 管中，此溶液放置于4 。c 下，能稳定三个月供使用 l 一半胱氨酸( 2 0 ) 含4 的l 一抗坏血酸：称取1 0 o g 的硫脲和4 o g 的l - 抗 坏血酸( 9 9 ) 溶液在5 0 0m l 的蒸馏水中，此溶液在4 c 下，能稳定保存4 0 d 供使用 2 0 、1 0 、5 盐酸：吸取2 0 0 m l 的浓h c l 用蒸馏水稀释到1 0 0 0 m l ，配 得2 0 盐酸溶液；吸取1 0 0 m l 的浓h c l 用蒸馏水稀释到1 0 0 0 m l ，配得1 0 盐酸 溶液；吸取5 0 m l 的浓h c l 用蒸馏水稀释到1 0 0 0 m l ，配得o 5 盐酸溶液 硫脲( 5 0 ) 含1 0 v o 的l 一抗坏血酸：称取5 0 o g 的硫脲和1 0 o g 的l - 抗坏血 酸( 9 9 ) 溶液在1 0 0 0m l 的蒸馏水中，此溶液在4 。c 下，能稳定保存4 0 天 供使用 a s ( i i i ) 标准储备液：准确称取o 1 7 3 4 9 偏砷酸钠固体溶解在1 0 0 0 i n l 浓度 为3 0 m o l l 的h c l