环境科学研究  2018, Vol. 31 Issue (8): 1346-1356  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2018.04.07

引用本文  

李嗣新. 蓄水对水库下游食物网中汞生物累积影响研究进展[J]. 环境科学研究, 2018, 31(8): 1346-1356.
LI Sixin. A Review on the Studies Related to the Impact of Impoundment on Mercury Bioaccumulation in Food Web Downstream from Reservoir[J]. Research of Environmental Sciences, 2018, 31(8): 1346-1356.

基金项目

国家自然科学基金项目(No.51779158,51509169)
Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51779158, 51509169)

作者简介

李嗣新(1979-), 男, 湖北荆州人, 副研究员, 博士, 主要从事生态毒理与环境化学研究, lisixin@mail.ihe.ac.cn

文章历史

收稿日期:2017-11-14
修订日期:2018-04-13
蓄水对水库下游食物网中汞生物累积影响研究进展
李嗣新     
水利部中国科学院水工程生态研究所, 水利部水工程生态效应与生态修复重点实验室, 湖北 武汉 430000
摘要:1991年,加拿大学者Verdon首次报道了加拿大拉格朗德二级水库下游鱼体中汞含量显著高于水库库区的现象,发现水库下游是新建水库汞输出的重要场所,因此水库下游鱼类汞升高的风险继水库本身后成为新的关注热点.通过对相关野外研究的回顾,表明蓄水对水库下游食物网的鱼类、浮游生物以及水体中汞的富集产生影响,水生食物网中各组分甲基汞含量和比例随着营养级的升高而增加.蓄水加速了水库的甲基化过程,使水库自身成为巨大的汞源,不仅影响水库自身食物网中汞的分布,而且更加剧烈地影响水库下游食物网中汞的分布.水库既向下游直接输送溶解态和悬浮颗粒态的甲基汞,又向下游输送丰富的、可被杂食性鱼类和动物直接利用和吸食的甲基汞食物源.在下游食物网中,甲基汞有可能通过微型浮游生物网(悬浮颗粒物-浮游植物-浮游动物经典食物链),或者通过杂食性鱼类主动摄食来自水库直接输送的浮游动物,或者通过杂食性鱼类被动吸食来自水库直接输送的悬浮颗粒物富集途径,向位于更高营养级位置的鱼类进行传递.在我国,水库蓄水对下游汞输送机制以及对下游微型、底层食物网中生物累积和迁移转化的影响需要更加深入的定量研究.
关键词    新建水库下游    食物网    生物累积    蓄水    
A Review on the Studies Related to the Impact of Impoundment on Mercury Bioaccumulation in Food Web Downstream from Reservoir
LI Sixin     
Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic-Projects and Restoration of Aquatic Ecosystem of Ministry of Water Resources, Institute of Hydroecology, Ministry of Water Resources & Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430000, China
Abstract: In 1991, the Canadian researcher Verdon firstly reported higher mercury concentrations in fish in the downstream than those in Canada's La Grande 2 Reservoir, and found downstream is an important place exported mercury from newly constructed reservoir. The risk of increased mercury levels in fish in the downstream became a new focused hotspot after reservoir itself. On the basis of the review of related field studies, it is suggested that impoundment impacts mercury accumulation in fish, plankton and water in food web of downstream from reservoir. Methylmercury and its proportion increase with trophic level in the components of aquatic food web. Impoundment accelerates methylation process in reservoir, makes reservoir a huge source of mercury, and impacts mercury distribution in food web of downstream more than reservoir itself. On the one hand, dissolved and suspended particulate methylmercury are directly exported from reservoir to downstream. Large amounts of methylmercury food sources directly taken up or passively fed by fish are exported from reservoir to downstream. Methylmercury in food web of downstream may be transferred to fish at higher trophic positions, through pelagic food web (traditional food chain from suspended particulate matter, phytoplankton to zooplankton) or omnivorous fish actively fed with zooplankton or passively fed with suspended particulate matter directly exported by reservoir. In China, there is a need for more quantitative research on the impact of reservoir impoundment on downstream mercury exportation mechanisms, bioaccumulation and migration in pelagic and benthic food web.
Keywords: mercury    downstream from newly constructed reservoirs    food web    bioaccumulation    impoundment    

汞是一种具有极强毒性的神经毒素,也是参与全球循环的唯一液态重金属,能够在水生食物网中进行生物累积和放大. 1953—1956年,在日本熊本县水俣湾,因化工厂排放含汞废水,人们食用了累积了甲基汞的鱼、虾、贝类等水生生物,造成大量居民中枢神经系统中毒甚至死亡[1-2],这成为20世纪50年代最初推动生态毒理学科发展的三大类野外污染事件之一〔重金属,如汞中毒引起的水俣病、镉中毒引起的骨痛病等;有机农药类,如滴滴涕及其衍生物(DDT、DDD、DDE)在鸟类动物中累积;放射性核素,如137Cs、131I在鱼类中累积〕.水环境是自然界中汞污染的重要场所,汞的日常摄入给野生鱼类、哺乳动物、鸟类乃至人类健康均带来潜在的风险[3-4].

蓄水对水库生态系统中汞迁移转化、生物累积的影响最初来自美国威拉德湾水库的野外研究,Smith等[5]发现,该水库的鱼类总汞含量高于相邻的自然湖库的近10倍,远超过世界卫生组织的推荐限值(0.5 μg/g,以湿质量计).蓄水引起水库鱼体中汞含量升高的现象随后被美国[6-9]、加拿大[10-14]、巴西[15-16]、芬兰[17-18]、泰国[19]、中国[20]报道.鱼类汞含量升高主要来源于被淹没土壤和植被的腐解以及同时发生的细菌甲基化作用[10].蓄水成库后大量土壤淹没使得汞的甲基化与去甲基化的平衡被打破,无机汞在土壤微生物的作用下,向甲基化方向进行.被淹没的土壤中甲基化速率受到多种因素影响,包括水库特征(库龄、运行方式、水位变化)、被淹没土壤(类型、面积、有机质含量、汞背景值)、微生物(种类、活性)、水体理化性质与底层环境(温度、pH、氧化还原电位、总有机碳、营养水平)等[11, 21-23].在人们逐渐认识蓄水对水库中汞生物地球化学循环影响的同时,Verdon等[24]发现,水库下游也是汞输出的重要场所,并首次报道了加拿大拉格朗德二级水库下游鱼类中汞含量显著高于水库库区的现象.相比于水库,水库下游汞的输出对生态系统食物网的影响成为新的研究热点.

汞在新建水库鱼体内升高的现象最初报道于一些发达国家,如北美洲的美国、加拿大以及欧洲的芬兰等,当时这些发达地区正大量地修筑水坝,但是那时人们缺乏对汞在新建水库生态系统中升高的风险认识,这使得建坝前相关数据的积累不多.因而,对水库下游鱼体中汞含量升高的风险关注更少.从现有的文献资料来看,目前的研究主要集中在加拿大和巴西等国家,食物网中除了鱼类以外其他的生物组分(如浮游植物、浮游动物)方面的调查研究很少,底栖生物方面几乎鲜见报道.因此,该文的主要目的是回顾蓄水对水库下游食物网中汞生物累积影响的相关研究,探讨水库下游汞的输出与甲基化过程加速的机制机理,并对今后需要开展的重点研究工作进行展望.

1 蓄水对水库下游鱼类中汞含量的影响

汞进入生物体后易于累积,难以代谢,生物体中甲基汞的比例常常随着营养级的升高而增加,这类似于同位素分馏和富集的原理.在水生生态系统中,鱼类位于食物网的顶端,很容易累积汞,同时作为主要的水产品,其食用的健康风险也备受人们的关注.然而,有关蓄水对大坝下游鱼类中汞含量影响的野外调查研究并不多,目前热点区域主要集中在热带地区的巴西和温带地区的加拿大.

1.1 蓄水对水库下游鱼类汞含量影响的首次报道

1991年,Verdon等[24]调查了拉格朗德二级水库库区、下游以及入海河口的鲱形白鲑和白斑狗鱼的w(总汞),水库位于加拿大詹姆士海湾东面,研究首次发现水库下游杂食性和肉食性鱼类w(总汞)均显著高于库区.水库下游鲱形白鲑w(总汞) (1.22 μg/g,以湿质量计,下同)显著高于库区(0.48 μg/g),也高于入海河口(0.47 μg/g),水库下游白斑狗鱼的w(总汞) (3.94 μg/g)也显著高于库区(2.99 μg/g),但其增幅远小于鲱形白鲑(见图 1).鲱形白鲑是加拿大和美国五大湖区的杂食性鱼类,幼鱼时期以浮游生物为食,长大后逐渐转变以螺、水生昆虫幼虫、蛤等小型底栖动物为食[25].由于缺少蓄水前数据的对比,Verdon等[24]猜测,坝下杂食性鱼类食性可能发生了变化,以水库库区流到坝下的漂流性生物为食造成了这种鱼类w(总汞)的升高.

注:鲱形白鲑和白斑狗鱼w(总汞)分别按400和700 mm标准体长进行换算. 图 1 拉格朗德二级水库及下游两种鱼类的w(总汞)[24] Fig.1 Total Hg concentrations of 2 fish species from La Grande 2 Reservoir and downstream[24]
1.2 蓄水后水库下游鱼类食性转变对其总汞含量影响的后续研究

随后,Schetagne等[26]于2000年研究了位于加拿大拉格朗德流域卡尼亚皮斯科水库下游鱼类w(总汞)的变化情况.结果表明,在水库下游275 km范围的堪布莱恩湖内,在成库2 a时鱼类w(总汞)迅速增加,在接下来的4~8 a内仍明显高于蓄水前,但是在水库下游355 km处观察不到鱼类w(总汞)增加的现象(见图 2).通过对水库下游水生生物及水体中悬浮颗粒物w(总汞)的调查分析,Schetagne等[26]推测,坝下鱼类摄食所累积的甲基汞中,主要贡献者是浮游动物(93.3%),其次是小鱼(6.1%).

注:误差线上方不同字母代表组间差异显著;◆代表中位数;图柱底部数字为样本个数. 图 2 卡尼亚皮斯科水库下游鲱形白鲑(体长400 mm)的w(总汞)[26] Fig.2 Total Hg concentrations of lake whitefish (400 mm) downstream from Caniapiscau Reservoir[26]

水库蓄水后,下游鱼类摄食食物组成及食性变化可能是鱼体内汞含量增加的主要原因. 2004年,Palermo等[27]报道了图库鲁伊水库库区及下游汞在不同食性鱼类的组织器官分布,并分析了这些鱼类肠道内含物的变化和比例情况.该水库是巴西亚马逊流域的最大水库,采集到的鱼类按食性分为草食性、浮游生物食性、杂食性、腐食性、食鱼性5种.除了腐食性鱼类的胃和肝外,从水库下游采集到的各种不同食性鱼类的肌肉、胃、肝w(总汞)均高于从库区中采集到的鱼类(见图 3). 5种不同食性鱼类肠道内含物的组成表明,从水库库区及下游采集到的草食性、浮游生物食性以及杂食性鱼类的食物组成并不相同.相比水库库区,从水库下游采集到的浮游生物食性鱼类和杂食性鱼类更多地摄食动物,如浮游动物和幼鱼(见图 4),这些动物饵料本身就比植物饵料含有更多的甲基汞,而水库下游的所有鱼类肌肉w(总汞)均高于水库,这些结果都表明水库下游汞的生物可利用性进一步增加.

图 3 图库鲁伊水库及下游不同食性鱼类组织器官中w(总汞)分布[27] Fig.3 Tissue distribution of Hg concentrations in fish with different feeding habits from Tucuruí Reservoir and downstream[27]

图 4 图库鲁伊水库及下游不同食性鱼类胃肠道内含物比例[27] Fig.4 Numeric percent of the food items founded in the stomach of fish from Tucuruí Reservoir and downstream[27]

2005年,在位于巴西中西部的曼索拉戈水库,Tuomola[28]分别在库区及下游采集到鱼类样本19和22尾,报道了6种鱼类的总汞水平.调查发现,该水库蓄水5 a后,食鱼性鱼类w(总汞)最高,其次是肉食性鱼类,杂食性鱼类和草食性鱼类w(总汞)较低.但是在水库的下游,肉食性鱼类和杂食性鱼类w(总汞)最高,其次是食鱼性鱼类,草食性鱼类w(总汞)较低(见表 1).通过蓄水前后4次历史资料对比显示,水库蓄水5 a后,库区下游食鱼性鱼类和肉食性鱼类的w(总汞)均比蓄水2 a后有所升高,水库下游食鱼性鱼类w(总汞)相比蓄水前(1992年和1999年)明显增加.在蓄水后的第5年,水库下游的两种鱼类w(总汞)均超过了世界卫生组织推荐限值(0.5 μg/g)(见图 5).然而,食鱼性鱼类闪光鸭嘴鲇具有洄游特性,建坝后原有的产卵场消失,因而仅采集到1个样本,不足以解释为什么会出现食鱼性鱼类w(总汞)增幅小于肉食性鱼类的现象.

表 1 2005年4月从曼索拉戈水库及下游采集到鱼类的w(总汞)[28] Table 1 Total Hg concentrations of fish collected from Lago Manso Reservoir and downstream in April, 2005[28]

图 5 曼索拉戈水库下游鱼类w(总汞)的变化[28] Fig.5 Total Hg concentrations of fish downstream from Lago Manso Reservoir[28]

斯莫尔伍德水库自1971年开始蓄水,由加拿大北部拉布拉多地区最大河流丘吉尔河截流形成. 2011年,Anderson[29]通过调查发现,该水库下游300 km乃至入海口仍能观察到鱼体内w(总汞)升高的现象.水库下游鲱形白鲑、真亚口鱼、白斑狗鱼体内w(总汞)均超过了水库,这些鱼类的高w(总汞)持续时间与水库中的鱼类接近,同时也受到自身所处营养级、摄食习性及栖息生境的影响.水库下游鲱形白鲑和真亚口鱼可能由于竞争关系,摄食行为发生改变,更偏向于动物食性,摄食那些被涡轮发电机打碎的小鱼.肉食性鱼类的高w(总汞)持续时间为20~30 a,非肉食性鱼类的高w(总汞)持续时间则小于20 a(见表 2),这些结果表明,下游鱼类的w(总汞)受到河流上游水库向下游持续输送这一主要过程的影响.

表 2 斯莫尔伍德水库下游鱼类w(总汞)最大值(按标准体长换算)、持续时间、采集位置[29] Table 2 Maximum total Hg value, duration and sample sites of fish downstream from Smallwood Reservoir[29]

2012年,Kasper等[30]调查了位于巴西西北部亚马逊热带雨林区的萨穆尔水库库区及下游4 km处不同食性鱼类组织器官中w(总汞)和w(有机汞),发现鱼类肠道中w(总汞)、w(有机汞)及比例均随着营养级升高而增加.无论是在水库库区还是在水库下游,草食性鱼类肠道w(总汞)、w(有机汞)均比较接近,杂食性鱼类也存在类似的现象,而在水库下游的肉食性鱼类w(总汞)、w(有机汞)比水库库区分别高1.5和1.7倍.鱼体肌肉中w(总汞)、w(有机汞)随着营养级升高而增加,与雌雄性别无明显关系.在水库库区及下游的草食性鱼类w(总汞)、w(有机汞)都较为接近,然而在水库下游,杂食性鱼类w(总汞)、w(有机汞)比水库库区分别高3.7和3.8倍,肉食性鱼类w(总汞)和w(有机汞)则比水库库区分别高2.4和2.5倍(见图 6). 42%~97%的肉食性鱼类w(总汞)超出世界卫生组织推荐限值(0.5 μg/g),水库库区非肉食性鱼类w(总汞)全部没有超标,而水库下游非肉食性鱼类w(总汞)超标率为29%(见图 7),这些结果显示,水库对下游汞的输送增强了下游食物网中汞的生物放大作用,在非肉食性鱼类这一营养级累积的汞含量明显增加.

图 6 萨穆尔水库及下游不同食性鱼类组织器官中w(总汞)和w(有机汞)分布[30] Fig.6 Tissue distribution of total and organic Hg concentrations in fish with different feeding habits from Reservatório de Samuel and downstream[30]

图 7 萨穆尔水库及下游不同食性鱼类w(总汞)[30] Fig.7 Total Hg concentrations in fish with different feeding habits from Reservatório de Samuel and downstream[30]

2014年,Kasper等[31]调查了巴西亚马逊流域中部另一个水库——巴尔比纳水库库区及下游食鱼性鱼类(丽鱼属)中w(总汞).该水库是巴西巫驼玛河截流后形成,调查显示,从水库库区及下游5、180 km处采集到的食鱼性鱼类分别为37、21、36尾,w(总汞)平均值分别为(383±143)(663±147)(733±354)μg/kg,超出世界卫生组织推荐限值的比例分别为24%、86%、79%.从水库库区采集到的食鱼性鱼类w(总汞)水平显著低于从水库下游采集到的鱼类(见图 8).

注:误差线上方不同字母代表组间差异显著. 图 8 巴尔比纳水库及下游的食鱼性鱼类(丽鱼属)肌肉w(总汞)[31] Fig.8 Total Hg concentrations in muscle of piscivorous fish (Cichla) from Balbina Reservoir and downstream[31]
1.3 蓄水对水库下游鱼类总汞含量持续时间的研究

托宾湖是加拿大萨斯喀彻温河于1963年截流形成,Green等[32]分析了托宾湖从1970—2013年鱼体w(总汞)长时间序列的变化趋势. 1970年从托宾湖(水库)和坎伯兰湖(下游)采集到的鱼类w(总汞)平均值超过世界卫生组织推荐限值(0.5 μg/g),其中,似鲱月目鱼w(总汞)为0.3~1.8 μg/g,白斑狗鱼w(总汞)为0.1~2.0 μg/g,大眼梭鲈w(总汞)为0.5~3.5 μg/g,加拿大梭鲈w(总汞)为0.7 ~ 2.6 μg/g(见图 9).通过分析历史趋势表明,在水库下游坎伯兰湖,大眼梭鲈、似鲱月目鱼w(总汞)下降速率显著低于库区托宾湖,而白斑狗鱼、加拿大梭鲈w(总汞)下降速率均与库区接近.

图 9 1970—2013年托宾湖和坎伯兰湖鱼体中w(总汞)变化[32] Fig.9 Change of total Hg concentrations in fish from Tobin Lake and downstream from 1970 to 2013[32]
2 蓄水对新建水库下游浮游生物中总汞含量的影响

根据对加拿大卡尼亚皮斯科水库下游食物网中生物与非生物组分的调查分析,Schetagne等[26]推测,在坝下鱼类的摄食饵料中,浮游动物为鱼体中甲基汞的主要来源. Kasper等[30-31]先后研究了巴西两个水库(萨穆尔水库和巴尔比纳水库)及下游浮游动物中汞的变化特征. Kasper等[30]对萨穆尔水库库区及下游的调查表明,无论是水库库区还是下游,浮游植物中w(有机汞)(以干质量计,下同)及比例均比浮游动物低,w(无机汞)(以干质量计,下同)则比浮游动物高,但浮游动、植物w(有机汞)及比例基本相同,浮游动物中w(无机汞)也大致接近,浮游植物中w(无机汞)则表现为水库下游高于水库库区(见图 10).

图 10 萨穆尔水库及下游浮游生物中w(无机汞)、w(有机汞)及比例[30] Fig.10 Inorganic and organic Hg and proportion in plankton from Reservatório de Samuel and downstream[30]

在巴西巴尔比纳水库,Kasper等[31]分别用两种孔径大小的浮游生物网进一步筛选采集了浮游动物,并分析了其w(甲基汞)(以干质量计,下同)变化特征.结果显示,在不同的采样时间和地点,水库库区浮游动物w(甲基汞)均较为接近,70和350 μm浮游动物中w(甲基汞)分别为(8±3)和(12±4)μg/kg(以干质量计,下同).高水位季节(2012年3月)浮游动物的w(甲基汞)普遍低于低水位季节(2011年12月和2012年6月).在高水位季节,水库库区浮游动物w(甲基汞)与坝下35 km处(8~9 μg/kg)接近,到下游250 km处则明显增加(26 μg/kg).然而在低水位季节,坝下浮游动物w(甲基汞)随着离大坝距离的增加而明显升高,在下游250 km处(2012年6月)达到峰值,坝下浮游动物较高含量的甲基汞可能主要受到下游高水位淹没的影响(见图 11).

图 11 巴尔比纳水库下游浮游生物中甲基汞的沿程分布[31] Fig.11 Methyl Hg of plankton downstream from Balbina Reservoir[31]
3 蓄水对新建水库下游水体中汞质量浓度的影响

Schetagne等[26]对卡尼亚皮斯科水库的调查结果也显示,水库对下游汞的输送中,水体中以溶解态汞为主(64.3%),其次是悬浮颗粒物(33.2%)、浮游生物(2.5%),而底栖无脊椎动物和鱼类的贡献可以忽略. Kasper等[30]调查了巴西萨穆尔水库库区及下游水体中悬浮颗粒物w(总汞)的分层状况,结果显示,在高水位季节水体中悬浮颗粒物w(总汞)在5和10 m深度处最低,15、20及25 m深度处则与下游接近(见图 12),水体季节性热分层可能是影响水库对下游汞输送的重要因素.

注:w(总汞)以干质量计. 图 12 萨穆尔水库及下游水体悬浮颗粒物中w(总汞)[30] Fig.12 Total Hg concentration in suspended particular matter from Reservatório de Samuel and downstream[30]

随后,Kasper等[31]开展了对巴西巴尔比纳水库库区及下游水体中ρ(甲基汞)季节变化的调查,结果表明,水库库区及下游35 km处水体中ρ(甲基汞)受到季节性热分层的剧烈影响.在低水位季节(2011年8月、12月,2012年6月),库区水体出现热分层现象,相应地溶解氧也出现分层情况,15 m以下深层水处于厌氧状态,水中ρ(甲基汞)平均达到0.33 ng/L,远高于表层水(< 0.02 ng/L)(见图 13).库区深层水中高含量的甲基汞向下游进行输送,下游水体中ρ(甲基汞)随着离大坝距离的增加而减少,影响范围至200 km.在高水位季节(2012年3月),水库库区没有发生热分层现象,库区及下游35 km内水体中ρ(甲基汞)低且较为一致(平均值为0.02 ng/L),直到下游200~250 km处受到高水位淹没的影响,ρ(甲基汞)才略有增加(平均值为0.05 ng/L,见图 14).研究显示,在低水位水体热分层的季节,水库对下游汞的输送比在高水位水体充分混合的季节高出25%.

图 13 巴尔比纳水库水体中ρ(甲基汞)[31] Fig.13 Methyl Hg concentration in water from Balbina Reservoir[31]

图 14 巴尔比纳水库下游水体中ρ(甲基汞)[31] Fig.14 Methyl Hg concentration in water downstream from Balbina Reservoir[31]

Green等[32]分析1975—2014年加拿大托宾湖下游水体汞质量浓度的历史变化趋势,研究了蓄水对下游水体汞质量浓度持续时间的影响.结果显示,在20世纪70年代,坝下水体ρ(总汞)大多在检测限附近或以下,偶尔在检测限以上,达到2~4 μg/L;随着80年代水体汞质量浓度测定方法的改进,检测限已经达到0.01 μg/L,但水体ρ(总汞)大多仍在检测限附近;到2014年,水体汞测定方法检测限进一步提高,水体中ρ(总汞)为1~5 ng/L(见图 15).由于受到检测方法的限制,调查得到的托宾湖水体ρ(总汞)一直处于检测限附近.尽管缺乏建库前的数据,仍可以推测水体中汞的持续时间可能比鱼类短.

图 15 1975—1990年和2013—2014年坎贝尔坝下水体中ρ(总汞)[32] Fig.15 Total Hg concentrations in water below Campbell Dam in 1975-1990 and 2013-2014[32]
4 水库对下游汞的输送与甲基化过程加速机制

回顾以上文献(见表 3)可以看出,水库蓄水后,被淹没土壤和植被进行腐解,与此同时微生物将无机汞转化为甲基汞,库区生态系统中汞的甲基化过程加速,食物网中生物和非生物组分的汞含量均有所上升.水库自身成为一个重要的汞源,向水库下游输出,进而打破下游段河流汞的甲基化平衡,影响下游食物网中汞的迁移转化和生物累积.

表 3 蓄水对水库下游食物网中汞生物累积影响的相关研究 Table 3 Studies related to the impacts of impoundment on mercury bioaccumulation in food webs downstream from reservoirs

当水库出现季节性分层时,滞水层容易形成厌氧条件,此时水库底部甲基化过程加速,有利于沉积物间隙水向水体释放甲基汞[33].由于大多数水库为底层泄水,水库中厌氧滞水层中甲基汞将以溶解态或有机碎屑、浮游生物等悬浮颗粒物形态释放到下游水体. St Louis等[34]通过对加拿大一个人工水库的试验,发现蓄水前该湿地向下游输送甲基汞每年约1.7 mg/hm2,蓄水后第1年增加40倍,约为70 mg/hm2,随后的9 a内,每年输送的甲基汞量虽有所下降,仍为10~50 mg/hm2,远高于蓄水前的水平. Schetagne等[26]的研究表明,水库向下游输送甲基汞以溶解态和悬浮颗粒态为主,分别占输送总量的64.3%和33.2%,漂流性水生生物如植物碎屑、无脊椎底栖动物、小鱼、浮游植物、浮游动物仅占很小的比例,为2.5%.

因此,蓄水加速了水库的甲基化过程,这个进程使水库自身成为巨大的汞源,它不仅影响水库自身食物网中汞的分布,同时更加剧烈地影响水库下游食物网中汞的分布.影响下游段河流生态系统食物网中汞的分布主要为两个方面:①直接影响,表现为水库向下游直接输送溶解态和悬浮颗粒态的甲基汞;②间接影响,为杂食性鱼类和肉食性鱼类提供丰富的、生物可直接利用或被动摄食的“甲基汞食物源”.通过系列不同生态地理区域的野外研究发现,下游鱼类中w(甲基汞)在蓄水后仍持续很长的时间,在短至2 a、长至37 a的时间范围内依然能够观察到下游鱼类w(甲基汞)超标的现象(见表 3).

由于鱼类甲基汞的累积主要通过摄食而非从水体直接吸收[35].在Schetagne等[26]的研究中,水库向下游输送含甲基汞的漂流性水生生物中,浮游动物占绝大比例,约为93.3%,它是可被杂食性鱼类直接利用的重要食物来源,可以通过食物链向更高营养级的肉食性鱼类累积和生物放大.同时值得注意的是,水库输送下游的大量悬浮颗粒态甲基汞也能够被杂食性鱼类或动物被动吸食.这些研究成果揭示了甲基汞在下游食物网中传递的3个可能途径:①微型浮游生物网,通过悬浮颗粒物、浮游植物、浮游动物的经典食物链[36-37],向营养级较高的鱼类进行传递;②通过摄食浮游动物(来自水库直接输送),向杂食性鱼类或动物进行食物链传递;③通过被动吸食悬浮颗粒物(来自水库直接输送),向杂食性鱼类或动物进行累积.其中途径①的食物链较长,可能是主要途径,但这3种途径均能使以杂食性动物为食的肉食性鱼类汞含量增加.

5 蓄水对我国西南地区水库下游食物网中汞生物累积的影响

在我国,水库蓄水后下游食物网中汞的迁移转化和生物累积需要进一步加强研究.目前已报道的研究区域主要集中在亚北极、温带和热带,其他区域尤其是在我国亚热带的高汞背景区域相关的研究仍较为缺乏.在不同的生态地理区域,蓄水对水库及其下游食物网中汞的迁移、生物富集路径的影响很可能是不同的.如在亚北极和温带地区,鱼体中在最初蓄水的5~10 a内增加数倍甚至数十倍[12, 24].在热带地区,可能由于温度的升高加速了水库底部汞的甲基化过程[38],巴西和泰国新建水库鱼体中汞含量比加拿大、美国等温带区域的新建水库在更短时间内达到峰值[19, 28].然而,同样是热带的东非大裂谷区域,尽管缺乏蓄水前的数据,加纳、坦桑尼亚等国家的新建水库中鱼体中汞含量并没有显示出超标的情况[39-40],这说明成库后水体底部汞的甲基化过程增速缓慢.在我国,乌江流域处于土壤汞背景值较高的地区,国内已对水库汞的生物地球化学过程及环境效应等方面有着大量研究[41-42],其中,成库后水库对下游汞输出的影响机制有一些报道,主要集中在水体-沉积物方面[43-47],但蓄水前后对水库下游食物网汞生物累积影响的相关研究不多[48-49].已有的证据显示,在西南喀斯特区域,乌江上游成库5 a的洪家渡水库中鱼体总汞含量均未超标[48],在乌江中下游蓄水不到一年的彭水水库及下游鱼体中总汞含量分别升高了3.0和1.9倍,但大部分样本仍低于世界卫生组织推荐限值[20, 50-51],而且也低于北美、欧洲、南美地区新建水库及下游的鱼体中总汞含量水平. Larssen[52]在《Environmental Pollution》上发表评论,认为中国水库相比欧洲、北美的水库,汞的生物累积具有不同的动力学机制.这些研究结果都说明乌江蓄水成库后水体底部汞的甲基化速率比欧洲、南北美洲地区低,水库下游食物网中各营养级生物累积的甲基汞及其比例状况鲜见报道,水库对下游汞的输送与甲基化过程的发生机制机理、迁移富集途径尚不十分清楚.

6 结论与展望

a) 通过相关文献的回顾表明,水库蓄水对下游食物网的鱼类、浮游生物及水体中汞的生物累积和迁移转化产生明显影响,水生食物网中各组分甲基汞及比例随着营养级升高而增加.蓄水后水库自身成为一个巨大的汞源,一方面直接地向下游输送溶解态和悬浮颗粒态的甲基汞,另一方面也向下游输送丰富的、可被杂食性鱼类和动物直接利用和吸食的甲基汞食物源,通过微型浮游生物网等不同的富集途径在食物链进行生物累积和放大,向位于更高营养级位置的鱼类进行传递.

b) 围绕水库蓄水如何影响下游汞的迁移转化,进而影响汞在食物网中各营养级生物累积这一思路,需要在以下方面加强研究工作:①水库蓄水对下游汞的输送机制研究.研究汞在新建水库系统中水体分层效应,开展蓄水后水库向下游输送的汞通量研究,如输出的溶解态和颗粒态汞的总量,以及食物网中不同营养级生物现存量、输出汞的组成比例等. ②加强蓄水对水库下游微型食物网中富集效应的研究.应用碳氮稳定性同位素(13C和15N)技术构建水库下游食物网营养结构模型,探讨微型食物网中各营养级生物的食物来源与汞生物富集之间的影响关系,确定甲基汞在下游食物网进行迁移转化的途径. ③开展水库下游底层食物网中汞的生物累积规律研究.这方面研究极为缺乏,但可摸清汞在下游底层食物网中尤其是底栖生物中的累积规律,以及沉积物-水界面细菌的甲基化与去甲基化作用机制等,进一步探明水库作为“汞源”对下游汞输送总量的贡献状况.

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