食物来源影响水生生物富集与转化砷的差异性及其机制

Arsenic (As) is a carcinogenic metalloid and ubiquitous in the environment. The toxicity of arsenic to organisms depends on its concentration and speciation. Compared to marine organisms, there are much fewer studies focusing on As speciation in freshwater organisms due to low extraction efficiencies and high detection limit. Laboratory experiments indicated that dietary uptake could be the primary route of arsenic bioaccumulation in fishes. Unfortunately, no studies have been done to quantify the diet sources that may be responsible to the interspecies differences on arsenic bioaccumulation and transformation of aquatic organisms. In this project, we will collect aquatic organisms feeding on different prey types, including Hypophthalmichthys molitrix, Ctenopharyngodon idellus, Carassius auratus, Silurus asotus, and their potential diets from different sites of the Shimen Realgar Mine area. All various multiple environmental and biological samples will be measured for arsenic concentration and six arsenic species, including arsenite, arsenate, dimethylarsinic acid, monomethylarsonic acid, arsenobetaine and arsenocholine will be analyzed. Based on the results of stomach contents method, a Bayesian mixing model (SIAR) analysis combined with carbon and nitrogen stable isotopes will be used to investigate the diet composition of aquatic organisms. Further analysis of the diet sources and arsenic characteristics of each food component could contribute to better understanding the mechanisms of arsenic bioaccumulation and transformation in aquatic organisms and thus provide scientific basis for clarifying the cycling of arsenic in freshwater ecosystems.

砷对动植物具有广泛致毒性，其毒性不仅与总量有关，更取决于形态特征。相对于大量海洋生物砷研究而言，淡水水生生物中砷含量及砷形态报道尚不多见，主要受样本来源及分析技术方法的检测限所限。食物相暴露作为水生生物砷累积的主要途径，但目前对食物来源与水生生物砷富集和转化之间的关系还知之甚少。本项目拟选择石门雄黄矿区高砷区与对照区，采集不同摄食习性水生生物（鲢鱼、草鱼、鲫鱼、鲶鱼等）及其潜在食物来源样品，室内分析其中砷的含量和形态（三价无机砷、五价无机砷、一甲基砷、二甲基砷、砷甜菜碱等），以胃含物分析结果为基础，利用SIAR模型及稳定同位素量化指标分析水生生物的食物来源组成，从而全面准确地获得水生生物食物网基础及营养级信息。进一步通过对水生生物中食物来源组成和各食物组分的砷赋存特征分析，探索食物来源对砷的富集与转化砷的可能贡献和影响机制，以期对淡水生态系统砷污染及其生物地球化学行为等方面获得一些新认识。

食物相暴露是水生生物砷累积的主要途径，但是目前对自然条件下食物来源对水生生物富集和转化砷的差异性及其机制的认识还存在很大的不足。本研究选择湖南石门雄黄矿区黄水溪水生生物及其潜在食物来源为研究对象，通过多种方法相结合定量分析食物来源组成，在此基础上揭示食物来源对生物富集和转化砷的影响。结果表明：石门雄黄矿黄水溪中的鱼类优势种为马口鱼，鱼类的主要食性为杂食性和肉食性。胃含物分析结果显示水生生物主要由鱼、腹足类、昆虫、浮游动物和浮游植物等食物组成。采用碳氮同位素应用MixSIAR模型定量分析，结果表明不同水生生物主要的食物来源为FPOM和岩石附生相，食物贡献率46%-94%之间。砷的生物放大系数BMF均<1，说明砷从食物到水生生物无生物放大效应。水生生物主要以有机砷为主，食物来源主要以无机砷为主。前者的甲基砷比例远高于后者，表明淡水鱼类具有一定的甲基化砷的能力。不同生长阶段水生生物的食物组成不同，说明水生生物在生长过程中可发生一定的食性变化。推测食物来源组成变化是不同生长阶段水生生物对砷的富集和转化差异的主要影响机制。本研究结果为认识淡水生态系统砷的生物地球化学行为和渔业安全管理提供科学依据。