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2020年夏季长江口邻近海域的营养盐含量及分布特征

邢志远, 祝文鑫, 徐焕志, 李博, 胡海燕. 2020年夏季长江口邻近海域的营养盐含量及分布特征[J]. 环境化学, 2023, 42(4): 1349-1356. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022101803
引用本文: 邢志远, 祝文鑫, 徐焕志, 李博, 胡海燕. 2020年夏季长江口邻近海域的营养盐含量及分布特征[J]. 环境化学, 2023, 42(4): 1349-1356. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022101803
XING Zhiyuan, ZHU Wenxin, XU Huanzhi, LI Bo, HU Haiyan. Nutrients content and distribution characteristics of the Yangtze River Estuary in summer, 2020[J]. Environmental Chemistry, 2023, 42(4): 1349-1356. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022101803
Citation: XING Zhiyuan, ZHU Wenxin, XU Huanzhi, LI Bo, HU Haiyan. Nutrients content and distribution characteristics of the Yangtze River Estuary in summer, 2020[J]. Environmental Chemistry, 2023, 42(4): 1349-1356. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022101803

2020年夏季长江口邻近海域的营养盐含量及分布特征

    通讯作者: E-mail:huhaiyan@zjou.edu.cn
  • 基金项目:
    国家自然科学基金(41706022)资助.

Nutrients content and distribution characteristics of the Yangtze River Estuary in summer, 2020

    Corresponding author: HU Haiyan, huhaiyan@zjou.edu.cn
  • Fund Project: the National Natural Science Foundation of China (41706022).
  • 摘要: 本研究根据2020年夏季SOPHI航次21个站位水体中6项营养盐(NH4+-N、NO2-N、NO3-N、溶解无机氮(DIN)、PO43−-P、SiO32−-Si)的调查数据,解析了调查区域营养盐的分布特征,并结合悬浮物(TSM)等环境参数,探究其主要影响因素. 结果表明,NH4+-N、NO2-N、NO3-N、溶解无机氮(DIN)、PO43−-P、SiO32−-Si及悬浮物(TSM)的平均浓度(mg·L−1)分别为0.0246、0.00764、0.135、0.167、0.0256、0.576及16.8. 其中低于第四类海水水质标准的样品数量较低(<10%),表明该区域整体水质良好. NO3-N、DIN及SiO32−-Si的平面分布具有保守性,其中NO3-N与SiO32−-Si的平面分布由近岸到远洋呈逐渐降低趋势. 其原因是地处近岸区域受长江径流输入的影响所致. 而PO43−-P和NO2-N的平面分布则显示为非保守性,其主要受所在区域海洋上升流及黑潮次表层水涌升影响. 尽管NH4+-N的分布呈现一定的保守性,且其平面分布趋势与NO3-N与SiO32−-Si接近,但其高值点分析结果显示,除长江径流输入影响之外,人类活动亦对NH4+-N的分布具有明显影响.
  • 砷(arsenic)是一种广泛存在于自然界中的有毒有害元素[1]. 人体砷暴露主要来源于受污染的食物和水的摄入. 长期的砷暴露会带来癌症、皮肤病、血管疾病、糖尿病等健康风险[2-4]. 砷的毒性具有形态依赖性,其形态主要包括无机态的砷酸盐(arsenate, As(Ⅴ))、亚砷酸盐(arsenite, As(Ⅲ)),以及有机态的一甲基砷酸盐(monomethylated arsenic, MMA)、二甲基砷酸盐(dimethylated arsenic, DMA)、砷甜菜碱(arsenobetaine, AsB)、砷胆碱(arsenocholine, AsC)、砷糖和砷脂等[5]. 世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单中,砷和无机砷化合物为一类致癌物, MMA和DMA为潜在的致癌物质;无机砷可以抑制酶的活性,因此比有机砷具有更大的毒性[6];As(Ⅲ)的易迁移性、活性和毒性都远远高于As(Ⅴ),而AsB、AsC、砷糖等有机砷几乎没有毒性[7]. 因此,需结合砷形态来科学地评估食品中砷的健康风险.

    寿司(sushi)是一种起源于日本,以海苔卷和米饭为主要原料,结合生鱼片、肉松、芥末、甜虾等配料而制成的吃食[8]. 食品添加剂联合专家委员会(JECFA)第72次会议相关数据显示,海藻、鱼类、贝类、香菇和食用真菌、稻米和米制品及一些肉制品中总砷含量较高[9],是人类膳食砷摄入的主要来源. 海苔作为寿司的主要原料之一,是传统的海产加工品,由新鲜条斑紫菜(Pyropia yezoensis)经清洗、切割、干燥和调味而成. 海藻中砷的含量和形态因种类不同而存在差异,如褐藻(Hijiki)是一种广泛用于亚洲烹饪的可食用海藻,总砷含量高且大多数是无机形式[10]. 此外,水稻由于容易吸收和积累砷,对人类健康构成重大威胁[11]. 鉴于寿司主要食材即是海苔和米饭,可能存在一定的砷污染和人体健康危害问题,然而目前对寿司中砷人体暴露风险的研究仍缺乏.

    本实验在南京市场随机选购20份寿司产品,分别测定海苔、米饭以及整个寿司卷中总砷的含量,并采用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用技术测定代表性样品中砷的形态,旨在揭示食用寿司的人体健康危害.

    于2021年8月份在南京市场购买不同品牌、不同实体店的新鲜寿司样品共20份. 所购买的寿司样品主要来自南京市栖霞区、玄武区、秦淮区,分属于15家不同品牌的寿司店,在一定程度上能代表南京市场所售卖寿司的整体状况. 所购买的寿司包含的主要食材有:海苔、米饭、肉松、黄瓜、胡萝卜、大根条、香酥丝等. 考虑到寿司在制作过程中会在米饭中添加少许寿司醋等以调味,本研究中将添加调味剂的寿司米整体作为米饭样品. 根据实验需要,采购时部分样品单独从店家购买了原材料海苔和所用米饭.

    本实验从市场购买的寿司为新鲜即食食品,在4 h内将所采集的样品带回实验室,编号装入自封袋,从每份寿司中随机选取3小段,分别剥离海苔、寿司米、寿司馅,确保各成分剥离完全,米饭中不沾有海苔和馅料. 各个成分利用万分之一天平称量鲜重后,立即放入–20 ℃冰箱冷冻24 h,再放入真空冷冻干燥机中干燥72 h,利用食物磨碎机磨成粉末.

    利用USEPA 3050B方法消解样品[12],具体流程为:取寿司样品、米饭样品干重约0.5 g、取海苔样品约0.1 g于50 mL消解管中,首先加入10 mL 50%硝酸溶液(65%优级纯浓硝酸与超纯水体积比1:1 配制),利用石墨炉消解仪在105 ℃下消解,待剩余溶液体积为2—3 mL时,补加5 mL 50%硝酸溶液,继续在105 ℃下消解至近干后,取出消解管,在通风橱内冷却至室温,加入2 mL 30%优级纯过氧化氢溶液,待反应平稳后,继续在105 ℃下消解,直至溶液剩余2 mL左右,取出冷却至室温并用超纯水定容至30 mL. 消解液过0.45 μm滤膜至10 mL塑料离心管中,使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, NexION300X, PerkinElmer, USA)测定消解样中砷的含量. 用1000 mg·L−1的多元素储备液配置标准曲线溶液,以In(0.05 mg·L−1)为内标,确保 ICP-MS 信号的稳定性.

    为确保数据的可靠性,当标准曲线的R2>0.9995时,才接受该标准曲线用于实验样品的测定,每个样品,平行消解3 份,3次平行消解测定的砷含量的相对标准偏差小于5%. 对于QA/QC,实验过程中采用大米标准物质GBW10010a(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所)进行消解和提取,砷含量为0.08±0.01 mg·kg−1,As回收率为86.61%±5.55%. 此外,在每批次消解时,另做3个消解空白,结果证明消解空白中砷含量接近于零,排除人为污染对实验结果造成的影响.

    部分寿司样品从店家采购到单独的食材(海苔卷和米饭),选取其中的S02、S06、S12、S14样品进行砷形态提取分析(n=3). 将研磨均匀的样品,分别称取1.000 g的米饭和寿司样品粉末,称取0.100 g的海苔样品粉末于50 mL离心管中,准确记录质量,加入20 mL 甲醇/水(3:1, V/V)溶液,55 ℃条件下超声提取1 h;然后在4000 r·min−1下,离心10 min,取上清液到50 mL刻度管中;再次向样品中加入10 mL甲醇/水(1:1, V/V)的溶液,按照第一次的提取条件,重复操作1次,离心后取出上清液,再重复一次后续操作. 合并3次提取的上清液,用超纯水定容到50 mL,过0.22 µm滤膜到进样瓶中,在−80 ℃冰箱保存. 本实验选用的砷形态分离柱为阴离子交换柱(PRP-X100, 250 mm × 4.1 mm, 10 µm, Hamilton, UK),并配有保护柱(Hamilton, UK),以分析样品不同形态砷的质量分数. 流动相由1%的碳酸氢铵和5%的甲醇溶液组成,pH采用浓氨水调至8.72,流速为1.5 mL·min−1. 根据砷形态混合标液分离色谱图出峰情况,该流动相能很好地实现不同砷形态的分离.

    本研究采用健康风险评价模型评估食用寿司的砷暴露风险,无机砷的人体平均日摄入量(DI)的计算公式为:DI=C×I/W,其中C表示样品中无机砷含量(mg·kg−1),I表示寿司的每日平均摄入量(g),W为人体体重(kg),本研究中成人体重以60 kg计算.

    本研究中,使用Excel软件进行砷含量、平均值、标准偏差等数值的计算,数据以平均值±标准差表示(¯x±s),所有数据采用SigmaPlot 12.5、Origin 2021处理并作图,使用SPSS软件进行相关性分析和t检验分析.

    图1显示了从南京市场采集得到的20种寿司样品中海苔、米饭和其他馅料所占的鲜重相对比例. 可见,从寿司卷上面剥离下来的海苔鲜重仅占整个寿司鲜重的2.20%—5.38%,从寿司卷上面剥离下来的米饭鲜重占整个寿司鲜重的45.64%—87.31%,剩余其他馅料占整个寿司鲜重的8.67%—52.16%,海苔、米饭和其他馅料占寿司鲜重的平均值分别为3.31%±0.88%、69.48%±9.57%、27.20%±10.10%. 显然,在所采集的不同品牌的寿司样品中,米饭均是最主要的成分,而海苔所占比例最小.

    图 1  南京市场购买的寿司样品中海苔、米饭和其他成分的鲜重占比
    Figure 1.  Proportion of fresh weight of nori, rice, and others in sushi samples sold in Nanjing market

    图2显示了从南京市场采集得到的20种寿司样品、各寿司中的海苔和米饭样品中砷的含量. 由图2可见,不同样品中砷的含量存在着显著差异. 由图2(A)可得,海苔样品中砷含量为3.14—27.18 mg·kg−1,平均值为(9.67±6.65)mg·kg−1. 虽然海水中砷浓度较低且均匀(1—5 µg·L−1[13],但由于近海海域受到不同程度的重金属污染,加上藻类对包括砷元素在内的微量元素具有特异性吸收作用,导致海藻类制品重金属污染问题受到广泛关注[14]. 已有研究发现紫菜中总砷含量很高,为14.0—42.1 mg·kg−1[15],与本研究中测得的海苔样品总As含量相似. 然而,除褐藻(Hijiki)之外的海藻,JECFA报告显示无机砷占总砷的比例不到15%,无机砷含量通常低于2 mg·kg−1[16]. 欧盟对藻类饲料中总砷限量为40 mg·kg−1,但对食用藻类中总砷含量限值未作明确规定.

    图 2  市售寿司样品中海苔(A)、米饭(B)以及寿司整体(C)中砷的含量以及各组分砷含量的对比(D)
    Figure 2.  Arsenic concentration in the nori (A), rice (B), and sushi (C) samples sold in market and comparison of each component (D)
    (图D箱体代表数据的25%—75%分布,箱中实线为数据的平均值,箱体两端的误差线分别代表数据5%和95%,“×”表示超出5%—95%范围的数据点,“**”表示两组数据在0.01级别(双尾),相关性显著)
    (Boxes in Figure D extend from the 25th to the 75th percentile; solid lines in the box represent the mean value; error bars represent the 5th and 95th percentiles, while “×” represent the outliers, “**” represents two groups of data at 0.01 level (double-tailed) with significant correlation)

    图2(B)可得米饭样品中砷含量为0.10—0.85 mg·kg−1,平均值为(0.31±0.22)mg·kg−1. 我国食品中污染物限量国家标准GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》规定,米饭中无机砷限量为0.20 mg·kg−1[17]. 由于稻米中砷(尤其是无机砷)的过度积累,米饭成为人体砷摄入的主要来源,大约占我国人群无机砷平均摄入量的60%[18-19]. 相关文献报道称米饭中的总砷含量为0.09—0.33 mg·kg−1,在砷污染地区种植的水稻,其籽粒中砷可达到1.50 mg·kg−1,甚至更高[11]. 本研究测得经过烹饪的熟米中总砷含量有11组样品低于 0.2 mg·kg−1,属于正常范围内. 可能受米饭中添加不同调味剂的影响,部分样品中总砷含量接近甚至超过0.3 mg·kg−1.

    对寿司整体进行总砷含量测定,由图2(C)可得,寿司样品中总砷含量为0.34—1.57 mg·kg−1,平均值为(0.63±0.27)mg·kg−1. 显然如图2(D)所示,海苔样品中的总砷含量远高于米饭以及寿司样品中的总砷含量. 本研究所采集的寿司样品其馅料占一定比重,但馅料的鲜重受水分含量较多的黄瓜、胡萝卜、大根条等果蔬影响,对各个寿司样品其馅料进行砷含量测定,馅料样品中总砷含量为0.04—0.12 mg·kg−1,均值为(0.06±0.03)mg·kg−1,相较于海苔和米饭总砷含量要低的多. 由于市售寿司的馅料种类复杂多样,其砷含量受馅料成分影响,故寿司馅料在本研究中不做重点分析.

    结合不同组分在寿司样品中的相对重量比以及不同组分砷含量,舍弃掉S06、S07、S14海苔和米饭砷贡献率超过100%的3组样品,剩余17组样品不同组分对寿司总砷含量贡献值如图3所示,海苔、米饭和其他成分对寿司总砷浓度贡献均值分别为41.68%±22.43%、36.96%±21.15%、21.36%±15.58%,即海苔在寿司中相对重量占比虽然最小,但对寿司总砷含量起主要贡献作用.

    图 3  南京市场购买的寿司样品中海苔、米饭和其它成分砷含量对寿司整体砷含量的贡献率
    Figure 3.  Contribution of arsenic in nori, rice, and others to total arsenic in sushi samples sold in Nanjing market

    将4种形态As标准储备液稀释成浓度为1、2、5、10、20 µg·L−1的砷化合物混合标准溶液,在确立的实验条件下进行分析,以各种砷形态的峰面积对浓度进行线性回归,得出4种砷化物的质量浓度(x)与峰面积(y)的线性关系. 如表1所示,4种砷形态的线性相关系数均在0.9990以上. 20 µg·L−1砷化合物混合标准溶液色谱图如图4A所示,显然As(Ⅲ)、DMA、MMA、As(Ⅴ)能很好地实现分离,各形态峰到达最大值点的时刻分别为2.82、4.51、9.69、27.23 min,并且各峰尖锐,峰形较为对称.

    表 1  4种砷化物的质量浓度与峰面积的线性关系
    Table 1.  Linear relation between mass concentration and peak area of four arsenic species
    砷形态Arsenic species线性方程Linear regression equation相关系数R2Correlation coefficient
    亚砷酸盐As(Ⅲ)y=610.65x-139.350.9991
    二甲基砷酸DMAy=1137.51x-222.290.9995
    一甲基砷酸MMAy=941.02x+39.890.9997
    砷酸盐As(Ⅴ)y=579.71x-105.930.9996
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    图 4  20 µg·L−1砷化合物混合标准溶液(A)及海苔(B)、米饭(C)和寿司(D)样品中砷形态色谱图
    Figure 4.  Chromatogram of four mixed arsenic species at 20 µg·L−1 (A) and As in nori (B), rice (C), and sushi samples (D)

    采用建立的上述方法对S02、S06、S12、S14样品(海苔、米饭、寿司)的砷形态进行测定,结果如表2、3、4所示. 4个海苔样品提取液色谱图均出现3个峰,出峰时间分别为2.16、4.51、24.2 min,其中仅第2个峰出峰时间与砷形态标准物质DMA吻合(图4B),另外2个出峰位置与4种砷标准物质出峰时间均不吻合. 研究表明,对于包括条斑紫菜在内的藻类,海水中的砷酸盐很容易通过磷通道跨膜运输被吸收到植物体内,吸收之后,藻类会通过还原和甲基化作用快速解毒砷酸盐,从而转化为砷糖、DMA、甲基砷化合物等[20]. 以往对紫菜砷形态的分析鉴定出在As(Ⅴ)前出峰的砷形态为砷糖-OH(arsenosugar-OH)[21],基于此,判定本研究在24.2 min左右出峰的砷为砷糖-OH. 此外,以往研究发现,利用HPLC-ICP-MS分离和鉴定砷形态时,2.00 min左右会出现AsC、AsB、As(Ⅲ)[21],鉴于AsC是砷甜菜碱的代谢前体,能被快速吸收并转化为AsB[22],故判定2.16 min出峰的砷为AsB. 基于以上形态判定,发现海苔样品中含有AsB、DMA、砷糖-OH这3种形态砷,未检测出无机砷. 本研究方法As形态提取的回收率在67.0%—86.4%(表2),无机砷总量明显低于藻类调味品无机砷限量国际标准0.5 mg·kg−1[17]. 各形态砷在海苔样品可提取总砷含量中占比如图5(A)所示,砷甜菜碱(AsB)、二甲基砷酸盐(DMA)、砷糖-OH占比分别为8.02%±6.57%、37.40%±12.70%和54.59%±17.31%,这些都是毒性极低甚至无毒的有机砷[22],且已有实验证明,小鼠食用紫菜消化的总砷只有0.12%—0.78%在肌肉/器官中积累,约65%—77%都通过粪便排除,不会存在砷健康风险[23].

    表 2  海苔样品中砷形态化合物检测结果(µg·kg−1
    Table 2.  Test results of arsenic speciation in nori samples (µg·kg−1)
    样品SampleAs(Ⅲ)As(Ⅴ)AsBDMAMMA砷糖-OH Arsenosugar-OH总砷 Total arsenic回收率/%Recovery
    S02海苔NDND457.98498.6ND14196.327175.585.2
    S06海苔NDND1117.74540.5ND2609.912347.167.0
    S12海苔NDND408.83756.8ND10980.020598.973.5
    S14海苔NDND953.72279.1ND3640.67957.986.4
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    图 5  海苔(A)、米饭(B)和寿司(C)样品不同形态砷含量百分占比以及成人经食寿司导致的每日无机砷摄入量(D)
    Figure 5.  Contribution of different As species to total As concentrations in 4 groups of nori (A), rice (B), and sushi (C) samples and adult daily inorganic As intake associated with sushi consumption (D)

    米饭样品提取液色谱图均出现4个峰,其中第1、第2和第4个峰分别与标准物质As(Ⅲ)、DMA和As(Ⅴ)的出峰时间吻合,而在14.5 min出现的峰与砷标准物质均不吻合(图4C). 研究发现稻田土壤中除存在无机砷(如无机三价砷和五价砷)与甲基砷(如一甲基砷和二甲基砷)外,还广泛存在着巯基砷化合物,包含无机巯基砷和甲基巯基砷,其中二甲基一巯基砷(DMMTA)具有高毒性,是土壤孔隙水中主要的甲基巯基砷形态,且会在水稻籽粒中积累,对食品安全和人体健康构成威胁[24]. 最新研究发现,在大米中除了As(Ⅲ)、DMA和As(Ⅴ),还广泛存在DMMTA,其浓度为DMA的46.6%—74.5%,代表着米饭总砷含量的8.74%—13.6%. [25]. 因此,判定14.5 min出现的峰为DMMTA. 基于此,大米中砷存在形态有As(Ⅲ)、DMA、DMMTA、As(Ⅴ),其中As(Ⅲ)、DMA含量较高,As形态提取的回收率均大于90%(表3). 各形态砷在米饭样品可提取总砷含量占比如图5(B)所示,低毒性的DMA以及高毒性的As(Ⅲ)、DMMTA、As(V)占比分别为22.44%±5.79%、49.15%±9.52%、12.48%±2.36%、11.59±9.65%. 米饭样品中无机砷含量在43.31—88.87 µg·kg−1,均低于米饭无机砷限量国际标准0.20 mg·kg−1.

    表 3  米饭样品中砷形态化合物检测结果(µg·kg−1
    Table 3.  Test results of arsenic speciation in rice samples (µg·kg−1)
    样品SampleAs(Ⅲ)DMADMMTAAs(Ⅴ)iAsUnknow总砷Total arsenic回收率/%Recovery
    S02米饭60.538.417.916.977.411.2158.391.5
    S06米饭50.420.815.526.877.2ND116.497.5
    S12米饭75.620.011.113.388.9ND127.094.5
    S14米饭43.325.813.4ND43.38.898.492.8
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    整个寿司样品包含了海苔和米饭的特征砷形态,具体来说,寿司中含有AsB、DMA、砷糖-OH、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)等6种形态砷(图4D),As形态提取的回收率在47.0%—88.0%(表4),各形态砷在寿司样品可提取总砷含量占比如图5(C)所示,AsB、DMA、砷糖-OH、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)这5种砷形态占比分别为10.32%±7.91%、34.40%±22.04%、32.87%±22.87%、15.94%±9.19%、2.44%±4.87%,DMA和砷糖是寿司样品最主要的砷形态. 由于继承了海苔和米饭中的砷形态特征,虽然海苔中砷总量特别高,但是寿司中可能产生毒害作用的无机砷,均主要继承自米饭,占寿司砷含量较大部分的有机砷均继承自海苔样品,且不同样品间各种形态有机砷含量相对高低与海苔样品保持一致.

    表 4  寿司样品中砷形态化合物检测结果(µg·kg−1
    Table 4.  Test results of arsenic speciation in sushi samples (µg·kg−1)
    样品 SampleAsBAs(Ⅲ)DMA砷糖-OH Arsenosugar-OHAs(Ⅴ)iAsUnknow总砷Total arsenic回收率/%Recovery
    S02寿司35.245.0488.2143.6ND45.024.61567.747.0%
    S06寿司57.475.249.030.626.7101.935.0416.461.1%
    S12寿司19.358.9109.0315.3ND58.9ND654.676.8%
    S14寿司36.257.298.2117.7ND57.2ND351.388.0%
      注:ND, 未检出. ND, not detected.
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    目前,已有大量研究针对不同砷富集食品构成的潜在健康风险进行评估,如分析食用药用真菌(39科82属164个物种)中总砷和不同形态砷含量[26];分析不同种类蔬菜的As污染特征[27];测定中国市场生熟鸡肉中砷的浓度,并进行砷形态分布研究等[28];旨在评估人体从该类食品中摄入无机砷相关的癌症风险. 对本研究中S02、S06、S12、S14样品进行食用寿司的相关癌症风险评估,结合砷形态化合物检测回收率数据,4组样品中无机砷含量分别取各自最高值0.10、0.17、0.08、0.07 mg·kg−1,以每日成人摄入一份寿司为准,南京市寿司一份大约为300 g左右鲜重,根据实验室称量的寿司含水率数据,寿司每日平均摄入干重取120 g,估算得到成人食用该4组寿司导致的每天无机砷摄入量为0.20、0.34、0.16、0.14 µg·kg−1·d−1 bw, 平均为(0.21±0.09) µg·kg−1·d−1. 世界卫生组织规定的肺癌发病率增加0.5%的基准剂量(BMDL0.5)为3 µg·kg−1·d−1 bw [29]. 基于此安全限制,食用寿司导致的无机砷摄入量远低于BMDL0.5,表明食用寿司带来砷摄入的健康风险较低. 市场销售寿司虽然由于原材料海苔导致砷总量较高,但无机砷含量较低,因此健康风险较低.

    (1)南京市场所采集的不同品牌的寿司样品中,米饭均是寿司的最主要成分,达到整个寿司的近70%,而海苔所占重量比极低,不超过5%,这符合市场大部分普通寿司的相对重量比情况.

    (2)南京市场销售的寿司不同样品中砷的含量存在着差异,总体趋势是海苔总砷含量近乎是米饭总砷含量的30倍,导致海苔和米饭对寿司总砷含量的贡献率不同,海苔在寿司中相对重量占比虽然非常小,但对寿司总砷含量起主要贡献作用.

    (3)市售寿司海苔中含有AsB、DMA、砷糖-OH共3种形态砷,未检测出无机砷;米饭中含有As(Ⅲ)、DMA、DMMTA、As(Ⅴ)等5种形态砷,其中As(Ⅲ)、DMA含量较高;继承自海苔和米饭的砷形态,寿司中相应地主要含AsB、DMA、砷糖-OH、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)等形态砷,且有毒的砷形态主要来自于米饭,近乎无毒的有机砷主要来自海苔.

    (4)采用砷摄入量评估模型评估人体食用寿司导致的无机砷摄入量显示,食用寿司带来的健康风险较低,市面上销售的寿司可以安全食用.

  • 图 1  2020年夏季航次站位及区域图

    Figure 1.  Sampling stations in 2020 summer investigation & area map

    图 2  营养盐平面分布

    Figure 2.  Horizontal distribution of nutrients

    图 3  营养盐断面分布

    Figure 3.  Sectional distribution of nutrients

    表 1  营养盐与TSM、盐度范围及均值

    Table 1.  The range and average of nutrients and TSM, salinity

    项目Projects浓度范围/(mg·L−1)Concentration range平均浓度/(mg·L−1)Average concentration
    总体 Total表层 Surface layer底层 Bottom layer
    NH4+-N0.00550—0.03610.02460.02420.0255
    NO2-NND—0.03920.007640.008490.00701
    NO3-N0.00461—0.7650.1350.1710.140
    DIN0.0286—0.7800.1670.2040.173
    PO43−-PND—0.7430.02560.04690.0197
    SiO32−-SiND—3.020.5760.6340.686
    TSMND—356.516.88.2237.3
    盐度5.24—34.530.726.332.9
      注:ND,未检出. ND, not detected.
    项目Projects浓度范围/(mg·L−1)Concentration range平均浓度/(mg·L−1)Average concentration
    总体 Total表层 Surface layer底层 Bottom layer
    NH4+-N0.00550—0.03610.02460.02420.0255
    NO2-NND—0.03920.007640.008490.00701
    NO3-N0.00461—0.7650.1350.1710.140
    DIN0.0286—0.7800.1670.2040.173
    PO43−-PND—0.7430.02560.04690.0197
    SiO32−-SiND—3.020.5760.6340.686
    TSMND—356.516.88.2237.3
    盐度5.24—34.530.726.332.9
      注:ND,未检出. ND, not detected.
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    表 2  调查海域的水质

    Table 2.  The quality of the investigation seawater

    海水水质Seawater quality以N计 Counting as N以P计 Counting as P
    样品数 Amounts百分比/% Percent样品数 Amounts百分比/% Percent
    一类水质5277.64262.7
    二类水质710.4
    三类水质11.501725.4
    四类水质及以上710.4811.9
    海水水质Seawater quality以N计 Counting as N以P计 Counting as P
    样品数 Amounts百分比/% Percent样品数 Amounts百分比/% Percent
    一类水质5277.64262.7
    二类水质710.4
    三类水质11.501725.4
    四类水质及以上710.4811.9
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    表 3  营养盐与盐度、TSM之间的Pearson相关关系

    Table 3.  Pearson correlation coefficient between nutrients and salinity, TSM

    营养盐Nutrients相关系数 Correlation coefficient
    盐度SalinityTSMNH4-NNO2-NNO3-NDINPO4-PSiO3-Si
    NH4-N0.419**0.0501
    NO2-N-0.2160.082-0.0981
    NO3-N-0.803**0.377**-0.390**0.2401
    DIN-0.799**0.384**-0.358**0.279*0.999**1
    PO4-P-0.037-0.0260.0490.006-0.026-0.0241
    SiO3-Si-0.709**0.340**-0.427**0.2170.891**0.887**-0.0591
      注:**. 在0.01级别(双尾),相关性显著;*. 在0.05级别(双尾),相关性显著.  Note: **. At the 0.01 level (two-tailed), the correlation is significant; *. At the 0.05 level (two-tailed), the correlation is significant.
    营养盐Nutrients相关系数 Correlation coefficient
    盐度SalinityTSMNH4-NNO2-NNO3-NDINPO4-PSiO3-Si
    NH4-N0.419**0.0501
    NO2-N-0.2160.082-0.0981
    NO3-N-0.803**0.377**-0.390**0.2401
    DIN-0.799**0.384**-0.358**0.279*0.999**1
    PO4-P-0.037-0.0260.0490.006-0.026-0.0241
    SiO3-Si-0.709**0.340**-0.427**0.2170.891**0.887**-0.0591
      注:**. 在0.01级别(双尾),相关性显著;*. 在0.05级别(双尾),相关性显著.  Note: **. At the 0.01 level (two-tailed), the correlation is significant; *. At the 0.05 level (two-tailed), the correlation is significant.
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-18
  • 录用日期:  2023-03-16
  • 刊出日期:  2023-04-27
邢志远, 祝文鑫, 徐焕志, 李博, 胡海燕. 2020年夏季长江口邻近海域的营养盐含量及分布特征[J]. 环境化学, 2023, 42(4): 1349-1356. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022101803
引用本文: 邢志远, 祝文鑫, 徐焕志, 李博, 胡海燕. 2020年夏季长江口邻近海域的营养盐含量及分布特征[J]. 环境化学, 2023, 42(4): 1349-1356. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022101803
XING Zhiyuan, ZHU Wenxin, XU Huanzhi, LI Bo, HU Haiyan. Nutrients content and distribution characteristics of the Yangtze River Estuary in summer, 2020[J]. Environmental Chemistry, 2023, 42(4): 1349-1356. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022101803
Citation: XING Zhiyuan, ZHU Wenxin, XU Huanzhi, LI Bo, HU Haiyan. Nutrients content and distribution characteristics of the Yangtze River Estuary in summer, 2020[J]. Environmental Chemistry, 2023, 42(4): 1349-1356. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022101803

2020年夏季长江口邻近海域的营养盐含量及分布特征

    通讯作者: E-mail:huhaiyan@zjou.edu.cn
  • 浙江海洋大学海洋科学与技术学院,舟山,316000
基金项目:
国家自然科学基金(41706022)资助.

摘要: 本研究根据2020年夏季SOPHI航次21个站位水体中6项营养盐(NH4+-N、NO2-N、NO3-N、溶解无机氮(DIN)、PO43−-P、SiO32−-Si)的调查数据,解析了调查区域营养盐的分布特征,并结合悬浮物(TSM)等环境参数,探究其主要影响因素. 结果表明,NH4+-N、NO2-N、NO3-N、溶解无机氮(DIN)、PO43−-P、SiO32−-Si及悬浮物(TSM)的平均浓度(mg·L−1)分别为0.0246、0.00764、0.135、0.167、0.0256、0.576及16.8. 其中低于第四类海水水质标准的样品数量较低(<10%),表明该区域整体水质良好. NO3-N、DIN及SiO32−-Si的平面分布具有保守性,其中NO3-N与SiO32−-Si的平面分布由近岸到远洋呈逐渐降低趋势. 其原因是地处近岸区域受长江径流输入的影响所致. 而PO43−-P和NO2-N的平面分布则显示为非保守性,其主要受所在区域海洋上升流及黑潮次表层水涌升影响. 尽管NH4+-N的分布呈现一定的保守性,且其平面分布趋势与NO3-N与SiO32−-Si接近,但其高值点分析结果显示,除长江径流输入影响之外,人类活动亦对NH4+-N的分布具有明显影响.

English Abstract

  • 长江流域内工农业生产发达,人口密集,社会发展繁荣,是我国重要的经济区域之一[1]. 作为我国第一大河,长江的多年平均径流量高达9300余亿m3,占据我国入海径流总流量的51%以上[2]. 巨量的长江冲淡水携带巨量的营养物质输入长江口及东海,对河口及邻近海域的水文、地貌、生物等产生重要而深远的影响[2-3].

    长期以来,许多学者对长江口及其邻近海域营养盐分布规律进行了研究. 例如,刘春兰等[1]对长江口附近海域的营养盐含量调查显示,其溶解无机氮、活性磷及硅的平均浓度分别为0.62、0.030、1.21 mg·L−1. 王文亮等[4]、张锦辉等[5]分析探讨了长江口及邻近海域内磷酸盐的形态特征和影响因素,刘雅丽等[6]描述了长江口邻近海域内营养盐的季节变化,王文涛等[7]利用同位素手段研究探讨了短周期氮循环过程及特征,丰富了对河口区氮循环和迁移转化的认知. 陈慧敏等[8]报道称,长江口邻近海域氮、磷的浓度呈增加趋势,在20世纪90年代以来增长显著,其溶解无机氮及活性磷酸盐浓度范围在0.027—1.34及0.0007—0.043 mg·L−1.

    另一方面,长江冲淡水入海后扩展范围极广,沿水流扩散形成不同的区域,如舟山附近海域内由长江口咸淡水混合形成的羽状锋区域[9-10],各区域有其独特的理化特征. 舟山邻近海域形成我国四大渔场之一,也是长江口鳗苗、杭州湾鲳鱼等多种经济鱼类产卵场及幼鱼索饵场[11]. 本文对2020年夏季8月份长江口邻近海域的营养盐进行分析,探讨该区域内营养盐的分布特征及可能的影响因素,为进一步研究该海域营养盐的输送、转化和迁移等过程提供基础资料.

    • 2020年8月10日至8月17日期间,搭载“浙渔科2号”科考船在长江口附近海域执行“海洋锋面及渔业资源长期调查计划”(Sophisticated Ocean Front and Fisheries Investigation,SOPHI)首个调查航次,并进行了样品采集工作. 调查区域自舟山以东岱衢洋海域起,最远向东延伸到125°E,水深范围约为7—67 m,以31°N和30°N为主要断面,每隔0.5 °布设航次站位,航线布置整体成矩形,实现覆盖长江口附近舟山海域至东海陆架边缘处海域,共布设21个站位(图1),采样站位见表1.

    • 以科考船搭载的温盐深仪(CTD,型号:SBE 911型,SEABIRD)获取现场海水的温度、盐度与水深数据,视各站位水深等实际情况不同,现场使用Niskin卡盖式采水器采集包括表层和底层在内的2—4层水样.

      (1)营养盐及悬浮颗粒物(total suspended matter, TSM)样品采集 用4.5 L塑料瓶转移海水样品到船上实验室,将0.5 L海水用0.45 μm孔径醋酸纤维滤膜过滤营养盐样品,以干净塑料瓶装取过滤完成的营养盐样品,过滤后立即送入-20 ℃冰箱保存,用于实验室营养盐浓度的分析. 用0.45 μm孔径玻璃纤维滤膜过滤获取TSM,根据海水样品实际浑浊情况适当调整过滤体积,注意准确记录每个样品的过滤体积、滤膜编号、滤膜初始干重等数据,过滤后的TSM滤膜一并送入-20 ℃冰箱保存用于实验室TSM浓度的分析.

      (2)营养盐及TSM样品分析测定 调查完成返回岸上实验室后,分析测定样品. 待营养盐样品解冻、温度升高至室温后,利用SmartChem间断湿化学分析仪(Westco,法国)分别以苯酚-次氯酸盐法测定铵盐(NH4+-N)、以盐酸-萘乙二胺法测定亚硝酸盐(NO2-N)、以磷钼蓝法测定活性磷酸盐(PO43−-P),以抗坏血酸还原法测定硅酸盐(SiO32−-Si),以铜-镉还原法测定硝酸盐(NO3-N). 以NH4+-N、NO2-N、NO3-N三者之和为溶解无机氮(DIN). 各营养盐参数的测定按照《海洋调查规范》[12]相关要求进行. 将TSM滤膜进行烘干处理,放置在干燥器中冷却至室温再称量,用于实验室TSM浓度的分析.

      使用SPSS 26软件进行相关性分析,使用ODV 2020软件绘制营养盐分布特征图.

    • 调查海域内NH4+-N、NO2-N、NO3-N、DIN、PO43−-P、SiO32−-Si和TSM的浓度范围及均值如表1所示,并对CTD测得盐度数据一并整理.

      结果显示,调查海域内,NH4+-N、NO2-N、NO3-N、DIN、PO43−-P、SiO32−-Si和TSM的浓度平均值依次为0.0246、0.00764、0.135、0.167、0.0256、0.576、16.8 mg·L−1,在表层底层均值之间简单对比可发现,NH4+-N、NO2-N、NO3-N和SiO32−-Si表层和底层浓度均值的差值较小,较为接近,DIN 浓度差值亦相似;PO43−-P和TSM表、底层间浓度差值较大. 整体来看,多数指标表层含量大于底层. NO2-N、PO43−-P及SiO32−-Si出现未检出情况,可能是对应海域内营养盐含量极低或样品保存时间较长导致物质损失;TSM出现未检出情况,有可能是对应站位(M7)的海水样品浑浊度极低,过滤体积不足导致在过滤时未能截留到足够的样品,观察滤膜,未见明显缺损,不排除其存在质量损失的可能. 盐度范围在5.24—34.5之间,分布较广泛,横跨长江冲淡水、高盐外海水等长江口不同水系[13-15].

      按照《海水水质标准》[16],参照调查海域DIN和PO43−-P的浓度,以单因子法对调查海域内海水水质情况作初步的评价,结果如表2所示. 2020年夏季,调查海域内各营养盐含量相对较低,参照《2020年中国海洋生态环境状况公报》中给出的海域水质分布情况[17]及SOPHI调查站位布设情况(图1),不难发现,研究区域基本位于一、二类水质海域,多数站位离岸较远,受人类活动影响较小,可以认为其海水水质情况整体较好,这一结论也吻合公报结果. 仅有10.4%和11.9%的水样超过第四类海水水质标准,其中DIN含量较高的站位多位于近岸海域,显然受陆地人类活动影响较为显著,调查海域整体的水质情况较为乐观.

    • 研究区域内营养盐的平面分布如图2所示. 从上到下、从左到右分别是NH4+-N、NO2-N、NO3-N、PO43−-P和SiO32−-Si的表、底层的分布情况. 用SPSS软件做营养盐与盐度、TSM之间的Pearson相关关系分析,其结果如表3所示.

      图2可以看出,调查海域的NO3-N和SiO32−-Si的表、底层平面分布整体上为近岸区域浓度较高、向外海逐渐降低的趋势,梯度分布比较明显,而二者高值区出现在调查海域西北部靠近长江口及杭州湾附近,共同说明调查海域内NO3-N和SiO32−-Si的浓度受长江冲淡水等入海径流的影响为主,而其分布也受控于长江冲淡水等径流入海后与外海海水的混合过程. 此外,由表4可知,调查海域的NO3-N、DIN和SiO32−-Si浓度与盐度和TSM的相关性均较为显著,也能佐证研究区域内的高浓度的营养盐来自入海径流的输送[18-20]. 大量陆地径流输入引起了高冲刷作用,调查海域的NO3-N、DIN和SiO32−-Si及其平面分布存在明显的保守行为[21-22].

      NH4+-N的表、底层平面分布特征与NO3-N类似,整体呈现出近岸高而远岸低的趋势,但高值区不同,出现在东福山岛附近,可能是岛屿附近人类活动的影响导致. NH4+-N与盐度间存在一定的相关性,分布特征可能受径流输入及生物吸收的共同影响[23-24]. NO2-N的表、底层平面分布没有较明显的趋势,整体浓度都较高. 调查海域邻近上升流区域[25],底层有机物可能随上升流运动到表层,运动过程中有机物质分解产生大量NO2-N. NO2-N与盐度间没有显著的相关性,表面分布同径流输入关系不大.

      PO43−-P的表、底层平面分布整体趋势较平缓,仅在S4、P1站位附近表层出现高值,其余站位整体都偏低,此处可能存在PO43−-P的另一个贡献途径. PO43−-P与盐度、TSM间均无显著的相关关系,其分布可能受冲淡水扩散、外海高盐水入侵、悬浮物吸附及生物吸收利用等多种因素的共同影响[1,26-27].

    • 以31°N和30°N为主要断面,分别记为北断面、南断面,用ODV软件绘图,得到研究区域内营养盐的平面分布情况,如图3所示,从上到下、从左到右分别是NH4+-N、NO2-N、NO3-N、PO43−-P和SiO32−-Si的北、南断面分布情况.

      在北断面,SiO32−-Si、NH4+-N和NO3-N的分布呈现出显著的近岸较高而向外海逐渐降低的趋势,显然受长江冲淡水影响显著;在南断面,NH4+-N和NO3-N在上层水体的分布趋势同北断面相近,SiO32−-Si和NO3-N在垂向上的层化现象十分明显,且其底层浓度相对表层较高,可能是冬季黑潮滞留水的影响导致[2],PO43−-P在北断面的分布与其类似. 整体上,在南、北断面,都存在近岸海域营养盐的垂向分布等值线向上凸起的现象,在北断面尤为显著,表明在调查海域内存在明显的上升流. 而在陆架坡附近,营养盐等值线的上凸可能同高营养的黑潮次表层水的涌升或爬升有关.

    • 2020年夏季SOPHI调查海域内,NH4+-N、NO2-N、NO3-N、DIN、PO43−-P、SiO32−-Si和TSM的平均浓度依次为0.0246、0.00764、0.135、0.167、0.0256、0.576、16.8 mg·L−1,各营养盐含量相对较低,仅有10%左右的样品低于第四类海水水质标准,可以认为调查海域整体的水质情况较为乐观.

      在整体上,营养盐的分布主要呈现出近岸高远海低、由近岸到远海逐渐降低的趋势,显然受长江径流输入影响, 在NO3-N和SiO32−-Si的分布上尤为显著. NO3-N和SiO32−-Si及DIN与盐度及存在显著的相关关系,其行为是保守的. 垂向上,受调查海域内上升流的影响,近岸处营养盐等值线存在不同程度的向上凸出,而黑潮次表层水的沿岸爬升或涌升也可能会对本区域营养盐的分布产生影响.

      致谢:感谢“浙渔科2号”科考船全体工作人员及SOPHI计划科考队员对样品采集的帮助,感谢在样品分析及论文撰写中诸位老师、同学的指导、支持和帮助,在此一并感谢.

    参考文献 (27)

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