第卷第期一海洋学报,南极磷虾富氟异常的原因及机理张海生潘建明刘小涯国家海洋局第二海洋研究所,杭州摘要通过对 南极磷虾户’体 内及其甲壳 中氟含量变化特征的分析,对 南极磷虾富氟异常的原因进行了研 究结合其他有关资料,本文还对 南极磷虾 富氟的来源 及 机制进行了探讨研究结果表明南极磷虾 甲壳对氟具有再吸收 的功能和作用,其对氟的富集存在着与生命活动无关 的机理南极磷虾的甲壳作为对 氟具有特殊吸 附功 能 的无机介质是其富氟的重要原 因氟的富集来自海水,且可能是以离子交换吸附的方 式进行这一作用主要是通过 氟与钙、磷的 结合而体现关健词磷虾氟原因机理月舀年挪威学者首次发现南极磷虾的高氟异常,这 一结果即引起极大的关注因为南极磷虾作为南极乃至世界最 大的海洋生物资源,不仅营养丰富,且储量十分可观据有关资料估计,南极磷虾的储量可达年可捕获量也超过这一数值已不低于目前全世界的年渔捕获总 量在当今世界渔业资源日趋衰减的情况下,作为人类赖以生存的蛋 白质资源,人们一直对南极磷虾 的开发利 用寄于 厚望但是,由于南极磷虾的高氟含量对人体健康的潜在危害,从而 对该生物资源 的开发利用造成严重的影响近几 年来,围绕南极磷虾 的富氟异常,国外学者曾相继作过报道且所做工作多注重于对氟在南极磷虾体内变化特征 的分析,并以此来探讨氟与南极磷虾生命过程中的某些内在联系尽管如此,但仍有许多问题尚未涉及,尤其是对南极磷虾 富氟异常的机理与原 因更是缺乏了解了年、年我 国组织实施了第三次 和第七次南大洋考察本文利用这两 次考察所得的实验资料,对南 极磷虾体内氟的含量分布和南极磷虾生命活动过程中氟在其甲壳中的动态变化特征进行了较为详细 的研究,并从生物化学 和地球 化学 的角度对其富氟的原 因、来源及机理作了初步的探讨本文于”一一。
收到,修改稿于”一一收到国家自然科学基金及国家南极考察委员会资助项目期张海生等南 极磷虾富氟异常的原因及机理研究区域及其实验方法样品分别采于我国南极长城站西北部海域’“’,’’和中山站外部海域’’,’一’,调 查区域均为南极磷虾的富集区大磷虾经捕获后,速取部分样品解剖,分头胸、腹肌、尾足 和 甲壳样处理保存另取活体若干,在船上实验室模拟现场条件养殖,然后分取蜕壳后、、几组残壳样品,经处理后保存各类样品中的氟用氟离子选择电极测定,磷用分光光度计测定,其他元素用原子吸收分光光度计测定残壳中的氟用一二次离子质谱仪法国公司制造测定大磷虾中氟的含量分布特征分析结果表明,整体磷虾中氟的含量变化范围为一“,平均为一”甲壳中氟的含量变化范围为一一一,平均为一头胸和尾足中的氟含量变化范围为一“一,平均分别 为一一“、一“肌肉中的氟含量最低,变化范围为一一,平均仅为一表大礴虾各部位千,的平均含一,,一“站位样品甲壳头连触角尾 足肌肉整体一’‘早弓尹一丁早尹一’‘‘平均·早雌性成体,了雄性成体,幼体由表的结果可见,氟在大磷虾中的分布 明显具有甲壳尾足头胸肌肉 的变化 特征 及大 磷虾 的富氟 与其不同生 长期无甚关联,氟在大磷虾不同部位中的含量多寡仅与机体组成密切相关的富集特征因为以几丁质 为主要成分的 甲壳与以脂肪和蛋 白质组成 的肌 肉,氟的含量相差甚远而幼体和成体磷虾 间的氟含量也无明显 差异氟作为为数不多的具有双闭值性质的微量生命元素之一,在适 当的闹值范围内,对生物硬组织 的建造及促进生物机体生 长、发育等方面起着其他元素所不可替代的作用,包括海洋动物在内的许多生物均含氟由于海洋的富氟环境,因此海洋动物中的平均含氟量要大大超过陆生动物,且氟的分布也呈与大磷虾 相似的特征〔”然而尽管如此,绝大多数海洋 生物中的含氟量仍远远低于大磷虾中的氟含量,两者在体内分布上的差异也明显 可见〔巳〕海洋学报卷对大多数海洋生物而言,体内的含氟量 平均为。
一,而 大磷虾 的含氟量却高达,一“作为海水的主要组分之一,氟在世界各大洋海水中的平均浓度为一“据笔者的调 查,南大洋表层海水为大磷虾 的栖息区中的氟含量也无明显变异‘〕在环境 条件氟含量基本相 同的情况下,大磷虾体内的氟含量可以是其他海洋生物的倍显然,这一结果意味着大磷虾对氟的富集必有其独特的机理大磷虾 甲壳中氟的动态变异及其富集原因和曾对 大磷虾蜕壳循环过程 中氟的含量变化进行了研究,并根据大磷虾 甲壳氟的含量变化与其蜕壳循环过程 中生理变化特征的关系得 出大磷虾对氟的富集是一种主动吸收的作用,氟参与了大磷虾 的 生命活动过程,并可能主要用于 甲壳硬化的初步认识〔’峨〕元素在生物体 中的富集,通常可分主动吸收和被动吸收两种方式前者为生物的生命之必需,而后者则主要是 由于环境条件的改变或内在的物理、化学性能所致从等人的研究结果看,大磷虾对氟的吸收显然应属前者然而 图 所显示 的氟在大磷虾 甲壳蜕壳前后时序 中的变化特征却表 明大磷虾对氟的吸收并非仅仅如此由图 的结果可以发现大磷虾 的 甲壳在蜕壳前后一段较短的时间内,氟的含量存在明显的差异图一,蜕壳前甲壳 中氟的含量较高,但在蜕壳的后期,甲壳中的氟被强烈地溶 出,甲壳 中的含氟量接近于零甲壳中氟随 大磷坏生理变化而产生的这一剧烈变异似乎可以认 为氟与大磷虾的生命活动存有 一定的关系但值得注意的是 大磷虾蜕壳后的残壳在海 水中置放后,其氟含量又显著增加图一,尽管 在后随着残壳的分解释放,残壳 中的含氟量又有所下降,但 仍不低于蜕壳时的含氟水平图一,这一特征充分显示 出大磷虾 甲壳在蜕壳后 仍存在对氟的强烈吸收,即大磷虾 的甲壳对氟具有再吸收的作用 和功能,从而表明 大磷虾对氟的吸收并非仅仅是 由其生命活动所实现,而 可能存在其他的作用因素大磷虾 的甲壳作为一种对氟具有特殊吸附功能的无机介质是其富氟一个可能原 因大磷虾富氟的来源与机理图一,所例示 的氟在大磷虾蜕壳前甲壳 中的剖面分布特征表明,大磷虾甲壳 中的氟呈外表面向内表面迁移分散的分布特征 图一,其结果是 向内表面一侧聚集图一进一步的观察可以发现,在至内表面时,氟的含量又急剧下降,使内外表面的含氟水平几尽一致,这表明大磷虾甲壳对氟的富集虽体现 由表层向内层积聚的特征,但不存在向体内软组织的迁移大磷虾对氟富集的功能位置在甲壳,且不通过其他组织 的传 递再 积 聚目曾对大磷虾蜕壳循环 各阶段中其体内软组织 的含氟量进行了测定,得出了在整个蜕壳阶段大磷虾体内软组织 中的氟含量 始终维持不变的认识,这一结果也证实了甲壳 中的氟并不向体内软组织转移大磷虾对氟的富集不仅富集率高,且速率 极快一般 在蜕壳后即达平衡状态〔”生理学的观察结果表明,在 该阶段大磷虾 的口器尚未硬化假设在此阶段大磷虾 的摄食过程仍能期张海生等南极磷虾富氟异常的原因及机理厂 卜一州工 ‘,卜一一一一州少门仁叶抓一一丫工曰竺,、 匕少吕口 理, ,,深生 而一——一几内一丧而·⋯二’‘””’」少落 几丁吕‘口,况丁·丁飞、、深 变,,又一一外阳颐一一一一一一内表面月 一创护’护于护扩,,工,止二 日卜匕卜口口叮川︵‘杏︺份拓一︹︶丙‘巨了吕。
士气飞‘·箱省度深 —外 表曲一—内人自一,、 仁外友面—一—表而一图氟在大磷虾甲壳蜕壳前后时序中的变化特征、蜕壳前、蜕壳后、蜕壳后、蜕壳后进行,但作为其主要食源 的浮游植物含氟量并不高表因此,从氟在大磷虾甲壳 和体内软组织中的分布变化特征,结合大磷虾蜕壳后 的残壳对氟所体现的再吸收作用,可以认为大磷虾对氟的富集应来 自海水,可排 除摄食来源 的可能性表大礴虾中的元紊含样品样品数几丁质浮游植物体肉壳整肌外一一“、一“、一“从大磷虾 甲壳对氟的高度富集似乎表 明具有几丁质结构的组分对氟的富集起主要作用但由表 的结果可知,氟在构成甲壳框架的几丁质组分 中的含量并不高,仅 为一,只占总量的肠这 表 明氟不可能以几丁质结构组分 的形式大量存在于 甲壳,而必有其他的组成形式由大磷虾体内其他元素的含量分配来看表,氟与海水中的主要元素钾、钠、镁的关系并不密切,而与钙、磷、铁、锰的关系较为明显尤其是构成甲壳角质层的主要元素钙和磷对氟在大磷虾体内的分布有着直接的制约图钙、磷作为生物体的主要组成元素,其生理变化作用与氟相似,在海洋动物组织中也较大程度地集中于硬组织,且多以无机盐的形式出现而在这一过程 中,铁、锰的存在往往有利于 反应的进行因此,从氟在甲壳几丁质 中的含量不高及氟在大磷虾体内与钙、磷的关系分析,氟在大磷虾 甲壳中应主要是以钙,磷相结合的无机盐形式存在︵。
丫、︸福弓一一矛夕 净一叹﹃︸月几丁一公幻整体图大磷虾体内与、的关系海洋学报卷氟在环境中的聚散往往受控于诸多的因素在表生地球化学过程中,就氟的富集而言,吸附作用是环境介质对氟的一种主要和有效的固定形式大量的研究业已证实,离子交换吸附尤其是氟离子一,与 氢氧 根离子一的交换作用是水溶液体系 中氟吸附的主要形式在这一作用过程 中,由元素钙、磷组成 的 矿物化合物作为氟离子一良好的吸附剂,对氟的富集起着重要的作用环境中的氟可以下述方式与钙、磷结合一‘一反应所生成的氟磷灰石〔〕是 经 磷灰石〔〕在碱性条件下海水介质被氟取代的结果,其溶度积低于一‘,是 氟在环境中最稳定和最主要的一种矿物形式由此,结合图大磷虾体内氟与钙、磷的关系,可以初步认为反应式极可能作为大磷虾富氟的方式,并在甲壳的不同富集状况下扮演同样的角色对于大磷虾在蜕壳前较短 的一段时间内甲壳中的氟大量流失,一种可能解释是通过大磷虾体内酶的作用比,,导致 甲壳分子结构的破坏,使甲壳中氟丢失,以便于壳体的软化和蜕壳的进行然而,观察的结果表明蜕壳后的残壳至少在以内的 硬 度不低于蜕壳时的 甲壳,这进一步证实了反应式作为大磷虾 甲壳富氟的方式而存在的可能性因为,氟与钙、磷的结合,作为一种硬化剂已是众所周知的事实几点认识氟在大磷虾体内呈 甲壳尾足头胸肌 肉的分 配特征大磷虾 的富氟与其不 同生 长期无甚关联,氟在大磷虾不 同部位中的含量多寡仅与机体组成密切相关大磷虾 甲壳对氟具有再富集的作用和功能,甲壳作为对 氟具有强烈吸附性能的 无机介质是 大磷虾 富氟的一个可能原 因氟在大磷虾 甲壳内呈外表面向内表 面迁移积聚的变化特征,但不存在向体内软 组织的输入大磷虾 甲壳对氟 的吸收主要来自海水,可排除摄食来源 的可能性离子交换吸附是 大磷虾富氟的可能方 式,其作用主要是通过氟与钙、磷 的结合而体现对此有必要进一步的研究证实对上 海复旦大学材料系二次离子质谱分析实验室顾孝义、宋玲根先生给 予样品分析 测试上 的帮助和指导特致谢意今考文献陈国阶,余大富环境中的氟北 京科学出版社,布泣,,期张海生等南极磷虾富氟异常的原因及机理夏卫 平,张海生南大洋的 氟一个非保守性元素国际南极学术讨论文集英文,,遥,,,盆盆,,张海生,播建明南极磷虾。
富 氟异常的研究南极研究,,,,。