硅酸盐矿物体外吸附剂对饲料铅的吸附效果及其
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【摘要】铅是一种分布广泛的重金属元素,因其具有熔点低、耐腐蚀、易加工及延展性好等特点,被广泛应用于人们的日常生活及工农业生产中。铅与其他重金属元素一样,可以随摄入剂量、时间的
铅是一种分布广泛的重金属元素,因其具有熔点低、耐腐蚀、易加工及延展性好等特点,被广泛应用于人们的日常生活及工农业生产中。铅与其他重金属元素一样,可以随摄入剂量、时间的延长而在动物体内逐渐蓄积[1],且极易超过动物对其最大耐受值而严重影响动物的健康生长,而且随着蓄积量的增加,对食用蓄产品的消费者来说,也可能造成影响[2]。我们前期已经研究了饲料铅对建鲤生长和各组织铅沉积量的影响,发现饲料中铅含量超过20 mg·kg-1即对建鲤血浆转氨酶活性造成显著影响[3]。有研究报道铅主要经消化道进入鱼体内,通过影响鱼体消化系统[4]、内分泌系统[5]、免疫系统[6]及生殖系统[7]等的正常生理活动而抑制其健康生长,并且降低了水产品的食用安全性[8],严重威胁着人类的健康。因此,降低由肠道进入体内的铅,降低其对鱼体的损伤已成为水产养殖业急需解决的问题之一。蒙脱石、沸石和凹凸棒土均属于非营养性硅酸盐矿物质,具有很强的吸附性,在环保领域广泛应用[9]。在动物生产中,因为蒙脱石、沸石或凹凸棒土可以提供额外的吸附空间,而有利于提高饲料营养物质的利用,常添加在饲料中以提高动物生产性能[10]。已往有研究多集中在对畜禽动物生产性能、营养物质利用等的影响,对硅酸盐吸附剂应用于水产动物,以吸附重金属,减轻重金属对水产动物毒副作用的研究尚少见报道。
福瑞鲤(FFRC strain common carp)是以黄河鲤和建鲤的杂交后代为育种基础群,由中国水产科学研究院淡水渔业研究中心定向选育成的良种,具有生长速度快、饲料转化率高、体型佳、肉质好等特点,已经成为我国最主要的鲤鱼养殖新品种之一。本试验拟评价硅酸盐吸附剂体内外对饲料铅的吸附作用,研究其对福瑞鲤生长、组织铅沉积的影响,为去除鱼类重金属提供新思路,并为硅酸盐吸附剂在水产养殖中的应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
天然蒙脱石(全部通过60目筛,水分少于10%)产自内蒙古赤峰。沸石(全部通过60目筛,吸铵值1.40 mmol·g-1)购自镇江丹徒茅山沸石有限公司。凹凸棒土(95%通过80目筛,水分不多于12%)购自江苏盱眙神力特矿业公司。三水合乙酸铅(分析纯),由国药集团化学试剂有限公司生产。氢氧化钠(NaOH)、盐酸(HCl)等其他化学试剂均为国产分析纯。
试验用福瑞鲤由中国水产科学研究院淡水渔业研究中心宜兴养殖基地提供,均健康,体表完整。
1.2 体外试验
1.2.1 吸附时间对吸附率的影响 用量筒量取已配好的50 mg·L-1的Pb2+溶液50 mL置于3个250 mL的锥形瓶中(25 ℃、pH7.0),再称取蒙脱石、沸石和凹凸棒土各0.05 g,置于相应锥形瓶中,置于恒温振荡器中在25 ℃、以180 r·min-1的转速振荡,每个处理3个重复,分别在20、40、60、80、100和120 min测定溶液中Pb2+含量。
1.2.2 pH值对吸附率的影响 在25 ℃的条件下,用量筒分别量取50 mg·L-1的Pb2+溶液50 mL置于3个250 mL的锥形瓶中,且该Pb2+溶液已用0.1 mol·L-1HCl溶液和0.1 mol·L-1NaOH溶液调至所需pH值(2.0、3.0、4.0、5.0、6.0和7.0),再称取蒙脱石、沸石和凹凸棒土各0.05 g,置于相应的锥形瓶中,置于恒温振荡器中以180 r·min-1的转速振荡吸附,每个处理3个重复。吸附时间均为2 h,测定溶液中Pb2+含量。
1.2.3 Pb2+起始浓度对吸附率的影响 在25 ℃、pH7.0的条件下,用量筒分别量取20、50、100和200 mg·L-1的Pb2+溶液各50 mL置于250 mL锥形瓶中,再称取蒙脱石、沸石和凹凸棒土各0.05 g,置于相应的锥形瓶中后置于恒温振荡器中以180 r·min-1的转速振荡,吸附时间均为2 h,每个处理样品3个重复,测定溶液中Pb2+含量。
1.3 体内试验
1.3.1 试验饲料 以鱼粉、豆粕、菜粕和棉粕为蛋白源,以豆油为脂肪源,配制5种等氮(33%)等能(17 MJ·Kg-1)的饲料,其中基础饲料配方及营养成分见表1。基础饲料[3]中不额外添铅作为负对照组,基础饲料添加100 mg·kg-1的三水合乙酸铅(以Pb2+计)作为正对照组,蒙脱石组在正对照组基础上添加5 g·kg-1的蒙脱石,沸石组在正对照组基础上添加30 g·kg-1的沸石,棒土组在正对照组基础上添加30 g·kg-1的凹凸棒土。经电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP,Optima 8000 ICP-OES,美国珀金埃尔默公司)测定5组试验饲料中铅含量分别为:3.54、104.13、102.64、103.55和102.97 mg·kg-1。所有饲料原料均在实验室内准备,原料粉碎后过60目筛,为了混合均匀,采用逐级混合的方法添加各种原料,各组分充分混匀后用小型颗粒机制成粒径为2 mm左右的颗粒饲料,于室温条件下自然风干后置4 ℃冰箱中保存备用。
表1 基础饲料配方及营养成分(风干基础)Table 1 Formulation and proximate composition of basal diet(air-dry basis)原料组成Ingredient含量/%Content营养组成Nutrientlevel含量/%Content 鱼粉Fishmeal12粗蛋白 豆粕Soybeanmeal20粗脂肪 菜粕Rapeseedmeal20 棉粕Cottonseedmeal15 麸皮Wheatbran8 淀粉Starch10 米糠 豆油 磷酸二氢钙Ca(H2PO4)21.7 预混料 食盐NaCl0.3
1.3.2 饲养管理 养殖试验在室内循环养殖系统(3.0 m×0.8 m×0.8 m)中进行。正式试验前,福瑞鲤用基础饲料饲喂15 d后禁食24 h,从中选取大小均一的试验用鱼345尾,平均体质量为(22.)g,随机分配在15个水箱中,每组3个重复,每个重复23尾鱼。每天投喂3次(08:30、12:30和16:30),分别用5种不同的试验饲料进行饱食投喂,30 min后观察并记录采食情况,吸取水箱内残饵和粪便。饲养试验共持续8周,养殖期间24 h不间断充氧,并定期检测水质指标,水中Pb2+浓度为0.08 μg·L-1,水温(25±1)℃,pH值6.,氨氮含量低于0.05 mg·L-1,溶氧量大于3.8 mg·L-1。
养殖期结束后,试验鱼停饲24 h,用MS-222(200 mg·L-1)对各水箱中试验鱼进行麻醉,分别称量每个水箱的鱼体总质量并记录尾数。每个养殖水箱随机取3尾鱼,在解剖盘上(下置冰袋)采集肾脏、肝脏、肠、鳃和背肌等组织,生理盐水冲洗后,用滤纸轻轻吸干样品表面水分,置于-20 ℃冰箱中保存,用于铅含量测定。
1.4 测定指标与方法
饲料概略养分参照文献[11]测定:粗蛋白含量用凯氏定氮法测定;粗脂肪含量用索氏抽提法测定;能量用氧弹测热法测定。生产性能各指标分别为增重率、饲料系数和成活率等。
体外吸附试验中Pb2+的吸附率(去除率)按照如下公式计算:
Pb2+吸附率=(铅溶液中Pb2+浓度-上清液中Pb2+浓度)/铅溶液中Pb2+浓度×100%
组织中铅含量的测定:称取0.5～1 g的各组织样品置于消煮管中,加入10 mL混合酸(HNO3与HClO4体积比为3∶1)进行消化,首先进行冷消化过夜(室温放置12 h),再将冷消化后的样品置于自动消化炉上进行消解。消解程序:90 ℃ 30 min,150 ℃ 60 min,230 ℃ 30 min。待瓶内白烟散尽,消化液呈无色或略带黄绿色的澄清液体时,停止消煮,将消煮液置于室温冷却,冷却后的消解液用超纯水定容至25 mL。溶液中Pb2+浓度采用ICP进行测定。待测样品中铅含量用以下公式计算:
待测样品中铅含量=溶液浓度×定容总体积/样品质量
1.5 数据处理与统计分析
所有数据采用SPSS 16.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA),用Duncan′s多重比较法分析差异显著性。试验结果均以平均值±标准误表示。
2 结果与分析
2.1 体外试验结果
2.1.1 吸附时间对3种吸附剂吸附Pb2+的影响 如图1所示:随着吸附时间的延长,3种硅酸盐吸附剂对Pb2+的吸附率均呈增加的趋势。当吸附时间为100～120 min时,沸石对Pb2+的吸附有继续增加的趋势,而蒙脱石和凹凸棒土对Pb2+的吸附率基本保持不变,且3种吸附剂对Pb2+的吸附率由大到小依次为:蒙脱石、凹凸棒土、沸石。
2.1.2 溶液起始pH值对3种吸附剂吸附Pb2+的影响 如图2所示:随着溶液起始pH值的升高,3种硅酸盐吸附剂对Pb2+的吸附率均呈增加的趋势。在起始pH值由2增至4过程中,3种吸附剂的吸附率均增加较快;起始pH值由4增至7过程中,3种吸附剂的吸附率均增加较慢,趋于平缓。且除在pH4附近时,沸石对Pb2+的吸附率高于凹凸棒土外,3种吸附剂对Pb2+的吸附率由大到小依次为:蒙脱石、凹凸棒土、沸石。
图1 吸附时间对Pb2+吸附率的影响Fig. 1 Effect of different time on the adsorption rate of Pb2+
图2 pH值对Pb2+吸附率的影响Fig.2 Effect of pH value on the adsorption rate of Pb2+
图3 Pb2+起始质量浓度对Pb2+吸附率的影响Fig.3 Effect of different concentration of Pb2+on the adsorption rate of Pb2+
2.1.3 Pb2+起始浓度对3种吸附剂吸附Pb2+的影响 如图3所示:随着溶液中Pb2+起始浓度的升高,3种硅酸盐吸附剂对Pb2+的吸附率均呈先增加后降低的趋势。在溶液Pb2+质量浓度由20增至50 mg·L-1过程中,3种吸附剂的吸附率均明显增加,且3者吸附率几乎相等;在50～100 mg·L-1范围内,3者的吸附率均已降低,说明3种吸附剂在Pb2+浓度为50 mg·L-1对Pb2+的吸附就已达到饱和状态;Pb2+浓度在50增至200 mg·L-1过程中,3种吸附剂的吸附率均呈降低的趋势。3种吸附剂中以蒙脱石的吸附效果最好。
2.2 体内试验结果
2.2.1 3种吸附剂对福瑞鲤生长性能的影响 如表2所示:与负对照相比,其他各组在增重率、饵料系数及成活率指标上差异均不显著(P>0.05),但增重率及成活率均有不同程度的降低,饵料系数均有不同程度的升高。与正对照组相比,3种硅酸盐吸附剂添加组增重率稍有升高,而饵料系数略有下降(P>0.05)。
表2 3种硅酸盐吸附剂对福瑞鲤生长性能的影响(n=3)Table 2 Effects of three silicate adsorbents on the growth performance of FFRC strain common carp组别Group初体质量/gInitialbodyweight终体质量/gFinialbodyweight增重率/%Rateofbodyweightgain饵料系数/Feedconversionrate成活率/%Survivalrate负对照组Negativecontrolgroup23.正对照组Controlgroup22.蒙脱石组Montmorillonitegroup22.沸石组Zeolitegroup23.棒土组Attapulgiteclaygroup22.
2.2.2 3种吸附剂对福瑞鲤组织中铅沉积量的影响 如表3所示:与负对照组相比,其他各组组织中的铅含量均有不同程度的增加,其中肾脏和肠道中的铅含量较负对照组显著增加(P<0.05);肝脏组织中添加硅酸盐吸附剂组铅沉积量较负对照组有增加趋势,较正对照组有降低趋势但差异均不显著(P>0.05),鳃组织中蒙脱石组铅含量与负对照组、正对照组差异均不显著(P>0.05)。
mg·kg-1组别Group肌肉Muscle肝脏Liver肾脏Kidney鳃Gill肠道Intestine负对照组Negativecontrolgroup0.正对照组Controlgroup0.蒙脱石组Montmorillonitegroup0.沸石组Zeolitegroup0.棒土组Attapulgiteclaygroup0.
3 讨论
硅酸盐矿物依靠其密集的孔结构、巨大的比表面积和表面各种活性基团来吸附各种重金属离子或异味物质等,达到去除杂质的效果。硅酸盐矿物种类繁多,不同类型的硅酸盐其结构特点不同,发挥吸附的方式亦不同,其吸附效果则呈现出多样性[12]。张树芹等[12]发现蒙脱石对铅离子的吸附机制为静电吸附和化学吸附,在pH值小于4或大于8时,以化学吸附为主,而在pH值为4～8时,以静电吸附为主。沸石为架状硅酸盐黏土矿物,沸石去除铅离子的机制兼具吸附和离子交换,其中以离子交换为主[13]。凹凸棒土为2∶1型链层状镁铝硅酸盐黏土矿物,张婧[14]研究发现凹凸棒土对铅离子的吸附集中在一定区域。石太宏等[15]通过凹凸棒土对Zn2+的吸附发现,凹凸棒土表面是非均匀的。在本试验中,在pH值从2到4升高过程中,蒙脱石对铅的体外吸附率逐渐增加,在pH值为4～7时较平稳,这可能和蒙脱石的吸附特性有很大相关性。在pH值为2～4时,蒙脱石对铅的吸附作用显著高于沸石和棒土,这也与蒙脱石的吸附特性有关。
本试验中3种吸附剂吸附Pb2+的吸附率随时间的变化与刘云等[16]发现硅酸盐对Pb2+的吸附是一个先快后慢并趋于平缓的过程的结果相似;在120 min时,蒙脱石和凹凸棒土对铅离子的吸附已达到饱和,沸石有继续升高的趋势,而王顺等[17]建议蒙脱石对铅离子的吸附时间以60 min左右为宜,Wang等[18]发现沸石对Pb2+的吸附在100 min内随时间的延长吸附率增加,在120 min时达到饱和,这可能是由于不同产地的硅酸盐有效成分含量不同。本试验中3种硅酸盐吸附剂吸附率随pH值的增加而升高,这与刘鸥[19]及蒋婷婷等[20]对蒙脱石的研究结果类似。3种硅酸盐吸附率随铅离子起始浓度的升高呈先升高再降低的趋势。3种吸附剂在吸附时间为40～120 min、pH值2～7及Pb2+起始浓度为50～200 mg·L-1过程中,蒙脱石均表现出优于沸石及凹凸棒土的性能。因吸附结果是各个硅酸盐有效成分、吸附方式及外界条件综合作用的结果,更深的机制有待进一步探索。
本试验中,在含有100 mg·kg-1铅的饲料中添加蒙脱石、沸石和凹凸棒土后增重率和饵料系数均无明显的变化。这与前人的研究结果不同,一般认为,饲料中添加蒙脱石、沸石和凹凸棒土可以提高养殖动物生产性能[21-22],但本试验中动物生长性能并没有显著提高,这可能与饲料中铅的添加有关,具体机制还有待进一步研究。余东游等[23]通过在猪饲料中添加5 mg·kg-1蒙脱石,发现可显著减轻铅含量为10 mg·kg-1的饲料所诱导的损伤,降低各组织中铅的沉积量,认为蒙脱石能够对铅中毒有潜在的治疗作用。本试验中,添加蒙脱石后铅在福瑞鲤肝脏和鳃中的沉积量与不添加铅组差异不显著,进一步证实蒙脱石对饲料中铅的吸附作用和在缓解铅中毒中的作用。李爱玫等[24]研究发现饲料中添加沸石可以有效缓解饲料铅在鸡蛋中的残留作用。Jain[25]发现饲料添加沸石能够通过肝脏蛋白、糖原等调控,抑制铅在鱼体内的吸收和蓄积,改善饲料铅对鲶鱼的毒副作用。周岩民等[26]报道饲料添加5%的沸石,能明显降低肉鸡肌肉中铅的沉积量。肝脏是动物体重要的解毒器官,本试验中,添加沸石后肝脏中铅的沉积量与不添加铅组差异不显著,说明沸石对福瑞鲤肝脏中铅的吸收和蓄积有很好的抑制作用;而沸石对福瑞鲤肌肉等组织中铅沉积量影响不显著,这可能与动物种类、沸石品质、添加量等有关。本试验中,添加凹凸棒土后,降低了肝脏中铅的沉积量,与负对照组相比,饲料添加凹凸棒土对其他组织中铅的沉积量没有显著的影响,这可能也与动物种类有关。对比各组肝脏中铅沉积量数据可以发现,饲料添加3种吸附剂后,肝脏中铅的含量与正、负对照组差异均不显著,我们认为,肝脏是鱼体重要的解毒器官,肝脏中的铅沉积一方面来自食物,另一方面来自其他组织向肝脏中的转运,较高水平的饲料铅含量给肝脏造成了很大的负担,本试验中饲料中的吸附剂还不足以抵消饲料中铅对鱼体的影响,肝脏的解毒功能仍然在发挥重要的作用,饲料和各组织中的铅还在源源不断地运到肝脏中。这可能是吸附剂组肝脏中铅的含量与正、负对照组差异均不显著的原因。
综上所述,3种硅酸盐对铅均有不同程度的吸附作用,且对饲料铅造成的鱼体肝脏组织铅沉积有一定的抑制作用;而饲料中添加蒙脱石对铅在肝脏和鳃中的沉积有一定的抑制作用,与体外试验结果相似,其吸附效果优于沸石和凹凸棒土。
文章来源：《硅酸盐通报》 网址: http://www.gsytb.cn/qikandaodu/2021/0121/411.html