甲醛与重金属二元混合体系对发光细菌的联合毒性

2014-08-28 18:52钱骁等
湖北农业科学 2014年13期
关键词:甲醛重金属

钱骁等

摘要:以甲醛及4种重金属Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)为研究对象,以费氏弧菌为受试生物,分别测定5种物质的单一急性毒性及甲醛与重金属二元混合体系的联合毒性,并利用DA模型和IA模型对二元混合体系的联合毒性进行预测及验证。结果表明,依据EC50大小判定5种物质的急性毒性大小顺序为Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、甲醛、Cd(Ⅱ)。DA模型和IA模型都可以较好地预测混合体系“甲醛+Cd(Ⅱ)”、“甲醛+Cu(Ⅱ)”、“甲醛+Pb(Ⅱ)”对发光细菌的联合毒性效应,IA模型预测效果比DA模型更好;对于混合体系“甲醛+Zn(Ⅱ)”的联合毒性,两种模型的预测都不准确。

关键词:发光细菌;甲醛;重金属;联合毒性;DA模型;IA模型

中图分类号:X830.2 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2014)13-3034-05

The Joint Toxicities of Binary Mixtures Composed of Formaldehyde and

Heavy Metal to Vibrio fischeri

QIAN Xiao1,2,LIU Rui-zhi2,WANG Jing1,2,LI Jie1,LEI Kun2,LI Yi-hong2

(1.Institute of Environment & Municipal Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, Shandong, China;

2.Chinese Research Academy of Environment Sciences,Beijing 100012, China)

Abstract: Formaldehyde and four heavy metals Cd, Cu, Pb, Zn were used as objects. Vibrio fischeri was used as the indication organism. The single toxicities of these five toxic materials and the joint toxicities of binary mixtures (composed of formaldehyde and heavy metal) were determined. The results showed that the order of the single toxicities to Vibrio fischeri was Pb>Zn>Cu>formaldehyde>Cd by EC50 values. The joint toxicities of formaldehyde and Cd or Cu or Pb could be predicted well by the DA model and the IA model. The results of IA model were better than that of DA model.

Key words:Vibrio fischeri; formaldehyde; heavy metals; joint toxicities; dose addition model; independent action model

联合作用是指两种或两种以上化学物质同时或先后与受试生物接触并发生作用时,各物质仍保留或改变各自毒性作用的现象,两种或两种以上化学物质在联合作用条件下测定的毒性称为联合毒性[1]。对于化学物质联合毒性的评价工作开始于20世纪70年代,传统的联合毒性评价方法有:毒性单位法、相加指数法、混合毒性指数法、相似性参数法、等效线图法等[2],这些方法只是考虑了混合体系浓度空间分布的一个点,具有很大的局限性[3]。数学模型方法可以用来综合分析混合体系对发光细菌的毒性作用规律,在联合毒性的评价及预测方面具有广阔的发展前景。目前普遍应用的联合作用预测模型有加和作用(Dose Addition,DA)模型[4]和独立作用(Independent Action,IA)模型[5,6]。

甲醛和重金属是环境污染中较为常见的两类污染物质,都具有强烈的致癌、致畸等作用[7-10],长期接触低剂量的甲醛与重金属会引起各种病变,对人体的危害很大。目前,国内外对重金属及甲醛的发光细菌法毒性研究的报道很多[11-14],但鲜有甲醛、重金属对发光细菌联合毒性研究的报道。本研究选择甲醛及重金属Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)为研究对象,通过测定5种物质对发光细菌的急性毒性,利用Weibull函数拟合得到各自的“剂量-效应”曲线,在此基础上,通过等毒性配比法开展甲醛与4种重金属的联合毒性效应研究,并利用DA模型和IA模型对混合体系的联合毒性进行预测及验证,旨在为甲醛与重金属混合体系的联合作用研究提供基础数据,并为甲醛与重金属的环境监管与污染防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试药品 甲醛(HCHO)、氯化镉(CdCl2)、氯化铜(CuCl2)、氯化铅(PbCl2)、氯化锌(ZnCl2),均为分析纯,试验用水是利用MW-20B型超纯水器(北京盈安美诚科学仪器有限公司生产)制备的。

1.1.2 发光细菌与试验仪器 毒性试验仪器使用SDI Microtox Model 500毒性检测仪(美国AZUR环境有限公司生产)。发光细菌为毒性仪标配的费氏弧菌(Vibrio fischeri)冷冻干粉,储存在-25 ℃~ -20 ℃的环境中,发光细菌冷冻干粉的复苏、活化、稀释等操作参照SDI Microtox Model 500毒性检测仪标准程序进行。

1.2 方法

1.2.1 单一污染物质对发光细菌急性毒性的测定 甲醛及4种重金属的半数效应浓度EC50采用毒性检测仪的81.9% Basic Test模式进行测定。

配制甲醛、Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)初始浓度分别为200.00、200.00、20.00、2.00、20.00 mg/L的溶液。利用毒性仪标配的渗透调节液和稀释液,等对数间距稀释得到2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7、2-8、2-9、2-1010个稀释度的溶液,共11个浓度梯度,每个浓度均设置3个平行试验,平行测定结果之间的标准差≤10%。

污染物质对发光细菌的“剂量-效应”曲线整体呈现不规则的“S”形,采用双参数Weibull函数[4]对污染物质的“剂量-效应”曲线进行非线性拟合:

Weibull函数:E=1-exp{-exp[α+β×log10(C)]}

Weibull反函数:C=10{ln[-ln(1-E)]-α}/β

式中,C为溶液中污染物质的有效浓度(mg/L),E为该浓度时污染物质对发光细菌的发光抑制率,α、β为Weibull函数的拟合参数。

通过Weibull函数拟合,得到5种污染物质对发光细菌的“剂量-效应”曲线及其拟合参数,再利用Weibull反函数计算5种物质的单一毒性EC50。

1.2.2 二元混合物对发光细菌联合毒性的测定 污染物质对发光细菌的联合毒性作用比较复杂,两种物质之间的联合作用类型往往与混合体系中各组分的浓度配比有关[15]。采用等毒性配比法[16]研究甲醛与四种重金属的联合毒性效应。

将“甲醛+Cd(Ⅱ)”、“甲醛+Cu(Ⅱ)”、“甲醛+Pb(Ⅱ)”、“甲醛+Zn(Ⅱ)”四个二元混合体系按照毒性比1∶1配制联合毒性试验的11个浓度梯度溶液,测定各混合体系的EC50,测定方法与单一物质相同。其中,梯度溶液的最大浓度为8EC50,1+8EC50,2(EC50,1、EC50,2分别为混合体系中两种组分各自的单一毒性EC50),再等对数间距稀释得到浓度分别为4EC50,1 +4EC50,2、2EC50,1+2EC50,2、EC50,1+EC50,2、2-1EC50,1+2-1EC50,2、2-2EC50,1+2-2EC50,2、2-3EC50,1+2-3EC50,2、2-4EC50,1+2-4EC50,2、2-5EC50,1+2-5EC50,2、2-6EC50,1+2-6EC50,2、2-7EC50,1+2-7EC50,2的其他10个浓度梯度溶液,每组混合体系浓度梯度设3个平行试验,平行测定结果之间的标准差≤10%。混合体系联合毒性效应的EC50是指产生半数效应时,混合体系中的两种污染物质(甲醛及某种重金属)的质量浓度之和。

1.2.3 预测方法 应用加和作用(Dose Addition,DA)模型和独立作用(Independent Action,IA)模型进行预测。

加和作用(DA)是指物质单一毒性的简单加和,要求混合体系中各物质的毒性作用机理相似,其中的一种物质可以用另一种物质按一定的浓度比例代替。加和作用的数学表达式为:

DA模型:ECxmix=■■-1

式中,ECxi表示第i组分单独作用时产生效应x的浓度,ECxmix表示产生效应x的混合体系浓度,Pi表示第i组分的浓度占混合体系浓度的比例,n表示混合体系中的组分数。

独立作用(IA)则适用于毒性作用机理相异的物质,其计算公式为:

IA模型:x=1-■{1-Fi[Pi(ECxmix)]}

式中,x为给定的效应值,ECxmix表示产生效应x的混合体系浓度,Pi表示第i组分的浓度占混合体系浓度的比例,n为混合体系的组分数,Fi表示通过“剂量-效应”函数计算得到第i组分的效应值。

1.2.4 数据处理与分析方法 采用Microsoft Office Excel 2003和Origin 7.5进行数据处理及分析。

2 结果与分析

2.1 甲醛及4种重金属对发光细菌的单一毒性

图1为利用Weibull函数拟合得到的甲醛及4种重金属的“剂量-效应”曲线。相关统计数据及EC50见表1,R、RMSE分别为拟合值与实测值之间的相关系数、均方根误差,S为三次平行试验测定结果间的标准差。表1结果表明,甲醛及重金属Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)对发光细菌单一毒性的3次平行试验测定结果之间的标准差分别为2.35%、3.09%、1.38%、2.19%、1.48%,这说明发光细菌法测定物质的急性毒性具有非常高的精确度和稳定性,从而确保了毒性检测数据的可靠性。应用Weibull函数拟合的甲醛及4种重金属的效应拟合值与实验值之间的相关系数R≥0.989,均方根误差RMSE≤0.058 5,表明Weibull函数可以较好地拟合5种物质对费氏弧菌的“剂量-效应”关系。

毒性物质急性毒性的强弱是用半数效应浓度EC50的大小来表征的,毒性物质的半数效应浓度越小,其急性毒性越强,经过计算,甲醛和重金属Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)的EC50分别为7.720、11.724、1.040、0.128、0.698 mg/L,5种物质对费氏弧菌的急性毒性具有明显的差异。其急性毒性的强弱顺序为Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、甲醛、Cd(Ⅱ),其中Pb(Ⅱ)对费氏弧菌的急性毒性最强,Cd(Ⅱ)最弱,这与朱丽娜[17]对于重金属单一毒性的研究结果是一致的。

2.2 甲醛与4种重金属对发光细菌的联合毒性

2.2.1 二元混合体系“剂量-效应”曲线的非线性拟合 在单一物质急性毒性试验的基础上,根据5种物质的EC50,按照等毒性配比开展甲醛与重金属混合体系对费氏弧菌的联合毒性作用研究,并应用Weibull函数模型对混合体系的“剂量-效应”数据进行拟合。表2为二元混合体系的相关统计参数及计算得到的混合体系EC50。由表2可知,二元混合体系“甲醛+Cd(Ⅱ)”、“甲醛+Cu(Ⅱ)”、“甲醛+Pb(Ⅱ)”、“甲醛+Zn(Ⅱ)”联合毒性的3次平行试验结果之间的标准差均小于4.50%,表明发光细菌法测定二元混合体系的联合毒性作用准确、稳定、数据可靠。四个二元混合体系的联合毒性拟合值与实测值之间的相关系数R≥0.988,均方根误差RMSE≤0.061 4,表明利用Weibull函数能够拟合四个二元体系对费氏弧菌的“剂量-效应”关系,并反映二元混合体系的联合毒性效应。

研究发现,二元混合体系的EC50均比其对应的重金属单独作用于发光细菌时的EC50大,但小于对应的重金属单独作用EC50与甲醛单独作用EC50的和。根据EC50可以判断,四种二元混合体系对发光细菌急性毒性的大小顺序为甲醛+Pb(Ⅱ)、甲醛+Cu(Ⅱ)、甲醛+Zn(Ⅱ)、甲醛+Cd(Ⅱ)。

2.2.2 二元混合体系对发光细菌的联合毒性预测比较 根据DA模型和IA模型对等毒性配比的二元混合体系进行联合毒性预测,结果如图2所示。根据拟合得到的Weibull函数计算试验设置的11个浓度条件下四种二元混合体系对发光细菌的发光抑制率,并与11个浓度条件下分别用DA模型和IA模型预测的发光抑制率进行比较,计算其间的相关系数R和均方根误差RMSE,结果列于表3。

理论上,不同的混合体系利用DA模型或IA模型得到的预测曲线与实测数据经过拟合得到的“剂量-效应”曲线之间的吻合程度不尽相同,两种模型预测结果的准确性很大程度上会受到混合体系的联合效应水平、混合体系中的组分数目、不同组分的浓度比例、单一物质“剂量-效应”曲线的斜率以及使用的拟合回归函数等因素的影响[18]。

由图2及表3可知,二元混合体系“甲醛+Cd(Ⅱ)”、“甲醛+Cu(Ⅱ)”、“甲醛+Pb(Ⅱ)”的试验拟合曲线与DA模型预测曲线或IA模型预测曲线都比较接近;对于这3个二元混合体系,DA模型或IA模型预测值与Weibull函数拟合值之间的相关系数R均大于0.99,均方根误差RMSE均小于0.05,表明DA模型或IA模型都可以较好地用于这3个二元混合体系联合毒性的预测。同时利用DA模型和IA模型来预测这3种二元混合体系其中任一种的联合毒性效应时,发现IA模型得到的R值均大于DA模型,得到的RMSE值均小于DA模型,表明对于这3个二元混合体系联合毒性的预测,IA模型的预测效果一定程度上要优于DA模型。利用DA模型预测这3个二元混合体系的EC50与Weibull函数拟合的EC50之间的相对偏差分别为19.41%、7.30%、9.85%,利用IA模型预测的3个二元混合体系的EC50与实测拟合的EC50之间的相对偏差分别为16.94%、0.08%、2.14%。

而“甲醛+Zn(Ⅱ)”混合体系的试验拟合曲线在DA模型预测曲线和IA模型预测曲线的下方,利用DA模型预测的“甲醛+Zn(Ⅱ)”混合体系的EC50与Weibull函数拟合的EC50之间的相对偏差为46.00%,利用IA模型预测其相对偏差则为47.33%,DA模型的预测结果比IA模型更准确,但是,对某一确定浓度的“甲醛+Zn(Ⅱ)”混合体系用DA模型和IA模型预测其对费氏弧菌的毒性(以发光抑制率表征),预测的发光抑制率都明显大于实测的发光抑制率,预测结果偏高,预测都不够准确。

本研究只是针对甲醛和重金属组成的二元混合体系设计了等毒性配比这一种确定浓度比例关系的梯度溶液,探究甲醛与重金属之间的联合毒性及作用规律。但是等毒性配比的浓度比例只是反映了混合体系浓度空间分布中的某一个方向,由于混合体系中各物质EC50之间存在线性或非线性关系,即使测定多个浓度比例关系的混合体系联合效应,也只是反映了浓度空间分布几个方向的特征,不能说明混合体系全局浓度范围的联合作用规律[19]。因此,对于混合体系联合毒性效应的研究需要借助于更全面、更科学的数学模型或方法。

3 结论

1)基于发光细菌法测定了甲醛及重金属Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)的急性毒性效应,应用Weibull函数拟合并构建了5种物质各自的“剂量-效应”曲线,得到了5种物质的EC50。甲醛、Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)对费氏弧菌的EC50分别为7.720、11.724、1.040、0.128、0.698 mg/L,5种物质对费氏弧菌的毒性大小顺序为Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、甲醛、Cd(Ⅱ)。

2)DA模型和IA模型可以有效地预测二元混合体系“甲醛+Cd(Ⅱ)”、“甲醛+Cu(Ⅱ)”、“甲醛+Pb(Ⅱ)”的联合毒性效应,IA模型预测效果比DA模型更好;对于混合体系“甲醛+Zn(Ⅱ)”,两种模型的预测结果都不准确。

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