汞和农药氯氰菊酯对蛋白核小球藻的复合污染急性毒性

王攀婷，厉威池，孙 旭，马成学

(东北林业大学湿地科学系，黑龙江哈尔滨 150000)



汞和农药氯氰菊酯对蛋白核小球藻的复合污染急性毒性

王攀婷，厉威池，孙 旭，马成学*

(东北林业大学湿地科学系，黑龙江哈尔滨 150000)

采用实验室培养方法，研究不同浓度的Hg2+和不同浓度的农药氯氰菊酯单独及联合作用对蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)的急性毒性效应。结果表明，Hg2+和氯氰菊酯单独作用时，较低浓度的Hg2+(小于5 μg/L)和氯氰菊酯(小于2 mg/L)对小球藻无明显抑制作用，但随着浓度增大，抑制作用增强。且半效应浓度(EC50)值均随时间的延长而减小；二者联合作用时，随着时间延长，EC50与污染物质单独作用时的趋势相同，EC50-24 h为2.366 mg/L，EC50-96 h为1.711 mg/L，存在明显的时间-效应关系。并且根据水生毒理联合效应相加指数法得出，低浓度和高浓度组均表现拮抗作用，Hg2+与氯氰菊酯的同时存在降低了两者对蛋白核小球藻的生长抑制作用。

蛋白核小球藻；Hg2+；氯氰菊酯；复合污染；拮抗作用

近年来重金属汞和农药的排放越来越严重，严重污染水生态系统，尤其是淡水生态系统。浮游植物作为水域初级生产力在水生态系统中起着不可替代的作用。国内开展了很多的相关研究，但绝大多数都是研究单一方面对浮游植物的影响，而在淡水生态系统中重金属污染物和农药污染常常同时存在，它们的作用显然是复合污染。重金属和农药单一方面的毒性试验显然不能完全客观地反映污染物对淡水生态系统中浮游植物的影响，因此，有必要研究它们的复合污染毒性效应。

目前，关于重金属汞和农药对蛋白核小球藻生长的影响有较多研究报道，但关于汞和氯氰菊酯对蛋白核小球藻的复合污染毒性效应的研究尚未见报道。为此，笔者以蛋白核小球藻为例，研究了汞和氯氰菊酯对浮游植物的急性毒性和复合污染毒性效应，以期为多种污染物的复合污染效应研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试植物。蛋白核小球藻由中国科学院水生生物研究所藻种库提供，采用SE藻类培养液配方培养，引种680 nm波长下测定吸光度值为0.20的活性藻种1 ml，培养温度为(28±1)℃，光照强度为10 000 lux，在500 ml 锥形瓶中连续光照下培养8 d，至吸光度值达到0.08时开始加入汞和氯氰菊酯。

1.1.2 供试药剂。4.5%高效氯氰菊酯为天津市汇源化学品有限公司产品。

1.2 方法

1.2.1 毒性试验。在处于指数生长期的藻类培养液中，将氯化汞配制成Hg2+浓度为0、5、10、50、100、1 000 μg/L 6个不同浓度梯度，每个浓度设3个平行，不充气条件下每日摇匀3次。在处于指数生长期的藻类培养液中，将4.5%高效氯氰菊酯用丙酮配制成0、1、2、3、4、5 mg/L 6个不同浓度梯度，空白组加入相同浓度丙酮。复合污染毒性试验在单一毒性基础上按1∶1单位添加进行6个不同浓度的梯度试验。

1.2.2 复合污染毒性评价。试验得到单一毒性和复合污染毒性的EC50后，采用修瑞琴等[1]的水生毒理联合效应相加指数法计算进行评价。

S=Am/A1+Bm/B1

式中，S为对蛋白核小球藻毒性相加之和；A1、B1为单一污染物的EC50；Am、Bm为复合污染下的EC50。当S<1时，相加指数AI=1/S-1.0；当S> 1时，相加指数AI=S(-1)+ 1.0。最后根据AI的结果评价复合污染效应，AI>0 为协同作用；AI<0 为拮抗作用；AI=0 为相加作用。

1.2.3 藻细胞EC50的计算。特定生长率(U)由公式(1)计算，生长抑制百分率(EC)定义为氯氰菊酯抑制生长率的百分比，计算公式为式(2)，EC50值采用抑制百分率的概率单位-浓度对数直线回归法进行计算，并计算EC50的95%可信限范围。

U=ln(Nt/N0)/t

(1)

EC=(U0-Ui)/U0×100%

(2)

式中，U为特定生长率(d-1)；N0为初始细胞密度(个/ml)；Nt为培养t天时的细胞密度(个/ml)；U0是对照组的特定生长率；Ui是试验组的特定生长率。

2 结果与分析

2.1 汞和氯氰菊酯对蛋白核小球藻的单一和复合毒性

由图1～3可知，在不同浓度汞和氯氰菊酯的暴露下，蛋白核小球藻的生长受到不同程度的影响。相同时间下不同汞处理浓度组藻细胞均显著降低，且随着汞浓度的升高，对蛋白核小球藻的抑制更显著。相同条件下，低浓度(1 mg/L)的氯氰菊酯组对藻细胞抑制不明显，浓度超过2 mg/L以后随着氯氰菊酯浓度的增加，对蛋白核小球藻的抑制更显著。汞和氯氰菊酯复合污染下不同处理组藻细胞均显著降低。

2.2 汞和氯氰菊酯对蛋白核小球藻的复合污染毒性(EC50)

由表1可知，汞和氯氰菊酯单独作用时，EC50值均随时间的延长而减小；二者联合时，随着时间的延长，EC50与污染物质单独作用时的变化趋势相同，24 h时的EC50值为2.366 mg/L，96 h时的EC50值为1.711 mg/L，存在明显的时间-效应关系。

表1 汞和氯氰菊酯对蛋白核小球藻的复合污染毒性

2.3 水生毒理联合效应相加指数

由表2可知，低浓度和高浓度组均表现为拮抗作用，表明Hg2+与氯氰菊酯的同时存在降低了两者对蛋白核小球藻的生长抑制作用。可能是因为两者在藻细胞内发生生理反应，引起了藻细胞内酶、蛋白质、叶绿素等水平变化，从而表现拮抗作用。

表2 水生毒理联合效应相加指数

3 讨论

3.1 重金属汞对蛋白核小球藻的毒性作用

近年来随着水体重金属污染的加重，人们对其的研究也越来越多，高浓度的重金属对藻类均有抑制作用[2]，这是因为重金属离子造成藻细胞线粒体损伤，影响了光合作用的电子传递系统，阻碍了蛋白质合成，从而抑制了藻类生长[3-4]，5种对生物毒性最大的重金属汞、镉、铬、铅、砷中，对浮游植物影响最大的为汞。汞对浮游植物的毒害作用主要是通过与重要的生物大分子的功能基团相结合，扰乱质膜正常结构，影响营养离子的转运，从而破环细胞正常的生理功能。离子态汞可以直接结合琉基蛋白的-SH基团，改变磷酸基团与活性基团ADP或ATP之间的反应亲和性，改变膜的透性等[5]。另一方面，汞可以促进活性氧自由基(ROS)的产生和积累，对浮游植物造成氧化胁迫，进而诱发细胞膜脂、核酸及细胞色素等变性失活，加大细胞脂质过氧化水平，并且影响光合作用的电子传递系统，导致光合色素损害和叶绿素含量下降[6-8]。对于不同门类的藻类，汞对硅藻生长抑制最明显，对蓝藻生长则表现为低浓度促进、高浓度抑制的Hormesis效应。可能是细胞壁内的有机物(如多糖组成的胶鞘、胶被或黏液等胞外多糖)通常能络合重金属离子，从而使金属离子不能进入细胞内部[9-10]。也有研究证明，藻类细胞内部尚有一套保护系统可解除有毒物质的毒素，该解毒作用使重金属形成有机金属化合物沉淀下来[11]。对于绿藻门的不同种类来说，汞对蛋白核小球藻的生长抑制明显大于对栅藻的抑制，从该研究结果来看，汞对蛋白核小球藻的24 h半致死浓度(36.98 μg/L)明显低于汞对栅藻的24 h半致死浓度(1.9 mg/L)。汞对蛋白核小球藻的EC50值表现为随着处理时间的延长而减小，存在剂量效应和时间效应关系。

3.2 农药氯氰菊酯对蛋白核小球藻的毒性作用

除虫菊酯类杀虫剂由于其高效、低毒、广谱、光稳定性好等特点，已被广泛应用于农林生产中，造成大量菊酯类农药经地表径流流入江、河、湖泊等水体，同时对生活于水体中的浮游植物产生深远影响。因水生藻类具有个体小、繁殖快、易获得、对农药高度敏感等特点，所以农药对其影响较明显。通常低浓度的农药可作为藻类生长的营养源，促进藻类生长，相反，高浓度则抑制藻类生长[12]。Perona等[13]发现低浓度(<1.0 mg/L)的磷胺可作为念珠藻的营养元素刺激其生长，而浓度高于1.0 mg/L则抑制生长。王朝晖等[14]研究也表明高效氯氰菊酯农药在低浓度组(<1.8 mg/L)对藻细胞有刺激生长的效应，高浓度组(≥3.2 mg/L)农药胁迫可能会引起藻细胞内活性氧积累，造成膜脂质过氧化，破坏细胞膜及叶绿体等细胞器，使叶绿素含量下降、代谢酶活性降低，进而加剧细胞膜损伤，出现离子、蛋白等外流，从而影响藻类生长繁殖，导致藻细胞死亡。该研究结果与王朝晖等研究结果基本一致，但略有不同。低浓度组(1.0 mg/L)藻细胞密度与对照组无明显差别，高浓度组(>2.0 mg/L)藻细胞生长受到明显抑制。此外，不同的藻类由于其自身的生理原因，细胞的结构不同，毒害藻类的靶位机理不同，其对农药的敏感性也不同。硅藻对氯氰菊酯的敏感性相对较高，如中肋骨条藻在氯氰菊酯浓度大于50 μg/L就会产生明显的抑制，而蓝藻门和绿藻门对氯氰菊酯的耐受性较高，10.0～50.0 mg/L 氯氰菊酯刺激或稍抑制聚球藻的生长[15]，栅藻属种类具有明显的耐受性，10.0～50.0 mg/L氯氰菊酯抑制双对栅藻的生长，而斜生栅藻的96 hEC50高达 112.0 mg/L[16]。蛋白核小球藻对氯氰菊酯的耐受性相对处于中等偏低水平。

3.3 重金属和农药对蛋白核小球藻的毒性作用

自然环境中往往是2种或多种污染物同时存在，但目前关于复合污染的研究主要集中在多种重金属的复合污染或者是多种农药的复合污染方面，而关于重金属和农药复合污染的研究很少，尤其是对水体中复合污染的研究相对较少。黄河等[17]研究了镉和乙草胺单一及复合污染对浮萍生长的影响，发现镉和乙草胺的复合污染大于单一污染，且镉污染大于乙草胺。胡晓娜[18]研究镉与 S-异丙甲草胺联合作用斜生栅藻时发现低浓度表现为协同作用，高浓度表现为拮抗作用。Rac-和S-异丙甲草胺与锌的联合毒性作用类型表现为除草剂在低浓度下为部分相加作用，高浓度下为拮抗作用。与单一污染相比，在复合污染下藻类的总蛋白含量、细胞膜的通透性、SOD酶水平均发生改变，因为不同重金属离子和农药对藻类的污染机制不同，其复合污染影响更为复杂。该研究表明，汞和氯氰菊酯的联合毒性是在低浓度和高浓度组水生毒理联合效应相加指数(AI)均小于1，表现为拮抗作用。因此，汞和氯氰菊酯的同时存在会降低对浮游植物的毒性。

[1] 修瑞琴，许永香，傅迎春，等.水生毒理联合效应相加指数法[J].环境化学，1994，13(3)：269-271.

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Combined Toxicity of Mercury and Cypermethrin toChlorellapyrenoidosa

WANG Pan-ting, LI Wei-chi, SUN Xu, MA Cheng-xue*

(Department of Wetland Science, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150000)

Using the laboratorial culture method, the separate and combined effects of different concentrations of Hg2+and various concentrations of the pesticide of cypermethrin in the acute toxic effects onChlorellapyrenoidosawere studied. The results showed that, when Hg2+combines alone with cypermethrin, the lower concentrations of Hg2+(less than 5 μg/L) and cypermethrin (less than 2 mg/L) had no significant inhibitory effect on chlorella, but as the concentration increases, the inhibition increased. AndEC50values were decreased along with time lasting. Their combined effect, with time lasting, half effect concentration (EC50) and that of pollutants alone shares the same trend,EC50-24h was 2.366 mg/L,EC50-96h was 1.711 mg/L, there is obviously time-effect relationship. According to the combined effects of aquatic toxicology and additive index method, the low concentration group and high concentration group both showed antagonistic effect, Hg2+and cypermethrin coexists, both of which reduce the growth of inhibition ofChlorellapyrenoidosa.

Chlorellapyrenoidosa; Hg2+; Cypermethrin; The combined toxicity; Antagonism effect

东北林业大学创新项目(201410225171)；中央高校基本科研业务费专项(2572014EA07-04)。

王攀婷(1994- )，女，陕西咸阳人，本科生，专业：野生动物与自然保护区管理(湿地科学)。*通讯作者，讲师，博士，从事水生生物学研究。

2015-11-09

S 481+.8

A

0517-6611(2015)35-191-03