Cd2+和Pb2+单一与复合污染对脊尾白虾的急性毒性效应研究

谢 嘉, 滕 佳, 刘永亮, 杨顶珑, 曹瑞文, 陈丽竹, 王 清, 李 斐, 吉成龙, 吴惠丰, 丛 明, 赵建民



Cd2+和Pb2+单一与复合污染对脊尾白虾的急性毒性效应研究

谢 嘉1, 2, 3, 滕 佳1, 3, 刘永亮1, 2, 杨顶珑1, 3, 曹瑞文1, 3, 陈丽竹1, 3, 王 清1, 李 斐1, 吉成龙1, 吴惠丰1, 丛 明1, 赵建民1, 2

(1. 中国科学院烟台海岸带研究所, 海岸带环境过程与生态修复重点实验室, 山东烟台264003; 2. 中国科学院烟台海岸带研究所牟平海岸带环境综合试验站, 山东烟台264003; 3. 中国科学院大学, 北京 100049)

近年来, 中国近岸重金属污染问题日趋严重。作者通过研究重金属Cd2+和Pb2+对脊尾白虾()的单一及复合急性毒性效应, 为其养殖水质管理提供科学依据。本研究采用半静态急性毒性测定方法, 开展了不同浓度Cd2+和Pb2+对脊尾白虾96 h内的急性毒性试验。研究结果表明: 在单一污染物暴露下, Cd2+对脊尾白虾24、48、72、96 h的半数致死质量浓度(LC50)分别为138.699、33.110、9.719、3.650 mg/L, Pb2+对脊尾白虾48、72、96 h的LC50分别为254.541、62.750、29.074 mg/L; Cd2+、Pb2+对脊尾白虾96 h的安全质量浓度分别为0.365和2.907 mg/L; 在等浓度配比(1︰1)暴露下, Cd2+和Pb2+复合污染对目标生物在48、72、96 h暴露期间的毒性相加指数(additive index, AI)分别为0.155、0.068、0.258。综上所述, Cd2+对脊尾白虾的毒性较Pb2+更强, Cd2+和Pb2+对脊尾白虾的复合污染均表现出较明显的协同作用。

Cd2+; Pb2+; 急性毒性; 复合毒性; 脊尾白虾()

近年来, 随着工业废水和生活污水的排放, 中国近海环境的污染状况日趋加重, 对海洋生物的生存和海洋生态环境安全构成了严重威胁。重金属污染因其具有持续时间长、难以降解且易通过食物链积累放大等特点, 受到了广泛关注[1]。镉和铅是海洋环境中普遍存在的重金属污染物, 已被列入中国重金属污染综合防治的重点整治对象。过量的重金属进入生物体, 通常会对机体产生毒害作用, 进而引发疾病甚至导致死亡, 同时还能够被机体所富集, 并通过食物链的生物放大作用威胁人类健康[2]。在海洋环境中, 污染通常以复合污染的形式出现; 重金属污染物对海洋生物不仅具有单一毒性, 而且往往存在交互作用, 易产生联合毒性[3]。

脊尾白虾()又称白虾, 是中国沿海的重要经济虾类。由于其耐温耐盐范围广、活力强且易于培养, 近年来已成为中国海水养殖的重要品种之一[4]。目前, 关于重金属对虾类的毒性效应研究已有较多报道。国内外学者先后开展了重金属对凡纳滨对虾()[5-6]、日本沼虾()[7-9]、脊尾白虾()[10-11]、克氏原螯虾()[12]、罗氏沼虾()[13]、斑节对虾()[14]和黑褐新糠虾()[15]等虾类的急性毒性研究。近年来, 关于复合污染对虾类的急性毒性研究也有所报道。王志铮等[16]研究了Hg2+、Zn2+、Cr6+对凡纳滨对虾幼体的单一急性毒性和联合毒性, 吕耀平等[17]开展了Cr6+、Mn7+和Hg2+对日本沼虾的单一急性毒性和联合毒性研究。针对脊尾白虾幼虾,张彩明等[18]比较了Cr6+、Mn7+和Zn2+的单一毒性和联合毒性作用。作者以脊尾白虾为实验对象, 研究了Cd2+和Pb2+单一及复合污染的急性毒性效应, 并探索了其安全浓度, 以期为养殖环境的水质管理、渔业水质标准修订以及相关渔业污染评估等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

脊尾白虾购自当地海产品市场, 选择规格大小相近的个体(体长4.14 cm±0.36 cm, 体质量0.50 g± 0.08 g), 置于实验室暂养7 d。实验用海水经300目筛绢过滤处理, 盐度为31.0±1, pH为7.8, 温度为13.0~15.0℃。暂养期间连续充气, 每24 h换水1次, 并投喂对虾饲料, 至实验前24 h停止喂食。

CdCl2和Pb(NO3)2均为分析纯试剂, 购自国药化学试剂公司, 分别用去离子水配成1.0 g/L的储备液。

1.2 实验设计

1.2.1 单一急性毒性实验

采用急性毒性实验法[19], 测定单一污染物的急性毒性, 实验周期为96 h。根据预实验(96 h后全活和全致死浓度)确定了5个暴露浓度, 分别为4.0、8.0、16.0、32.0和64.0 mg/L Cd2+以及10.0、20.0、40.0、80.0和160.0 mg/L Pb2+。实验过程中, 各处理组设置3个重复(= 3), 以自然海水作为对照组。暴露实验在塑料水槽(100 cm×50 cm×25 cm)中进行, 每个水槽随机放入规格大小基本一致, 附肢完整、活力强的脊尾白虾20尾; 暴露过程连续充气, 日换水量100%。实验期间连续观察脊尾白虾的活动状况, 及时取出死亡个体, 并记录24、48、72、96 h的死亡数, 计算各暴露时间下的LC50。重金属安全质量浓度(mg/L)的判定按照下式计算: 96 h安全浓度= 0.1×96 h LC50。

1.2.2 复合急性毒性实验

根据单一急性毒性实验结果, 在相同实验条件下, 按照Cd2+和Pb2+浓度1︰1的混合比例, 设置5个不同的浓度进行复合毒性实验。记录各实验组脊尾白虾在24、48、72、96 h的死亡数, 计算各暴露时间下的混合LC50。

采用水生毒理联合效应Marking相加指数法[20], 进行联合毒性的评价。按下列公式计算出生物毒性值:=m/1+m/1; 式中:为生物毒性相加作用之和;1、1分别代表一种毒性物质单一毒性的LC50;m、m为混合毒性的LC50。根据值求得相加指数(additive index, AI); 当≤1时,＝(1/)–1; 当> 1时,=(–1)+1。以值评价混合毒物的联合毒性效应,=0为毒性相加作用;<0为拮抗作用;>0为协同作用。

1.3 数据处理和分析

实验数据采用SPSS 16.0软件进行分析, 得出Cd2+和Pb2+对脊尾白虾急性毒性效应的概率单位与浓度对数的回归方程以及其24、48、72、96 h的LC50和95%置信区间。利用单因素方差分析(One-Way AVONA)和Duncan检测法对组间数据进行差异性分析, 当<0.05时认为差异性显著, 并用回归分析法作相关性检验。

2 实验结果与分析

2.1 脊尾白虾的中毒症状

染毒前期, 白虾开始局促不安, 快速游动; 随暴露时间的延长, 白虾体侧翻、游动缓慢, 最后伏于水槽的底部, 随着中毒程度的加深而逐渐死亡, 体色由半透明色变白, 最后变为红色。各水槽的死亡数均随暴露时间的延长而增加, 表明脊尾白虾受污染物的毒害作用逐渐加深。

2.2 单一急性毒性实验

如表1所示, 在暴露最初24 h内, Cd2+质量浓度低于32.0 mg/L的处理组中脊尾白虾活力尚好, 未出现死亡个体, 而高质量浓度暴露组(64.0 mg/L)死亡率达到15%。暴露24 h后, 脊尾白虾开始出现较明显的中毒症状, 且死亡率伴随暴露浓度的增加和暴露时间的延长迅速升高, 呈现明显的剂量-效应关系。暴露48 h后, 32.0 mg/L Cd2+处理组的死亡率达到55%, 而在暴露72 h后, 高质量浓度暴露组(64.0 mg/L)的死亡率达到100%。

在Pb2+处理组中, 脊尾白虾的死亡率随暴露质量浓度的增加和暴露时间的延长逐渐升高; 其中, 10.0、20.0、40.0 mg/L处理组在72 h内的死亡率均低于50%。在暴露72 h后, 质量浓度升至80.0、160.0 mg/L时, Pb2+暴露组的死亡率均超过60%(表2)。

经概率单位法计算得出, 在不同暴露时间点, Cd2+和Pb2+对脊尾白虾的单一毒性死亡率与暴露剂量具有较好的相关性。LC50值随暴露时间的增加而逐渐减小, 且Cd2+在48、96 h 的LC50值均低于Pb2+的LC50值, 表明Cd2+对脊尾白虾的毒性较Pb2+更强(表3)。同时, 对Cd2+和Pb2+的安全质量浓度进行计算, 发现Cd2+和Pb2+对脊尾白虾的安全质量浓度分别为0.365 mg/L和2.907 mg/L。

表1 不同浓度Cd2+暴露下脊尾白虾96 h内的累积死亡率

注: 表中同一列数据右上角相同字母表示差异不显著(> 0.05); 不同表示差异显著(< 0.05)(表2、表4同)

表2 不同浓度Pb2+ 暴露下脊尾白虾96 h内的累积死亡率

表3 Cd2+、Pb2+对脊尾白虾的单一毒性实验结果

注: “−” 表示未测出数据

2.3 复合急性毒性实验

在单一暴露实验基础上, Cd2+、Pb2+按照等浓度比1︰1进行复合毒性实验。脊尾白虾96 h内的累积死亡率如表4所示, 可见脊尾白虾的死亡率随暴露浓度的增大和暴露时间的延长逐渐升高, 存在明显的剂量/时间-效应关系。在复合暴露下, Cd2+对脊尾白虾48、72、96 h的LC50分别为21.638、6.563、2.208 mg/L, Pb2+的LC50分别为54.094、16.408、5.521 mg/L,可见两种重金属暴露的LC50均低于单一暴露。此外, 在Cd2+和Pb2+复合暴露下, 48、72、96 h的毒性相加指数AI分别为0.155、0.068、0.258 (表5),复合毒性效应均表现为协同作用。

3 讨论

本研究比较了Cd2+和Pb2+对脊尾白虾的单一急性毒性效应, 结果发现随Cd2+和Pb2+质量浓度的增大和暴露时间的延长, 毒性效应会相应地增强, 其对脊尾白虾的毒性影响存在明显的剂量/时间-效应关系。在同等实验条件下, Cd2+对脊尾白虾的毒性较Pb2+更强, 该结果与在其他水生生物中的报道类似[21-24]。此外, Cd2+和Pb2+对脊尾白虾的安全质量浓度分别为0.365 mg/L和2.907 mg/L, 均高于中国海水养殖用水水质标准[25](NY 5052-2001)所规定的指标(Cd2+≤0.005 mg/L, Pb2+≤0.05 mg/L), 表明脊尾白虾对Cd2+和Pb2＋具有较强的耐受性。

表4 Cd2+、Pb2+复合暴露下脊尾白虾96 h内的累积死亡率

表5 Cd2+、Pb2+对脊尾白虾的复合毒性结果

将本研究获得的Cd2+、Pb2+对脊尾白虾的LC50与其他虾类进行比较(表6), 发现不同虾类对Cd2+、Pb2+的耐受性存在较大差异。其中, 针对海水虾类, 姚庆祯等[6]报道了Cd2+凡纳滨对虾幼虾48 h的LC50为1.930 mg/L; 臧维玲等[14]发现Cd2+对斑节对虾96 h的LC50为0.286 mg/L; 李建军等[15]研究表明Cd2+和Pb2+对黑褐新糠虾96 h的LC50分别为0.161和1.917 mg/L。针对淡水虾类, 董学兴等[12]报道了Cd2+对克氏原螯虾幼虾48 h的LC50为1.371 mg/L;戴习林等[13]研究表明Cd2+对罗氏沼虾幼虾96 h的LC50为0.020 mg/L; 张亚娟等[7]和黄勇等[9]分别报道了Cd2+和Pb2+对日本沼虾96 h的LC50分别为0.019和122 mg/L。本研究表明, 除了Pb2+对日本沼虾的LC50(122 mg/L)高于脊尾白虾外, 脊尾白虾对Cd2+和Pb2+的敏感性均低于其他种类的成体虾。这种差别除与受试生物的种类、规格、生长条件及生物个体的健康状况有关外, 也可能与pH、硬度、无机和有机配位体、固体悬浮物等水质因素有关, 即重金属对生物的毒性随水、悬浮物、可沉积颗粒等介质不同而有所差异[9, 26]。此外, 重金属污染物的毒性常随温度升高而增强。本研究中采用的水温较低, 可能是导致重金属毒性较低的原因。

表6 Cd2+和Pb2+对几种虾类LC50(mg/L)的比较

注: “−” 表示无相关数据

近年来, 国内外学者对Cd2+和Pb2+对多种生物的联合毒性开展了大量工作, 多数认为两者共存表现为协同作用[27-30], 这与本研究得出的结论基本一致。在生物体内, 重金属的复合毒性主要通过干扰其正常的生理、生化过程而发挥作用, 也可影响细胞膜的结构和功能, 从而改变其通透性及转运能力[21]。在本研究中, 两种重金属离子Cd2+、Pb2+的复合作用对脊尾白虾在不同时间点(48、72和96 h)均表现出明显的协同作用。究其原因, 一方面, 可能是Cd2+和Pb2+共同作用诱导机体活性氧自由基的产生, 对细胞造成氧化损伤, 并使细胞膜通透性增加, 导致重金属离子更易进入胞内, 因而毒性增强[18]; 另一方面, Cd2+和Pb2+会诱导机体金属硫蛋白(metallothionein, MT) 的合成, 当重金属离子与MT的螯合速率超过MT的合成速率时, 重金属对生物的致毒能力将显著增强[31]。此外, 当生物体在对重金属进行富集时, 可能会出现重金属之间相互促进的作用。Ginneken等[27]研究发现, 当Cd2+和Pb2+共同作用于栉水虱()时, 机体对重金属的吸收速率显著升高, 且两种重金属能相互促进吸收, 呈现明显的协同作用。类似的协同效应在Cd2+和Pb2+对虹鳟鱼()的急性暴露研究中也有报道[28]。Komjarova等[29]采用同位素技术, 发现Cd2+暴露浓度升高可导致大型蚤()对Pb2+的富集速率显著升高。然而, 重金属的复合作用较为复杂, 化学性质相近的重金属元素能够以相似的方式和途径作用于生物体, 从而竞争细胞表面的结合位点以及相关的代谢系统, 这必然会影响重金属对生物体的毒性效应。此外, 联合毒性效应还与污染物的组成、测试生物以及环境因素密切相关[32]。有关Cd2+、Pb2+对脊尾白虾的复合毒性作用途径和机理尚需进一步研究与探讨。

4 结论

Cd2+单一暴露对脊尾白虾24、48、72、96 h的半致死质量浓度(LC50)分别为138.699、33.110、9.719、3.650 mg/L, 其安全质量浓度为0.365 mg/L; Pb2+暴露对脊尾白虾48、72、96 h的LC50分别为254.541、62.750、29.074 mg/L, 其安全质量浓度为2.907 mg/L。在同等实验条件下, Cd2+对脊尾白虾的毒性大于Pb2+。其中, Cd2+、Pb2+的安全质量浓度均高于中国海水养殖用水水质标准(NY 5052-2001)。此外, 在等浓度单位配比1︰1的条件下, 进行了Cd2+、Pb2+的复合毒性实验, 计算出48、72、96 h 的AI值分别为0.155、0.068、0.258, 表明复合毒性效应在各个暴露时间点均表现为协同作用。

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Single and joint acute toxic effects of cadmium and lead on

XIE Jia1, 2, 3, TENG Jia1, 3, LIU Yong-liang1, 2, YANG Ding-long1, 3, CAO Rui-wen1, 3, CHEN Li-zhu1, 3, WANG Qing1, LI Fei1, JI Cheng-long1, WU Hui-feng1, CONG Ming1, ZHAO Jian-min1, 2

(1. Key Laboratory of Coastal Environmental Processes and Ecological Remediation, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 2. Muping Coastal Environment Research Station, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The presence of heavy metals in the coastal environment has been of great concern due to their non-biodegradable nature. This study aims to investigate single and joint acute toxic effects ofCd2+and Pb2+onand provides the basis for the water quality management of aquaculture. The effects of different concentrations of Cd2+and Pb2+onwithin 96 h were investigated by using the semistatic acute toxicity test. The results showed the following: (1) The 24, 48, 72 and 96 h median lethal concentrations (LC50) of Cd2+onwere 138.699, 33.110, 9.719 and 3.650 mg/L, respectively, and the 48, 72 and 96 h LC50of Pb2+were 254.541, 62.750 and 29.074 mg/L, respectively. The 96 h safety concentrations () of Cd2+and Pb2+onwere predicted to be 0.365 mg/L and 2.907 mg/L, respectively; (2) At a concentration ratio of 1︰1, the additive index values for Cd2+and Pb2+were 0.155, 0.068, and 0.258 during the experiment time of 48, 72 and 96 h, respectively. These results indicated that Cd2+presented higher toxicity toward the shrimps than Pb2+. Joint toxic effects of Cd2+and Pb2+demonstrated synergistic effects during the experimental period.

Cd2+; Pb2+; acute toxicity; joint toxicity;

(本文编辑: 谭雪静)

[Key Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No. KZZD-EW-14; Open Fund of Key Laboratory of Marine Ecology and Envir onmental Science, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, No. KLMEES201301]

Oct. 11, 2016

S949

A

1000-3096(2017)05-0027-07

10.11759//hykx20161011004

2016-10-11;

2016-12-21

中国科学院重点部署项目(KZZD-EW-14); 中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室开放基金(KLMEES201301)

谢嘉(1989-), 女, 江西井冈山人, 博士研究生, 主要从事海洋生态毒理学研究, 电话: 0535-2109189, E-mail: jxie@yic.ac.cn; 赵建民, 通信作者, 研究员, 电话: 0535-2109170, E-mail: jmzhao@ yic.ac.cn