典型底栖生物泥鳅的急性毒性物种敏感性评价

李 政， 何欢祺， 张天旭， 张秋英， 何 丽， 闫振广①

(1.中国环境科学研究院土壤与固体废物研究所， 北京 100012; 2.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室， 北京 100012)

物种敏感度分布法(species sensitivity distribution, SSD)是生态风险评估和水质基准研究的常用方法[1-2]，通过筛选污染物或化学物质对生物物种的急、慢性毒理数据，基于不同物种对污染物敏感性的差异构建统计模型，进而推导水质基准或进行生态风险评估与分析。利用SSD也可以进行物种敏感性评价，通过分析比较不同污染物对同一物种的毒性效应，可以分析该物种对各种污染物的敏感性，评价该物种对不同污染物胁迫的响应程度。水质基准研究中物种敏感性评价是重要前提，SSD可用于分析物种对污染物的耐受程度并筛选出较敏感物种作为水环境基准的潜在受试生物。例如，对麦穗鱼(Pseudorasboraparva)[3]和常见底栖动物[4]物种敏感性进行评价，结果显示麦穗鱼和伸展摇蚊(Chironomustentans)可以分别作为三唑磷和滴滴涕的水质基准研究的受试生物，表明SSD方法在筛选基准受试生物方面的可行性。

鱼类是水生生态系统的重要组成部分，其毒性数据是推导水质基准的必需数据[5]，因此其物种敏感性的评估对于水质基准研究具有重要意义。在我国，家鱼(青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼等)是重要经济鱼类类群，然而其体型较大，不便在实验室培养，且来源受到区域和季节的限制，因此体型小、分布广的鱼类常常具有更重要的生态学意义[3]。泥鳅(Misgumusanguillicadatus)是一种小型淡水鱼，属鱼纲，鲤形目，鳅科[6]，对低氧有较强的适应能力[7]，在全国各地河川、沟渠、池塘、水塘等天然淡水水域中均有分布。泥鳅是我国代表性的鱼类之一，作为典型底栖鱼类，在外表、体形、生活习性方面与其他鱼类均有差异，因此分布既广泛，又具有特异性[5]。泥鳅通常被认为耐污能力较强，亦有学者发现泥鳅对某些污染物敏感性较高[4,8]。目前已有学者研究了苯系物[9]、氨氮[10]、农药[4,11]、重金属[12]等污染物对泥鳅的毒性效应，但对泥鳅物种敏感性的全面评估尚鲜见报道。

氨氮是我国大部分流域水系中重要的污染物质，重金属、农药、苯系物等在我国各水系中广泛检出，也都具有显著的水生生物毒性。因此，笔者筛选氨氮、重金属(Ni2+、Cu2+)、农药(敌敌畏、硫丹)和苯系物(硝基苯)等污染物，利用SSD法评价泥鳅对这些代表性污染物的敏感性。同时将泥鳅与国际标准测试物种斑马鱼(Daniorerio)进行比较，以期为水质基准研究和水环境管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 泥鳅毒性数据的搜集筛选

参考HJ 831—2017《淡水水生生物水质基准制定 技术指南》，在ECOTOX毒性数据库、CNKI数据库及公开发表的文献数据中筛选搜集氨氮、Ni2+、Cu2+、敌敌畏、硫丹和硝基苯的生物毒性数据。筛选原则如下：(1)由于同种化合物相同试验终点的慢性数据较少，不足以构建SSD 模型进行分析，故选取急性毒性数据。根据HJ 831—2017，枝角类(Cladocera)和摇蚊类(Chironomus)幼虫的急性毒性试验指标是48 h半致死浓度(LC50)或半效应浓度(EC50)；鱼类及其他生物是96 h LC50或EC50，因此枝角类和摇蚊幼虫试验终点为48 h LC50或EC50；鱼类及其他生物试验终点为96 h LC50或EC50。(2)为了降低数据的不确定性，优先选择流水式实验和对试验浓度有监控的数据。(3)若同种污染物毒性数据差异超过一个数量级，离群值不予采用。(4)同种污染物相同终点有多个可用毒性数据时，使用几何平均值，即种平均急性毒性值(species mean acute values，SMAV，VSMA)；(5)有疑问的数据(如没有设置对照组、每组试验生物个数少于5个、无相关水质因子数据、试验设计不科学等)不予采用。

1.2 毒性数据的分析

对所得急性数据进行分类整理，并将各污染物SMAV值从小到大排序，获得泥鳅对各个污染物的敏感性次序。采用Origin 9.0软件绘制各污染物物种敏感性分布曲线，采用Log-logistic分布作为拟合模型，计算公式为

(1)

式(1)中，y为物种的累积概率；x为SMAV的对数值；p1和p2分别为拟合曲线的截距和斜率。根据泥鳅在各个分布曲线中的位置，分析其对不同污染物胁迫的敏感程度。

1.3 氨氮毒性数据调整

氨氮毒性受到水体温度和pH值的显著影响，需要将获得的氨氮文献毒性数据统一调整为pH值为7、t为20 ℃条件下的数据，使不同物种的氨氮毒性数据具有可比性，调整方法计算公式[13-14]为

lgVA,t,7,20=lgVA,t,7-[-0.036(t1-t2)] 。

(2)

式(2)中，VA，t,7为以总氨氮表示的pH值为7条件下急性毒性浓度,mg·L-1；VA，t,7,20为以总氨氮表示的pH值为7、t为20 ℃条件下急性毒性浓度，mg·L-1；t1为测试温度，℃;t2为20 ℃。

2 结果与分析

2.1 典型污染物对泥鳅的急性毒性

共搜集氨氮、Cu2+、Ni2+、敌敌畏、硫丹和硝基苯6种污染物的急性毒性数据，并将氨氮毒性数据调整为pH值为7、t为20 ℃条件下的数据，共获得220个SMAV数据(图1)。不同数据间的差异超过9个数量级，数值分布在0.024～730 000 μg·L-1之间。可以看出，硝基苯和敌敌畏对不同物种的毒性差异较大，SMAV值变化分别超过9和6个数量级；硫丹相对其他物质对水生生物的整体毒性较大，SMAV值整体靠下；氨氮毒性值分布较集中；Cu2+对水生生物的整体毒性比Ni2+更大。

不同污染物对泥鳅的急性毒性数据见表1[4，8-10，12-16]。两种重金属中Cu2+对泥鳅的毒性较高，SMAV值为48 μg·L-1，Ni2+的毒性较低，SMAV值为275 420 μg·L-1；硫丹和敌敌畏对泥鳅毒性均较高，SMAV值分别为1.20和6.41 μg·L-1；硝基苯毒性略低于Cu2+，SMAV值为79.7 μg·L-1；氨氮呈现剧毒，pH值为7、t为20 ℃条件下SMAV值为854 μg·L-1。

SMAV为种平均急性毒性值。从左到右6种污染物的箱式图分别包含56、33、50、29、42和10个急性毒性数据，所有数据来自243篇中外文献。每组箱式图的水平线段从上到下分别表示所搜集数据的最大值、上四分位、中位数、下四分位和最小值。最大值和最小值形成的区间反映数据的变异程度。SMAV值越小，说明该物质对相应物种毒性越大。

表16种污染物对泥鳅的急性毒性值

Table1ToxicitydataofsixchemicalsfortoMisgumusanguillicadatus

污染物暴露时间/hSMAV值/(μg·L-1)来源文献硫丹961.20[4]敌敌畏966.41[8,15]Cu2+9648[12]硝基苯9679.7[9]氨氮96854[10,13-14]Ni2+96275 420[16]

2.2 泥鳅的物种敏感性

搜集得到的6种污染物的急性毒性数据涵盖的物种包括鱼类、甲壳类、浮游动物、软体动物和两栖动物等，其中鱼类数据有76个。对不同污染物的毒性数据从小到大排序，绘制SSD曲线，并标注泥鳅所在位置。根据全部物种的毒性数据分类排序可知鱼类整体上对氨氮、硫丹、硝基苯和Cu2+比较敏感，累积概率相对较小；对敌敌畏和Ni2+耐受性较高，敏感性排序较高，相反，甲壳类、软体动物和水生昆虫对敌敌畏和Ni2+较敏感，累积概率处于SSD曲线的前端。泥鳅的敏感性排序见表2和图2。在全部物种敏感性排序中，泥鳅对敌敌畏和硝基苯敏感性较高，累积概率处于排序的前20%；对硫丹和Cu2+敏感性较低，累积概率数值居中；对氨氮和Ni2+的耐受性较强，累积概率数值较大。

将泥鳅和模式鱼类斑马鱼的物种敏感性进行对比(图2)，发现泥鳅和斑马鱼对敌敌畏、氨氮、硫丹、硝基苯、Cu2+的物种敏感性差别很大。敌敌畏和硝基苯对泥鳅的SMAV值(6.41和79. 7 μg·L-1)比斑马鱼的SMAV值低4个数量级(60 828和101 735 μg·L-1)；pH值为7、t为20 ℃条件下,氨氮对泥鳅的SMAV值(854 μg·L-1)比斑马鱼的SMAV值(2 824 μg·L-1)低1个数量级；硫丹对泥鳅的SMAV值为1.20 μg·L-1，对斑马鱼的SMAV值为238 μg·L-1；Cu2+对泥鳅的SMAV值为48 μg·L-1，对斑马鱼的SMAV值为121.9 μg·L-1。泥鳅和斑马鱼分别属于底栖和上栖鱼类，生活环境的不同使两者在栖息、产卵、觅食和外形体型等方面均有较大差异。与其他鱼类不同，泥鳅对敌敌畏非常敏感，而对氨氮较不敏感，这也体现了泥鳅作为典型底栖鱼类的特异性。

表2泥鳅对不同污染物敏感性排序

Table2ThespeciessensitivityorderofMisgumusanguillicadatusagainstvariouschemicals

污染物泥鳅敏感性次序排序总物种数累积概率/%敌敌畏2335.88硝基苯21018.18Cu2+124227.91硫丹145027.45氨氮535692.98Ni2+292996.67

3 讨论

泥鳅是一类广泛分布于中国、日本、朝鲜、印度和俄罗斯的淡水鱼，在欧洲和美洲流域也有发现[11,17]。泥鳅作为一种重要的底栖动物[4]，兼具广布性和独特的生物学特征。因此，研究泥鳅对不同污染物的敏感性对水环境质量的评估和水质基准研究有重要意义。氨氮是我国各大流域的主要污染物之一，海河、辽河、三峡库区及其上游、黄河中上游等流域大部分断面氨氮超标，太湖、巢湖、滇池等流域氨氮浓度也未达标[18]。Cu2+和Ni2+是渔业水域常见重金属元素，对水生生物有着隐蔽、长期且不可逆的毒害作用[13,19]。有机磷农药硫丹和有机氯农药敌敌畏在我国施用量大，随着雨水或灌溉水大量迁移进入水体，严重毒害水生生物[20]。硝基苯在水中稳定性极高，在我国被广泛应用于化工行业，多年来因硝基苯类污染物造成的地下水污染事件触目惊心[21]。根据《环境监测技术规范》[22]中化学物质毒性分级标准，所选6种污染物中，仅Ni2+为中等毒级〔ρ(LC50)为100～1 000 mg·L-1〕，氨氮、硫丹、敌敌畏、Cu2+和硝基苯对泥鳅的急性毒性均为剧毒级〔ρ(LC50)<1 mg·L-1〕，说明泥鳅是水环境监测中较灵敏的指示生物。

图2 泥鳅对不同污染物的敏感性排序

物种敏感性分布曲线的对比研究表明一些特定物种总是处于敏感或不敏感区域[23]。物种敏感性随累积概率的降低而增高，参照前人研究[5]将鱼类物种敏感度与累积概率的关系设定为:累积概率<5%为非常敏感，5%～<15%属敏感，15%～<30%属较敏感，30%～<50%属较不敏感，≥50%属不敏感。泥鳅通常被认为耐污能力较强[12,16]，但研究发现，泥鳅对敌敌畏等多种污染物敏感性较高，其累积概率处于全部物种的前30%。

由全部物种的敏感性排序可知，甲壳类动物如沼虾(Macrobrachiummalcolmsonii)和淡水钩虾(Gammarusfasciatus)，软体动物如锥实螺(Lymnaeaacuminata)对敌敌畏的敏感性较高，鱼类敏感性较低，这与刘亚莉等[24]研究结果相符。徐瑞祥等[25]也有报道，有机磷农药对无脊椎动物的毒性高于脊椎动物，尤其对甲壳类动物毒性最大，对鱼类毒性较小。但泥鳅作为一种淡水鱼类，对敌敌畏反应灵敏，其敏感性排序处于前10%，这与王晓南等[5]的研究结论相符。泥鳅和其他鱼类的敏感性的差异可能与化合物的致毒机理及代谢机制有关[26]。此外,不同鱼类对敌敌畏生物利用度的不同也会影响敏感性。敌敌畏作为广泛使用的有机磷农药对泥鳅有剧毒，田间使用时应注意避免药液流入周边水域，防止对水生生物造成危害。

尽管Cu2+对泥鳅的急性毒性为剧毒级，泥鳅的物种敏感性排序仅处于SSD曲线的中间区域。这一发现与前人研究结果[27]一致。王振等[27]通过比较物种敏感性排序和 HC10值，发现在整个淡水生物类群中，鱼类、甲壳类和软体动物类生物对Cu2+更敏感。甲壳类动物如大型骚(Daphiamagna)和沼虾，软体动物如哑口仙女虫(Naiselinguis)等对Cu2+耐受性较低。铜对淡水水生生物毒性与生物利用度有关，不同致毒机制也会影响Cu2+生态毒性的物种敏感性分布。泥鳅与其他淡水鱼类相比，对Cu2+敏感性较高,SMAV值低于其他常见淡水鱼种类[12]，因此泥鳅具有成为Cu2+的生物监测指示生物的潜力。

鱼类如北澳海鰶(Nematalosaerebi)和高体波鱼(Rasboraheteromorpha)，甲壳类动物如沼虾和淡水虾(Palaemonetespaludosus)对硫丹最敏感。泥鳅对硫丹的敏感性较高，累积概率为29%，而SMAV值仅为1.20 μg·L-1。总体而言，硫丹对大多数水生生物均为剧毒，高等水生生物对硫丹的抗性较低等水生生物更强，这可能是由于高等水生生物有更完善的排毒系统和更发达的代谢器官。

相对重金属而言硝基苯对淡水水生生物的毒性较小，产生的毒性效应主要由其代谢产物引起，且不如重金属引起的毒性效应敏感[28]。鱼类和甲壳类生物对硝基苯耐受性较差，其中泥鳅对硝基苯有较高的敏感性，其累积概率高于两种重金属，这可能与硝基苯能够严重损害泥鳅体内的抗氧化酶有关[9]。

氨氮是我国流域水环境中污染普遍超标的化合物[29]，是胁迫鱼类生长生存的主要因素。鱼类对氨氮非常敏感，白鲑(Leuciscuscephalus)、白氏鳃口文昌鱼(Branchiostomabelcheri)等14种鱼类均处于物种敏感性排序的前25%，但与其他鱼类相比，泥鳅对氨氮的耐受性较强，这可能与泥鳅生活在水体底部有关[10]。水底层氨氮含量相对较高[30]，这种胁迫环境可能会增强泥鳅抗氨氮的能力。除此之外，大多数鱼类利用鳃呼吸而泥鳅可利用肠道呼吸，且当体内聚集一定量氨氮后，泥鳅会以NH3的形式向水环境排出部分氨氮，这可能有助于泥鳅抗击氨氮胁迫[10]。水质状况会影响氨氮对泥鳅的毒性[31]。氨氮生物毒性的常见表现形式是NH3，但NH4+对氨氮的毒性也有贡献，自然水体中氨氮以非离子氨和铵离子两种形式同时存在且保持平衡，两者的相对浓度与pH、温度等水质参数相关[31]，因此在研究氨氮毒性和水质基准时，经常考虑总氨氮而非单一的非离子氨[30]。

斑马鱼是遗传学和毒理学研究重要的模式生物[32]，具有发育快、易饲养等优点，目前已有诸多学者将斑马鱼作为水质安全监测物种[33]。据前人统计，国内外涉及有机磷、有机氯两大类农药的鱼类毒性研究，大多数以斑马鱼作为受试物种[32]。敌敌畏和硫丹分别为代表性的有机磷和有机氯农药，对鱼类具有神经毒性，可明显抑制鱼类的各项运动行为[34]。笔者研究发现，敌敌畏和硫丹对泥鳅的SMAV值(6.41和1.20 μg·L-1)比斑马鱼的SMAV值(60 828和238 μg·L-1)分别低4和2个数量级，说明泥鳅对两种农药的敏感性远高于斑马鱼。此外，泥鳅对硝基苯和Cu2+胁迫的反应也更灵敏(图2)，这也体现泥鳅作为典型底栖鱼类的特异性。

目前我国正建立自己的水环境基准技术体系，筛选本土水生受试生物是其中重要任务[28]。鱼类是研发水环境基准阈值过程中需要关注的重要类群，美国、澳大利亚和欧洲等世界发达国家和地区在制定水质基准时均规定必须有鱼类毒性数据，泥鳅作为有代表性的小型淡水鱼类，不仅对一些污染物有较高的敏感性，且具有易获得、易驯养的特点，是水质基准研究理想的受试生物。

4 结论

以泥鳅为研究对象，对比分析氨氮、重金属(Ni2+、Cu2+)、农药(敌敌畏、硫丹)和苯系物(硝基苯)对水生生物的急性毒性数据。得出以下结论：(1)泥鳅对敌敌畏、硝基苯、硫丹和Cu2+反应灵敏，其中对敌敌畏最敏感，累积概率达到5.88%；(2)泥鳅具备成为水环境监测指示生物的潜力，对敌敌畏、硫丹、Cu2+和硝基苯的敏感性远高于标准测试物种斑马鱼。