硫酸铵、稀土钇对蚯蚓急性毒性研究

孙 峰，王宇姣

(1.赣州市生态文明研究中心，江西 赣州 341000;2.赣州市章贡区建设投资集团有限公司，江西 赣州 341000)

0 引 言

稀土有“工业维生素”之称，具备特殊的物理化学性质，广泛应用于工农业、国防、医学及新材料等众多领域。随着需求量的急增，稀土矿开发过程中的浸矿剂硫酸铵以及残留稀土元素大量进入周边农田土壤生态系统，其生态毒理效应问题令人担忧[1]。目前，国内外有关污染物对蚯蚓的急性毒性效应的研究，主要侧重于重金属复合污染[2-3]、农药[4]等，本试验通过自然土壤法[5-6]研究稀土钇及浸矿剂硫酸铵单一与复合污染对蚯蚓的急性效应，直观确定稀土元素钇与硫酸铵浓度对蚯蚓毒性的响应关系，以期为稀土矿合理开采及浸矿剂合理使用提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

(1)试验动物：赤子爱胜蚓(Eisenia foetide)，购自市场。试验前蚯蚓置于实验室未污染土壤中驯化7 d，选择体重为300～400 mg之间、具有环带的健康成体的蚯蚓为供试品，且蚯蚓个休大小及重量基本相同。

(2)供试土壤：选用赣南区域未受稀土矿山开采影响，且水稻长势良好的农田土壤，采集后自然风干，过20目筛待用。试验测定土壤理化性质见表1。

表1 供试土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

(3)主要试剂：(NH4)2SO4(硫酸铵)、无水Y(NO3)3(硝酸钇)均为分析纯。

(4)仪器设备：人工气候箱，电子天平，纯水蒸馏器，电热恒温鼓风干燥箱，烧杯，培养皿，滤纸。

1.2 实验方法[7]

(1)蚯蚓清肠：将直径11 cm的滤纸铺于1 L烧杯杯底，加少量蒸馏水，以刚浸没滤纸为宜。挑选具有环带的健康蚯蚓，清洗，放于烧杯中，用保鲜膜封口，解剖针扎孔。将烧杯置于温度为(20±1)℃，湿度约75%的人工气候箱中清肠1 d。

(2)试验设置：参照冯秀娟[8]等采用滤纸接触法确定的稀土钇、硫酸铵对蚯蚓的半致死率浓度，并结合预试验数据，初步得到土壤中稀土钇、硫酸铵对蚯蚓的最大致死浓度LC100和最小致死浓度MLC，随后确定两种物质在土壤中梯度浓度设置，具体正交试验设计见表2。

表2 稀土钇、硫酸铵复合处理的试验设计Table 2 Experimental design of compound treatment of rare earth yttrium and ammonium sulfate

(3)土壤染毒：根据上述试验设计的浓度梯度，将稀土钇及硫酸铵配制成相对应浓度的溶液，取适量的稀土钇及硫酸铵溶液与500 g供试土壤混合，调节其土壤含水率为最大持水量的60%，放入温度为(20±1)℃，湿度为(75±7)%，光照为1 333 Lx(间歇光照，即12 h光照，12 h黑暗)的人工气候箱中平衡48 h后转移到1 L烧杯中。每一浓度设置3个重复，1个对照。

(4)培养：每一处理放入10条蚯蚓，并置于人工气候箱中培养。

(5)观察与统计：观察时间为3、7、14 d。记录死亡数及中毒症状，蚓体对针刺无反应判为死亡。14 d后结束试验。

2 试验数据分析

2.1 稀土钇单一胁迫对蚯蚓的急性毒性

表3 自然土壤法稀土钇对蚯蚓的急性毒性试验结果Table 3 Results of acute toxicity test of rare earth yttrium for earthworms by the natural soil method

各处理组中蚯蚓的死亡率随着染毒时间的延长而增加，稀土钇浓度为1 100 mg/kg时，3 d、7 d及14 d时所得蚯蚓的死亡率分别为0、3.33%、16.67%，说明该浓度下稀土钇对蚯蚓的毒性较低，并且受染毒时间影响较小；当浓度升为1 300 mg/kg时，3 d、7 d及14 d时所得蚯蚓的死亡率分别为5.33%、66.67%、96.67%，说明该浓度稀土钇对蚯蚓的毒性明显增强，并受染毒时间影响较大，而且3 d到7 d蚯蚓死亡率从5.33%陡升至66.67%，说明稀土钇在一定量时对蚯蚓的毒性存在蓄积性；而当浓度为1 500 mg/kg时，3 d、7 d及14 d时所得蚯蚓的死亡率分别为93.33%、100%、100%，说明该浓度下蚯蚓基本丧失生命力，毒性最大，且受染毒时间影响较小，试验前期蚯蚓就开始大面积死亡。为进一步说明稀土钇的毒性大小，且对试验14 d后蚯蚓死亡率与稀土钇浓度关系进行线性回归分析，如图1所示。

图1 自然土壤法稀土钇浓度(14 d)对蚯蚓死亡率影响的线性回归分析Fig.1 Linear regression analysis of the rare earth yttrium concentration(14 d)on earthworm mortality by natural soil method

得到蚯蚓死亡率(y)与稀土钇浓度(x)14 d的线性拟合方程：y=0.223 3x-221.66，线性相关系数R2=0.902 9，其相关性都达到较显著水平。

并由该方程求得自然土壤法稀土钇单一污染对蚯蚓的半致死率浓度LC50为1 216.57 mg/kg，这与试验中当稀土钇浓度达到1 300 mg/kg后，蚯蚓表现出强烈的毒性应激反应且死亡率陡升的现象相一致。

2.2 硫酸铵单一胁迫对蚯蚓的急性毒性

硫酸铵单一胁迫对蚯蚓的急性毒性试验结果见表4。

表4 自然土壤法硫酸铵对蚯蚓的急性毒性试验结果Table 4 Results of acute toxicity test of ammonium sulfate for earthworms by natural soil method

各处理组中蚯蚓的死亡率随着染毒时间的延长及硫酸铵处理浓度的增加而升高，当硫酸铵浓度为3 800～4 100 mg/kg时，3 d内蚯蚓未出现死亡现象，7 d时蚯蚓的平均死亡不到1条，14 d时蚯蚓平均死亡了不到3条，与对照组对比发现，说明该浓度组的硫酸铵对蚯蚓的毒性不明显，甚至蚯蚓在土壤中表现活跃；当浓度为4 400 mg/kg、4 700 mg/kg时，3 d时两处理中蚯蚓死亡率相同都为33.33%，7 d时死亡率分别为43.33%、76.67%，14 d时死亡率分别53.33%、86.67%，说明两处理浓度对蚯蚓的毒性作用开始显示并受染毒时间影响，且4 700 mg/kg浓度处理组相比4 400 mg/kg浓度处理组中的蚯蚓应激反应显著变得强烈，出现逃逸行为，部分蚯蚓从土壤中爬出到表面甚至烧杯壁上，且7 d时蚯蚓死亡率突升，发生毒性蓄积反应；当浓度达到5 000 mg/kg以上时，蚯蚓一放入土壤中不久即出现死亡现象，7 d即基本全部死亡。

为进一步说明硫酸铵的毒性大小，且对试验14 d后蚯蚓死亡率与硫酸铵浓度关系进行线性回归分析，如图2所示。

图2 自然土壤法硫酸铵浓度(14 d)对蚯蚓死亡率影响的线性回归分析Fig.2 Linear regression analysis of the ammonium sulfate concentration (14 d)and earthworm mortality by natural soil method

得到蚯蚓死亡率(y)与硫酸铵浓度(x)14 d的线性拟合方程：y=0.060 3x-208.9，线性相关系数R2=0.942 2，其相关性都达到较显著水平。并由该方程求得自然土壤法硫酸铵单一污染对蚯蚓的半致死率浓度LC50为4 293.53 mg/kg，这与试验中当硫酸铵浓度达到4 400 mg/kg后，蚯蚓表现出强烈的毒性应激反应且死亡率陡升，而小于4 100 mg/kg处理浓度组，蚯蚓表现正常甚至趋于活跃等现象相一致。

2.3 稀土钇、硫酸铵复合胁迫对蚯蚓的急性毒性

稀土钇、硫酸铵复合胁迫对蚯蚓的急性毒性试验结果见表5。

图3 自然土壤法硫酸铵影响下稀土钇14 d对蚯蚓急性毒性效果线性回归分析Fig.3 Linear regression analysis of the acute toxicity(14 d) of rare earth yttrium for earthworms under the influence of ammonium sulfate by the natural soil method

低浓度3 800 mg/kg的硫酸铵与稀土钇复合染毒接触蚯蚓时：14 d蚯蚓死亡率(y)与稀土钇浓度(x)的线性拟合方程为：y=0.156 7x-152.35，线性相关系数R2=0.915 9，其相关性达到较显著水平；并由该方程求得低浓度3 800 mg/kg的硫酸铵与稀土钇复合胁迫蚯蚓情况下蚯蚓的14 d理论LC50为1 291.32 mg/kg，略大于稀土钇单一染毒14 d对蚯蚓的半致死率浓度LC501 216.57 mg/kg；说明低浓度的硫酸铵稍微降低稀土钇对蚯蚓的毒性，产生轻微的拮抗作用。

中浓度4 400 mg/kg的硫酸铵与稀土钇复合染毒接触蚯蚓时：14 d蚯蚓死亡率(y)与稀土钇浓度(x)的线性拟合方程为：y=0.186 7x-174.69，线性相关系数R2=0.941 2，其相关性达到较显著水平；并由该方程求得中浓度4 400 mg/kg的硫酸铵与稀土钇复合胁迫蚯蚓情况下蚯蚓的14 d理论LC50为1 203.48 mg/kg，亦略小于稀土钇单一染毒14 d的LC50。表明中浓度的硫酸铵稍微增加了稀土钇对蚯蚓的毒性，产生轻微的协同作用。

高浓度5 300 mg/kg的硫酸铵与稀土钇复合染毒接触蚯蚓时：14 d蚯蚓死亡率(y)与稀土钇浓度(x)的线性拟合方程为：y=0.123 3x-78.995，性相关系数R2=0.917 5，其相关性达到较显著水平；并由该方程求得高浓度5 300 mg/kg的硫酸铵与稀土钇复合胁迫蚯蚓情况下蚯蚓的14 d理论LC50为1 046.19 mg/kg，显著小于稀土钇单一染毒14 d的LC50；表明高浓度的硫酸铵明显增加了稀土钇对蚯蚓的毒性，产生显著的协同作用。

3 结 论

综上所述，稀土钇与硫酸铵对蚯蚓都存在一定毒性作用，蚯蚓的死亡率与染毒时间、2种污染物的浓度呈正比关系，且LC50随染毒时间的延长而降低。同时，依据《化学农药环境安全评价试验准则》(GB/T 31270.7—2014)，通过LC50值来区分污染物毒性的大小：LC50>10 mg/kg，试验测得稀土钇及硫酸铵单一染毒14 d对蚯蚓的LC50值分别为1 216.57 mg/kg、4 293.53 mg/kg，远大于10 mg/kg，因此稀土钇及硫酸铵对蚯蚓都属于低毒性。但稀土钇属于金属元素，位于食物链底端的蚯蚓对其具有富集性，可能造成食物链的逐级富集，从而威胁高级生物甚至人类的健康。此外，稀土钇、硫酸铵的不同浓度组合，对蚯蚓的复合毒性或产生拮抗作用或协同作用，其具体作用机制还有待进一步研究。