两栖动物与鱼类对化学物质急性毒性敏感性的比较

陈宣樾, 熊忆茗, 秦占芬,*

1. 中国科学院生态环境研究中心,环境化学与生态毒理学国家重点实验室,北京 100085

2. 中国科学院大学,北京 100049

近几十年来,全球两栖动物的种群数量减少引起了学术界和公众的广泛关注[1]。 2020年的评估数据显示,全球有40%(约6 000 种)的两栖动物处于濒危状态[2]。 有学者认为,两栖动物的濒危程度比其他脊椎动物更严重[3]。 目前一般认为,两栖动物种群数量的减少与栖息地改变、气候变化、真菌感染以及化学污染等因素有关[4]。 化学物质对两栖动物的毒性作用得到了越来越多的关注,相应的毒性数据也在增加。

鱼类是化学品、农药等化学物质水生生物毒性测试的要求物种,大部分工业化学品和农药都有鱼类急性毒性的数据。 同鱼类一样,两栖动物蝌蚪在水中生活,也面临着水中化学物质的急性损伤,因此也有不少关于两栖动物蝌蚪的急性毒性报道。 一些化学物质对蝌蚪和鱼类的急性毒性比较也有一些早期的实验研究。 如 Thurston 等[5]研究了10 种化学物质对牛蛙蝌蚪和鱼类的96 h 半致死浓度(96-h half lethal concentration, 96 h-LC50),发现二者的96 h-LC50接近。 Bridges 等[6]报道 5 种化学物质对北方蟾蜍蝌蚪和虹鳟的96 h-LC50,发现虹鳟对甲萘威、五氯苯酚和氯菊酯的急性毒性敏感性更强,而北方蟾蜍蝌蚪对4-正壬基酚和铜的敏感性更强。 此外,还有学者利用数据库的信息对更多种的化学品进行分析。 Vaal 等[7]从美国环境保护局(United States Environmental Protection Agency, US EPA)的资料中获得了21 种化学物质对蝌蚪和鱼类的LC50,通过主成分分析认为鱼类和两栖类的急性毒性敏感性分布接近。 此外,Aldrich[8]通过对33 种化学物质的分析,得出鱼类比蝌蚪更敏感的结论。 同样,Weltje等[9]对55 种化学物质的分析也得到相似的结论。但总体看来,关于鱼类与两栖类蝌蚪的急性毒性敏感性的问题还需要利用更多的数据进行讨论。

为此,本文从常用数据库检索文献报道的化学物质对鱼类和两栖动物蝌蚪的96 h-LC50,系统比较了2 类生物的急性毒性敏感性,以期为化学物质水生毒性测试的生物种选择提供指导。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 文献浏览和数据采集

研究方案如图1 所示,以检索词汇“amphibians”、“fish”、“LC50”、“morality”在美国环境保护局ECOTOX 数据库[10](US EPA ECOTOX)中检索;以“两栖动物”或“鱼类”在关键词中、以“急性毒性”在全文中于中国知网[11](China National Knowledge Infrastructure, CNKI)、WOS[12](Web of Science)以及PubMed[13](National Library of Medicine)中搜索2020年11月以前的文献。 对所有检索到的数据进行原始文献追溯。

图1 研究流程图Fig.1 Flow chart of research

随后按照如下条件进行筛选:数据是实验研究中两栖动物蝌蚪和鱼类经过半静态或静态暴露96 h后得到的LC50。 其中两栖动物包含了蝌蚪或幼体的96 h-LC50,鱼类则排除了胚胎阶段试验获得的96 h-LC50。

1.2 数据分析

同一化学物质对同类物种有多个LC50时,取几何平均数。 将所有化学物质按照CAS 登录号(Chemical Abstract Service Registry Number,CASRN)进行分类和匹配。 配对的96 h-LC50数值通过Box-Cox 广义幂变换处理后,进行线性拟合(Origin,2018)和皮尔逊相关分析(Pearson’s correlation, SPSS 2013)。

化学物质的急性毒性按照《全球化学品统一分类和标签制度》[14]进行分级。 此外,由于收集到的数据包含了大量农药的96 h-LC50,因此《化学农药环境安全评价试验准则》(GB/T 31270.18—2014)[15]也被纳入急性毒性分级中。 化学物质的急性毒性的分级标准如表1 所示。 计算蝌蚪96 h-LC50等级与鱼类96 h-LC50等级的差值(D-value)并对其分布进行统计。 D-value=0 表明化学物质对鱼类的急性毒性等级与蝌蚪相当,＞0 表明对鱼类的急性毒性等级高于蝌蚪,例如毒性等级差异为“3”代表鱼类的急性毒性等级比蝌蚪高了3 级。

表1 化合物急性毒性等级划分Table 1 Cut-off value limit for toxicant magnitude class

进一步,对配对的LC50进行比值比较以分析蝌蚪和鱼类的急性毒性敏感性的差异。 计算蝌蚪96 h-LC50与鱼类96 h-LC50的比值(r),比值被按照不同数量级被划分为5 类(0.01,0.1,1,10,100)进行分析。比值等于1(r=1)表明化学物质对鱼类的LC50与蝌蚪的LC50的差异在1个数量级以内,两者敏感性相当;比值超过1(r＞10)表明鱼类的LC50比蝌蚪低1个数量级以上,敏感性高于蝌蚪;而比值小于1(r＜0.1)表明鱼类的LC50比蝌蚪高1个数据量级以上。

2 结果(Result)

2.1 物种间96 h-LC50 的相关性

从常用数据库中检索到371 篇相关文献,获得了98 种化学物质对蝌蚪和鱼类的96 h-LC50。 Box-Cox 变换后的配对数据之间存在显著的相关性(P＜0.01),2 类生物转换后急性毒性数据的拟合公式为y=-0.060+0.824x(Pearson’sr=0.839,图2),其中x是Box-Cox 转换后蝌蚪的96 h-LC50,y代表了 Box-Cox 转换后鱼类的96 h-LC50。

图2 Box-Cox 转换后两栖类96 h-LC50 和鱼类96 h-LC50 相关性Fig.2 Correlation between Box-Cox amphibian 96 h-LC50 and fish 96 h-LC50

2.2 急性毒性等级差异

急性毒性等级差异(D-value)的统计结果如图3所示。 在 D-value 的统计结果中,有 58 种(59.2%)化合物对蝌蚪和鱼类的急性毒性等级相同。 在急性毒性等级不同的物质中,26 种(26.5%)物质对蝌蚪的急性毒性等级低于鱼类,氯化镉和全氟辛基磺酸对蝌蚪的急性毒性等级低于鱼类2 级。 仅有14 种(14.3%)物质对蝌蚪的等级高于鱼类,其中阿维菌素对蝌蚪的等级高于鱼类3 级,4-正壬基酚、代森锰锌、氯化钾、氯菊酯和纳米二氧化钛这5 种物质对蝌蚪的等级比鱼类高2 级。

图3 毒性等级D-value 的分布注:D-value 等于两栖类96 h-LC50 急性毒性等级减去鱼类的毒性等级。Fig.3 D-value distribution of magnitudeNote: D-value is equal to the magnitude of amphibian 96 h-LC50 minus that of fish.

2.3 急性毒性比值差异

如图4 所示,71 种(72.5%)化学物质对蝌蚪和鱼类LC50的差异在1个数量级以内(0.1＜r＜10),27种(27.5%)化合物对2 类生物的差异超过了1个数量级(r＜0.1,r＞10)。 其中,16 种(16.3%)物质对蝌蚪的LC50比对鱼类的LC50高1个数量级以上(r＞10),六氯乙烷对蝌蚪的LC50高于鱼类2个数量级(r＞100)。 仅 11 种(11.2%)物质对蝌蚪的 LC50比对鱼类的LC50低1个数量级以上(r＜0.1),其中包括了5 种对蝌蚪LC50低于鱼类2个数量级(r＜0.01)的物质(阿维菌素、代森锰锌、氯菊酯、氯化钾和4-正壬基酚)。

图4 2个物种急性毒性比值差异注:(a) 两物种96 h-LC50 对数转换后的散点图;(b) 两物种96 h-LC50 比值(两栖类96 h-LC50/鱼类96 h-LC50)分布统计。Fig.4 Ratio difference of acute toxicity for amphibians and fishNote: (a) Scatter plot of amphibian 96 h-LC50 and fish 96 h-LC50; (b) Distribution of (96 h-LC50 amphibian/96 h-LC50 fish).

3 讨论(Discussion)

通过分析98 种物质对于蝌蚪和鱼类的96 h-LC50,发现蝌蚪与鱼类的96 h-LC50在Box-Cox 转换后显著相关。 59.2%的化学物质对2 类生物的急性毒性等级相同,26.5%的物质对蝌蚪的急性毒性等级低于鱼类;72.5%的化学物质对2 类生物的96 h-LC50接近,16.3%的物质对蝌蚪的96 h-LC50高于鱼类。 总体来看,蝌蚪的敏感性与鱼类基本相当或更低。 这与 Vaal 等[7]、Aldrich[8]和 Weltje 等[9]的研究相吻合。 所有化学物质中,仅有14 种物质(14.3%)对蝌蚪的急性毒性等级高于鱼类,11 种(11.2%)物质对蝌蚪的96 h-LC50低于鱼类1个数量级以上。 这可能与两栖动物本身的特点有关[6]。 两栖动物表皮的高渗透性[16]以及相比于其他同营养级更高的转化效率[17]使两栖动物对某些化学物质更敏感。

在我国《化学农药环境安全评价试验准则》[15]中,要求进行早期蝌蚪的急性毒性测试。 鉴于鱼类的急性毒性数据能够基本概括两栖动物蝌蚪的急性毒性数据,因此进行蝌蚪的急性毒性测试的必要性是有待商榷的。 然而,相对于早期蝌蚪而言,两栖动物的变态发育期更容易受到化学物质的影响[18-21],但两栖动物变态发育期急性毒性试验的数据还不够充分[21],这值得更多的研究。

总之,本研究比较了化学物质对鱼类和两栖动物蝌蚪急性毒性敏感性的差异,发现鱼类对大部分化学物质急性毒性的敏感性与蝌蚪相当或者更高,仅对大概10%的化学物质的急性毒性敏感性比蝌蚪更低。 因此认为鱼类急性毒性的数据基本可以概括对两栖动物蝌蚪的急性毒性。 但两栖动物特有的变态发育期也值得关注和研究。 这项研究可以为化学物质水生毒性测试的生物种选择提供指导。