幾種環(huán)境因子影響下銅和TBT對中華哲水蚤的毒性效應(yīng)

周 浩,朱麗巖,陳志鑫,戚本金,章 程

(中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院,山東青島266003)

幾種環(huán)境因子影響下銅和TBT對中華哲水蚤的毒性效應(yīng)

周 浩,朱麗巖＊＊,陳志鑫,戚本金,章 程

(中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院,山東青島266003)

研究了在不同酸度、溫度和鹽度條件下重金屬銅和TBT對中華哲水蚤的毒性效應(yīng)。在采樣環(huán)境下(溫度12± 0.5℃、鹽度32±0.5、p H值7.8±0.1),隨著銅和TBT濃度的提高,中華哲水蚤的死亡率升高(P<0.05),此時銅和TBT對中華哲水蚤的96 h-LC50分別為84.65和1.59μg·L-1。為測定改變環(huán)境因子后銅和TBT對中華哲水蚤的毒性效應(yīng)所受的影響,實驗采用了2×2×3×4因子設(shè)計(2個酸度,2個溫度,3個鹽度,4個污染物濃度)。結(jié)果顯示:溫度升高8℃能夠顯著提高各濃度銅和TBT對中華哲水蚤的致死率(P<0.05);p H值降低1,鹽度升高8或降低7對各濃度銅和TBT對中華哲水蚤的致死率沒有顯著影響(P>0.05)。

中華哲水蚤;銅;TBT;毒性效應(yīng);環(huán)境因子

隨著溫室氣體排放問題日益凸顯,其導(dǎo)致的全球變暖、海水酸化等環(huán)境問題受到了廣泛的關(guān)注[1-3]。海水p H值降低在通過多種方式影響海洋生物的同時,還會影響水環(huán)境中泥沙顆粒對金屬離子的吸附容量以及毒性的大小[4-8]。溫度也是影響水生動物正常生理活動和累積溶解態(tài)重金屬的重要因子,重金屬的被吸收率和對水生生物的毒性隨著溫度的升高而增加[9-11]。鹽度對橈足類的效應(yīng)則較為復(fù)雜,不同種類、甚至同一種類的不同發(fā)育期及性別都有一定的適鹽范圍,過高或過低的鹽度都會引起橈足類原生質(zhì)的變質(zhì)進而導(dǎo)致生物死亡[12]。

TBT毒性大,富集因子高,在底質(zhì)中存留時間長,μg·L-1級水平就能對海洋生物產(chǎn)生毒性影響,在部分地區(qū)造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題[13-15]。海洋重金屬污染中銅主要以無機離子的形式存在,它殘毒時間長,對許多海洋生物均具很強的毒性并易在生物體內(nèi)累積[16]。

中華哲水蚤(Calanus sinicus)為西北太平洋大陸架區(qū)的特征橈足類,“黃/東海生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)研究(973)”項目將其列為我國近海生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵種,在我國近海生態(tài)系統(tǒng)中有著十分重要的地位[17]。本實驗研究了2種沿海常見污染物在不同環(huán)境因子作用下對中華哲水蚤的毒性效應(yīng),為進一步研究這2種污染物對橈足類的生理生化影響提供基礎(chǔ)資料,并為海區(qū)環(huán)境質(zhì)量評價提供參考依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗動物采集與培養(yǎng)

中華哲水蚤采自青島棧橋水域,用淺水Ⅰ型浮游動物網(wǎng)水平拖曳采集,暫養(yǎng)于10 L塑料桶中,于1 h內(nèi)返回實驗室,挑取活潑的成體,放置于圓形玻璃缸中培養(yǎng)。根據(jù)不同鹽度、p H值的需要在經(jīng)過GF/F玻璃纖維濾膜過濾的海水中加相應(yīng)比例的海水晶、去離子水或鹽酸(12 mol·L-1)得到實驗用海水,進行實驗動物的培養(yǎng)。培養(yǎng)溫度12±0.5℃、鹽度32±0.5、p H值7.8±0.1、光暗比12L∶12D、光照強度12 000 Lx。實驗前將中華哲水蚤在相應(yīng)實驗條件下馴化1周。

1.2 材料與方法

1.2.1 環(huán)境條件下銅和TBT對中華哲水蚤的急性毒性實驗 測定采樣環(huán)境(溫度12±0.5℃、鹽度32± 0.5、p H值7.8±0.1)下,銅(分子式CuSO4·5H2O,分子量249.7)和TBT(分子式C24H54OSn2,分子量596.1;以分析純丙酮為溶劑)對中華哲水蚤的96 h-LC30、LC50、LC70。實驗設(shè)計如下:6個實驗濃度,每個濃度3個平行,每個平行隨機挑取12只個體活潑、大小相似的成體,放入盛有100 mL實驗溶液的100 mL燒杯。銅離子濃度設(shè)定為0(對照),25,50,100,150, 200μg·L-1,TBT濃度設(shè)定為0(對照),0.45,0.90, 1.80,2.70,3.60μg·L-1,由于TBT各實驗組中溶液的丙酮最終濃度不超過72.0μg·L-1,因此采用72.0 μg·L-1丙酮溶液作為溶劑對照。光暗比12L∶12D,光照強度12 000 Lx,從實驗開始到結(jié)束不投餌,每24 h換水50%,檢查死亡情況,輕輕撥動3次沒有反應(yīng)定義為死亡,死亡個體清除。

1.2.2 環(huán)境因子變化對銅和TBT對中華哲水蚤毒性效應(yīng)的影響 為測定改變環(huán)境因子后,銅和TBT對中華哲水蚤的毒性效應(yīng)所受的影響,實驗采用2×2×3 ×4因子設(shè)計,即2個酸度:p H值6.8,7.8;2個溫度: 12,20℃;3個鹽度:25,32,40;4個污染物濃度:銅離子濃度為0(對照)、68,85,106μg·L-1(相當(dāng)于96 h-LC0,LC30,LC50,LC70);TBT濃度為0(對照)、1.30, 1.59,1.93μg·L-1(相當(dāng)于96 h-LC0,LC30,LC50, LC70),TBT實驗中采用38.6μg·L-1丙酮溶液作為溶劑對照。每個實驗組3個平行,每個平行12只個體活潑、大小相似的成體。其它同1.2.1。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)分析采用統(tǒng)計軟件SPSS13.0進行,結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,LC50通過SPSS13.0軟件中的Probit函數(shù)計算得到,P<0.05為α=0.05水平上差異顯著,P<0.01為α=0.01水平上差異極顯著。

2 實驗結(jié)果

2.1 環(huán)境條件下銅和TBT對中華哲水蚤的急性毒性實驗

銅和TBT對中華哲水蚤的急性毒性實驗中,實驗開始直至結(jié)束的96 h內(nèi)所有對照組中橈足類個體均保持正常狀態(tài)。隨著銅和TBT濃度的提高,中華哲水蚤的死亡率升高(P<0.05)(見圖1)。計算得銅和TBT對中華哲水蚤的96 h-LC50值分別為84.65μg· L-1和1.59μg·L-1。暴露在高濃度銅(106μg· L-1)和TBT(1.93μg·L-1)下,個體的死亡大部分是出現(xiàn)在早期(48 h以內(nèi));而暴露在低濃度銅(68μg· L-1)和TBT(1.3μg·L-1)下,個體的死亡則大部分出現(xiàn)在48 h之后。

圖1 不同濃度銅(a)和TBT(b)下中華哲水蚤的96 h急性毒性實驗的死亡率Fig.1 Mortality ofCalanus sinicusexposed to various concentrations of copper(a)and TBT(b)during the 96 h acute toxicity test

2.2 環(huán)境因子變化對銅對中華哲水蚤毒性效應(yīng)的影響

環(huán)境因子改變后,銅對中華哲水蚤毒性效應(yīng)所受的影響如圖2所示:不同鹽度下(25,32,40),從全部實驗組來看各濃度銅對中華哲水蚤的致死率沒有顯著差異(P>0.05)。溫度由12℃上升到20℃會顯著提高銅對中華哲水蚤的致死率(P<0.05)。在p H值7.8± 0.1、鹽度25±0.5時、低溫((12±0.5)℃)條件下,中華哲水蚤在68μg·L-1時個體死亡率為52.78%,而且存活的個體較對照組活潑;在106μg·L-1環(huán)境下,死亡率為88.89%。但是在高溫((20±0.5)℃)下,僅暴露在68μg·L-1環(huán)境中的個體死亡率就高達91.67%。酸度由7.8變?yōu)?.8后,銅對中華哲水蚤的致死率沒有受到顯著影響(P>0.05)。

2.3 環(huán)境因子變化對TBT對中華哲水蚤毒性效應(yīng)的影響

環(huán)境因子改變后,TBT對中華哲水蚤毒性效應(yīng)所受的影響如圖3所示:酸度降低1、鹽度升高8或者降低7后,從全部實驗組來看各濃度TBT對中華哲水蚤的致死率沒有受到顯著影響(P>0.05)。環(huán)境溫度升高8℃會顯著提高各濃度TBT對中華哲水蚤的致死率(P<0.05)。在pH值6.8±0.1,鹽度40±0.5時,低環(huán)境溫度條件下,中華哲水蚤在1.30μg·L-1中個體死亡率為52.78%,即使在最高濃度1.93μg·L-1環(huán)境下,最終死亡率也僅為69.44%;溫度升高后((20±0.5)℃),暴露在1.30μg·L-1環(huán)境中的個體死亡率就達到了100%。

圖2 不同濃度銅在(12±0.5)℃和(20±0.5)℃下對中華哲水蚤的96 h平均死亡率(＊P<0.05,＊＊P<0.01)Fig.2 Average mortality ofCalanus sinicusexposed to various concentrations of copper at(12±0.5)℃and(20±0.5)℃for 96 hours(＊P<0.05,＊＊P<0.01)

圖3 不同濃度TBT在(12±0.5)℃和(20±0.5)℃下對中華哲水蚤的96 h平均死亡率(＊P<0.05,＊＊P<0.01)Fig.3 Average mortality ofCalanus sinicusexposed to various concentrations of TBT at 12±0.5℃and 20±0.5℃for 96 hours(＊P<0.05,＊＊P<0.01)

3 討論

3.1 銅和TBT對中華哲水蚤的急性毒性效應(yīng)

重金屬銅對生態(tài)系統(tǒng)的影響已眾所周知,其毒性主要由溶液中游離的銅離子引起,屬于在環(huán)境中持久性較強的物質(zhì);TBT是劇毒的有機金屬化合物和內(nèi)分泌干擾物,它們對大多數(shù)敏感水生生物(如藻類、浮游動物、軟體動物等)具有急性和慢性毒性作用,半致死濃度低至μg·L-1級。自然生態(tài)下,銅對中華哲水蚤的96 h半致死濃度為84.65μg·L-1,低于其它一些橈足類物種(見表1),說明中華哲水蚤對于環(huán)境中銅污染的敏感性較高。本次采樣地點位于膠州灣海水微表層和次表層銅絡(luò)合容量最高的東部地區(qū)。東部沿岸是青島市工業(yè)集中的區(qū)域,人口密集,特別是集中在該區(qū)域的7條小河是市區(qū)工業(yè)廢水和生活污水的排污河,給膠州灣帶來了大量的污染物質(zhì),導(dǎo)致本地區(qū)有較高的銅濃度[18-19],這可能使采樣區(qū)域的中華哲水蚤在實驗前表現(xiàn)出一定的亞健康,影響其在實驗中對銅的耐受力;另一方面,較高的銅污染也可能提高中華哲水蚤的對銅的耐受力,因此本實驗中中華哲水蚤對銅污染的敏感性也可能被低估。

環(huán)境條件下,TBT對中華哲水蚤的96 h半致死濃度為1.59μg·L-1,比其它一些橈足類物種的96 h半致死濃度高(見表2)。這可能是因為中華哲水蚤個體較大,進而對TBT毒性耐受性高。通過研究海洋生物食物鏈各營養(yǎng)級新陳代謝能力、富集效應(yīng)與TBT毒性關(guān)系發(fā)現(xiàn),食物鏈高營養(yǎng)級的生物中沒有發(fā)現(xiàn)顯著的生物富集,而低營養(yǎng)級生物因為其較低的TBT降解能力,在它們體內(nèi)則發(fā)現(xiàn)了較高的污染物濃度,因此橈足類的半致死濃度比其它很多水生生物低[20],說明橈足類是對TBT最敏感的生物之一,適合用來作為海洋TBT污染的指示生物[21]。

從中華哲水蚤的死亡時間可以看出,隨著暴露時間的延長,中華哲水蚤受到的毒性效應(yīng)增大。與對照相比,暴露在銅和TBT中存活的中華哲水蚤身體由較透明變?yōu)榘咨煌该?推測可能是因為對抗污染物毒性作用需要消耗能量,使得體內(nèi)脂肪含量減少,也可能是因為在饑餓條件下缺乏飲食來源的類胡蘿卜素[22]。日本虎斑猛水蚤(Tigriopus japonicus)暴露在高濃度銅和TBT下24 h后出現(xiàn)蟄伏現(xiàn)象,個體出現(xiàn)蟄伏期的時間與暴露濃度成比例關(guān)系[23],本實驗中沒有觀察到中華哲水蚤的蟄伏現(xiàn)象。

表1 銅對橈足類的半致死濃度(LC50;μg·L-1)Table 1 Median lethal concentration(LC50;μg·L-1)values of copper to copepoda

表2 TBT對橈足類的半致死濃度(LC50;μg·L-1)Table 2 Median lethal concentration(LC50;μg·L-1)values of TBT to copepoda

3.2 環(huán)境因子變化對銅和TBT對中華哲水蚤毒性效應(yīng)的影響

實驗結(jié)果顯示銅和TBT的毒性受到實驗介質(zhì)溫度的顯著影響。提高環(huán)境溫度8℃能顯著增加銅和TBT對中華哲水蚤的致死率,這是由于較高的溫度提高了代謝速度,使中華哲水蚤對污染物吸收加快。此外,由于實驗期間沒有投喂餌料,溫度增加引起新陳代謝加快,耗氧量增加,蛋白質(zhì)消耗過多,使中華哲水蚤對外界環(huán)境變化的抵抗力降低,進而可能提高中華哲水蚤對2種污染物的敏感性。Corkett等曾在不投餌的饑餓情況下對長角寬水蚤(Temora longicornis)雌體的壽命與溫度關(guān)系進行了研究,觀察到該橈足類在低溫(5～7℃)條件下可存活71 d,而當(dāng)溫度增高至19.5～21.0℃時,僅能存活到第4天[30]。

不同鹽度下(25、32、40)銅和TBT對中華哲水蚤的致死率沒有顯著差異。在正常環(huán)境中,動物體內(nèi)的體腔液、血液與體外液保持滲透壓和離子濃度的平衡。當(dāng)鹽度改變時,動物可以通過呼吸和排泄器官的調(diào)節(jié)機制來調(diào)節(jié)變化了的滲透壓和離子濃度,使之維持正常的生理活動。特別是河口和沿岸類群的橈足類,其生存環(huán)境特殊,對鹽度變化的抵抗力較強,適鹽范圍較廣。Sprague認為廣鹽性的種類大多數(shù)能在鹽度變化的時候通過減少水向體內(nèi)流動,從而減少有毒物質(zhì)的攝入,對有毒條件產(chǎn)生抗性[31-33]。本實驗結(jié)果也顯示:鹽度25和鹽度40時,銅和TBT對中華哲水蚤的致死率與自然環(huán)境鹽度(32)條件下的死亡率差異不顯著。這可能是該水域受人類活動影響較大,提高了中華哲水蚤對鹽度變化的抵抗力,進而使鹽度改變后銅和TBT對中華哲水蚤的毒性沒有受到顯著影響。

p H值降低1后,各濃度銅和TBT對中華哲水蚤的致死率沒有受到顯著影響。該結(jié)果和Kurihara的發(fā)現(xiàn)類似:在高二氧化碳濃度(CO2=2380×10-6;p H= 7.3)導(dǎo)致的海水酸度降低后,馬紡錘水蚤(Acartia tsuensis)F0的世代存活率、個體大小和發(fā)育速度均沒有受到顯著影響[13]。另一方面,Miles證實p H值6.63下暴露8 d就能對栗沙石海膽(Psammechinus miliaris)造成顯著的死亡效應(yīng)[34]。這可能是因為與海膽的碳酸鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)不同,中華哲水蚤外殼的主要成分是幾丁質(zhì),對酸度變化耐受性較高。作為海洋中至關(guān)重要的生物,橈足類在溫室氣體排放導(dǎo)致全球氣候變暖、海水酸化、UV-B輻射增強和浮游植物組成變化等多因素長期作用下可能的變化還有待研究。

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Abstract: We investigated the acute toxicities of two kinds of common contaminations:heavy metal copper(Cu)and tributyltin(TBT)on marine copepodCalanus sinicusin different acidities,temperatures and salinities.96 h-LC50of copper and TBT toC.sinicusare 84.65μg·L-1and 1.59μg·L-1respectively(at 12±0.5℃;32±0.5;p H7.8±0.1).The mortality ofC.sinicusrises with the rise of copper and TBT concentrations(P<0.05).According to the acute toxicity test result,we use a 2·2·3·4 factorial design(two acidities;two temperatures;three salinities;four contaminations)to investigate the acute toxicity of copper and TBT in different environmental factors.The results show that temperature rising by 8℃has a significant effect on the mortality ofC.sinicus(P<0.05),while p H reducing by 1,salinity increasing by 8 or reducing by 7 haven't(P>0.05).

Key words: Calanus sinicus;copper;TBT;toxic effect;environmental factors

責(zé)任編輯 于 衛(wèi)

Toxicity of Copper and TBT to the Copepod Calanus sinicus(Crustacea, Copepoda):Effects of Acidity,Temperature and Salinity

ZHOU Hao,ZHU Li-Yan,CHEN Zhi-Xin,QI Ben-Jin,ZHANG Cheng
(College of Marine Life Sciences,Ocean University of China,Qingdao 266003,China)

Q142.9

A

1672-5174(2010)09Ⅱ-131-06

山東省908專項(SD-908-01-01-05.06)資助

2010-03-24;

2010-05-25

周 浩(1984-),男,碩士生,主要從事生態(tài)毒理學(xué)研究。E-mail:zhouhaoqdsn@163.com

E-mail:lyzhu@ouc.edu.cn