李 斌,馬元慶,邢紅艷,靳 洋,劉愛英,白艷艷,孫 珊,張 娟,何 鑫
(山東省海洋水產(chǎn)研究所,山東省海洋生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東煙臺(tái) 264006)
Zn2+、Mn7+對(duì)刺參幼參的急性毒性及富集作用研究
李 斌,馬元慶,邢紅艷,靳 洋,劉愛英,白艷艷,孫 珊,張 娟,何 鑫
(山東省海洋水產(chǎn)研究所,山東省海洋生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東煙臺(tái) 264006)
在靜水條件下,研究了Zn2+、Mn7+兩種重金屬離子對(duì)刺參幼參行為及其存活狀況的影響,并分析了其在幼參體內(nèi)的富集狀況。結(jié)果表明:Zn2+、Mn7+單獨(dú)處理時(shí),幼參在Zn2+濃度低于0.4 mg/L或Mn7+濃度低于0.5 mg/L條件下暴露96 h后死亡率均為0.0%,表明在此對(duì)應(yīng)濃度范圍內(nèi)兩種金屬離子均無(wú)明顯的急性毒性作用;隨濃度和暴露時(shí)間增加,幼參死亡率明顯升高,其附壁率呈降低趨勢(shì)。Zn2+對(duì)幼參的24、48、72 h的半致死濃度LC50分別為49.70、1.35、0.82 mg/L,安全濃度(SC)為0.14 mg/L;Mn7+對(duì)幼參的48、72、96 h的半致死濃度LC50分別為31.61、4.24、3.13 mg/L,SC為3.16 mg/L。因此,Zn2+對(duì)幼參的急性毒性作用強(qiáng)于Mn7+。隨著水體中Zn2+與Mn7+濃度的增加,幼參體內(nèi)重金屬元素含量和累積速率總體呈升高趨勢(shì),而富集系數(shù)呈降低趨勢(shì),Zn2+的富集作用強(qiáng)于Mn7+。
刺參;Zn2+;Mn7+;急性毒性;富集作用
刺參Apostichopus japonicas Selenka,屬棘皮動(dòng)物門海參綱Holothurioidea,以海底藻類和浮游生物為食。近年來,刺參在我國(guó)北方沿海的人工養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大。然而,由于養(yǎng)殖布局不合理,養(yǎng)殖密度過大以及盲目用藥等使得水環(huán)境負(fù)荷增加[1-3];近岸水域重金屬污染對(duì)養(yǎng)殖生物的生存環(huán)境造成了較大影響[4],影響刺參的養(yǎng)殖生產(chǎn)。與其他污染物相比,海洋生物對(duì)Zn(II)的富集能力很強(qiáng),會(huì)長(zhǎng)期殘存在生物體內(nèi)[5-8],海水中Zn(II)濃度過高會(huì)對(duì)生物產(chǎn)生一定的毒害作用,影響其生長(zhǎng)和存活;金屬鹽類消毒劑高錳酸鉀在苗種培育和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中應(yīng)用廣泛,其強(qiáng)氧化性對(duì)草魚Ctenopharyngodon idllus[9]、南美白對(duì)蝦Penaeus vannamei[10]等養(yǎng)殖生物都具有一定毒性作用。在以往的研究中,有關(guān)重金屬對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)動(dòng)物毒性作用的研究對(duì)象往往以魚蝦類居多[11-14],對(duì)刺參幼參的毒性作用研究報(bào)道并不多[4,15]尤其是Zn2+、Mn7+對(duì)幼參的聯(lián)合毒性作用及其在幼參體內(nèi)的富集。本文研究了+2價(jià)鋅和+7價(jià)錳兩種海水中常見的重金屬對(duì)刺參幼參的急性毒性作用,并對(duì)其在刺參幼參體內(nèi)的累積與富集狀況進(jìn)行了比較,旨在為評(píng)價(jià)刺參養(yǎng)殖環(huán)境和保護(hù)刺參資源提供科學(xué)依據(jù),對(duì)改善養(yǎng)殖水環(huán)境、維持養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。
1.1 供試動(dòng)物
試驗(yàn)用幼參取自煙臺(tái)海益苗業(yè)有限公司,為人工繁殖培育的5個(gè)月齡的幼參,個(gè)體體重為0.48±0.12 g。室內(nèi)水泥池中暫養(yǎng)3 d后用于試驗(yàn)。每日全量換水,適量投喂配合飼料。試驗(yàn)時(shí)選擇刺突明顯、無(wú)化皮、無(wú)外傷、伸展自如的幼參隨機(jī)分組。
1.2 試劑與海水
試驗(yàn)用硫酸鋅(ZnSO4·7H2O)、高錳酸鉀(KMnO4)均為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭扔贸兯涑珊琙n2+和Mn7+分別為5 g/L和10 g/L的母液(以元素計(jì)),試驗(yàn)時(shí)稀釋成所需要的各濃度。對(duì)照組不加試劑,其他條件與處理組相同。試驗(yàn)用海水取自煙臺(tái)海益苗業(yè)有限公司,pH為7.9~8.1,鹽度范圍為33.6~34.6。
1.3 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)設(shè)Zn2+、Mn7+濃度試驗(yàn)組各6個(gè)和1個(gè)空白對(duì)照組,每組設(shè)3個(gè)重復(fù)。Zn2+:0.2、0.4、0.8、1.0、2.5、5.0 mg/L;Mn7+:0.1、0.5、1.5、3.0、5.0、6.5 mg/L;聯(lián)合毒性效應(yīng)試驗(yàn)各組中Zn2+濃度設(shè)定為0.4 mg/L,將其混合添加到上述6個(gè)濃度梯度的Mn7+試驗(yàn)水體中。試驗(yàn)采用96 h靜水實(shí)驗(yàn)法。試驗(yàn)容器為2 000 mL的玻璃燒杯,每個(gè)燒杯中放30只幼參。試驗(yàn)期間不投喂餌料、不充氧,水溫為19.5~20.3℃,每隔24 h全量換水1次,換水后將各燒杯中的試劑調(diào)整到原始濃度。觀察記錄幼參暴露24 h、48 h、72 h和96 h的活動(dòng)狀況和附著在燒杯壁的個(gè)體數(shù),計(jì)算附壁率;隨時(shí)取出死亡個(gè)體,并記錄各組的死亡個(gè)體數(shù),計(jì)算死亡率。96 h,取低濃度組水樣及存活的幼參個(gè)體測(cè)定其中的Zn2+、Mn7+含量,方法均采用原子吸收分光光度法。
1.4 數(shù)據(jù)處理
試驗(yàn)組取平行樣結(jié)果的值計(jì)算死亡率和附壁率,按公式P=(p′-C)/(100-C)進(jìn)行校正,式中:p′為試驗(yàn)組取雙樣平行結(jié)果的均值計(jì)算的死亡百分?jǐn)?shù),C為空白組死亡百分?jǐn)?shù),P為經(jīng)校正后的試驗(yàn)組的死亡率;附壁率(AR)用以評(píng)價(jià)幼參的附著與活動(dòng)能力,其計(jì)算公式為AR=100%×NA/30,式中:NA為附著在杯壁上的幼參個(gè)體數(shù)。
采用SPSS17.0作回歸分析和顯著性分析,并求得濃度-死亡率直線回歸方程;采用概率單位法,根據(jù)死亡百分?jǐn)?shù)-概率單位換算表,將死亡百分?jǐn)?shù)換算成死亡概率單位,分別求出各種重金屬對(duì)幼參48 h、72 h、96 h的半致死濃度(LC50)及其95%置信區(qū)間,并計(jì)算安全濃度(SC),SC=48 h LC50×0.1[16]。
重金屬的富集系數(shù)(BCF)和累積速率(RA)[17]的計(jì)算公式分別為:BCF=(Ce-Ci)/Cs,其中,Ce為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)幼參體內(nèi)的重金屬的含量,Ci為試驗(yàn)開始前幼參中重金屬的背景值,Cs指水體中重金屬的試驗(yàn)濃度;RA=(Ce-Ci)/t,t為暴露時(shí)間。
2.1 Zn2+對(duì)幼參的急性毒性分析
從幼參的附壁率上可以看出,對(duì)照組高于試驗(yàn)組;隨暴露時(shí)間的延長(zhǎng),附壁率呈先升高后降低的趨勢(shì),在0.4 mg/L濃度組附壁率值其他濃度組高(P<0.01),在96 h時(shí)附壁率達(dá)到最低;對(duì)比各處理濃度下,空白對(duì)照組附壁率值最大,濃度高于2.5 mg/L處理時(shí)間超過24 h時(shí),附壁率將為0.0%,表現(xiàn)出對(duì)幼參活動(dòng)能力的抑制作用(圖1)。
圖1 Zn2+對(duì)幼參附壁率的影響Fig.1 Effect of Zn2+on adhesion rate in A.japonicas
圖2 Zn2+對(duì)幼參死亡率的影響Fig.2 Effect of Zn2+on mortality rate in A.japonicas
圖2為Zn2+對(duì)幼參死亡率的影響,可以看出:對(duì)照組、0.2 mg/L和0.4 mg/L Zn2+濃度組在暴露試驗(yàn)的96 h中均沒有出現(xiàn)死亡現(xiàn)象,死亡率為0%;而0.8 mg/L濃度組幼參在試驗(yàn)的前48 h中出現(xiàn)個(gè)別死亡現(xiàn)象,處于一個(gè)緩慢生長(zhǎng)的狀態(tài);試驗(yàn)進(jìn)行到72 h時(shí),幼參死亡數(shù)量不斷增多;至96 h時(shí)出現(xiàn)明顯的中毒癥狀,死亡率達(dá)到76.7%。表明Zn2+在低于0.4 mg/L的濃度范圍內(nèi)對(duì)幼參無(wú)明顯急性毒性作用。隨著Zn2+濃度的增大及暴露時(shí)間的延長(zhǎng),幼參死亡率呈現(xiàn)明顯的升高趨勢(shì),急性毒性效應(yīng)增強(qiáng)。
2.2 Mn7+對(duì)幼參的急性毒性
試驗(yàn)中,設(shè)置Mn7+的濃度范圍為0.1~6.5 mg/L,幼參附壁率為空白對(duì)照組高于各處理組,隨暴露時(shí)間的延長(zhǎng)附壁率基本呈下降趨勢(shì)(圖3)。在暴露24 h、48 h時(shí),低濃度組附壁率先升高后降低,即0.5 mg/L濃度組較0.1 mg/L有所升高,濃度高于1.5 mg/L后,附壁率;在濃度大于3 mg/L時(shí),附壁率急劇下降,表現(xiàn)出對(duì)幼參活動(dòng)能力的抑制作用;濃度大于5 mg/L,暴露時(shí)間超過24 h時(shí)附壁率降為0%(P<0.01)。
圖4 Mn7+對(duì)幼參死亡率的影響Fig.4 Effect of Mn7+on mortality rate in A.japonicas
幼參的死亡率隨Mn7+濃度和暴露時(shí)間增加而呈明顯的升高趨勢(shì)。濃度低于0.5 mg/L的試驗(yàn)組在暴露96 h時(shí),幼參均未出現(xiàn)死亡現(xiàn)象;1.5 mg/L組死亡率96 h時(shí)才明顯升高,且高濃度組死亡率隨暴露時(shí)間變化明顯。暴露24 h時(shí),6.5 mg/L濃度組死亡率最高,為6.7%;48 h時(shí),1.5~3.0 mg/L兩濃度組的Mn7+對(duì)幼參死亡率的影響差異不顯著(P>0.01);當(dāng)濃度高于3.0 mg/L時(shí),幼參死亡率明顯升高,6.5 mg/L組(20.0%)最高(P>0.01);72 h和96 h時(shí),當(dāng)Mn7+濃度大于1.5 mg/L時(shí),幼參死亡率明顯升高。72 h時(shí),5.0 mg/L濃度組幼參的死亡率最高,達(dá)70.0%;而96 h時(shí),5.0 mg/L和6.5 mg/L兩組死亡率均達(dá)到100%。
2.3 Zn2+-Mn7+對(duì)幼參的聯(lián)合致毒效應(yīng)
0.4 mg/L Zn2+分別與0.1 mg/L、0.5 mg/L、1.5 mg/L、3 mg/L、5 mg/L、6.5 mg/L Mn7+混合后,Zn2+-Mn7+的聯(lián)合致毒效應(yīng)表現(xiàn)為:隨著Mn7+試驗(yàn)濃度的增大,幼參的附壁率總體呈降低趨勢(shì),且暴露時(shí)間越長(zhǎng),附壁率值越小(圖5)。在暴露24 h、48 h時(shí),低濃度組附壁率先升高后降低,均為0.4 mg/L Zn2+-0.5 mg/L Mn7+濃度組最大,與Mn7+獨(dú)立試驗(yàn)的結(jié)果規(guī)律基本相同;在濃度大于3 mg/L時(shí),附壁率急劇下降,暴露時(shí)間超過24 h時(shí)附壁率降為0。表現(xiàn)出Zn2+-Mn7+對(duì)幼參的聯(lián)合效應(yīng)在抑制幼參的活動(dòng)能力方面較單獨(dú)Zn2+或Mn7+作用更強(qiáng)。
從圖6可以看出,幼參的死亡率隨Mn7+濃度和暴露時(shí)間的增加而呈升高趨勢(shì)。在試驗(yàn)期間,0.1 mg/L和0.5 mg/L濃度組內(nèi)幼參均未出現(xiàn)死亡現(xiàn)象;1.5 mg/L濃度組在暴露96 h時(shí)6.7%的幼參出現(xiàn)死亡;濃度高于3.0 mg/L的高M(jìn)n7+濃度組死亡率隨暴露時(shí)間變化明顯,暴露時(shí)間延長(zhǎng),死亡率明顯增大。暴露24 h時(shí),僅在5.0 mg/L和6.5 mg/L濃度組內(nèi)出現(xiàn)幼參死亡現(xiàn)象;48 h時(shí),5.0 mg/L濃度組內(nèi)幼參的死亡率最高,為33.3%;72 h和96 h時(shí),5.0 mg/L和6.5 mg/L濃度組內(nèi)幼參死亡率達(dá)到100%。
圖5 Zn2+-Mn7+聯(lián)合作用下幼參的附壁率Fig.5 The adhesion rate of A.japonicas exposed in Zn2+-Mn7+
圖6 Zn2+-Mn7+聯(lián)合作用下幼參的死亡率Fig.6 The mortality rate of A.japonicas exposed in Zn2+-Mn7+
環(huán)境因子對(duì)刺參的生長(zhǎng)和行為會(huì)產(chǎn)生或大或小的影響,而其研究報(bào)道卻不多[18],特別是Zn2+-Mn7+的聯(lián)合效應(yīng)對(duì)刺參幼參存活與行為影響的研究鮮見報(bào)道。本研究通過分析發(fā)現(xiàn),在獨(dú)立Zn2+、Mn7+及Zn2+-Mn7+試驗(yàn)中,隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)附壁率基本均呈先升高后降低的趨勢(shì),高值均出現(xiàn)在0.4 mg/L Zn2+和0.5 mg/L Mn7+濃度組內(nèi),試驗(yàn)期間內(nèi)表現(xiàn)為一定的活動(dòng)能力減弱,未出現(xiàn)急性致死現(xiàn)象。表明幼參對(duì)實(shí)驗(yàn)濃度下的Zn2+、Mn7+暴露具有一定的適應(yīng)性,對(duì)低濃度的Zn2+、Mn7+可能存在某種程度上的毒物興奮效應(yīng)[19],但這種效應(yīng)的生物學(xué)機(jī)理及其影響因素等有待深入研究。且Zn2+-Mn7+的聯(lián)合毒性效應(yīng)較Zn2+、Mn7+的單獨(dú)作用明顯增強(qiáng)。
2.4 Zn2+和Mn7+對(duì)幼參的急性毒性特征
通過計(jì)算得出,Zn2+對(duì)幼參的24 h、48 h、72 h半致死濃度分別49.70 mg/L、1.35 mg/L、0.82 mg/L,其安全濃度(SC)為0.14 mg/L;Mn7+的48 h、72 h、96 h半致死濃度分別為31.61 mg/L、4.24 mg/L、3.13 mg/L,SC為3.16 mg/L(表1)。
表1 重金屬Zn2+、Mn7+對(duì)刺參幼參的急性毒性特征分析Tab.1 Analysis of acute toxicity of Zn2+,Mn7+on A.japonicas
在相同暴露時(shí)間下,Zn2+對(duì)幼參的半致死濃度較Mn7+小,急性毒性效應(yīng)更為明顯,故兩種重金屬對(duì)幼參的急性毒性強(qiáng)弱為:Zn2+>Mn7+。李君豐等[20]研究中采用Zn2+對(duì)仿刺參幼參的SC為0.15 mg/L,與本文計(jì)算結(jié)果相差不大,高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB11607-1989)[21]中規(guī)定的0.100 mg/L;Mn7+的48 h SC低于呂耀平等人[22]研究青蝦Macrobrachium nipponense的SC(3.42 mg/L),而高于徐鎮(zhèn)等[23]研究秀麗白蝦Palaemon modestus的SC(0.070 mg/L),說明刺參幼參對(duì)錳耐性強(qiáng)于秀麗白蝦,稍弱于青蝦。
2.5 Zn2+和Mn7+在幼參體內(nèi)的富集
本研究認(rèn)為幼參體內(nèi)的背景含量Mn忽略不計(jì),Zn含量為4.22 mg/kg。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),幼參對(duì)Zn2+的蓄積量與暴露時(shí)間、海水中Zn2+的濃度呈顯著正相關(guān)(P<0.05),即暴露時(shí)間越長(zhǎng),海水中Zn2+濃度越高,幼參對(duì)Zn2+的蓄積就越多。
隨著水體中Zn2+和Mn7+濃度的不斷增加,兩種重金屬離子在幼參體內(nèi)的含量和累積速率RA基本呈逐漸升高趨勢(shì),而富集系數(shù)的變化趨勢(shì)較之相反。暴露96 h,0.4 mg/L Zn2+濃度組和0.5 mg/L Mn7+濃度組組幼參體內(nèi)對(duì)應(yīng)金屬離子累積含量、RA和BCF均為最低(表2)。0.8 mg/L的最高Zn2+濃度組幼參體內(nèi)Zn2+含量和RA分別高達(dá)13.90 mg/kg和2.42 mg/(kg·d)(P<0.01),而BCF則為12.10;而在1.5 mg/L的最高M(jìn)n7+濃度組內(nèi),幼參體內(nèi)Mn7+含量和RA分別達(dá)到7.60 mg/kg和1.90 mg/(kg·d)(P<0.01),而BCF則為5.07。
表2 96 h時(shí)Zn2+和Mn7+在幼參體內(nèi)的富集Tab.2 Accumulation of Zn2+and Mn7+in A.japonicas at 96 h
金屬元素對(duì)海洋生物的毒性因生物種類及其個(gè)體大小而異,還與海水環(huán)境的理化因子、生物體對(duì)重金屬的適應(yīng)程度和重金屬的存在形式等有關(guān)[24]。趙元鳳等[25]發(fā)現(xiàn)幼參內(nèi)臟是鉛蓄積的主要部位,而餌料中添加海藻多糖對(duì)鉛的排放有明顯促進(jìn)作用;丁君等[26]研究表明,刺參消化道對(duì)Zn2+的蓄積大于體壁的蓄積,刺參呼吸樹對(duì)Cu2+的蓄積大于消化道和體壁的蓄積;同時(shí),溫度顯著影響重金屬離子的蓄積。本文發(fā)現(xiàn),幼參體內(nèi)Zn2+的含量、RA和BCF與Mn7+間均存在較大差異??傮w上,在相似的暴露濃度下,Zn2+在幼參中的含量、RA和BCF均高于Mn7+;但Mn7+在幼參中的BCF隨暴露濃度升高而顯著降低,而Zn2+呈先降低后升高的變化趨勢(shì)(表2)。綜上所述,Zn2+在幼參體內(nèi)的富集作用強(qiáng)于Mn7+,且其對(duì)幼參活動(dòng)能力的抑制與致死作用也比Mn7+明顯。但Zn2+和Mn7+兩者之間的聯(lián)合毒性既可能是毒性的相加作用,也可能是小于相加作用的拮抗作用,或者是大于相加作用的協(xié)同作用,相關(guān)研究還有待進(jìn)行下一步的驗(yàn)證。
本試驗(yàn)對(duì)比了不同濃度的Zn2+和Mn7+對(duì)幼參的急性毒性與富集作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)暴露96 h時(shí),濃度為1 mg/L的Zn2+組和5 mg/L的Mn7+組幼參死亡率達(dá)到100%;而在Zn2+濃度低于0.4 mg/L或Mn7+濃度低于0.5 mg/L條件下,兩種金屬離子均無(wú)明顯的急性毒性作用;Mn7+濃度在3.0 mg/L時(shí)附壁率較低,而Zn2+在0.8 mg/L就已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)妮^低水平。Zn2+的SC為0.14 mg/L,而Mn7+為3.16 mg/L。Zn2+對(duì)幼參活動(dòng)能力的抑制與致死作用較Mn7+明顯。(2)Zn2+在幼參體內(nèi)的富集作用強(qiáng)于Mn7+。隨著水體中Zn2+和Mn7+濃度的不斷增加,兩種重金屬離子在幼參體內(nèi)的含量和累積速率RA也逐漸升高,富集系數(shù)總體呈降低趨勢(shì)。在相似的暴露濃度下,Zn2+在幼參中的含量、RA和BCF基本均較Mn7+高。
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Study on the Acute Toxicity and Accumulation of Zn2+,Mn7+on the Juvenile Sea Cucumber Apostichopus japonicas
LI Bin,MA Yuan-qing,XING Hong-yan,et al
(Shandong Marine Fisheries Research Institute,Shandong Key Lab of Marine Ecological Restoration,Yantai 264006,China)
Using static bioassay test,this paper studied the acute toxicity of Zn2+and Mn7+on behavior and survival status of the juvenile sea cucumber Apostichopus japonicas,furthermore,the accumulation in A. japonicas was also analyzed.The results showed that 96 h separating exposure to Zn2+or Mn7+,the mortality rates of A.japonicas in Zn2+under 0.4 mg/L and Mn7+under 0.5 mg/L were 0.0%,and no obvious acute toxicity was found within the above experimental concentration;The mortality rate increased with the increase of concentration and exposure time,but the adhesion rate decreased.The median lethal concentrations(LC50)of Zn2+in 24 h,48 h and 72 h were 49.70,1.35 and 0.82 mg/L respectively,and its safety concentration(SC)was 0.14 mg/L;The median lethal concentrations(LC50)of Mn7+in 48 h,72 h and 96 h were 31.61,4.24 and 3.13 mg/L,and the SC was 3.16 mg/L.Therefore,it was concluded that Zn2+had a stronger acute toxicity than Mn7+on A.japonicas.With increasing concentrations of Zn2+and Mn7+,the contents of hmetals and accumulationrates gradually increased,but the change of enrichment coefficient wsa contrary.It was indicated that Zn2+showed the stronger accumulating process than Mn7+on the juvenile sea cucumber.
Apostichopus japonicas;Zn2+;Mn7+;acute toxicity;enrichment
S912
A
1008-830X(2014)04-0298-06
2014-03-15
煙臺(tái)市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2011457);水生動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料“泰山學(xué)者”崗位經(jīng)費(fèi)
李斌(1980-),男,山東樂陵人,助理研究員,研究方向:海洋環(huán)境毒理.E-mail:albert0722@163.com
邢紅艷(1970-),女,高級(jí)工程師,研究方向:海洋環(huán)境評(píng)價(jià).Tel:0535-6939828;E-mail:xinghongyan08@126.com