重金屬和氯酚對霍甫水絲蚓的急性毒性及水環(huán)境安全評價

姜東生,李 梅,崔益斌 (南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 210023)

汞、鉻和鉛作為8大有害重金屬中毒性較強(qiáng)的物質(zhì),具有很強(qiáng)的富集性,很難在環(huán)境中降解[1],且超過一定濃度后可造成生物體的急性中毒、亞急性中毒和慢性中毒等[2].2, 4-二氯酚(2, 4-DCP)、2, 4, 6-三氯酚(2,4,6-TCP)和五氯酚(PCP)等氯酚類化合物(CPs)是應(yīng)用極為廣泛的一類化合物,其主要用于有機(jī)材料的氯化處理,殺蟲劑、阻燃劑和木材防腐劑等[3],具有毒性高,持久性強(qiáng),難降解并可通過食物鏈累積等特點[4-5],被列為我國水體中優(yōu)先控制污染物[6].

目前,許多學(xué)者[7-14]對全國重要河流監(jiān)測后發(fā)現(xiàn),重金屬和氯酚類物質(zhì)在我國水體中普遍存在,其中個別樣點的濃度已經(jīng)達(dá)到了較高值.然而,我國至今未出臺有關(guān)上述污染物質(zhì)對水生生物評估標(biāo)準(zhǔn)或準(zhǔn)則,其評估仍不得不采用水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系[15].試驗用霍甫水絲蚓(Limnodrilushoffmeisteri)隸屬于環(huán)節(jié)動物門(Arthropoda)、水絲蚓屬(Limnodrilus),廣泛存在于河流、湖泊,對環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng),是淡水水生食物鏈的重要一環(huán),也是魚蝦的天然餌料[16].國內(nèi)學(xué)者對霍甫水絲蚓的研究主要集中在其時空分布及其擾動對沉積物中細(xì)菌群落和營養(yǎng)鹽的影響[17-19],將其用于毒性測試的研究較少.本研究采用急性毒性試驗方法,研究上述6種污染物質(zhì)對霍甫水絲蚓的急性毒性,旨在達(dá)到補(bǔ)充上述重金屬和氯酚類物質(zhì)對霍甫水絲蚓的毒性數(shù)據(jù),制定相關(guān)安全閾值、開展水生態(tài)風(fēng)險評估以及突發(fā)事件處理提供參考的目的.

1 材料與方法

1.1 受試生物與實驗藥劑

霍甫水絲蚓購自濟(jì)南水族市場,在 15～25℃條件下,培養(yǎng)于(60×25×20)cm3的流水式魚缸中,魚缸底部鋪5cm左右底泥,加入一定量的曝氣水.實驗前挑選 2.0～3.0cm 健康活潑幼體,放入裝有曝氣水的直徑90mm高45mm的結(jié)晶皿中,蓋上表面皿,在22℃、自然光照的人工氣候培養(yǎng)箱中清腸 24h,清腸后仍然健康的霍甫水絲蚓作為正式實驗動物.

氯化汞(HgCl2)、重鉻酸鉀(K2Cr2O7)、硝酸鉛(Pb(NO3)2)和二甲基亞砜(DMSO)購自南京化學(xué)試劑有限公司,2,4-DCP、2,4,6-TCP和PCP購自百靈威科技有限公司,均為分析純.

1.2 實驗用水

參照GB/T 13266-91《水質(zhì) 物質(zhì)對蚤類(大型蚤)急性毒性測定方法》[20]配制人工稀釋水為實驗用水.新配制的標(biāo)準(zhǔn)稀釋水pH 7.8±0.2,硬度(250±25)mg/L(以 CaCO3計),溶解氧濃度在空氣飽和值的80%以上,并不含對大型蚤有毒的物質(zhì).用于配制人工稀釋水的試劑為去離子水.

1.3 實驗方法

參照文獻(xiàn)[21]設(shè)計霍甫水絲蚓的急性毒性實驗.首先將挑選的霍甫水絲蚓放入曝氣自來水中清洗干凈,然后隨機(jī)放入盛有100mL試液直徑90mm高45mm的結(jié)晶皿中,每皿20條,同時用表面皿蓋好.Hg2+、Cr6+和 Pb2+采用靜態(tài)實驗,2,4-DCP、2,4,6-TCP和PCP采用半靜態(tài)實驗,每24h更換試液,實驗期間不喂食,持續(xù)96h.每天觀察霍甫水絲蚓中毒癥狀和死亡情況,并將死亡個體及時取出.霍甫水絲蚓的死亡標(biāo)準(zhǔn)為:身體泛白,失去伸縮能力,用解剖針碰觸,無反應(yīng)[16].

預(yù)實驗以 5為公比做間隔設(shè)置濃度,以求出24h全死亡濃度和 96h無死亡濃度.正式實驗以幾何級數(shù)做間距,選擇6個濃度(Hg2+、Cr6+和Pb2+對應(yīng)濃度組分別為67.6, 87.9, 114.2, 148.5, 193.1,251.0μg/L,2, 2.76, 3.81, 5.26, 7.25, 10mg/L 和50,62.5, 78.13, 97.66, 122.07, 152.59mg/L;2,4-DCP、2,4,6-TCP和 PCP對應(yīng)濃度組分別為 17.36,20.83, 25, 30, 36, 43.2mg/L,4, 5, 6.25, 7.81, 9.77,12.21mg/L和 1.73, 2.07, 2.49, 2.99, 3.58,4.3mg/L),在 3個依次的幾何系列濃度中測得20%～80%的死亡率以估算 LC50值.每個實驗組設(shè)置3個平行,并設(shè)空白對照.

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理參照 GB/T 13267-1991[22],使用概率單位圖解法計算 LC50.具體過程為:根據(jù)死亡概率和濃度對數(shù)作圖,求出線性回歸方程,得到24, 48, 72, 96h-LC50,并根據(jù)公式(1)計算LC50的95%置信限:

式中:x為LC50的對數(shù);S為對應(yīng)LC50線性回歸方程斜率的倒數(shù);N為供試動物總數(shù)(但死亡率為 0和100%的組不計在內(nèi)).

安全濃度(SC)和最大容許濃度(MPC)評價采用下列公式求得:

2 結(jié)果與分析

2.1 3種重金屬對霍甫水絲蚓的急性毒性

3種重金屬對霍甫水絲蚓急性毒性實驗過程中,空白對照組霍甫水絲蚓未出現(xiàn)死亡,通過 3種重金屬對霍甫水絲蚓的毒性實驗數(shù)據(jù)分析,得出各時間段濃度對數(shù)與概率單位的回歸方程以及LC50的95%置信區(qū)間(表1).由表1可見,隨著實驗時間的延長和實驗物質(zhì)量濃度的提高,毒性均明顯增強(qiáng),死亡率也呈明顯上升趨勢.其中在96h時,Hg2+、Cr6+和 Pb2+對霍甫水絲蚓的 LC50分別為0.16, 4.25, 76.24mg/L.目前,我國還沒有專門針對顫蚓類的化學(xué)物質(zhì)毒性分級標(biāo)準(zhǔn),但根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)總局《新化學(xué)物質(zhì)危害評估導(dǎo)則》(HJ/T 154-2004)[25]中對魚類毒性分級標(biāo)準(zhǔn),3種重金屬對霍甫水絲蚓有不同的毒性作用,其中Hg2+對霍甫水絲蚓表現(xiàn)為極高毒性,Cr6+對其表現(xiàn)為高等毒性,而Pb2+則表現(xiàn)為中等毒性.

表1 Hg2+、Cr6+和Pb2+對霍甫水絲蚓LC50及毒性回歸方程Table 1 LC50and regression function of Hg2+,Cr6+ and Pb2+ on L. hoffmeisteri

2.2 3種氯酚類物質(zhì)對霍甫水絲蚓的急性毒性

至全部實驗結(jié)束,空白對照組和助溶劑(DMSO)對照組中均未出現(xiàn)霍甫水絲蚓行為異常或死亡情況.3種氯酚類物質(zhì)染毒初期,霍甫水絲蚓均出現(xiàn)興奮和劇烈扭動的中毒癥狀,隨著污染濃度增加和時間的延長,最終會導(dǎo)致霍甫水絲蚓中毒死亡.3種氯酚類物質(zhì)對霍甫水絲蚓的半數(shù)致死濃度 LC50及毒性回歸方程見表 2.根據(jù)表2可知3種氯酚類物質(zhì)對霍甫水絲蚓存在劑量-效應(yīng)關(guān)系,其中在 96h時,2,4-DCP、2,4,6-TCP和PCP對霍甫水絲蚓的LC50分別為20.73, 7.86, 2.42mg/L.根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)總局《新化學(xué)物質(zhì)危害評估導(dǎo)則》(HJ/T 154-2004)[25]中對魚類毒性分級標(biāo)準(zhǔn),2,4-DCP對霍甫水絲蚓表現(xiàn)為中等毒性,2,4,6-TCP和PCP對其均表現(xiàn)為高等毒性.

表2 2,4-DCP、2,4,6-TCP和PCP對霍甫水絲蚓的LC50及毒性回歸方程Table 2 LC50and regression function of 2,4-DCP, 2,4,6-TCP and PCP on L. hoffmeisteri

3 討論

3.1 3種重金屬毒性比較

本研究中Hg2+、Cr6+和Pb2+對霍甫水絲蚓的96h-LC50分別為0.16, 4.25, 76.24mg/L,毒性大小順序為:Hg2+＞Cr6+＞Pb2+.許永香等[26]研究發(fā)現(xiàn)Hg2+對大型蚤(Daphnia magna)的 96h-LC50為1.40μg/L,宋維彥等[27]研究發(fā)現(xiàn) Hg2+對麥穗魚(Pseudorasbora)和中華鳑鲏魚(Rhodens sinensis)的 96h-LC50分別為 0.244和 0.193mg/L,溫茹淑等

[28]研究結(jié)果表明 Hg2+對草魚(Ctenopharyngodon idellus)96h-LC50為0.36mg/L,通過比較發(fā)現(xiàn)大型蚤對Hg2+最為敏感,霍甫水絲蚓次之,魚類對Hg2+敏感性較差,研究結(jié)果與張瑞卿等[29]利用物種敏感度分布曲線法得出的 Hg2+對水生生物物種的敏感性順序(甲殼類＞甲殼類除外的無脊椎動物類＞魚類)一致;目前,我國 Cr6+和 Pb2+對水生生物毒性效應(yīng)研究較多[30-35],杜東陽[36]在推導(dǎo)我國重金屬鉻的淡水水質(zhì)基準(zhǔn)研究中,通過計算得到 Cr6+對顫蚓屬的平均急性毒性值為1.88mg/L,與本研究得到的Cr6+對霍甫水絲蚓(L. hoffmeisteri)急性毒性值相當(dāng),楊麗華[33]、梁峰[34]、呂敢堂[35]等分別研究了 Cr6+對鯽魚(Carassius cuvieri)、黃顙魚(Pelteobagrus fulvidraco)仔魚和黑鯛(Sparus macrocephalus)幼魚的急性毒性效應(yīng),其 96h-LC50分別為 221.25,15.79, 23.01mg/L,均大于本研究結(jié)果,與杜東陽[36]計算得到的 Cr6+對水生生物毒性順序一致.本研究結(jié)果(76.24mg/L)與付榮恕[37]等研究 Pb2+對霍甫水絲蚓的毒性效應(yīng)值(4.73mg/L)相差較大,但與閆振廣等[38]研究鉛水生生物水質(zhì)基準(zhǔn)值時計算得到的顫蚓屬平均急性值(14.62mg/L)相當(dāng),且均小于Pb2+對鯽屬、泥鰍屬和草魚屬的屬平均毒性值,可以發(fā)現(xiàn)霍甫水絲蚓較我國常見魚類對Pb2+更為敏感.通過張瑞卿[29]、杜東陽[36]和閆振廣[38]對3種重金屬淡水水質(zhì)基準(zhǔn)研究發(fā)現(xiàn),Hg2+、Cr6+和 Pb2+對顫蚓屬的平均毒性值分別為2.14μg/L、1.88mg/L 和 14.62mg/L,毒性順序依次為:Hg2+＞Cr6+＞Pb2+,與本研究結(jié)果一致.

3.2 3種氯酚類物質(zhì)毒性比較

由表 2試驗結(jié)果可知,3種氯酚類物質(zhì)對霍甫水絲蚓均產(chǎn)生了毒性作用,且毒性大小順序依次為:PCP＞2,4,6-TCP＞2,4-DCP.羅茜等[39]推導(dǎo)2,4-DCP水生態(tài)毒理和水質(zhì)基準(zhǔn)過程中發(fā)現(xiàn)2,4-DCP的急性毒性范圍為 1000～100000μg/L.但 Yin等[40]在推導(dǎo)我國淡水水生生物 2,4-DCP水質(zhì)基準(zhǔn)時,測定了大型蚤(D. magna)、搖蚊幼蟲(Chironomus tentans)、草魚(C.idellus)等 9 種我國優(yōu)勢水生物種的急性毒性,發(fā)現(xiàn)其96h和48h的LC50值的范圍為 1790～11700μg/L,表明 2,4-DCP對霍甫水絲蚓敏感性較差.Yin等[41]在推導(dǎo)2,4,6-TCP水質(zhì)基準(zhǔn)過程中測得9種我國優(yōu)勢物種 96h和 48h的 LC50的范圍為1460～9290μg/L,其毒性范圍包括本研究中 2,4,6-TCP對霍甫水絲蚓的96h-LC50值(7.86mg/L).我國對PCP毒性效應(yīng)研究較多,其中閆賓萍[42]、聶晶磊[43]等分別研究了PCP對羽搖蚊幼蟲(Chironomus plumosus)和金魚(Carassias auratus)的毒性效應(yīng),研究發(fā)現(xiàn)PCP對兩種水生生物的 48h-LC50分別為 0.09,0.21mg/L,研究結(jié)果均小于本研究中PCP對霍甫水絲蚓的急性毒性效應(yīng)值,同為底棲水生生物的搖蚊幼蟲可能較受試霍甫水絲蚓對PCP更為敏感.另外,張亞輝[44]、金小偉[45]等通過研究3種氯酚類化合物對大型溞(D. magna)、青魚(Mylopharyngodon piceus)和細(xì)鱗斜頜鲴(Plagiogna microlepis)的急性毒性效應(yīng),發(fā)現(xiàn)3種氯酚類物質(zhì)的急性毒性大小順序均為:PCP＞2,4,6-TCP＞2,4-DCP,與本研究結(jié)果一致.Leblanc等[46]報道氯酚化合物中高取代氯酚對水生生物的毒性比低取代氯酚大,但也有研究[47]表明氯酚類污染對水生生物的毒性與氯酚苯環(huán)上的氯原子取代數(shù)目無直接關(guān)系,只有一氯代酚的毒性明顯低于其他多氯代酚的毒性.

3.3 6種污染物環(huán)境安全性評價

在有關(guān)化學(xué)品對生物毒性安全性評價中,我國還沒有統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn).本實驗根據(jù)急性毒性基礎(chǔ)數(shù)據(jù),推導(dǎo)出上述 6種污染物對霍甫水絲蚓的安全濃度和最大容許濃度.安全濃度指在污染物的持續(xù)作用下,生物可以正常存活、生長、繁殖的最高毒物濃度.最大容許濃度指對受試生物不產(chǎn)生毒性危害的毒物最大允許濃度.目前化學(xué)品安全濃度的計算方法經(jīng)常采用常規(guī)方法,即公式(2)、公式(3)中提到的方法.

根據(jù)霍甫水絲蚓半數(shù)致死濃度96h-LC50可以得到6種污染物質(zhì)的SC和MPC見表3,由表3可知,Hg2+、Cr6+和 Pb2+的安全濃度和最大允許濃度分別為16, 425, 7624μg/L和1.6, 42.5, 762.4μg/L;2,4-DCP、2,4,6-TCP、PCP的安全濃度和最大允許濃度分別為 2073, 786, 242μg/L和 207.3, 78.6,24.2μg/L.通過與美國EPA基準(zhǔn)值及中國地表水水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)比較發(fā)現(xiàn),Pb2+和2,4-DCP的最大允許濃度大于其對應(yīng)的基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)值,實驗所得到的2,4,6-TCP最大允許濃度低于我國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),Hg2+、Cr6+和PCP與美國和中國規(guī)定限值基本吻合.雖然本研究預(yù)測的部分污染物最大允許濃度與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值相差不大,但上述污染物在實際水體中水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的制定還需要更多水生生物毒理學(xué)基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù).同時,上述污染物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的制定還要考慮各種其他因素的影響,如水體用途,水質(zhì)特征及經(jīng)濟(jì)、社會因素等.

表3 6種污染物安全性評價與基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)值比較(μg/L)Table 3 Safety assessment of six pollutants compared with their aquatic criteria and standards (μg/L)

3.4 我國主要河流6種物質(zhì)污染現(xiàn)狀及與水質(zhì)基準(zhǔn)比較

目前關(guān)于我國主要河流流域重金屬和氯酚類物質(zhì)的研究較多[7-14](表 4),由于重金屬主要賦存在懸浮物和沉積物中[48],且懸浮顆粒物中重金屬的含量比沉積物中高幾倍,是水體溶解態(tài)重金屬的幾百倍[49],因此大多學(xué)者研究結(jié)果為我國主要河流沉積物中重金屬含量.

由表4可知,珠江部分水域沉積物中Hg含量較高,遼河和長江下游銅陵礦區(qū)河流沉積物中Cr含量高于其他流域,長江銅陵礦區(qū)和海河流域Pb含量較高.Gao等[14]研究了我國主要河流3種氯酚類物質(zhì)的含量,研究發(fā)現(xiàn)遼河、海河、黃河和淮河 3種氯酚類物質(zhì)檢出率較高,其中黃河流域水體中,3種氯酚含量均高于其他河流.對照于表3中上述污染物的慢性水質(zhì)基準(zhǔn)值和我國地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值,我國部分水體呈現(xiàn)一定的生態(tài)風(fēng)險,值得關(guān)注.

表4 我國主要河流水體中6種污染物質(zhì)含量分布Table 4 Concentrations of 6pollutants in the water of the main rivers in China

4 結(jié)論

4.1 6種污染物質(zhì)對霍甫水絲蚓都產(chǎn)生了很大的毒性效應(yīng),存在一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系,且隨著暴露時間延長,毒性作用增加.參考化學(xué)物質(zhì)對魚類的毒性分級標(biāo)準(zhǔn),Hg2+對霍甫水絲蚓的毒性屬于極高毒性,Cr6+、2,4,6-TCP和PCP對霍甫水絲蚓的毒性屬于高等毒性,Pb2+和 2,4-DCP則對霍甫水絲蚓產(chǎn)生的毒性效應(yīng)為中等毒性.

4.2 3種重金屬對霍甫水絲蚓的毒性作用大小順序為:Hg2+＞Cr6+＞Pb2+;3種氯酚類物質(zhì)對霍甫水絲蚓的毒性大小依次為:PCP＞2,4,6-TCP ＞2,4-DCP .

4.3 根據(jù)6種污染物對霍甫水絲蚓的急性毒性實驗,水體中Hg2+、Cr6+和Pb2+的安全濃度SC分別為16, 425, 7624μg/L,最大允許濃度MPC分別為 1.6, 42.5, 762.4μg/L;2,4-DCP、2,4,6-TCP 和PCP的安全濃度SC分別為2073, 786, 242μg/L,最大允許濃度MPC分別為207.3, 78.6, 24.2μg/L.4.4 我國主要河流沉積物中存在一定程度的重金屬污染,氯酚類物質(zhì)檢出率較高,其中黃河流域氯酚類物質(zhì)的污染最為嚴(yán)重,存在一定的生態(tài)風(fēng)險.

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