水環(huán)境中重金屬銅暴露下青鳉魚的行為響應(yīng)

梁鴻，劉勇，饒凱鋒，馬梅，許旺，唐亮，馬嵩，潘曉峰，陳慧明，楊瑩瑩

1. 深圳市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，深圳 518049 2. 中科水質(zhì)(無錫)環(huán)境技術(shù)有限公司，無錫 214024 3. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 環(huán)境水質(zhì)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085 4. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 中國(guó)科學(xué)院飲用水科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085 5. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 101407 6. 廣東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，廣東 510308

水環(huán)境中重金屬銅暴露下青鳉魚的行為響應(yīng)

梁鴻1，劉勇2,*，饒凱鋒3,#，馬梅4,5，許旺1，唐亮2，馬嵩1，潘曉峰1，陳慧明6，楊瑩瑩2

1. 深圳市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，深圳 518049 2. 中科水質(zhì)(無錫)環(huán)境技術(shù)有限公司，無錫 214024 3. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 環(huán)境水質(zhì)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085 4. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 中國(guó)科學(xué)院飲用水科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085 5. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 101407 6. 廣東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，廣東 510308

采用生物行為傳感器監(jiān)測(cè)青鳉魚在重金屬銅暴露下的行為數(shù)據(jù)，分析不同暴露濃度(20、10、5、1和0.1 TU)下青鳉魚的行為響應(yīng)。20、10、5、1和0.1 TU的暴露濃度下青鳉魚對(duì)重金屬污染的行為反應(yīng)模式符合環(huán)境脅迫閾值模型，且不同濃度梯度重金屬對(duì)青鳉魚產(chǎn)生不同的行為毒性效應(yīng)。利用重金屬作用下青鳉魚的行為變化來研究重金屬環(huán)境脅迫導(dǎo)致的生物行為響應(yīng)機(jī)制，從而得到重金屬暴露下生物行為的實(shí)時(shí)變化過程和趨勢(shì)，可對(duì)水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

重金屬；銅；青鳉魚；行為響應(yīng)；水質(zhì)評(píng)價(jià)

近年來突發(fā)性水污染事故的發(fā)生，如污染源事故性排放、工業(yè)化學(xué)品運(yùn)輸泄漏以及人為投放有毒物質(zhì)等事件，給水生態(tài)安全和公眾健康造成了極大的危害[1-2]。環(huán)境污染物中銅是常見的重金屬有毒污染物，主要來自冶煉加工、機(jī)械制造及電鍍、化工、礦山開采等的污染排放[3]。有毒污染物是指一類對(duì)生物體能夠產(chǎn)生毒害影響的污染物，可能導(dǎo)致生物體生理、生態(tài)改變等一系列危害。通過生物傳感器可監(jiān)測(cè)水體內(nèi)指示生物不同水平上的生物學(xué)參數(shù)變化，從而反映水質(zhì)綜合毒性，因此生物傳感器可以用于有毒物質(zhì)污染事件的在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警[4]。

在一定的環(huán)境脅迫下，生物對(duì)外界環(huán)境變化進(jìn)行適應(yīng)的首要體現(xiàn)在生物行為反應(yīng)上。所以當(dāng)外界環(huán)境因子發(fā)生改變時(shí)，生物運(yùn)動(dòng)行為的改變是一種主動(dòng)的“逃避”方式，并通過行為調(diào)節(jié)機(jī)制保持生物體內(nèi)在生理環(huán)境的穩(wěn)定，以快速適應(yīng)外界環(huán)境變化。因此，生物行為狀態(tài)的由強(qiáng)至弱或由弱至強(qiáng)是外界環(huán)境變化導(dǎo)致其死亡前的早期診斷指標(biāo)。如果水生生物異常的行為改變能被監(jiān)測(cè)到，則說明外界水環(huán)境內(nèi)關(guān)系到水生生物生存的因子的變化接近或超出了其生存的正常范圍，并可由此對(duì)水質(zhì)變化程度進(jìn)行分析[5]。

基于生物行為生態(tài)學(xué)的水質(zhì)生物預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過生物行為傳感器監(jiān)測(cè)水體內(nèi)受試水生生物行為變化，可以進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)水環(huán)境污染事故的快速分析，對(duì)水質(zhì)的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。由于生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)便快捷，歐美國(guó)家在此基礎(chǔ)上開發(fā)水質(zhì)在線生物監(jiān)測(cè)設(shè)備，最早運(yùn)用是在歐洲，德國(guó)從1990年開始就先后將該系統(tǒng)成功地運(yùn)用于多個(gè)河流。目前國(guó)內(nèi)在線生物監(jiān)測(cè)技術(shù)包括發(fā)光菌監(jiān)測(cè)技術(shù)[6]、水溞監(jiān)測(cè)技術(shù)、藻類監(jiān)測(cè)技術(shù)和魚類監(jiān)測(cè)技術(shù)等，盡管起步較晚，但由于其具有簡(jiǎn)便快捷、直觀的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并適合我國(guó)水環(huán)境污染現(xiàn)狀，已經(jīng)逐步應(yīng)用于水體突發(fā)性污染事故的在線監(jiān)測(cè)預(yù)警。水環(huán)境水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)預(yù)警體系方面的研究多側(cè)重于飲用水源水，一些城市已初步構(gòu)建了水源水在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[7]。

本研究通過生物行為傳感器監(jiān)測(cè)受試生物青鳉魚暴露于被監(jiān)測(cè)水體內(nèi)的行為變化，獲取青鳉魚在污染物暴露下的特征性行為模式。青鳉魚(Oryzias latipes)屬于鳉科魚種，個(gè)體小對(duì)污染物敏感性高，生命周期一般在2年左右，可以耐受較寬的溶解氧和水溫范圍[5]。自從Denny[8]對(duì)青鳉魚的繁殖管理與毒理實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行了規(guī)范化后，由于其具有非常充分的生物學(xué)背景研究基礎(chǔ)，青鳉魚作為毒理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模式生物應(yīng)用廣泛[9]，為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)定的毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)物種之一，其中中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心已利用青鳉魚制定多個(gè)水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。目前，水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)將青鳉魚的行為變化經(jīng)作為一個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行應(yīng)用[10]。

本研究利用重金屬作用下青鳉魚的行為變化來分析的環(huán)境脅迫導(dǎo)致的生物行為變化機(jī)制，基于在實(shí)際水質(zhì)環(huán)境下青鳉魚的行為反應(yīng)過程，發(fā)展重金屬環(huán)境脅迫下生物行為脅迫閾值模型。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采用生物行為傳感器對(duì)青鳉魚行為數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。由于不同的模式生物個(gè)體大小不同，需要匹配不同型號(hào)生物行為傳感器：標(biāo)準(zhǔn)模式青鳉魚采用直徑為6 cm、高20 cm的雙層生物行為傳感器。其中生物行為傳感器為中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心與中科水質(zhì)(無錫)環(huán)境技術(shù)有限公司聯(lián)合研制，并形成擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“水質(zhì)在線生物安全預(yù)警系統(tǒng)(BEWs)”的產(chǎn)業(yè)化能力，已在我國(guó)飲用水水源地廣泛應(yīng)用，為飲用水水質(zhì)安全提供安全保障。

1.2 生物培養(yǎng)

標(biāo)準(zhǔn)模式青鳉魚采用流水繁殖，繁殖溫度為25 ℃±2 ℃，光照周期16 h∶8 h。幼魚孵出2 d后，需投喂剛孵出的豐年蝦幼蟲作為開口餌料，每天早晚進(jìn)行2次投喂。2周后可配合飼料投喂，每天投喂2次。養(yǎng)殖密度保持在每升水2～3條[11]。本實(shí)驗(yàn)采用中科水質(zhì)(無錫)依據(jù)毒理學(xué)規(guī)范培養(yǎng)的性成熟青鳉魚不久的成魚，魚齡為3月齡。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用流水環(huán)境下的生物行為傳感器(圖1)提取青鳉魚行為數(shù)據(jù)，傳感器分為雙層，上層為暴露層，放置受試生物，下層為行為數(shù)據(jù)背景層，不放置受試生物。

在污染物流水暴露實(shí)驗(yàn)過程中，選取五水合硫酸銅作為實(shí)驗(yàn)藥品。將重金屬銅對(duì)青鳉魚的48 h半數(shù)致死劑量(50% lethal concentration of 48 h)，LC50, 48 h作為1個(gè)毒性單位(toxic unit, TU)[12]，實(shí)驗(yàn)設(shè)定5個(gè)濃度梯度，分別為20、10、5、1和0.5 TU。每個(gè)濃度梯度污染物采用8通道平行生物行為傳感器進(jìn)行測(cè)試。

在實(shí)驗(yàn)中，采用生物綜合行為強(qiáng)度(behavior strength)來反映其行為變化[12]，在青鳉魚流水暴露實(shí)驗(yàn)過程中，每通道保持3條2.5～3.0 cm體長(zhǎng)的健康性成熟青鳉魚。實(shí)驗(yàn)過程中不投加食物，并控制每個(gè)通道水體流速2 Lh-1[12-14]。

實(shí)驗(yàn)用水為曝氣充分的自來水，溫度25 ℃±2 ℃，溶解氧>8 mgL-1，硬度以CaCO3計(jì)，(250±25) mgL-1，控制光照周期16 h∶8 h(白天∶黑夜，白天04:00—20:00，夜間21:00—04:00)，為保證各濃度梯度生物行為監(jiān)測(cè)前的平行，每次濃度梯度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)開始于第1天上午16:00，第3天上午16:00結(jié)束[14]。每個(gè)濃度梯度暴露實(shí)驗(yàn)開始前，需將青鳉魚置于充滿無污染水的生物行為傳感器中適應(yīng)2 h后通入所需濃度梯度重金屬溶液，直至48 h后實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖1 生物行為傳感器Fig. 1 Biological behavior sensor

2 結(jié)果(Results)

由靜水暴露實(shí)驗(yàn)得出：重金屬Cu2+對(duì)青鳉魚48 h半數(shù)致死計(jì)量為4.8 mgL-1。在本研究中，以Cu2+的LC50,48 h作為青鳉魚行為毒性的1個(gè)毒性單位(1 TU)研究不同濃度梯度污染物暴露下的青鳉魚的行為強(qiáng)度變化響應(yīng)。

不同濃度梯度Cu2+作用下青鳉魚48 h的行為強(qiáng)度變化如圖2所示。青鳉魚暴露于0.1 TU濃度Cu2+中的行為強(qiáng)度變化結(jié)果中，在暴露開始階段青鳉魚行為強(qiáng)度基本保持在0.2至0.8之間，但其最大值為0.1或0.9左右，最小值位于0.5左右，尤其在暴露時(shí)間4 h左右和32 h左右，青鳉魚行為強(qiáng)度有明顯降低過程。低濃度暴露梯度下青鳉魚行為強(qiáng)度變化的主要原因在于青鳉魚內(nèi)在行為變化的周期節(jié)律現(xiàn)象，即生物鐘現(xiàn)象(biological clock)[15-17]。因此，在不同濃度梯度(尤其是小于1 TU)的重金屬作用下青鳉魚的行為變化模式分析中，應(yīng)該將青鳉魚行為變化中周期節(jié)律現(xiàn)象(生物鐘)的影響作為重要參考。

隨著暴露濃度梯度的升高，各個(gè)濃度梯度之間青鳉魚行為強(qiáng)度變化明顯。在高濃度梯度(5、10和20 TU)暴露過程中，青鳉魚行為強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)短暫升高后又逐漸降低的變化過程后，迅速趨于0.5(死亡)。在低濃度梯度(1和0.1 TU)暴露中，青鳉魚行為變化過程以自我適應(yīng)為主(行為調(diào)整過程)，并且其自我適應(yīng)過程具有明顯周期節(jié)律現(xiàn)象(生物鐘)。但是，在暴露后期該低濃度梯度中青鳉魚的行為強(qiáng)度出現(xiàn)降低趨勢(shì)，這是由于行為毒性累積造成的。

在不同濃度梯度的48 h的暴露中，青鳉魚行為強(qiáng)度變化與暴露時(shí)間具有明顯規(guī)律性變化[12]。在圖2中，20 TU濃度梯度暴露初期，青鳉魚行為強(qiáng)度維持在0.2至0.8之間，但隨暴露時(shí)間增加，尤其在1 h以后，青鳉魚行為強(qiáng)度降低明顯，在此過程中，自我適應(yīng)行為過程不明顯。大約在2 h左右，行為強(qiáng)度接近零，直至死亡。而在10 TU和5 TU的濃度梯度暴露過程中，青鳉魚行為強(qiáng)度降低明顯所需時(shí)間分別為2 h和3 h之間，同時(shí)，自我適應(yīng)行為過程明顯多于20 TU濃度梯度。

暴露濃度梯度越高，青鳉魚行為變化過程越劇烈，而隨暴露濃度梯度降低，青鳉魚行為自我適應(yīng)過程增加。故在一定的暴露時(shí)間內(nèi)，青鳉魚行為強(qiáng)度變化過程與水環(huán)境內(nèi)污染物濃度密切相關(guān)。

3 討論(Discussion)

從青鳉魚行為強(qiáng)度變化過程與暴露時(shí)間和暴露濃度綜合分析：在重金屬銅暴露濃度固定的情況下，青鳉魚行為強(qiáng)度變化隨暴露時(shí)間出現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)的行為規(guī)律性變化過程；而在同樣48 h暴露過程中，行為強(qiáng)度變化與暴露濃度有明顯的劑量效關(guān)系。同時(shí)，當(dāng)外界環(huán)境出現(xiàn)污染之后，青鳉魚行為變化首先表現(xiàn)在自我適應(yīng)過程，直至毒性累積產(chǎn)生明顯行為毒性效應(yīng)[14]。在青鳉魚的自我適應(yīng)過程中，外界環(huán)境污染形成的環(huán)境脅迫閾值是青鳉魚產(chǎn)生行為變化的主因。

圖2 不同濃度梯度Cu2+暴露下青鳉魚48 h行為強(qiáng)度變化注：以Cu2+的LC50,48 h作為青鳉魚行為毒性的1個(gè)毒性單位(1 TU)。Fig. 2 The effects of different concentration of Cu2+ on the behavior strength of medaka in 48 hours exposureNote: 1 TU was based on the LC50,48 h of Cu2+ for the behavior strength of medaka.

圖3 環(huán)境脅迫閾值模型[18]Fig. 3 Environment stress model[18]

青鳉魚行為變化過程與暴露時(shí)間和暴露濃度之間的關(guān)系，符合如圖3所示環(huán)境脅迫閾值模型[18]。

環(huán)境脅迫閾值模型中，暴露污染物濃度產(chǎn)生的環(huán)境脅迫是影響青鳉魚行為強(qiáng)度變化過程(回避行為)持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短主要原因，并具有明顯規(guī)律性，并決定了青鳉魚接觸污染環(huán)境后行為增強(qiáng)的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度[18]。環(huán)境脅迫越大，回避行為強(qiáng)度越高，過程越短，脅迫閾值1對(duì)青鳉魚產(chǎn)生的壓力越大，在自我適應(yīng)失效以后，青鳉魚的行為毒性效應(yīng)會(huì)直接出現(xiàn)。在較強(qiáng)且持續(xù)的環(huán)境脅迫下，在經(jīng)歷行為自我適應(yīng)過程，青鳉魚經(jīng)過行為調(diào)整后，脅迫閾值2將會(huì)作用于青鳉魚行為反應(yīng)。所以，青鳉魚行為調(diào)整，尤其是在行為增強(qiáng)產(chǎn)生以后，既受環(huán)境污染物濃度影響，又與污染物暴露時(shí)間相關(guān)[18-19]。

通過本研究利用重金屬作用下青鳉魚的行為變化來分析研究環(huán)境脅迫導(dǎo)致的生物行為響應(yīng)機(jī)制，發(fā)展一定環(huán)境脅迫下生物行為脅迫閾值模型，豐富水質(zhì)在線連續(xù)實(shí)時(shí)生物監(jiān)測(cè)預(yù)警的生物毒性數(shù)據(jù)模型。因此將在一定環(huán)境污染脅迫下受試水生生物行為生態(tài)學(xué)變化與正常水體內(nèi)受試水生生物行為生態(tài)學(xué)變化進(jìn)行解析，得到一定環(huán)境脅迫下受試水生生物運(yùn)動(dòng)行為的規(guī)律性變化，并在此基礎(chǔ)上對(duì)生物行為變化趨勢(shì)進(jìn)行模式識(shí)別和實(shí)時(shí)解析，從而得到生物相對(duì)行為的實(shí)時(shí)變化過程和趨勢(shì)，能夠?qū)λh(huán)境生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)。

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Liu Y, Zhang G S, Chen L L, et al. Stepwise behavioral responses of Japanese medaka (Oryzias latipes) under the joint stresses of Cd2+and 2,4,6-TCP [J]. Water Technology, 2010, 4(4): 1-4 (in Chinese)

◆

The Behavioral Responses of the Medaka under the Stress of Heavy Metal Copper in Water Environment

Liang Hong1, Liu Yong2,*, Rao Kaifeng3,#, Ma Mei4,5, Xu Wang1, Tang Liang2, Ma Song1, Pan Xiaofeng1, Chen Huiming6, Yang Yingying2

1. Shenzhen Environmental Monitoring Center, Shenzhen 518049, China 2. CASA (Wuxi) Environmental Technology Co., Ltd, Wuxi 214024, China 3. State Key Laboratory of Environmental Aquatic Chemistry, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China 4. Key Laboratory of Drinking Water Science and Technology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China 5. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101407, China 6. Guangdong Environmental Monitoring Center, Guangdong 510308, China

Received 6 December 2016 accepted 20 December 2016

In this study, behavioral data for medaka (Oryzias latipes) exposed to the heavy metal Cu2+were monitored using bio-behavioral sensors, to analyze the behavioral responses of medaka at different exposure concentrations (20, 10, 5, 1 and 0.1 TU). The behavioral response profiles of medaka to Cu2+were in accordance with the environmental stress threshold model. And Cu2+at different concentrations had different behavioral toxic effects on medaka. According to the behavioral response mechanism of environmental stress caused by heavy metals, we can obtain the real-time change profiles and trends of biological behavior for medaka under heavy metal pollution. Furthermore, it can be also used for the comprehensive assessment of water ecological quality.

heavy metal; copper; medaka (Oryzias latipes); behavioral responses; water quality evaluation.

863課題(2014AA06A506)；中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃(STS計(jì)劃)：KFJ-SW-STS-171

梁鴻(1966-)，男，北京大學(xué)地球物理系本科，研究方向?yàn)槌鞘猩鷳B(tài)監(jiān)測(cè)，E-mail: szlhong@szhec.gov.cn；

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: liuy@casaet.com

10.7524/AJE.1673-5897.20161206001

2016-12-06 錄用日期：2016-12-20

1673-5897(2016)6-345-08

X171.5

A

劉勇(1983-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樯镄袨閷W(xué)、水生態(tài)毒理學(xué)和生物在線監(jiān)測(cè)預(yù)警。

饒凱鋒(1976-)，男，助理研究員，主要研究方向?yàn)樗鷳B(tài)毒理學(xué)、生物在線監(jiān)測(cè)預(yù)警和環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警物聯(lián)網(wǎng)。

# 共同通訊作者(Co-corresponding author)， E-mail: raokf@rcees.ac.cn

梁鴻, 劉勇, 饒凱鋒, 等. 水環(huán)境中重金屬銅暴露下青鳉魚的行為響應(yīng)[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2016, 11(6): 345-352

Liang H, Liu Y, Rao K F, et al. The behavioral responses of the medaka under the stress of heavy metal copper in water environment [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(6): 345-352 (in Chinese)