鎘對(duì)大型溞心率和攝食能力的影響

郭鵠飛，張雪萍，孫 晨，黃志杰，王 蘭，王 茜

（山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西太原 030006）

鎘是一種具有較強(qiáng)毒性和蓄積性的環(huán)境污染物[1]，尤其是工業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的鎘通過廢氣、廢水、廢渣排入環(huán)境，造成污染。研究表明，水體中的鎘抑制了魚類胚胎發(fā)育和體長增長[2]，造成枝角類活動(dòng)受限甚至死亡[3]，并引起蝦蟹類氧化應(yīng)激[4-5]。同時(shí)，可通過生物富集和營養(yǎng)轉(zhuǎn)移過程積累在生物體中，干擾機(jī)體正常的生理活動(dòng)，最終危及食物鏈較高位置的生物體[6]。鎘對(duì)動(dòng)物的損傷器官包括消化系統(tǒng)、心臟等[7]。因此，鎘污染已引起社會(huì)的普遍關(guān)注。

大型溞有類似于哺乳動(dòng)物的肌原性心臟組織[8]，還表現(xiàn)出與人類心率相似的特點(diǎn)；心率變化能夠反映污染物對(duì)水生動(dòng)物能量代謝的影響和血液循環(huán)系統(tǒng)污染物的程度[9]。大型溞的攝食率和濾水率作為攝食行為的標(biāo)志可以很好地反映水環(huán)境的污染狀況。攝食能力的變化將會(huì)對(duì)體細(xì)胞生長和個(gè)體繁殖產(chǎn)生干擾，進(jìn)而影響到種群數(shù)量，甚至對(duì)整個(gè)水域生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)產(chǎn)生較大的影響[10]。因此，大型溞心率和攝食能力的研究對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖和水域生態(tài)環(huán)境有著重要意義。

本試驗(yàn)選取對(duì)水環(huán)境中污染物敏感的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)動(dòng)物大型溞[11]作為研究對(duì)象，研究了大型溞在不同濃度鎘暴露后的心率、攝食率和濾水率的變化，旨在為水域生態(tài)環(huán)境研究和工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的大型溞已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)條件下培養(yǎng)了2 a以上，其敏感度達(dá)到GB/T 13266—91[12]的要求。水溫控制在（20±1）℃，光暗比為 16 h∶8 h，pH 值7.2，溶氧量 7 mg/L。普通小球藻（Chlorella vulgaris）藻種購自中國科學(xué)院淡水藻種庫，利用BG-11培養(yǎng)基在恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，溫度為（25±1）℃，光照條件為3 000 lx，光暗比為12 h∶12 h，每隔2 h振搖一次，暗期則靜置。試驗(yàn)時(shí)取一定量的小球藻，將藻液離心收集，按比例稀釋到所需濃度。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[13]，Ⅴ類水質(zhì)的鎘濃度標(biāo)準(zhǔn)限值的1倍，5倍，9倍設(shè)置1個(gè)空白對(duì)照及3個(gè)質(zhì)量濃度組（Cd2+質(zhì)量濃度分別為0.01，0.05，0.09mg/L）。試驗(yàn)前選取大小一致的含卵大型溞100只放入2L的燒杯中培養(yǎng)，18h后取走母溞，24h時(shí)選擇個(gè)體大小基本一致的120只幼溞（1日齡）。每個(gè)試驗(yàn)組添加相同數(shù)量的小球藻和10只大型溞；同時(shí)設(shè)置對(duì)照組（加入相同數(shù)量的小球藻但不加大型溞）。小球藻的初始密度為5×105個(gè)/mL，在光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)，溫度（20±1）℃。在鎘處理2，6，9，12 h時(shí)分別測定大型溞的心率、攝食率和濾水率。每個(gè)濃度組設(shè)3個(gè)平行，重復(fù)3次。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 心率的測定 從各試驗(yàn)組中隨機(jī)挑取成活的大型溞（以15 s內(nèi)大型溞包括觸角能夠活動(dòng)為準(zhǔn)）10只，通過顯微鏡觀察，用秒表計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)心率（次 /min）[14]。

1.3.2 攝食率與濾水率的測定 利用光密度法測定小球藻密度。參考高亞輝等[15]的方法，計(jì)算濾水率（F）和攝食率（G）。

式中，F(xiàn)為濾水率（mL/（只·h）），即單個(gè)大型溞每小時(shí)過濾的食物溶液體積；G為攝食率（個(gè)/（只·h）），即單個(gè)大型溞每小時(shí)攝入的藻細(xì)胞數(shù)量；V為食物溶液體積（mL）；N為大型溞的數(shù)量（只）；C0為起始小球藻濃度（個(gè)/mL）；Ct為對(duì)照組中最終小球藻濃度（個(gè)/mL）；Ctf為試驗(yàn)組中剩余食物濃度（個(gè) /mL）；t為攝食時(shí)間（h）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（One-Way ANOVA），試驗(yàn)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。*表示差異顯著（P＜0.05）；**表示差異極顯著（P＜0.01）。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對(duì)大型溞心率的影響

從圖1可以看出，大型溞的心率隨著鎘濃度的增加呈下降趨勢。鎘處理2 h，質(zhì)量濃度為0.01，0.05 mg/L時(shí)，大型溞的心率顯著低于對(duì)照組（P＜0.05）；質(zhì)量濃度為0.09 mg/L時(shí)，與對(duì)照組相比，大型溞的心率極顯著降低（P＜0.01）。鎘處理6 h，質(zhì)量濃度為0.09 mg/L時(shí)，大型溞的心率顯著低于對(duì)照組（P＜0.05），其他濃度組與對(duì)照組間無明顯差異。鎘處理9 h時(shí)，質(zhì)量濃度為0.05 mg/L時(shí)，大型溞的心率顯著低于對(duì)照組（P＜0.05）；質(zhì)量濃度為0.09 mg/L時(shí)，大型溞的心率極顯著低于對(duì)照組。鎘處理12 h，鎘質(zhì)量濃度為0.09 mg/L時(shí)，大型溞的心率顯著低于對(duì)照組（P＜0.05），其他濃度組與對(duì)照組無顯著性差異。

2.2 鎘脅迫對(duì)大型溞攝食率和濾水率的影響

從圖2可以看出，大型溞的攝食率隨著鎘濃度的升高呈下降趨勢。鎘處理2，6 h時(shí)，鎘處理組大型溞的攝食率與對(duì)照組相比無顯著性差異；鎘處理9 h，質(zhì)量濃度為0.05，0.09 mg/L時(shí)，大型溞的攝食率極顯著低于對(duì)照組（P＜0.01）。鎘處理12 h，質(zhì)量濃度為0.05 mg/L時(shí)，大型溞的攝食率較對(duì)照組顯著降低（P＜0.05）；質(zhì)量濃度為0.09 mg/L時(shí)，攝食率極顯著低于對(duì)照組（P＜0.01）。此外，鎘處理時(shí)間為6，9，12 h時(shí)，攝食率與心率存在相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別達(dá) 0.974 1，0.972 6 和 0.976 6（表 1）。

表1 鎘脅迫下大型溞攝食率與心率的相關(guān)性分析

從圖3可以看出，鎘脅迫后大型溞濾水率的變化與攝食率的變化趨勢相似，濾水率隨著鎘質(zhì)量濃度的升高也呈現(xiàn)下降的趨勢。鎘處理2，6 h時(shí)，鎘處理組大型溞的濾水率與對(duì)照組相比無顯著性差異；鎘處理9 h，質(zhì)量濃度為0.05，0.09 mg/L時(shí)，大型溞的濾水率與對(duì)照組相比極顯著降低（P＜0.01）；鎘處理12 h，質(zhì)量濃度為0.01 mg/L時(shí)，大型溞的濾水率顯著低對(duì)照組（P＜0.05）；質(zhì)量濃度為0.05，0.09 mg/L時(shí)，大型溞的濾水率極顯著低于對(duì)照組（P＜0.01）。

3 討論

在生態(tài)毒理學(xué)研究中，心率的變化是機(jī)體對(duì)污染物早期的應(yīng)激反應(yīng)之一，心率常用于評(píng)估某些化學(xué)品和藥物的毒性。有文獻(xiàn)報(bào)道，全氟辛烷磺酸脅迫下水溞心率紊亂[16]；四氫嘧啶通過對(duì)水溞心肌收縮酶的氧化修飾，從而導(dǎo)致心率下降[17]。鎘致斑馬魚發(fā)生氧化應(yīng)激，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和免疫毒性使得心率下降[18]。本試驗(yàn)中，大型溞的心率隨著鎘濃度的增加呈下降趨勢，鎘質(zhì)量濃度為0.09 mg/L時(shí)，大型溞心率顯著或極顯著降低。這與前人的研究結(jié)果一致，可能是因?yàn)殒k通過對(duì)心肌細(xì)胞鈣離子通道的阻滯作用[19]或者是鎘從細(xì)胞結(jié)合位點(diǎn)置換鈣，并通過競爭機(jī)制來拮抗心臟中的鈣依賴性反應(yīng)。

攝食是獲得個(gè)體生命活動(dòng)所需營養(yǎng)物質(zhì)和能量的基本行為[20]，攝食能力（濾水率和攝食率）的變化可以很好地反映水環(huán)境的污染狀況。據(jù)報(bào)道，毒物（農(nóng)藥）和納米材料（如TiO2，納米塑料和納米C60）會(huì)影響水溞的攝食行為[21]，造成攝食率和濾水率降低；其中，水溞暴露于C60后，C60會(huì)蓄積在水溞的體內(nèi)，對(duì)消化道產(chǎn)生損傷。而鎘離子可直接造成胃平滑肌收縮力降低[22]。此外，消化系統(tǒng)的絕大部分器官受迷走神經(jīng)的支配[23]，消化系統(tǒng)的功能失調(diào)，使得大型溞的攝食行為受到影響。本試驗(yàn)中，大型溞的濾水率與攝食率在鎘脅迫后受到抑制；且鎘濃度的增加抑制了心率，心率受到抑制意味著供應(yīng)給細(xì)胞的氧氣和營養(yǎng)減少。而骨骼肌需要氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)用于運(yùn)動(dòng)[24]，因此，水溞附肢運(yùn)動(dòng)的減少也會(huì)降低其攝食能力。所以，心率的紊亂會(huì)間接抑制水溞的攝食活動(dòng)。這與本試驗(yàn)得出的心率與攝食率的變化之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.974 1，0.972 6和0.976 6的結(jié)果相一致。

綜上所述，鎘可能通過毒害大型溞的循環(huán)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和消化系統(tǒng)抑制其心率及攝食能力。但其深入的機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

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