典型底棲生物泥鰍的急性毒性物種敏感性評(píng)價(jià)

李 政， 何歡祺， 張?zhí)煨瘢?張秋英， 何 麗， 閆振廣①

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院土壤與固體廢物研究所， 北京 100012; 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012)

物種敏感度分布法(species sensitivity distribution, SSD)是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和水質(zhì)基準(zhǔn)研究的常用方法[1-2]，通過篩選污染物或化學(xué)物質(zhì)對(duì)生物物種的急、慢性毒理數(shù)據(jù)，基于不同物種對(duì)污染物敏感性的差異構(gòu)建統(tǒng)計(jì)模型，進(jìn)而推導(dǎo)水質(zhì)基準(zhǔn)或進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與分析。利用SSD也可以進(jìn)行物種敏感性評(píng)價(jià)，通過分析比較不同污染物對(duì)同一物種的毒性效應(yīng)，可以分析該物種對(duì)各種污染物的敏感性，評(píng)價(jià)該物種對(duì)不同污染物脅迫的響應(yīng)程度。水質(zhì)基準(zhǔn)研究中物種敏感性評(píng)價(jià)是重要前提，SSD可用于分析物種對(duì)污染物的耐受程度并篩選出較敏感物種作為水環(huán)境基準(zhǔn)的潛在受試生物。例如，對(duì)麥穗魚(Pseudorasboraparva)[3]和常見底棲動(dòng)物[4]物種敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示麥穗魚和伸展搖蚊(Chironomustentans)可以分別作為三唑磷和滴滴涕的水質(zhì)基準(zhǔn)研究的受試生物，表明SSD方法在篩選基準(zhǔn)受試生物方面的可行性。

魚類是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其毒性數(shù)據(jù)是推導(dǎo)水質(zhì)基準(zhǔn)的必需數(shù)據(jù)[5]，因此其物種敏感性的評(píng)估對(duì)于水質(zhì)基準(zhǔn)研究具有重要意義。在我國，家魚(青魚、草魚、鰱魚、鳙魚等)是重要經(jīng)濟(jì)魚類類群，然而其體型較大，不便在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，且來源受到區(qū)域和季節(jié)的限制，因此體型小、分布廣的魚類常常具有更重要的生態(tài)學(xué)意義[3]。泥鰍(Misgumusanguillicadatus)是一種小型淡水魚，屬魚綱，鯉形目，鰍科[6]，對(duì)低氧有較強(qiáng)的適應(yīng)能力[7]，在全國各地河川、溝渠、池塘、水塘等天然淡水水域中均有分布。泥鰍是我國代表性的魚類之一，作為典型底棲魚類，在外表、體形、生活習(xí)性方面與其他魚類均有差異，因此分布既廣泛，又具有特異性[5]。泥鰍通常被認(rèn)為耐污能力較強(qiáng)，亦有學(xué)者發(fā)現(xiàn)泥鰍對(duì)某些污染物敏感性較高[4,8]。目前已有學(xué)者研究了苯系物[9]、氨氮[10]、農(nóng)藥[4,11]、重金屬[12]等污染物對(duì)泥鰍的毒性效應(yīng)，但對(duì)泥鰍物種敏感性的全面評(píng)估尚鮮見報(bào)道。

氨氮是我國大部分流域水系中重要的污染物質(zhì)，重金屬、農(nóng)藥、苯系物等在我國各水系中廣泛檢出，也都具有顯著的水生生物毒性。因此，筆者篩選氨氮、重金屬(Ni2+、Cu2+)、農(nóng)藥(敵敵畏、硫丹)和苯系物(硝基苯)等污染物，利用SSD法評(píng)價(jià)泥鰍對(duì)這些代表性污染物的敏感性。同時(shí)將泥鰍與國際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試物種斑馬魚(Daniorerio)進(jìn)行比較，以期為水質(zhì)基準(zhǔn)研究和水環(huán)境管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 泥鰍毒性數(shù)據(jù)的搜集篩選

參考HJ 831—2017《淡水水生生物水質(zhì)基準(zhǔn)制定 技術(shù)指南》，在ECOTOX毒性數(shù)據(jù)庫、CNKI數(shù)據(jù)庫及公開發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)中篩選搜集氨氮、Ni2+、Cu2+、敵敵畏、硫丹和硝基苯的生物毒性數(shù)據(jù)。篩選原則如下：(1)由于同種化合物相同試驗(yàn)終點(diǎn)的慢性數(shù)據(jù)較少，不足以構(gòu)建SSD 模型進(jìn)行分析，故選取急性毒性數(shù)據(jù)。根據(jù)HJ 831—2017，枝角類(Cladocera)和搖蚊類(Chironomus)幼蟲的急性毒性試驗(yàn)指標(biāo)是48 h半致死濃度(LC50)或半效應(yīng)濃度(EC50)；魚類及其他生物是96 h LC50或EC50，因此枝角類和搖蚊幼蟲試驗(yàn)終點(diǎn)為48 h LC50或EC50；魚類及其他生物試驗(yàn)終點(diǎn)為96 h LC50或EC50。(2)為了降低數(shù)據(jù)的不確定性，優(yōu)先選擇流水式實(shí)驗(yàn)和對(duì)試驗(yàn)濃度有監(jiān)控的數(shù)據(jù)。(3)若同種污染物毒性數(shù)據(jù)差異超過一個(gè)數(shù)量級(jí)，離群值不予采用。(4)同種污染物相同終點(diǎn)有多個(gè)可用毒性數(shù)據(jù)時(shí)，使用幾何平均值，即種平均急性毒性值(species mean acute values，SMAV，VSMA)；(5)有疑問的數(shù)據(jù)(如沒有設(shè)置對(duì)照組、每組試驗(yàn)生物個(gè)數(shù)少于5個(gè)、無相關(guān)水質(zhì)因子數(shù)據(jù)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)不科學(xué)等)不予采用。

1.2 毒性數(shù)據(jù)的分析

對(duì)所得急性數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，并將各污染物SMAV值從小到大排序，獲得泥鰍對(duì)各個(gè)污染物的敏感性次序。采用Origin 9.0軟件繪制各污染物物種敏感性分布曲線，采用Log-logistic分布作為擬合模型，計(jì)算公式為

(1)

式(1)中，y為物種的累積概率；x為SMAV的對(duì)數(shù)值；p1和p2分別為擬合曲線的截距和斜率。根據(jù)泥鰍在各個(gè)分布曲線中的位置，分析其對(duì)不同污染物脅迫的敏感程度。

1.3 氨氮毒性數(shù)據(jù)調(diào)整

氨氮毒性受到水體溫度和pH值的顯著影響，需要將獲得的氨氮文獻(xiàn)毒性數(shù)據(jù)統(tǒng)一調(diào)整為pH值為7、t為20 ℃條件下的數(shù)據(jù)，使不同物種的氨氮毒性數(shù)據(jù)具有可比性，調(diào)整方法計(jì)算公式[13-14]為

lgVA,t,7,20=lgVA,t,7-[-0.036(t1-t2)] 。

(2)

式(2)中，VA，t,7為以總氨氮表示的pH值為7條件下急性毒性濃度,mg·L-1；VA，t,7,20為以總氨氮表示的pH值為7、t為20 ℃條件下急性毒性濃度，mg·L-1；t1為測(cè)試溫度，℃;t2為20 ℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型污染物對(duì)泥鰍的急性毒性

共搜集氨氮、Cu2+、Ni2+、敵敵畏、硫丹和硝基苯6種污染物的急性毒性數(shù)據(jù)，并將氨氮毒性數(shù)據(jù)調(diào)整為pH值為7、t為20 ℃條件下的數(shù)據(jù)，共獲得220個(gè)SMAV數(shù)據(jù)(圖1)。不同數(shù)據(jù)間的差異超過9個(gè)數(shù)量級(jí)，數(shù)值分布在0.024～730 000 μg·L-1之間。可以看出，硝基苯和敵敵畏對(duì)不同物種的毒性差異較大，SMAV值變化分別超過9和6個(gè)數(shù)量級(jí)；硫丹相對(duì)其他物質(zhì)對(duì)水生生物的整體毒性較大，SMAV值整體靠下；氨氮毒性值分布較集中；Cu2+對(duì)水生生物的整體毒性比Ni2+更大。

不同污染物對(duì)泥鰍的急性毒性數(shù)據(jù)見表1[4，8-10，12-16]。兩種重金屬中Cu2+對(duì)泥鰍的毒性較高，SMAV值為48 μg·L-1，Ni2+的毒性較低，SMAV值為275 420 μg·L-1；硫丹和敵敵畏對(duì)泥鰍毒性均較高，SMAV值分別為1.20和6.41 μg·L-1；硝基苯毒性略低于Cu2+，SMAV值為79.7 μg·L-1；氨氮呈現(xiàn)劇毒，pH值為7、t為20 ℃條件下SMAV值為854 μg·L-1。

SMAV為種平均急性毒性值。從左到右6種污染物的箱式圖分別包含56、33、50、29、42和10個(gè)急性毒性數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)來自243篇中外文獻(xiàn)。每組箱式圖的水平線段從上到下分別表示所搜集數(shù)據(jù)的最大值、上四分位、中位數(shù)、下四分位和最小值。最大值和最小值形成的區(qū)間反映數(shù)據(jù)的變異程度。SMAV值越小，說明該物質(zhì)對(duì)相應(yīng)物種毒性越大。

表16種污染物對(duì)泥鰍的急性毒性值

Table1ToxicitydataofsixchemicalsfortoMisgumusanguillicadatus

污染物暴露時(shí)間/hSMAV值/(μg·L-1)來源文獻(xiàn)硫丹961.20[4]敵敵畏966.41[8,15]Cu2+9648[12]硝基苯9679.7[9]氨氮96854[10,13-14]Ni2+96275 420[16]

2.2 泥鰍的物種敏感性

搜集得到的6種污染物的急性毒性數(shù)據(jù)涵蓋的物種包括魚類、甲殼類、浮游動(dòng)物、軟體動(dòng)物和兩棲動(dòng)物等，其中魚類數(shù)據(jù)有76個(gè)。對(duì)不同污染物的毒性數(shù)據(jù)從小到大排序，繪制SSD曲線，并標(biāo)注泥鰍所在位置。根據(jù)全部物種的毒性數(shù)據(jù)分類排序可知魚類整體上對(duì)氨氮、硫丹、硝基苯和Cu2+比較敏感，累積概率相對(duì)較?。粚?duì)敵敵畏和Ni2+耐受性較高，敏感性排序較高，相反，甲殼類、軟體動(dòng)物和水生昆蟲對(duì)敵敵畏和Ni2+較敏感，累積概率處于SSD曲線的前端。泥鰍的敏感性排序見表2和圖2。在全部物種敏感性排序中，泥鰍對(duì)敵敵畏和硝基苯敏感性較高，累積概率處于排序的前20%；對(duì)硫丹和Cu2+敏感性較低，累積概率數(shù)值居中；對(duì)氨氮和Ni2+的耐受性較強(qiáng)，累積概率數(shù)值較大。

將泥鰍和模式魚類斑馬魚的物種敏感性進(jìn)行對(duì)比(圖2)，發(fā)現(xiàn)泥鰍和斑馬魚對(duì)敵敵畏、氨氮、硫丹、硝基苯、Cu2+的物種敏感性差別很大。敵敵畏和硝基苯對(duì)泥鰍的SMAV值(6.41和79. 7 μg·L-1)比斑馬魚的SMAV值低4個(gè)數(shù)量級(jí)(60 828和101 735 μg·L-1)；pH值為7、t為20 ℃條件下,氨氮對(duì)泥鰍的SMAV值(854 μg·L-1)比斑馬魚的SMAV值(2 824 μg·L-1)低1個(gè)數(shù)量級(jí)；硫丹對(duì)泥鰍的SMAV值為1.20 μg·L-1，對(duì)斑馬魚的SMAV值為238 μg·L-1；Cu2+對(duì)泥鰍的SMAV值為48 μg·L-1，對(duì)斑馬魚的SMAV值為121.9 μg·L-1。泥鰍和斑馬魚分別屬于底棲和上棲魚類，生活環(huán)境的不同使兩者在棲息、產(chǎn)卵、覓食和外形體型等方面均有較大差異。與其他魚類不同，泥鰍對(duì)敵敵畏非常敏感，而對(duì)氨氮較不敏感，這也體現(xiàn)了泥鰍作為典型底棲魚類的特異性。

表2泥鰍對(duì)不同污染物敏感性排序

Table2ThespeciessensitivityorderofMisgumusanguillicadatusagainstvariouschemicals

污染物泥鰍敏感性次序排序總物種數(shù)累積概率/%敵敵畏2335.88硝基苯21018.18Cu2+124227.91硫丹145027.45氨氮535692.98Ni2+292996.67

3 討論

泥鰍是一類廣泛分布于中國、日本、朝鮮、印度和俄羅斯的淡水魚，在歐洲和美洲流域也有發(fā)現(xiàn)[11,17]。泥鰍作為一種重要的底棲動(dòng)物[4]，兼具廣布性和獨(dú)特的生物學(xué)特征。因此，研究泥鰍對(duì)不同污染物的敏感性對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的評(píng)估和水質(zhì)基準(zhǔn)研究有重要意義。氨氮是我國各大流域的主要污染物之一，海河、遼河、三峽庫區(qū)及其上游、黃河中上游等流域大部分?jǐn)嗝姘钡瑯?biāo)，太湖、巢湖、滇池等流域氨氮濃度也未達(dá)標(biāo)[18]。Cu2+和Ni2+是漁業(yè)水域常見重金屬元素，對(duì)水生生物有著隱蔽、長期且不可逆的毒害作用[13,19]。有機(jī)磷農(nóng)藥硫丹和有機(jī)氯農(nóng)藥敵敵畏在我國施用量大，隨著雨水或灌溉水大量遷移進(jìn)入水體，嚴(yán)重毒害水生生物[20]。硝基苯在水中穩(wěn)定性極高，在我國被廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)，多年來因硝基苯類污染物造成的地下水污染事件觸目驚心[21]。根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[22]中化學(xué)物質(zhì)毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，所選6種污染物中，僅Ni2+為中等毒級(jí)〔ρ(LC50)為100～1 000 mg·L-1〕，氨氮、硫丹、敵敵畏、Cu2+和硝基苯對(duì)泥鰍的急性毒性均為劇毒級(jí)〔ρ(LC50)<1 mg·L-1〕，說明泥鰍是水環(huán)境監(jiān)測(cè)中較靈敏的指示生物。

圖2 泥鰍對(duì)不同污染物的敏感性排序

物種敏感性分布曲線的對(duì)比研究表明一些特定物種總是處于敏感或不敏感區(qū)域[23]。物種敏感性隨累積概率的降低而增高，參照前人研究[5]將魚類物種敏感度與累積概率的關(guān)系設(shè)定為:累積概率<5%為非常敏感，5%～<15%屬敏感，15%～<30%屬較敏感，30%～<50%屬較不敏感，≥50%屬不敏感。泥鰍通常被認(rèn)為耐污能力較強(qiáng)[12,16]，但研究發(fā)現(xiàn)，泥鰍對(duì)敵敵畏等多種污染物敏感性較高，其累積概率處于全部物種的前30%。

由全部物種的敏感性排序可知，甲殼類動(dòng)物如沼蝦(Macrobrachiummalcolmsonii)和淡水鉤蝦(Gammarusfasciatus)，軟體動(dòng)物如錐實(shí)螺(Lymnaeaacuminata)對(duì)敵敵畏的敏感性較高，魚類敏感性較低，這與劉亞莉等[24]研究結(jié)果相符。徐瑞祥等[25]也有報(bào)道，有機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)無脊椎動(dòng)物的毒性高于脊椎動(dòng)物，尤其對(duì)甲殼類動(dòng)物毒性最大，對(duì)魚類毒性較小。但泥鰍作為一種淡水魚類，對(duì)敵敵畏反應(yīng)靈敏，其敏感性排序處于前10%，這與王曉南等[5]的研究結(jié)論相符。泥鰍和其他魚類的敏感性的差異可能與化合物的致毒機(jī)理及代謝機(jī)制有關(guān)[26]。此外,不同魚類對(duì)敵敵畏生物利用度的不同也會(huì)影響敏感性。敵敵畏作為廣泛使用的有機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)泥鰍有劇毒，田間使用時(shí)應(yīng)注意避免藥液流入周邊水域，防止對(duì)水生生物造成危害。

盡管Cu2+對(duì)泥鰍的急性毒性為劇毒級(jí)，泥鰍的物種敏感性排序僅處于SSD曲線的中間區(qū)域。這一發(fā)現(xiàn)與前人研究結(jié)果[27]一致。王振等[27]通過比較物種敏感性排序和 HC10值，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)淡水生物類群中，魚類、甲殼類和軟體動(dòng)物類生物對(duì)Cu2+更敏感。甲殼類動(dòng)物如大型騷(Daphiamagna)和沼蝦，軟體動(dòng)物如啞口仙女蟲(Naiselinguis)等對(duì)Cu2+耐受性較低。銅對(duì)淡水水生生物毒性與生物利用度有關(guān)，不同致毒機(jī)制也會(huì)影響Cu2+生態(tài)毒性的物種敏感性分布。泥鰍與其他淡水魚類相比，對(duì)Cu2+敏感性較高,SMAV值低于其他常見淡水魚種類[12]，因此泥鰍具有成為Cu2+的生物監(jiān)測(cè)指示生物的潛力。

魚類如北澳海鰶(Nematalosaerebi)和高體波魚(Rasboraheteromorpha)，甲殼類動(dòng)物如沼蝦和淡水蝦(Palaemonetespaludosus)對(duì)硫丹最敏感。泥鰍對(duì)硫丹的敏感性較高，累積概率為29%，而SMAV值僅為1.20 μg·L-1?？傮w而言，硫丹對(duì)大多數(shù)水生生物均為劇毒，高等水生生物對(duì)硫丹的抗性較低等水生生物更強(qiáng)，這可能是由于高等水生生物有更完善的排毒系統(tǒng)和更發(fā)達(dá)的代謝器官。

相對(duì)重金屬而言硝基苯對(duì)淡水水生生物的毒性較小，產(chǎn)生的毒性效應(yīng)主要由其代謝產(chǎn)物引起，且不如重金屬引起的毒性效應(yīng)敏感[28]。魚類和甲殼類生物對(duì)硝基苯耐受性較差，其中泥鰍對(duì)硝基苯有較高的敏感性，其累積概率高于兩種重金屬，這可能與硝基苯能夠嚴(yán)重?fù)p害泥鰍體內(nèi)的抗氧化酶有關(guān)[9]。

氨氮是我國流域水環(huán)境中污染普遍超標(biāo)的化合物[29]，是脅迫魚類生長生存的主要因素。魚類對(duì)氨氮非常敏感，白鮭(Leuciscuscephalus)、白氏鰓口文昌魚(Branchiostomabelcheri)等14種魚類均處于物種敏感性排序的前25%，但與其他魚類相比，泥鰍對(duì)氨氮的耐受性較強(qiáng)，這可能與泥鰍生活在水體底部有關(guān)[10]。水底層氨氮含量相對(duì)較高[30]，這種脅迫環(huán)境可能會(huì)增強(qiáng)泥鰍抗氨氮的能力。除此之外，大多數(shù)魚類利用鰓呼吸而泥鰍可利用腸道呼吸，且當(dāng)體內(nèi)聚集一定量氨氮后，泥鰍會(huì)以NH3的形式向水環(huán)境排出部分氨氮，這可能有助于泥鰍抗擊氨氮脅迫[10]。水質(zhì)狀況會(huì)影響氨氮對(duì)泥鰍的毒性[31]。氨氮生物毒性的常見表現(xiàn)形式是NH3，但NH4+對(duì)氨氮的毒性也有貢獻(xiàn)，自然水體中氨氮以非離子氨和銨離子兩種形式同時(shí)存在且保持平衡，兩者的相對(duì)濃度與pH、溫度等水質(zhì)參數(shù)相關(guān)[31]，因此在研究氨氮毒性和水質(zhì)基準(zhǔn)時(shí)，經(jīng)?？紤]總氨氮而非單一的非離子氨[30]。

斑馬魚是遺傳學(xué)和毒理學(xué)研究重要的模式生物[32]，具有發(fā)育快、易飼養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已有諸多學(xué)者將斑馬魚作為水質(zhì)安全監(jiān)測(cè)物種[33]。據(jù)前人統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)外涉及有機(jī)磷、有機(jī)氯兩大類農(nóng)藥的魚類毒性研究，大多數(shù)以斑馬魚作為受試物種[32]。敵敵畏和硫丹分別為代表性的有機(jī)磷和有機(jī)氯農(nóng)藥，對(duì)魚類具有神經(jīng)毒性，可明顯抑制魚類的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)行為[34]。筆者研究發(fā)現(xiàn)，敵敵畏和硫丹對(duì)泥鰍的SMAV值(6.41和1.20 μg·L-1)比斑馬魚的SMAV值(60 828和238 μg·L-1)分別低4和2個(gè)數(shù)量級(jí)，說明泥鰍對(duì)兩種農(nóng)藥的敏感性遠(yuǎn)高于斑馬魚。此外，泥鰍對(duì)硝基苯和Cu2+脅迫的反應(yīng)也更靈敏(圖2)，這也體現(xiàn)泥鰍作為典型底棲魚類的特異性。

目前我國正建立自己的水環(huán)境基準(zhǔn)技術(shù)體系，篩選本土水生受試生物是其中重要任務(wù)[28]。魚類是研發(fā)水環(huán)境基準(zhǔn)閾值過程中需要關(guān)注的重要類群，美國、澳大利亞和歐洲等世界發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在制定水質(zhì)基準(zhǔn)時(shí)均規(guī)定必須有魚類毒性數(shù)據(jù)，泥鰍作為有代表性的小型淡水魚類，不僅對(duì)一些污染物有較高的敏感性，且具有易獲得、易馴養(yǎng)的特點(diǎn)，是水質(zhì)基準(zhǔn)研究理想的受試生物。

4 結(jié)論

以泥鰍為研究對(duì)象，對(duì)比分析氨氮、重金屬(Ni2+、Cu2+)、農(nóng)藥(敵敵畏、硫丹)和苯系物(硝基苯)對(duì)水生生物的急性毒性數(shù)據(jù)。得出以下結(jié)論：(1)泥鰍對(duì)敵敵畏、硝基苯、硫丹和Cu2+反應(yīng)靈敏，其中對(duì)敵敵畏最敏感，累積概率達(dá)到5.88%；(2)泥鰍具備成為水環(huán)境監(jiān)測(cè)指示生物的潛力，對(duì)敵敵畏、硫丹、Cu2+和硝基苯的敏感性遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試物種斑馬魚。