鯽物種敏感性評估

黃 軼，潘進(jìn)芬，張?zhí)煨瘢瑢O乾航，閆振廣

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東青島，266100； 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 100012)

水質(zhì)基準(zhǔn)(Water Quality Criteria，WQC)是指水環(huán)境中的污染物質(zhì)或有害因素對人體健康和水生態(tài)系統(tǒng)不產(chǎn)生有害效應(yīng)的最大劑量或水平[1]，但不同地區(qū)、不同國家的水生生物分布特征和水質(zhì)參數(shù)存在一定差異，同一污染物對不同保護(hù)對象的毒性效應(yīng)也不同[2，3]。因此，有必要開展適合自己國家和地區(qū)的水質(zhì)基準(zhǔn)研究。發(fā)達(dá)國家已經(jīng)對WQC進(jìn)行了幾十年的研究，形成了較為全面的WQC方法體系[4，5]。我國的WQC研究起步較晚，基礎(chǔ)較為薄弱,而我國水生生物多樣性豐富，區(qū)域差異明顯，建立適合我國地域特點的WQC方法體系具有重要的意義，其中基準(zhǔn)本土受試物種的篩選與評估是WQC研究的重要目標(biāo)之一。

近年來，在我國已開展的部分WQC研究[6，7]中均采用了鯽(Carassiusauratus)毒性數(shù)據(jù)[8，9]。鯽是我國一種代表性本土鯉科魚類，在我國水域廣泛分布[10]。根據(jù)《淡水水生生物水質(zhì)基準(zhǔn)制定技術(shù)指南》(HJ 831-2017)[1]，WQC的制定需要三門五科的毒性數(shù)據(jù)，并明確規(guī)定必須包括鯉科魚的毒性數(shù)據(jù)，鯽作為我國鯉科魚類的代表種，對WQC的制定有重要意義。

Yu等[11]指出，在推導(dǎo)中國WQC時應(yīng)優(yōu)先考慮以下污染物：多環(huán)芳烴(PAHs)、農(nóng)藥、單環(huán)芳烴和金屬等。苯并芘和熒蒽是兩種廣泛存在于環(huán)境中具有強烈致癌性的多環(huán)芳烴，它們在我國水體中的濃度已達(dá)到4.0～12 970.8 ng/L[12]；毒死蜱是一種應(yīng)用廣泛的有機磷農(nóng)藥[13]，其廣泛使用對水生系統(tǒng)造成了嚴(yán)重影響[14]；硝基苯是一種有毒的單環(huán)芳烴，曾造成嚴(yán)重的流域水環(huán)境污染事故[15]；汞(Hg2+)和砷(As3+)是高度致癌的有毒金屬，在我國“十二五”重金屬污染綜合防治規(guī)劃中被列為優(yōu)先污染物[16]。

本研究選取苯并芘、熒蒽、毒死蜱、硝基苯、Hg2+和As3+為典型污染物代表，以鯽為對象，探討其對典型污染物的敏感性，以期補充苯并芘、毒死蜱、硝基苯、Hg2+和As3+對鯽的急性毒性數(shù)據(jù)，綜合評價鯽的物種敏感性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用魚為鯽購于當(dāng)?shù)貪O場，體長(2.5±0.3) cm，體重(0.25±0.04) g。將魚放到魚缸中馴養(yǎng)7 d，馴養(yǎng)過程中死亡率小于5%。每天按時少量喂食，喂食量不超過體質(zhì)量的2%，實驗前24 h內(nèi)不喂食。

試驗用水為除氯自來水，經(jīng)充分曝氣2 d后使用，pH (7.5±0.3)，溫度(25±1) ℃，溶解氧(DO)不低于空氣飽和值的60%，總硬度185 mg/L(以CaCO3計)，設(shè)置光照時間為12 h ∶12 h(黑夜 ∶白晝)。

試驗化學(xué)用品為分析純，購于北京國藥集團(tuán)。

1.2 試驗方法

苯并芘、毒死蜱、硝基苯和As3+急性毒性試驗選用丙酮作為助溶劑(<0.1 mL/L)，試驗方法按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)指南[17]進(jìn)行，實驗結(jié)束時對照組魚死亡率不得超過10%。 采用半靜態(tài)試驗，每24 h更換一次試驗溶液，試驗濃度設(shè)置見表1，每個試驗組均設(shè)一個空白對照組，每組3個試驗平行。暴露時間為96 h，分別在24、48、72和96 h記錄試驗中魚的死亡情況，并及時撈出死亡個體。采用直線回歸法求得鯽96 h-LC50(96 h引起受試生物50%個體死亡時所需的濃度)及95%置信區(qū)間，用SPSS22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。Hg2+和熒蒽對于鯽的急性毒性數(shù)據(jù)從ECOTOX數(shù)據(jù)庫獲取(https://cfpub.epa.gov/ecotox/)。

表1 苯并芘、毒死蜱、硝基苯和As3+毒性試驗濃度設(shè)置Tab.1 The exposure concentration of BaP，CPF， nitrobenzene and As3+

1.3 毒性數(shù)據(jù)篩選

苯并芘、熒蒽、毒死蜱、硝基苯、Hg2+和As3+的毒性數(shù)據(jù)獲取自ECOTOX數(shù)據(jù)庫(https://cfpub.epa.gov/ecotox/)。毒性數(shù)據(jù)的收集遵循以下選擇標(biāo)準(zhǔn)：僅選擇淡水水生生物；暴露時間為2～4 d；所有急性毒性試驗終點選擇LC50或EC50；同物種的急性毒性數(shù)據(jù)如果差異大于10倍，則刪除離群值以減少不確定性；如果獲得同一物種的不同生命階段測試數(shù)據(jù)，則選擇最敏感生命階段的毒性數(shù)據(jù)；如果在不同研究中對同一物種的相同生命階段進(jìn)行測試，則計算所有毒性值的幾何平均值以獲得毒性值；為了減小不確定性，每種污染物都優(yōu)先采用流水式毒性試驗數(shù)據(jù)。

1.4 物種敏感度分析

物種敏感度分布(SSD)[18]方法用于評估物種對不同污染物的敏感性。根據(jù)各物種急性毒性數(shù)據(jù)計算得到物種平均急性值(species mean acute value，SMAV)，即同一物種急性毒性值的幾何平均值，將SMAV從低到高進(jìn)行排序并統(tǒng)一編號為R(R=1,2,3…N)，其中R為急性毒性數(shù)據(jù)的個數(shù)，計算每個毒性數(shù)據(jù)的毒性百分?jǐn)?shù)P(累積頻率)，P=R/(N+1)，以對數(shù)變換的LC50或EC50為橫坐標(biāo)，物種的累積頻率P為縱坐標(biāo)繪制散點圖，使用Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果

2.1 苯并芘、毒死蜱、硝基苯和As3+對鯽的急性毒性

依據(jù)ASTM化學(xué)物質(zhì)測試方法指南[17]的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)對各個試驗溶液更新前后的濃度進(jìn)行檢測，試驗溶液更新前后的濃度波動均小于20%(結(jié)果未展示)。實驗期間，所有對照組均無死亡現(xiàn)象。苯并芘、毒死蜱、硝基苯和As3+對鯽的急性毒性結(jié)果見表2。苯并芘對鯽的毒性最大，其次是毒死蜱，而鯽對硝基苯的耐受性最大，苯并芘和硝基苯對鯽的毒性差異為7 138倍。根據(jù)毒性分級標(biāo)準(zhǔn)[19]，結(jié)合表2的毒性數(shù)據(jù)可知，苯并芘、毒死蜱和As3+對鯽的毒性均屬于中高等級，表明鯽(魚苗)可能是水環(huán)境監(jiān)測中較為敏感的指示生物。

表2 苯并芘、毒死蜱、硝基苯和As3+對鯽的96 h急性毒性Tab.2 The 96 hours acute toxicity of four pollutants to C.auratus

2.2 鯽的敏感性排序

按上述原則收集并篩選苯并芘、熒蒽、毒死蜱、硝基苯、Hg2+和As3+的毒性數(shù)據(jù)，每種污染物的毒性數(shù)據(jù)個數(shù)見表3和圖1(詳細(xì)數(shù)據(jù)未展示)。其中Hg2+的毒性數(shù)據(jù)最多，包括7門50科148種，苯并芘毒性數(shù)據(jù)最少，只有3門8科13種。計算SMAV，結(jié)果表明硝基苯的SMAV值最大，為0.039～161.9 mg/L，Hg2+最小，為0.000 7～17.742 mg/L。

表3 鯽在所有物種中的敏感性排序Tab.3 The sensitivity distribution of C.auratus to six pollutants

圖1 鯽敏感性評估Fig.1 Species sensitivity distribution of C.auratus

表4比較了鯽和其他魚類對這些污染物的敏感性。結(jié)果表明，鯽對苯并芘、熒蒽、毒死蜱和硝基苯的SMAV順序相似，無論是在魚類還是在鯉科魚類中排序，鯽均處于較后的位置，進(jìn)一步證明鯽對這些污染物不敏感。然而，鯽對Hg2+和As3+的排序在魚類和鯉科魚類中都是第一位。此外根據(jù)篩選的毒性數(shù)據(jù)得到，鯉科魚對Hg2+和As3+的敏感性高于其他魚類。

表4 鯽在魚類中的敏感性排序Tab.4 Sensitivity distribution of C.auratus in all fish

3 討論

本次篩選的毒性數(shù)據(jù)所涉及的物種包括魚類、軟體動物、甲殼類動物、蠕蟲、昆蟲、兩棲動物、浮游生物和環(huán)節(jié)動物等。甲殼類和浮游生物對毒死蜱最敏感，累積頻率小于30%。兩棲動物對大多數(shù)污染物的耐受性一般較高，但對As3+最敏感的物種是六趾蛙(兩棲動物)。一般來說，無脊椎動物比脊椎動物敏感性更高，可能是因為高等生物對食物鏈中污染物的生物累積越來越耐受[3]。Jeram等[20]的研究表明，水蚤(無脊椎動物)通常是對各種污染物最敏感的類群，然而此結(jié)論并不具有普適性，對苯并芘和毒死蜱來說，水蚤是最敏感的物種，它們的SMAV排序是第一位的，累積頻率小于8%，但對于熒蒽和Hg2+來說，最敏感的物種是夾雜帶絲蚓和鯽，原因可能是不同物種對污染物的生物利用度不同，相關(guān)致毒機制也不完全相同。

表3和圖1顯示了鯽在總物種中對各種污染物的敏感性。結(jié)果表明，鯽對苯并芘、熒蒽、毒死蜱和硝基苯的累積頻率均在60%以上，高于Hg2+、As3+，表明鯽對這4種污染物具有較高的耐受性。這可能是由于污染物的物理化學(xué)特性和環(huán)境行為的不同[21]，而導(dǎo)致不同污染物毒性效應(yīng)的差異[22]。對于苯并芘、熒蒽、毒死蜱和硝基苯這種高分子量的物質(zhì)而言，由于酶可能無法接觸和破壞分子內(nèi)的化學(xué)鍵，這些物質(zhì)往往會抵抗生物降解[23]，并且這4種污染物都屬于疏水性物質(zhì)，它們在水中的溶解度較低，降低了污染物的生物利用度[24]，這可能是鯽對這4種污染物具有較高耐受性的原因。Hg2+和As3+的累積頻率均小于30%，說明鯽對Hg2+和As3+更敏感，其中鯽對Hg2+的SMAV排序第一，累積頻率為0.676%，說明鯽對Hg2+很敏感。

Dyer[25]的研究表明，溫帶、熱帶和冷水魚類之間的敏感性存在一定的差異。一些研究人員假設(shè)，根據(jù)代謝原理，熱帶物種比冷水和溫帶氣候物種更敏感[26，27]。有幾項研究調(diào)查了“冷水和暖水”物種對不同污染物的敏感性[28，29]，然而，沒有一項研究確定熱帶物種比歐洲和北美特有物種或其他經(jīng)常用于評估的試驗物種(如金魚，斑馬魚)更敏感。其它一些研究發(fā)現(xiàn)，冷水區(qū)特有的魚類(鮭科魚)比溫帶地區(qū)的太陽魚(太陽魚科)稍敏感，其次是溫帶和亞熱帶地區(qū)的鱸魚(鱸科)、鯰魚(鯰科)和鯉魚(鯉科)[28，30]。本研究中，冷水魚中的虹鱒魚(Oncorhynchusmykiss)對熒蒽敏感性排序在第二位，而對其他污染物來說溫水魚比冷水魚更敏感，例如青鳉魚(Oryziaslatipes)對硝基苯是第二敏感的物種，這一結(jié)果與我們之前的研究結(jié)論相似[9]。

綜上所述，鯽對以苯并芘、熒蒽、毒死蜱和硝基苯為代表的多環(huán)芳烴、有機磷農(nóng)藥和單環(huán)芳烴的敏感性較低，推測鯽對這些有機污染物可能不敏感，而鯽對Hg2+和As3+的敏感性更高，累積頻率小于30%。Hg2+、As3+(一種類金屬)是劇毒金屬，本研究發(fā)現(xiàn)鯉科魚對這兩種污染物較其他魚類更敏感，鯽作為鯉科的代表性魚類，可作為金屬WQC制定的敏感試驗生物。