Cu2+和Pb2+對石蠶蛾幼蟲的急毒性研究

林啟福 陳海峰 BillyK.Y.Kwan

摘要 [目的]研究Cu2+和Pb2+對石蠶蛾幼蟲的急毒性效應和安全濃度。[方法]從廣西十萬大山保護區(qū)采集石蠶蛾（Stenopsyche marmorata）幼蟲，采用靜水生物毒性試驗法進行重金屬離子Cu2+和Pb2+對其的急毒性試驗。采用概率單位法分別計算Cu2+和Pb2+對石蠶蛾幼蟲的半致死濃度和安全濃度。[結果]Cu2+對石蠶蛾幼蟲的24、48、72、96 h的半致死濃度（LC50）分別為123.651、112.975、84.536和70.509 mg/L，Pb2+對石蠶蛾幼蟲的24、48、72、96 h的半致死濃度（LC50）分別為49.138、41.878、30.735和29.245 mg/L。Cu2+和Pb2+對石蠶蛾幼蟲的安全濃度分別為7.051和2.925 mg/L。[結論]研究結果可為將石蠶蛾幼蟲用作水體重金屬污染指示生物提供科學依據。

關鍵詞 石蠶蛾；Cu2+；Pb2+；急毒性；半致死濃度

中圖分類號 X174 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）18-0051-03

Abstract [Objective] To study the acute toxicity effects and safe concentration of Cu2+ and Pb2+ on Stenopsyche marmorata larvae. [Method] S. marmorata larvae were collected from the stream of Shiwan Mountains. Acute toxicity test of Cu2+ and Pb2+ ions were carried out by using the hydrostatic toxicity test method. [Result] Using probit method，LC50 of Cu2+ and Pb2+ on S. marmorata larvae at 24，48，72 and 96 h were calculated as 123.651， 112.975， 84.536， 70.509 mg/L and 49.138，41.878，30.735，29.245 mg/L， respectively. The safety concentrations of Cu2+and Pb2+ on S. marmorata larvae were 7.051 mg/L and 2.925 mg/L， respectively. [Conclusion] The research results can provide scientific basis for S. marmorata larvae as a biological indicator for monitoring heavy metal pollution.

Key words Stenopsyche marmorata；Cu2+；Pb2+；Acute toxicity；Semilethal concentration

重金屬污染是水體環(huán)境污染之一，不僅影響著水生動植物的正常生長，而且經過食物鏈中的生物聚集效應使其進入人體個別器官中，嚴重威脅著人類的生活健康[1]。隨著工業(yè)化進程的不斷加快，水體重金屬的污染對人類造成的威脅日益嚴重。若要消除或減輕重金屬對水體生態(tài)環(huán)境的污染影響，如果只是采取污染后再治理的對策，就與目前提倡的生態(tài)環(huán)境與人類共存，堅持生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的理念相違背，因此，不僅要及時地治理水體污染，而且要采取生物監(jiān)測的手段來共同維護環(huán)境生態(tài)健康[2-5]。由于水生昆蟲幼蟲體型偏小，種群數量大，生存時間久，忍受范圍廣，加之其活動的范圍與魚類相比較小，監(jiān)測水體環(huán)境中的重金屬污染非常靈敏，逐漸開發(fā)出利用水生昆蟲作為水體重金屬污染指示生物的研究方法[6-8]。國內利用水生昆蟲作為環(huán)境監(jiān)測指示生物這一研究領域起步較晚。用于水體重金屬檢測的昆蟲主要集中在雙翅目的搖蚊科、蚊科及蜉蝣目的蜉蝣科，其中以搖蚊科的研究最為深入[9-11]。搖蚊科和蜉蝣科昆蟲主要生長在溫度較高的春夏季，生活史較短，因此大大限制了水污染的檢測時期。目前，用于重金屬檢測的昆蟲主要有彈尾目[12]、毛翅目[13]、鞘翅目[14]、鱗翅目[15-16]等，涉及到的金屬包括Cd、Zn、Cu、Pb、Hg等。

筆者采用硫酸銅、三水合醋酸鉛作為重金屬離子Cu2+、Pb2+的來源，采用靜態(tài)試驗法對毛翅目昆蟲石蠶蛾（Stenopsyche marmorata）幼蟲進行急毒性研究，探討Cu2+和Pb2+對石蠶蛾幼蟲的急毒性效應和安全濃度，旨在為利用石蠶蛾幼蟲對重金屬的敏感性評價和重金屬污染治理提供數據支持，為利用石蠶蛾快速評價水體重金屬污染狀況提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗動物

從廣西壯族自治區(qū)防城港市上思縣十萬大山保護區(qū)溪流中采集石蠶蛾（Stenopsyche marmorata）幼蟲，運回實驗室后，置于去離子水中過夜，備用，第2天挑選出健康的、個體大小均勻的幼蟲進行試驗，石蠶蛾幼蟲平均長度約為1.44 cm，平均重量約為15.3 mg。

1.2 試劑 CuSO4·5H2O和（CH3COO）2Pb·3H2O均為分析純，用去離子水配成所需濃度的溶液。

1.3 試驗方法

1.3.1 預試驗。分別設置濃度為1、25、50、75、100 mg/L的含 Cu2+和 Pb2+的溶液試驗組，每組內放入8條石蠶蛾幼蟲，采用靜態(tài)方式進行試驗，試驗持續(xù)96 h，每隔12 h記錄魚缸內死亡的石蠶蛾幼蟲數，并及時取出死亡的幼蟲。計算 Cu2+和Pb2+對石蠶蛾幼蟲24 h的最大耐受濃度和96 h的100%致死濃度。

1.3.2 正式試驗。通過預試驗得到 Cu2+和Pb2+對石蠶蛾幼蟲24 h的最大耐受濃度分別為 50和25 mg/L，96 h的100%致死濃度分別為100和50 mg/L。分別在該濃度范圍內設置6個濃度梯度，每個試驗濃度設置3個平行組，同時設置1個空白對照組。每組內隨機放入大小長度一致、活力好且健康的石蠶蛾幼蟲8條。試驗用水為去離子水，微充氣。每隔 24 h觀察1次，持續(xù) 96 h，試驗過程中隨時打撈起死亡的個體，觀察并記錄死亡條數，以幼蟲身體癱軟，外界給予刺激無反應，打撈離開水后短時間內依然沒有任何蠕動作為死亡認定標準。

1.4 數據處理

采用概率單位法[17]，運用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件對試驗數據進行統(tǒng)計與分析，分別求出24、48、72、96 h的半致死濃度（LC50）。

2 結果與分析

2.1 急毒性效應分析

從圖1、2可以看出，在各個時間段Cu2+濃度對石蠶蛾幼蟲的死亡率都有極顯著影響（P<0.01）。與對照組相比，當Cu2+濃度大于80 mg/L時，在各個時間段均對石蠶蛾幼蟲的死亡率有顯著影響（P<0.05）；當作用時間達到96 h，各濃度的Cu2+均對石蠶蛾幼蟲的死亡率產生顯著影響（P<0.05）。

從圖3、4可以看出，在各個時間段Pb2+濃度對石蠶蛾幼蟲的死亡率也都有極顯著影響（P<0.01）。與對照組相比，

24 h，當Pb2+濃度大于35 mg/L時，對石蠶蛾幼蟲的死亡率

有顯著影響（P<0.05）；48 h，當Pb2+濃度大于30 mg/L時，對石蠶蛾幼蟲的死亡率有顯著影響（P<0.05）；72和96 h，當Pb2+濃度大于25 mg/L時，對石蠶蛾幼蟲的死亡率有顯著影響（P<0.05）；當作用時間大于72 h時，各濃度的Pb2+均對石蠶蛾幼蟲死亡率有顯著影響（P<0.05）。

2.2 濃度與死亡率的回歸分析

從表1可以看出，Pb2+在24、48、72和 96 h時對石蠶蛾幼蟲的半致死濃度（LC50值）分別為49.138、41.878、30.735和29.245 mg/L，而在同樣的作用時間下Cu2+的LC50值分別為123.651、112.975、84.536和70.509 mg/L。根據安全濃度Sc =0.1 ×96 h LC50公式[18]，求得Cu2+和Pb2+對石蠶蛾幼蟲的安全質量濃度分別為7.051和 2.925 mg/L。通過對比發(fā)現，Pb2+對石蠶蛾幼蟲的毒性作用要強于Cu2+。隨著作用時間的延長，Cu2+和Pb2+對石蠶蛾幼蟲的半致死濃度均表現出逐漸降低的趨勢。

3 討論與結論

毛翅目昆蟲石蠶蛾（Caddisfly）幼蟲為水棲性，常棲息在較清澈的河流，對水質污染敏感，特別是對多種重金屬有較強的體內蓄積能力，可作為水體環(huán)境指示生物。石蠶蛾幼蟲因具有以下優(yōu)點：①水生昆蟲石蠶蛾幼蟲對重金屬離子有著很強的累積能力，作為水體重金屬污染指示生物有著先天優(yōu)勢。②石蠶蛾幼蟲在河川底利用小石、樹葉、木片等結網生息，其活動半徑非常狹小，可以很好地反映當地采樣區(qū)域的水環(huán)境狀況。③石蠶蛾的生長發(fā)育溫度在5～28 ℃，可終年在大多數河流中生息，所以具有不受季節(jié)氣候等限制，隨時采樣隨時調查的其他昆蟲所不能比的巨大優(yōu)勢[19]。

重金屬對生物的毒性主要是由于它能與生物體的金屬硫基蛋白結合，使蛋白質變性，致畸、致癌或致突變[20]。水生毛翅目昆蟲石蠶蛾對重金屬儲存積累的能力強，反應靈敏，耐受范圍比較廣，將其作為一種水體重金屬污染指示生物，快速準確評價河川的重金屬污染狀況具有重要的生態(tài)意義。該試驗結果表明，Pb2+和Cu2+對石蠶蛾幼蟲的半致死濃度分別為49.138、41.878、30.735、29.245 mg/L和123.651、112.975、84.536和 70.509 mg/L。在各個時間段Pb2+表現出來的毒性都要強于Cu2+。該試驗結果與國內外有關學者報道的Cu2+和Pb2+對水生雙翅目昆蟲幼蟲的急毒性效應較為一致。Béchard等[21]報道，Pb2+對搖蚊幼蟲的48 h LC50值為50 mg/L。Lagrana等[22]研究表明Pb2+對搖蚊幼蟲的96 h LC50值為38.47 mg/L。李浩[23]測得Cu2+對羽搖蚊幼蟲96 h的LC50值為91 mg/L。

石蠶種屬豐富多樣，不同的重金屬對重金屬的敏感度不同，比如該研究選用的研究對象S.marmorata 表現出對Pb2+敏感性要強于Cu2+。慢性金屬脅迫和急性金屬脅迫對同一種屬的石蠶蛾也可能會存在差別。今后可開展不同種屬不同脅迫形式下重金屬對石蠶生命力的影響，研究重金屬在石蠶體內的富集和對能量物質代謝的影響，對于全面掌握石蠶幼蟲在水質重金屬檢測方面會有所幫助。

參考文獻

[1] 劉建明.水體中主要污染物對水生生物的影響[J].四川環(huán)境，2015，34（4）：69-72.

[2] 曾思明.生物監(jiān)測及其在環(huán)境監(jiān)測中的應用效果研究[J].企業(yè)技術開發(fā)，2016，35（8）：49-50.

[3] 王美垚，管建洪.水域生物監(jiān)測研究進展[J].安徽農業(yè)科學，2015，43（9）：257-260.

[4] 常晉娜，瞿建國.水體重金屬污染的生態(tài)效應及生物監(jiān)測[J].四川環(huán)境，2005，24（4）：29-33.

[5] 曾麗璇，陳桂珠，余日清，等.水體重金屬污染生物監(jiān)測的研究進展[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術，2003，15（3）：12-15.

[6] 薛建，安正帥，牛長纓，等.水生雙翅目昆蟲監(jiān)測水體重金屬污染的研究[J].昆蟲知識，2008，45（3）：378-383.

[7] 黃小清，蔡篤程.水生昆蟲在水質生物監(jiān)測與評價中的應用[J].華南熱帶農業(yè)大學學報，2006，12（2）：72-75.

[8] 徐希蓮.水生昆蟲與水質的生物監(jiān)測[J].萊陽農學院學報，2001，18（1）：66-70.

[9] 鄧鑫，PETTIGROVE V，楊小南，等.搖蚊幼蟲對沉積物中重金屬復合污染評估[J].生態(tài)學雜志，2014，33（3）：680-686.

[10] 姜東生，石小榮，崔益斌，等.3 種典型污染物對水生生物的急性毒性效應及其水質基準比較[J].環(huán)境科學，2014，35（1）：279-285.

[11]劉曼紅，張譯文，湯穎，等.Hg2+脅迫對花翅搖蚊（Chironomus kilensis）幼蟲組織三種酶活性影響[J].東北農業(yè)大學學報，2016，47（2）：61-66.

[12] NURSITA A I，SINGH B，LEES E.The effects of cadmium，copper，lead，and zinc on the growth and reproduction of Proisotoma minuta Tullberg（Collembola）[J].Ecotoxicol Environ Saf，2005，60（3）：306-314.

[13] TOCHIMOTO H，MAKI T，AFZAL M，et al.Accumulation of trace metals in aquatic insect Stenopsyche marmorata Navas transferred in streams[J].Ecotoxicol Environ Saf，2003，56（2）：256-264.

[14] ZVEREVA E，SEREBROV V，GLUPOV V，et al.Activity and heavy metal resistance of nonspecific esterases in leaf beetle Chrysomela lapponica from polluted and unpolluted habitats[J].Comp Biochem Physiol Part C：Toxicol Pharmacol，2003，135（4）：383-391.

[15] BAGATTO G，SHORTHOUSE J D.Accumulation of Cu and Ni in successive stages of Lymantria dispar L.（Lymantriidae，Lepidoptera）near ore smelters at Sudbury，Ontario，Canada[J].Environ Pollut，1996，92（1）：7-12.

[16] LASKOWSKI R.Why shortterm bioassays are not meaningfuleffects of a pesticide（Imidacloprid）and a metal（cadmium）on pea aphids（Acyrthosiphon pisum Harris）[J].Ecotoxicology，2001，10（3）：177-183.

[17] 周一平.用SPSS軟件計算新藥的LD50[J].藥學進展，2003，27（5）：314-316.

[18] 楊建華，宋維彥.3種重金屬離子對中華鳑鲏魚的急性毒性及安全濃度研究[J].安徽農業(yè)科學，2010，38（23）：12481-12482.

[19] 葉寒青，楊祥良，周井炎，等.環(huán)境污染物鎘毒性作用機理研究進展[J].廣東微量元素科學，2001，8（3）：9-12.

[20] 相澤省一，角田欣一，赤塚昌義，等.用石蠶作為重金屬污染環(huán)境指示生物的評價[J].日本水生化學，1994（43）：865-871.

[21] BCHARD K M，GILLIS P L，WOOD C M.Acute toxicity of waterborne Cd，Cu，Pb，Ni，and Zn to firstinstar Chironomus riparius larvae[J].Archives of environmental contamination and toxicology，2008，54（3）：454-459.

[22] LAGRANA C C，APODACA D C，DAVID C P C.Toxicity of Cu2+，Cd2+ and Pb2+ metal ions in Chironomids and factors that affect metal accumulation[C]//Proceedings of international conference on environment science and engineering（ICESE 2011）.Bali Island，Indonesia：ICESE，2011：9-13.

[23] 李浩.銅和鎘對羽搖蚊幼蟲（Chironomus plumosus）和紅裸須搖蚊幼蟲（Propsilocerus akamusi）的毒性效應[D].武漢：華中農業(yè)大學，2012.