兩棲動(dòng)物與魚類對(duì)化學(xué)物質(zhì)急性毒性敏感性的比較

陳宣樾, 熊憶茗, 秦占芬,*

1. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085

2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

近幾十年來(lái),全球兩棲動(dòng)物的種群數(shù)量減少引起了學(xué)術(shù)界和公眾的廣泛關(guān)注[1]。 2020年的評(píng)估數(shù)據(jù)顯示,全球有40%(約6 000 種)的兩棲動(dòng)物處于瀕危狀態(tài)[2]。 有學(xué)者認(rèn)為,兩棲動(dòng)物的瀕危程度比其他脊椎動(dòng)物更嚴(yán)重[3]。 目前一般認(rèn)為,兩棲動(dòng)物種群數(shù)量的減少與棲息地改變、氣候變化、真菌感染以及化學(xué)污染等因素有關(guān)[4]。 化學(xué)物質(zhì)對(duì)兩棲動(dòng)物的毒性作用得到了越來(lái)越多的關(guān)注,相應(yīng)的毒性數(shù)據(jù)也在增加。

魚類是化學(xué)品、農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)水生生物毒性測(cè)試的要求物種,大部分工業(yè)化學(xué)品和農(nóng)藥都有魚類急性毒性的數(shù)據(jù)。 同魚類一樣,兩棲動(dòng)物蝌蚪在水中生活,也面臨著水中化學(xué)物質(zhì)的急性損傷,因此也有不少關(guān)于兩棲動(dòng)物蝌蚪的急性毒性報(bào)道。 一些化學(xué)物質(zhì)對(duì)蝌蚪和魚類的急性毒性比較也有一些早期的實(shí)驗(yàn)研究。 如 Thurston 等[5]研究了10 種化學(xué)物質(zhì)對(duì)牛蛙蝌蚪和魚類的96 h 半致死濃度(96-h half lethal concentration, 96 h-LC50),發(fā)現(xiàn)二者的96 h-LC50接近。 Bridges 等[6]報(bào)道 5 種化學(xué)物質(zhì)對(duì)北方蟾蜍蝌蚪和虹鱒的96 h-LC50,發(fā)現(xiàn)虹鱒對(duì)甲萘威、五氯苯酚和氯菊酯的急性毒性敏感性更強(qiáng),而北方蟾蜍蝌蚪對(duì)4-正壬基酚和銅的敏感性更強(qiáng)。 此外,還有學(xué)者利用數(shù)據(jù)庫(kù)的信息對(duì)更多種的化學(xué)品進(jìn)行分析。 Vaal 等[7]從美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(United States Environmental Protection Agency, US EPA)的資料中獲得了21 種化學(xué)物質(zhì)對(duì)蝌蚪和魚類的LC50,通過主成分分析認(rèn)為魚類和兩棲類的急性毒性敏感性分布接近。 此外,Aldrich[8]通過對(duì)33 種化學(xué)物質(zhì)的分析,得出魚類比蝌蚪更敏感的結(jié)論。 同樣,Weltje等[9]對(duì)55 種化學(xué)物質(zhì)的分析也得到相似的結(jié)論。但總體看來(lái),關(guān)于魚類與兩棲類蝌蚪的急性毒性敏感性的問題還需要利用更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。

為此,本文從常用數(shù)據(jù)庫(kù)檢索文獻(xiàn)報(bào)道的化學(xué)物質(zhì)對(duì)魚類和兩棲動(dòng)物蝌蚪的96 h-LC50,系統(tǒng)比較了2 類生物的急性毒性敏感性,以期為化學(xué)物質(zhì)水生毒性測(cè)試的生物種選擇提供指導(dǎo)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 文獻(xiàn)瀏覽和數(shù)據(jù)采集

研究方案如圖1 所示,以檢索詞匯“amphibians”、“fish”、“LC50”、“morality”在美國(guó)環(huán)境保護(hù)局ECOTOX 數(shù)據(jù)庫(kù)[10](US EPA ECOTOX)中檢索;以“兩棲動(dòng)物”或“魚類”在關(guān)鍵詞中、以“急性毒性”在全文中于中國(guó)知網(wǎng)[11](China National Knowledge Infrastructure, CNKI)、WOS[12](Web of Science)以及PubMed[13](National Library of Medicine)中搜索2020年11月以前的文獻(xiàn)。 對(duì)所有檢索到的數(shù)據(jù)進(jìn)行原始文獻(xiàn)追溯。

圖1 研究流程圖Fig.1 Flow chart of research

隨后按照如下條件進(jìn)行篩選:數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)研究中兩棲動(dòng)物蝌蚪和魚類經(jīng)過半靜態(tài)或靜態(tài)暴露96 h后得到的LC50。 其中兩棲動(dòng)物包含了蝌蚪或幼體的96 h-LC50,魚類則排除了胚胎階段試驗(yàn)獲得的96 h-LC50。

1.2 數(shù)據(jù)分析

同一化學(xué)物質(zhì)對(duì)同類物種有多個(gè)LC50時(shí),取幾何平均數(shù)。 將所有化學(xué)物質(zhì)按照CAS 登錄號(hào)(Chemical Abstract Service Registry Number,CASRN)進(jìn)行分類和匹配。 配對(duì)的96 h-LC50數(shù)值通過Box-Cox 廣義冪變換處理后,進(jìn)行線性擬合(Origin,2018)和皮爾遜相關(guān)分析(Pearson’s correlation, SPSS 2013)。

化學(xué)物質(zhì)的急性毒性按照《全球化學(xué)品統(tǒng)一分類和標(biāo)簽制度》[14]進(jìn)行分級(jí)。 此外,由于收集到的數(shù)據(jù)包含了大量農(nóng)藥的96 h-LC50,因此《化學(xué)農(nóng)藥環(huán)境安全評(píng)價(jià)試驗(yàn)準(zhǔn)則》(GB/T 31270.18—2014)[15]也被納入急性毒性分級(jí)中。 化學(xué)物質(zhì)的急性毒性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。 計(jì)算蝌蚪96 h-LC50等級(jí)與魚類96 h-LC50等級(jí)的差值(D-value)并對(duì)其分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。 D-value=0 表明化學(xué)物質(zhì)對(duì)魚類的急性毒性等級(jí)與蝌蚪相當(dāng),＞0 表明對(duì)魚類的急性毒性等級(jí)高于蝌蚪,例如毒性等級(jí)差異為“3”代表魚類的急性毒性等級(jí)比蝌蚪高了3 級(jí)。

表1 化合物急性毒性等級(jí)劃分Table 1 Cut-off value limit for toxicant magnitude class

進(jìn)一步,對(duì)配對(duì)的LC50進(jìn)行比值比較以分析蝌蚪和魚類的急性毒性敏感性的差異。 計(jì)算蝌蚪96 h-LC50與魚類96 h-LC50的比值(r),比值被按照不同數(shù)量級(jí)被劃分為5 類(0.01,0.1,1,10,100)進(jìn)行分析。比值等于1(r=1)表明化學(xué)物質(zhì)對(duì)魚類的LC50與蝌蚪的LC50的差異在1個(gè)數(shù)量級(jí)以內(nèi),兩者敏感性相當(dāng);比值超過1(r＞10)表明魚類的LC50比蝌蚪低1個(gè)數(shù)量級(jí)以上,敏感性高于蝌蚪;而比值小于1(r＜0.1)表明魚類的LC50比蝌蚪高1個(gè)數(shù)據(jù)量級(jí)以上。

2 結(jié)果(Result)

2.1 物種間96 h-LC50 的相關(guān)性

從常用數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索到371 篇相關(guān)文獻(xiàn),獲得了98 種化學(xué)物質(zhì)對(duì)蝌蚪和魚類的96 h-LC50。 Box-Cox 變換后的配對(duì)數(shù)據(jù)之間存在顯著的相關(guān)性(P＜0.01),2 類生物轉(zhuǎn)換后急性毒性數(shù)據(jù)的擬合公式為y=-0.060+0.824x(Pearson’sr=0.839,圖2),其中x是Box-Cox 轉(zhuǎn)換后蝌蚪的96 h-LC50,y代表了 Box-Cox 轉(zhuǎn)換后魚類的96 h-LC50。

圖2 Box-Cox 轉(zhuǎn)換后兩棲類96 h-LC50 和魚類96 h-LC50 相關(guān)性Fig.2 Correlation between Box-Cox amphibian 96 h-LC50 and fish 96 h-LC50

2.2 急性毒性等級(jí)差異

急性毒性等級(jí)差異(D-value)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。 在 D-value 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中,有 58 種(59.2%)化合物對(duì)蝌蚪和魚類的急性毒性等級(jí)相同。 在急性毒性等級(jí)不同的物質(zhì)中,26 種(26.5%)物質(zhì)對(duì)蝌蚪的急性毒性等級(jí)低于魚類,氯化鎘和全氟辛基磺酸對(duì)蝌蚪的急性毒性等級(jí)低于魚類2 級(jí)。 僅有14 種(14.3%)物質(zhì)對(duì)蝌蚪的等級(jí)高于魚類,其中阿維菌素對(duì)蝌蚪的等級(jí)高于魚類3 級(jí),4-正壬基酚、代森錳鋅、氯化鉀、氯菊酯和納米二氧化鈦這5 種物質(zhì)對(duì)蝌蚪的等級(jí)比魚類高2 級(jí)。

圖3 毒性等級(jí)D-value 的分布注:D-value 等于兩棲類96 h-LC50 急性毒性等級(jí)減去魚類的毒性等級(jí)。Fig.3 D-value distribution of magnitudeNote: D-value is equal to the magnitude of amphibian 96 h-LC50 minus that of fish.

2.3 急性毒性比值差異

如圖4 所示,71 種(72.5%)化學(xué)物質(zhì)對(duì)蝌蚪和魚類LC50的差異在1個(gè)數(shù)量級(jí)以內(nèi)(0.1＜r＜10),27種(27.5%)化合物對(duì)2 類生物的差異超過了1個(gè)數(shù)量級(jí)(r＜0.1,r＞10)。 其中,16 種(16.3%)物質(zhì)對(duì)蝌蚪的LC50比對(duì)魚類的LC50高1個(gè)數(shù)量級(jí)以上(r＞10),六氯乙烷對(duì)蝌蚪的LC50高于魚類2個(gè)數(shù)量級(jí)(r＞100)。 僅 11 種(11.2%)物質(zhì)對(duì)蝌蚪的 LC50比對(duì)魚類的LC50低1個(gè)數(shù)量級(jí)以上(r＜0.1),其中包括了5 種對(duì)蝌蚪LC50低于魚類2個(gè)數(shù)量級(jí)(r＜0.01)的物質(zhì)(阿維菌素、代森錳鋅、氯菊酯、氯化鉀和4-正壬基酚)。

圖4 2個(gè)物種急性毒性比值差異注:(a) 兩物種96 h-LC50 對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的散點(diǎn)圖;(b) 兩物種96 h-LC50 比值(兩棲類96 h-LC50/魚類96 h-LC50)分布統(tǒng)計(jì)。Fig.4 Ratio difference of acute toxicity for amphibians and fishNote: (a) Scatter plot of amphibian 96 h-LC50 and fish 96 h-LC50; (b) Distribution of (96 h-LC50 amphibian/96 h-LC50 fish).

3 討論(Discussion)

通過分析98 種物質(zhì)對(duì)于蝌蚪和魚類的96 h-LC50,發(fā)現(xiàn)蝌蚪與魚類的96 h-LC50在Box-Cox 轉(zhuǎn)換后顯著相關(guān)。 59.2%的化學(xué)物質(zhì)對(duì)2 類生物的急性毒性等級(jí)相同,26.5%的物質(zhì)對(duì)蝌蚪的急性毒性等級(jí)低于魚類;72.5%的化學(xué)物質(zhì)對(duì)2 類生物的96 h-LC50接近,16.3%的物質(zhì)對(duì)蝌蚪的96 h-LC50高于魚類。 總體來(lái)看,蝌蚪的敏感性與魚類基本相當(dāng)或更低。 這與 Vaal 等[7]、Aldrich[8]和 Weltje 等[9]的研究相吻合。 所有化學(xué)物質(zhì)中,僅有14 種物質(zhì)(14.3%)對(duì)蝌蚪的急性毒性等級(jí)高于魚類,11 種(11.2%)物質(zhì)對(duì)蝌蚪的96 h-LC50低于魚類1個(gè)數(shù)量級(jí)以上。 這可能與兩棲動(dòng)物本身的特點(diǎn)有關(guān)[6]。 兩棲動(dòng)物表皮的高滲透性[16]以及相比于其他同營(yíng)養(yǎng)級(jí)更高的轉(zhuǎn)化效率[17]使兩棲動(dòng)物對(duì)某些化學(xué)物質(zhì)更敏感。

在我國(guó)《化學(xué)農(nóng)藥環(huán)境安全評(píng)價(jià)試驗(yàn)準(zhǔn)則》[15]中,要求進(jìn)行早期蝌蚪的急性毒性測(cè)試。 鑒于魚類的急性毒性數(shù)據(jù)能夠基本概括兩棲動(dòng)物蝌蚪的急性毒性數(shù)據(jù),因此進(jìn)行蝌蚪的急性毒性測(cè)試的必要性是有待商榷的。 然而,相對(duì)于早期蝌蚪而言,兩棲動(dòng)物的變態(tài)發(fā)育期更容易受到化學(xué)物質(zhì)的影響[18-21],但兩棲動(dòng)物變態(tài)發(fā)育期急性毒性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)還不夠充分[21],這值得更多的研究。

總之,本研究比較了化學(xué)物質(zhì)對(duì)魚類和兩棲動(dòng)物蝌蚪急性毒性敏感性的差異,發(fā)現(xiàn)魚類對(duì)大部分化學(xué)物質(zhì)急性毒性的敏感性與蝌蚪相當(dāng)或者更高,僅對(duì)大概10%的化學(xué)物質(zhì)的急性毒性敏感性比蝌蚪更低。 因此認(rèn)為魚類急性毒性的數(shù)據(jù)基本可以概括對(duì)兩棲動(dòng)物蝌蚪的急性毒性。 但兩棲動(dòng)物特有的變態(tài)發(fā)育期也值得關(guān)注和研究。 這項(xiàng)研究可以為化學(xué)物質(zhì)水生毒性測(cè)試的生物種選擇提供指導(dǎo)。