我國(guó)15 種典型土壤中菲對(duì)白符跳的毒性閾值及其預(yù)測(cè)模型

馮獻(xiàn)捷，王 冕，韓東錦，侯 紅，趙 龍，左曉俊1

1. 南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044

2. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

多環(huán)芳烴(PAHs)是一種典型的持久性有機(jī)污染物，廣泛分布在環(huán)境中，由于其“三致”效應(yīng)受到廣泛關(guān)注[1]. 環(huán)境中的PAHs 來(lái)源廣泛，其中燃煤和石油等化石燃料的焚燒是其主要來(lái)源[2-3]. PAHs 在各種環(huán)境介質(zhì)中長(zhǎng)期累積，其中土壤承擔(dān)了環(huán)境中90%以上的PAHs 負(fù)荷[4]. 16 種優(yōu)先控制黑名單中的PAHs 在我國(guó)農(nóng)用地和工業(yè)用地土壤中均有檢出，其中菲(Phe)和熒蒽的檢出率最高[5-6]. Phe 是3 個(gè)苯環(huán)以彎接的方式排列組成的稠環(huán)芳烴，在我國(guó)耕層土中的含量介于n.d.(未檢出)~782 ng/g 之間[7]，是PAHs 的主要成分之一. Phe 擁有穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)和高辛醇-水分配系數(shù)等特性，易在環(huán)境中富集，進(jìn)入土壤環(huán)境后會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，從而降低農(nóng)作物品質(zhì)[8]；如果Phe進(jìn)入動(dòng)植物和人類(lèi)的體內(nèi)，將導(dǎo)致生物體中的自由基和超氧化陰離子增加，進(jìn)而損傷動(dòng)植物的抗氧化防護(hù)結(jié)構(gòu)，最終造成DNA 損傷，并為人體帶來(lái)致癌風(fēng)險(xiǎn)[9-11].

跳蟲(chóng)是一種典型的土壤無(wú)脊椎動(dòng)物，在土壤環(huán)境中廣泛分布[12]. 由于跳蟲(chóng)在土壤中的特殊地位和功能，其群落結(jié)構(gòu)和種群特征多年來(lái)一直被作為土壤質(zhì)量評(píng)估的指標(biāo)，隨著近些年各種環(huán)境污染問(wèn)題的不斷提出與重視，跳蟲(chóng)也逐步用于重金屬、農(nóng)藥及污染物的毒性評(píng)估中[13]. 跳蟲(chóng)分布廣泛，種類(lèi)繁多，其中白符跳(Folsomia candida)由于具有繁殖周期短、生長(zhǎng)速度快的特性，在針對(duì)某些化學(xué)污染物時(shí)，相較于節(jié)跳(Isotomidae)具有更高的敏感度與耐受性[14]，近年來(lái)已在對(duì)污染環(huán)境的生態(tài)評(píng)估研究中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并且已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)規(guī)定為模式生物.

PAHs 毒性閾值研究能夠?yàn)橥寥繮AHs 環(huán)境基準(zhǔn)值的制定提供依據(jù). 目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于PAHs 對(duì)植物與土壤無(wú)脊椎動(dòng)物開(kāi)展了相關(guān)毒性閾值研究，例如，Henner 等[15]在外源添加PAHs 的土壤中培養(yǎng)盧珊豆，以探究土壤中PAHs 對(duì)盧珊豆生長(zhǎng)及種子萌發(fā)的抑制作用；崔春燕等[16]研究發(fā)現(xiàn)，土壤外源添加Phe 對(duì)赤子愛(ài)勝蚓(Eisenia foetida)7 d 和14 d 的LC50值分別為88.01 和60.96 mg/kg，但國(guó)內(nèi)關(guān)于Phe 對(duì)白符跳的毒性閾值研究非常缺乏，且已開(kāi)展的研究?jī)H限于單一土壤或人工土壤，忽略了不同類(lèi)型土壤可能對(duì)PAHs 毒性產(chǎn)生的差異[17-18]. 已有相關(guān)研究[19-21]表明，土壤的理化性質(zhì)(有機(jī)質(zhì)含量、pH、CEC、黏粒等)會(huì)對(duì)其中PAHs 的生物有效性及毒性產(chǎn)生影響.因此，在進(jìn)行具體土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估或制定普適性土壤標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需綜合考慮土壤理化性質(zhì)的影響[22].

本研究以白符跳(Folsomia candida)為研究對(duì)象，參照ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方法指南[23]，以個(gè)體水平的死亡率和繁殖率作為測(cè)試終點(diǎn)，選用我國(guó)15 種具有一定代表性且理化性質(zhì)差異明顯的土壤作為供試土壤，以外源添加不同含量Phe 的染毒方式，研究白符跳的毒性閾值并建立基于土壤理化性質(zhì)的毒性預(yù)測(cè)模型，以積累和完善PAHs 的毒性數(shù)據(jù)，為我國(guó)PAHs 土壤生態(tài)基準(zhǔn)和生態(tài)篩選值的制定提供依據(jù)和參考.

1 材料與方法

1.1 供試土壤

選取并采集了理化性質(zhì)不同的15 種表層(0~20 cm)農(nóng)田土壤作為供試土壤，分別為山東潮土(SDC)、寧夏灰鈣土(NXH)、湖北水稻土(HBS)、山西大同栗鈣土(SXL)、重慶紫色土(CQZ)、廣東紅壤(GDH)、河南潮土(HNC)、河北潮土(HBC)、云南黃紅壤(YNH)、吉林黑土(JLH)、江蘇水稻土(JSS)、海南磚紅壤(HNH)、江西紅壤(JXH)、黑龍江黑土(HLJH)、安徽黃棕壤(AHH). 供試土壤在使用前進(jìn)行預(yù)處理，自然風(fēng)干后先剔除土壤中的石塊與植物根系，過(guò)2 mm 篩后再測(cè)定土壤理化性質(zhì)(pH 以及土壤黏土含量、有機(jī)質(zhì)、鐵、錳、鋁含量).

具體測(cè)定方法：土壤pH 是用0.01 mol/L CaCl2按照土水比為1∶5 的條件振蕩0.5 h 后采用pH 計(jì)(梅特勒-托利多FE28 -Standard)測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)(OM)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定[24]；碳酸鈣含量采用氣量法進(jìn)行測(cè)定；陽(yáng)離子交換量(CEC)采用EDTA銨鹽法測(cè)定；土壤中鐵、錳、鋁含量采用濕式消解法(HF-HClO4-HNO3)測(cè)定；經(jīng)草酸銨和草酸緩沖溶液提取后使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，Agilent7500)測(cè)定土壤中非晶質(zhì)氧化鐵(Fe非晶質(zhì))、非晶質(zhì)氧化鋁(Al非晶質(zhì))、非晶質(zhì)氧化錳(Mn非晶質(zhì))和晶質(zhì)氧化鐵(Fe晶質(zhì))的含量；土壤黏土含量使用吸管法測(cè)定.

1.2 供試白符跳

供試白符跳(Folsomia candida)由中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所提供，已在筆者所在課題組的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)超過(guò)5 年. 參照ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)指南[23]，將白符跳飼養(yǎng)在特制的培養(yǎng)基(活性炭與熟石膏質(zhì)量比為1∶9)中. 制作培養(yǎng)基時(shí)應(yīng)在石膏凝固前用刀在其表面劃出劃痕，便于跳蟲(chóng)產(chǎn)卵[25]. 飼養(yǎng)條件使用人工氣候箱(SPX-450 型，寧波賽福試驗(yàn)儀器有限公司)控制飼養(yǎng)溫度為(20±1) ℃，光照與黑暗比為16 h∶8 h(光照強(qiáng)度為400~800 lx)，空氣濕度為75%. 每周補(bǔ)充少量干酵母兩次并添加蒸餾水以保持培養(yǎng)基的水分含量.

正式試驗(yàn)中，不同白符跳的蟲(chóng)齡以及大小差異會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響[26]，因此，正式試驗(yàn)前需對(duì)跳蟲(chóng)進(jìn)行同齡化培養(yǎng). 將個(gè)體大小接近的成蟲(chóng)轉(zhuǎn)移到新的培養(yǎng)基上產(chǎn)卵，幼蟲(chóng)孵化后移走成蟲(chóng)，得到10~12 d大的同齡幼蟲(chóng)用于毒性試驗(yàn).

1.3 土壤外源Phe 添加

將稱(chēng)量好的Phe 標(biāo)樣(純度96%)溶解在適當(dāng)?shù)谋芤褐?，待樣品充分溶解后倒入土壤中并攪拌均勻，?duì)照組只加入丙酮. Phe 的添加量設(shè)置為10、20、50、100、200 mg/kg，外源添加Phe 后的土壤放入通風(fēng)櫥中穩(wěn)定48 h，加入適量蒸餾水將土壤濕度調(diào)節(jié)至最大持水量的60%. 同時(shí)，以未添加Phe 的土壤作為空白對(duì)照.

1.4 白符跳毒性試驗(yàn)

稱(chēng)取30 g 外源添加Phe 的潮濕土壤于有機(jī)玻璃杯(直徑8 cm，高12 cm)中，加入10 只同齡化培養(yǎng)的10~12 d 的跳蟲(chóng)，Phe 添加量范圍為10~200 mg/kg，并添加一組空白對(duì)照，每個(gè)處理設(shè)置4 個(gè)重復(fù)，加入約2 mg 干酵母后加蓋放入人工氣候箱中培養(yǎng)28 d，培養(yǎng)條件同跳蟲(chóng)飼養(yǎng)的條件. 每3 d 開(kāi)蓋換氣并適當(dāng)補(bǔ)充干酵母并清理發(fā)霉的酵母，利用稱(chēng)重法補(bǔ)充去離子水以保證土壤濕度. 28 d 培養(yǎng)結(jié)束后將有機(jī)玻璃杯中的所有內(nèi)容物傾倒于500 mL 的燒杯中，在燒杯中加入200 mL 自來(lái)水并滴入幾滴藍(lán)黑色墨水(白符跳體色偏淺色，滴入藍(lán)黑色墨水后便于觀察白符跳)，利用玻璃棒由下至上輕輕攪拌，由于存活的個(gè)體表面會(huì)分泌油脂，使其可以漂浮在水面上，攪拌后靜置1~2 min，待存活的成蟲(chóng)與幼蟲(chóng)浮出水面，拍照后利用Image J 軟件[27]對(duì)白符跳存活和繁殖數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù).

1.5 土壤中Phe 的提取與測(cè)定

基于混合有機(jī)溶劑(正己烷與丙酮的體積比為1∶1，下同)提取土壤中的Phe：土壤中Phe 的提取方法參照EPA 3545A 法[28]，稱(chēng)取3 g 土壤樣品與10 g 石英砂，混合后加入到20 mL 萃取池中. 使用混合有機(jī)溶劑，在100 ℃、120 r/min 的條件下于快速萃取儀(E916，瑞士步琦公司)中萃取10 min，每個(gè)樣品萃取兩次，萃取液濃縮至1 mL，經(jīng)硅膠柱(SPE，上海禹熠儀器有限公司)凈化后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至1 mL，待測(cè).使用配備毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm 內(nèi)徑，0.25 mm 膜厚)的GC-MS(7890B-5977B 型，美國(guó)安捷倫公司)測(cè)定Phe 添加量，載氣為He(純度≥99.999%)，流量為1 mL/min；進(jìn)樣口溫度為290 ℃，接口溫度280 ℃，柱溫為80 ℃，以6 ℃/min 的速率升溫至290 ℃，保持5 min. 定性分析采用全掃描方式，質(zhì)量掃描范圍為15~500 amu；定量分析采用選擇性離子檢測(cè)法(SIM).為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，每10 個(gè)樣品進(jìn)行重復(fù)樣本分析，Phe 的標(biāo)記回收率為87%~115%.

基于羥丙基-β-環(huán)糊精(HPCD)提取土壤中的Phe：HPCD 提取方法參照Khan 等[29]的研究并略作修改.使用去離子水制備50 mmol/L HPCD 溶液(純度98%，上海源葉生物科技有限公司). 稱(chēng)取2 g 土壤樣品于離心管(n=3)中，并向每個(gè)離心管中加入25 mL HPCD溶液. 首先將離心管放置在恒溫振蕩器上于25 ℃、150 r/min 的條件下振蕩20 h，然后以3 000 r/min 的轉(zhuǎn)速離心10 min，上清液通過(guò)0.45 μm Whatman 過(guò)濾器. 從HPCD 提取物中重新提取Phe，先將10 mL HPCD 提取液與10 mL 不混溶的溶劑正己烷混合，并快速振蕩30 s，然后在室溫下離心. 接著向混合液中添加無(wú)水MgSO4干燥，并將干燥后獲得的有機(jī)相通過(guò)0.45 μm Whatman 過(guò)濾器過(guò)濾. 有機(jī)萃取溶液在通風(fēng)櫥中干燥以除去有機(jī)溶劑，殘留物重新溶解在1 mL甲醇中，并在HPLC 定量分析之前用甲醇進(jìn)一步稀釋. HPLC 分析使用安捷倫1100 系列液相色譜儀(美國(guó))和ODS 色譜柱(Hypersil 100 mm×4.6 mm，5 μm填料)；流動(dòng)相為乙腈和水；進(jìn)樣量10 μL，柱溫35 ℃，流速1 mL/min. HPLC 定量分析通過(guò)外標(biāo)法定量濃度，用于色譜分析的溶劑為HPLC 級(jí)，HPCD 萃取Phe 的標(biāo)記回收率為80.8%~102.6%.

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究中Phe 對(duì)白符跳繁殖的EC50利用以下方程推導(dǎo)：

式中：y為不同處理濃度所對(duì)應(yīng)的繁殖數(shù)量，只；x為測(cè)得的Phe 添加量，mg/kg；a為不同濃度處理的對(duì)照組中白符跳繁殖數(shù)量，只；x0為EC50值，mg/kg；b為方程擬合過(guò)程中所產(chǎn)生的斜率參數(shù). 該方程的擬合利用SigmaPlot14.0 軟件進(jìn)行，不同土壤理化性質(zhì)與Phe 毒性閾值間的相關(guān)關(guān)系利用Pearson 相關(guān)性分析確定，且Pearson 相關(guān)性分析利用IBM SPSS Statistics 軟件確定.基于土壤理化性質(zhì)的PAHs 對(duì)白符跳毒性閾值的毒性預(yù)測(cè)模型利用多元逐步回歸分析方法建立，使用OriginPro 2018 和Excel 2018 軟件進(jìn)行所有圖表的制作.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

15 種受試土壤的理化性質(zhì)如表1 所示. 由表1可見(jiàn)：15 種土壤中均未檢出Phe；土壤pH 變化范圍為5.23~9.05，其中南方紅壤土(廣東紅壤、江西紅壤、海南磚紅壤等)pH 較低，普遍呈酸性，北方潮土與灰鈣土(山東潮土、河北潮土、寧夏灰鈣土)pH 較高，普遍呈堿性；土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍為1.96~49.6 g/kg，差異較大，其中黑土與水稻土(黑龍江黑土、吉林黑土、湖北水稻土)中土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，而在潮土與灰鈣土(河北潮土、山東潮土、寧夏灰鈣土)中土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低；陽(yáng)離子交換量(CEC)為3.61~20.6 cmol/kg；黏粒(粒徑<0.002 mm)占比為5.34%~39.94%；土壤晶質(zhì)鐵含量為4.11~79.08 g/kg，其中紅壤(海南磚紅壤、江西紅壤)中土壤晶質(zhì)鐵含量顯著高于潮土(河北潮土、河南潮土、山東潮土)；其他理化性質(zhì)如碳酸鈣含量、土壤非晶質(zhì)鐵(Fe非晶質(zhì))、土壤非晶質(zhì)錳(Mn非晶質(zhì))、土壤非晶質(zhì)鋁(Al非晶質(zhì))與土壤晶質(zhì)鐵(Fe晶質(zhì))含量也有較大差異.

表1 15種供試土壤的理化性質(zhì)Table1 The basic physicochemical properties of tested soils

2.2 不同土壤中Phe 對(duì)白符跳毒性效應(yīng)和閾值的差異

對(duì)試驗(yàn)后存活成蟲(chóng)數(shù)量的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)土壤中白符跳存活數(shù)量與Phe 添加量之間的量效關(guān)系不顯著. 當(dāng)Phe 添加量為200 mg/kg 時(shí)，白符跳成蟲(chóng)的存活與對(duì)照組差異顯著的情況僅發(fā)生在有機(jī)質(zhì)含量較低的土壤中，如河南潮土、河北潮土、江西紅壤等，其余土壤中成蟲(chóng)存活數(shù)量與Phe 添加量之間未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化. 試驗(yàn)28 d 后白符跳成蟲(chóng)的整體存活率超過(guò)50%，對(duì)照組成蟲(chóng)數(shù)量均超過(guò)80%，數(shù)據(jù)符合ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但是數(shù)據(jù)之間變異性較大，且未呈現(xiàn)出顯著的量效關(guān)系，無(wú)法計(jì)算Phe 對(duì)白符跳存活的LC50值，在此結(jié)果不做展示.

對(duì)試驗(yàn)后存活幼蟲(chóng)的數(shù)量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，不同土壤中白符跳的繁殖率與Phe 添加量之間具有明顯的量效關(guān)系(見(jiàn)圖1). 對(duì)比不同土壤中Phe 對(duì)白符跳的毒性效應(yīng)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：兩種黑土的對(duì)照組幼蟲(chóng)數(shù)量顯著高于紅壤與黃棕壤的對(duì)照組幼蟲(chóng)數(shù)量，這可能與較低的土壤pH 不適于跳蟲(chóng)生存有關(guān). 當(dāng)土壤中Phe 添加量較低時(shí)，大部分土壤中幼蟲(chóng)數(shù)量變幅較小；但當(dāng)土壤中Phe 添加量超過(guò)50 mg/kg 時(shí)，幾乎所有土壤都隨著Phe 添加量增加而呈現(xiàn)幼蟲(chóng)數(shù)量明顯下降的趨勢(shì)，其中在山東潮土、江蘇水稻土、云南黃紅壤和寧夏灰鈣土中幼蟲(chóng)數(shù)量下降趨勢(shì)更加顯著；在Phe 添加量達(dá)到最大值時(shí)，除黑龍江黑土、吉林黑土與廣東紅壤中還有部分白符跳幼蟲(chóng)存活外，其余土壤中只有極少量幼蟲(chóng)存活，且存活的幼蟲(chóng)也出現(xiàn)應(yīng)激性減弱、活性差等現(xiàn)象. 整體而言，經(jīng)28 d 的毒性試驗(yàn)后15 種土壤中白符跳繁殖的幼蟲(chóng)數(shù)量與Phe 添加量之間具有明顯的量效關(guān)系，但變化趨勢(shì)不同. 通過(guò)計(jì)算得出，基于混合溶劑提取的Phe 實(shí)測(cè)值推導(dǎo)的白符跳繁殖的EC50值范圍為21.09~99.50 mg/kg，其最高值是最低值的4.72 倍(見(jiàn)表2).

圖1 暴露28 d 后不同土壤中Phe 對(duì)白符跳繁殖數(shù)量的差異Fig.1 The reproduction the number of Folsomia candida after 28 days of exposure in different soils

表2 基于混合有機(jī)溶劑提取的Phe 實(shí)測(cè)值和基于HPCD 提取的Phe 實(shí)測(cè)值推導(dǎo)的白符跳繁殖的EC50 值Table 2 The EC50 values of Phe for the reproduction of Folsomia cnadida based on mixed organic solvent extracted Phe and HPCD ertracted Phe

2.3 基于土壤理化性質(zhì)的Phe 對(duì)白符跳繁殖的EC50預(yù)測(cè)模型

將表2 中基于混合有機(jī)溶劑提取的Phe 實(shí)測(cè)值推導(dǎo)的EC50值與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)Phe 對(duì)白符跳繁殖的毒性閾值與土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤黏粒占比均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.923(P<0.01)、0.656(P<0.05)；與土壤pH 呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為——0.590(P<0.05). Pearson 相關(guān)性分析也表明除這3 種土壤理化性質(zhì)外，基于混合有機(jī)溶劑提取的Phe 實(shí)測(cè)值推導(dǎo)的EC50值與其他理化性質(zhì)間的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平. 基于這3 種相關(guān)性較好的土壤理化性質(zhì)，利用多元逐步回歸分析方法建立毒性預(yù)測(cè)模型，在單一因子的模型構(gòu)建過(guò)程中土壤有機(jī)質(zhì)含量是影響Phe 對(duì)白符跳繁殖的EC50值最重要的單一因子，解釋了不同土壤之間EC50值84.0%的差異（見(jiàn)表3）. 在構(gòu)建毒性預(yù)測(cè)模型的過(guò)程中也嘗試將土壤黏粒與pH 這2 個(gè)因子引入，但是在建立回歸方程時(shí)發(fā)現(xiàn)這2 個(gè)因子并不能更好地對(duì)不同土壤之間的EC50值進(jìn)行解釋. 基于混合有機(jī)溶劑提取的Phe 實(shí)測(cè)值推導(dǎo)的EC50值與利用回歸模型預(yù)測(cè)的EC50值之間相關(guān)性達(dá)到了R2=0.921 的水平(見(jiàn)圖2).

圖2 基于混合有機(jī)溶劑提取的Phe 實(shí)測(cè)值推導(dǎo)的EC50 值與利用回歸模型預(yù)測(cè)的EC50 值間的相關(guān)關(guān)系Fig.2 The correlation relationship between calculated EC50 values based on organic solvent extracted Phe and EC50 values predicted by model

表3 基于土壤理化性質(zhì)建立的Phe 對(duì)白符跳繁殖的EC50 值的預(yù)測(cè)模型Table 3 The predicting model of EC50 of Phe for the reproduction of Folsomia candida based on soil properties

3 討論

污染物對(duì)生態(tài)受體的毒性閾值大小與選取的評(píng)價(jià)終點(diǎn)有關(guān)[30-31]. 有研究表明暴露時(shí)間和暴露濃度會(huì)對(duì)白符跳的生存產(chǎn)生影響，并會(huì)使產(chǎn)卵發(fā)生延遲[22]，因此在白符跳毒性閾值研究中常使用存活率和繁殖率作為評(píng)價(jià)終點(diǎn). 本研究表明，在所有受試土壤中白符跳的存活率與Phe 的添加量之間均無(wú)明顯的量效關(guān)系. 然而以繁殖率為評(píng)價(jià)終點(diǎn)，土壤Phe 對(duì)白符跳的毒性閾值具有更好的指示效果，這與其他針對(duì)重金屬與農(nóng)藥等污染物對(duì)白符跳的毒性閾值的研究結(jié)果一致[32-34]. 究其原因可能是：①白符跳在面對(duì)惡劣環(huán)境時(shí)，會(huì)放棄其他行為優(yōu)先適應(yīng)環(huán)境，維持自身生存，導(dǎo)致其存活率受污染物濃度的影響靈敏性較差；②白符跳的彈跳性較強(qiáng)，在面對(duì)毒性脅迫時(shí)，部分跳蟲(chóng)會(huì)選擇爬至玻璃器皿的壁上以躲避毒性脅迫，而不能移動(dòng)的蟲(chóng)卵則更容易受到污染物的毒性影響[32]. 因此，本研究主要以繁殖率為評(píng)價(jià)終點(diǎn)，探究土壤理化性質(zhì)與白符跳繁殖的EC50值之間的關(guān)系.

研究發(fā)現(xiàn)，土壤理化性質(zhì)會(huì)影響有機(jī)污染物在土壤中的生物有效性[35]. PAHs 在土壤中的生物有效性主要與分配在孔隙水中的PAHs 濃度和殘留在土壤顆粒表面弱吸附態(tài)的PAHs 濃度有關(guān)，而Khan 等[29]的研究結(jié)果顯示，HPCD 提取的土壤中PAHs 值更接近存在于土壤孔隙水中和弱吸附態(tài)的PAHs 濃度，因此在不同土壤中Phe 對(duì)白符跳繁殖的EC50差異與不同土壤中利用HPCD 提取的Phe 的實(shí)測(cè)值有關(guān). 由圖3 可見(jiàn)，在有機(jī)質(zhì)含量高的土壤(黑龍江黑土、廣東紅壤、吉林黑土等)中，利用HPCD 提取的Phe 的實(shí)測(cè)值較低，而在有機(jī)質(zhì)含量低的土壤(重慶紫色土、江西紅壤、河南潮土與河北潮土等)中，利用HPCD提取的Phe 的實(shí)測(cè)值較高. 本研究發(fā)現(xiàn)，不同土壤中Phe 對(duì)白符跳繁殖的EC50值差異明顯. 由于白符跳在土壤中受到污染物毒害作用主要是通過(guò)皮層接觸與攝食這兩種方式[36]，因此土壤中對(duì)白符跳產(chǎn)生毒害作用的主要是白符跳能夠接觸到的孔隙水中的Phe，因此Phe 對(duì)白符跳繁殖的EC50值的差異主要與固液分配中分配到孔隙水中的Phe 濃度有關(guān). 基于HPCD 提取的Phe 實(shí)測(cè)值推導(dǎo)的EC50值與基于混合有機(jī)溶劑提取的Phe 實(shí)測(cè)值推導(dǎo)的EC50值的最大值與最小值的比值由4.72 降至2.63，表明利用HPCD 提取的Phe 的實(shí)測(cè)值可以在一定程度上解釋不同土壤中Phe 對(duì)白符跳繁殖的EC50值的差異，這與Cui 等[37]的研究結(jié)果一致.

圖3 不同土壤中基于HPCD 提取的Phe 實(shí)測(cè)值與Phe 添加量的關(guān)系Fig.3 Relationship between the measured values of Phe extracted from HPCD and the amount of Phe added in different soils

本研究構(gòu)建的基于土壤理化性質(zhì)的Phe 對(duì)白符跳繁殖的EC50值的預(yù)測(cè)模型中，除土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH、土壤黏粒含量外，其他土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤Phe毒性的貢獻(xiàn)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上均不顯著，所建立的模型P值均大于0.05. 其中土壤有機(jī)質(zhì)含量是預(yù)測(cè)我國(guó)不同理化性質(zhì)土壤中Phe 的EC50值的最重要的單一因子，可以解釋不同土壤中EC50值84.0%的差異. 已有研究[38]表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量是影響疏水性有機(jī)污染物在土壤中環(huán)境行為與生物有效性的一個(gè)重要因素.PAHs 是類(lèi)疏水性有機(jī)物，進(jìn)入土壤后，土壤會(huì)對(duì)其產(chǎn)生吸附作用，致使一部分Phe 進(jìn)入土壤有機(jī)質(zhì)內(nèi)部，無(wú)法與土壤生物接觸，從而導(dǎo)致其生物有效性降低.這種吸附作用有兩種機(jī)理[39]：①有機(jī)質(zhì)對(duì)污染物的溶解作用，疏水性有機(jī)物在進(jìn)入土壤環(huán)境后會(huì)在固相與水相之間進(jìn)行分配，一部分疏水性有機(jī)物會(huì)分配在固相(即土壤有機(jī)質(zhì))中；②土壤礦物質(zhì)的表面吸附作用主要是氫鍵、配位鍵及偶極鍵等化學(xué)鍵力的作用結(jié)果.其中，由于礦物組分表面是極性的，易與水分子作用形成吸附水膜，因此礦物組分對(duì)有機(jī)污染物的吸附以物理吸附為主，與土壤有機(jī)質(zhì)相比起次要作用. 除有機(jī)質(zhì)含量外，顆粒大小也是影響有機(jī)污染物生物有效性的重要因素[40]，土壤顆粒的粒徑越小，則其比表面積越大，吸附能力越強(qiáng). 如黃擎等[41]的研究指出，Phe在有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體上的吸附量隨粒徑的減小而增大.蔡婷等[42]的研究表明，當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量>10 g/kg 時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)是疏水性有機(jī)污染物的主要吸附劑，對(duì)吸附起主要作用；而當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量<10 g/kg 時(shí)，土壤黏粒對(duì)吸附會(huì)起到重要作用，對(duì)吸附污染物產(chǎn)生與土壤有機(jī)質(zhì)類(lèi)似的影響. 本研究使用的15 種典型土壤絕大部分土壤有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)超過(guò)10 g/kg，因此在本研究結(jié)果中不同土壤的EC50值與土壤有機(jī)質(zhì)含量展示出比土壤黏粒更高的相關(guān)性. 此外，土壤pH 也會(huì)對(duì)Phe 在土壤中的生物有效性產(chǎn)生影響，這可能是在不同pH 下，土壤腐殖質(zhì)的組成(即胡敏酸、富里酸、胡敏素的含量)不同，進(jìn)而導(dǎo)致其吸附性能不同[43-44]，并且Phe 在土壤中主要與土壤有機(jī)質(zhì)組分(腐殖質(zhì))結(jié)合，而腐殖質(zhì)一般帶負(fù)電，低pH 有助于Phe 吸附在腐殖酸等復(fù)合體上，從而降低PAHs 在水溶液中的分配比，進(jìn)而減少對(duì)跳蟲(chóng)的毒性影響.

目前，雖然國(guó)外已有部分學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于PAHs對(duì)土壤白符跳毒性閾值的研究[27]，并推導(dǎo)了相關(guān)生態(tài)基準(zhǔn)：美國(guó)EPA 針對(duì)超級(jí)基金場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要求，建立了以保護(hù)與土壤發(fā)生接觸或以土壤中生物質(zhì)為食的生態(tài)受體的土壤生態(tài)篩選值體系，其中低分子量PAHs 生態(tài)篩選值為29 mg/kg[45]；荷蘭通過(guò)計(jì)算土壤污染對(duì)食品安全、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和人體健康的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值構(gòu)建土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其中Phe 基于生態(tài)學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)干預(yù)值為31 mg/kg[46]；澳大利亞國(guó)家環(huán)境保護(hù)委員會(huì)建立了以保護(hù)土壤動(dòng)物為目的的土壤質(zhì)量指導(dǎo)值，其中萘(NaP)的指導(dǎo)值為68 mg/kg[47]. 但由于土壤理化性質(zhì)的巨大差異，導(dǎo)致基于國(guó)外土壤建立的毒性閾值數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)模型無(wú)法直接應(yīng)用到我國(guó). 因此，本研究建立的基于我國(guó)典型土壤中Phe 對(duì)白符跳的毒性閾值和基于理化性質(zhì)建立的毒性閾值預(yù)測(cè)模型將有助于健全與完善我國(guó)土壤PAHs 的生態(tài)基準(zhǔn)值.

4 結(jié)論與展望

a) 15 種典型土壤中Phe 對(duì)白符跳繁殖的EC50值范圍為21.09~99.50 mg/kg，平均值為48.03 mg/kg，與美國(guó)等國(guó)家制定的篩選值相近.

b) 15 種典型土壤中Phe 對(duì)白符跳繁殖的EC50值差異明顯，不同土壤中EC50值最高值是最低值的4.72 倍，基于HPCD 提取的土壤中的Phe 實(shí)測(cè)值在一定程度上解釋了不同受試土壤之間的毒性差異.

c) 根據(jù)毒性預(yù)測(cè)模型顯示，土壤有機(jī)質(zhì)含量是影響不同土壤中Phe 對(duì)白符跳EC50差異的最重要的單一因素，可解釋不同土壤中EC50值84.0%的差異.

d) 本研究?jī)H針對(duì)白符跳這一單一物種進(jìn)行了Phe 的生態(tài)毒性閾值研究，后續(xù)可以結(jié)合針對(duì)蚯蚓、線蟲(chóng)等其他土壤無(wú)脊椎動(dòng)物的研究，并結(jié)合土壤類(lèi)型、環(huán)境因素、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等指標(biāo)，參照其他國(guó)家制定的生態(tài)篩選值，制定我國(guó)以保護(hù)土壤無(wú)脊椎動(dòng)物為目標(biāo)的Phe 的生態(tài)篩選值.