水生生物毒性測(cè)試用于沉積物評(píng)價(jià)的研究進(jìn)展＊

張水航 徐 麗 姚玲愛 趙學(xué)敏 虢清偉 裴德富 馬千里

（1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，沈陽(yáng)，100168；2.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所，生態(tài)環(huán)境部生態(tài)環(huán)境應(yīng)急研究所，廣州，510530）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)礦產(chǎn)資源及各類人工合成化學(xué)品的消費(fèi)數(shù)量大量增加.而高強(qiáng)度的人類活動(dòng)常常導(dǎo)致各類污染物輸入水體，包括現(xiàn)有污水處理工藝未能去除的污染物[1?2]，突發(fā)水污染事件中單次大量輸入的污染物[3?5]，生產(chǎn)活動(dòng)中的非目標(biāo)污染物[6?7]等，各類污染物的大量輸入使得水生態(tài)環(huán)境面臨前所未有的壓力.輸入水體的污染物可被水體懸浮物吸附逐漸沉降于河床或通過(guò)絮凝沉降等突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急處置措施短時(shí)間內(nèi)沉降于河床[8?10]，匯入沉積物環(huán)境.部分污染物通過(guò)沉積物的生物或化學(xué)過(guò)程降解，但仍有大量的難以降解的金屬污染物、有機(jī)污染物長(zhǎng)期累積在河床沉積物中.而當(dāng)水體外在環(huán)境條件（如pH、水溫、流量等）發(fā)生改變時(shí)，沉積物中的污染物可能重新釋放進(jìn)入水體[11?12]，此時(shí)，沉積物成為水體的二次污染源.沉積物在源與匯的轉(zhuǎn)化之間可能對(duì)生物群落乃至整個(gè)水生態(tài)系統(tǒng)造成危害[13?15].

針對(duì)污染物進(jìn)入沉積物帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，化學(xué)分析是了解沉積物污染程度和生物毒性最基礎(chǔ)的工作，其結(jié)果直接提供了沉積物中各類元素成分和污染物的含量[16]，而生物毒性測(cè)試則被認(rèn)為是判斷沉積物中的污染物對(duì)生物影響的更為直接且可靠的方法[17?18]，因此生物毒性測(cè)試在沉積物污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中逐漸運(yùn)用.本文梳理了水生生物毒性測(cè)試在沉積物污染評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，指出了水生生物測(cè)試應(yīng)用于沉積物毒性研究的重要性，并針對(duì)目前不同學(xué)者的研究，從沉積物基質(zhì)、受試生物、毒性測(cè)試終點(diǎn)3 個(gè)方面對(duì)水生生物測(cè)試技術(shù)應(yīng)用的方法學(xué)進(jìn)行了總結(jié)歸納，并為今后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，以期為沉積物生物毒性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方法的建立提供參考.

1 水生生物毒性測(cè)試在沉積物污染研究中的應(yīng)用（Application of aquatic life toxicity testing in sediment pollution studies）

在20 世紀(jì)60—70年代開始，有學(xué)者關(guān)注到沉積物污染及其對(duì)水生生物的毒性影響[19?21]，在進(jìn)行城市河道疏浚底泥的化學(xué)分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中含有大量且成分復(fù)雜的化學(xué)污染物，對(duì)其毒性感到擔(dān)憂[22]，并且逐漸認(rèn)識(shí)到僅開展沉積物成分與含量的化學(xué)分析難以說(shuō)明沉積物中污染物對(duì)生物的具體影響.因此基于生物毒性測(cè)試的技術(shù)方法逐漸成為評(píng)估沉積物中污染物毒性效應(yīng)的有效手段[23]，并由此發(fā)展了多種關(guān)于沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法和相關(guān)研究.

1.1 水生生物毒性測(cè)試在沉積物毒性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

對(duì)于成分復(fù)雜的沉積物環(huán)境，單純的化學(xué)分析或是生物測(cè)試對(duì)于評(píng)價(jià)沉積物的毒性都是不夠的.效應(yīng)導(dǎo)向分析（effect-directed analysis，EDA）[24]和沉積物毒性鑒別評(píng)價(jià)（toxicity identification evaluation，TIE）[25]將沉積物環(huán)境的污染狀況與生物效應(yīng)相關(guān)聯(lián)，又可篩查出污染沉積物中的致毒因子，是評(píng)價(jià)沉積物毒性的重要研究手段.兩種方法的具體操作流程如圖1 所示.

圖1 EDA（a）和TIE（b）主要操作流程圖Fig.1 operation flowchart of EDA（a）and TIE（b）

EDA 是一套僅針對(duì)有機(jī)污染物的分析測(cè)試方法，它綜合運(yùn)用了生物測(cè)試與化學(xué)分析，污染物經(jīng)提取后運(yùn)用一種或多種生物測(cè)試方法檢測(cè)樣品可能導(dǎo)致的生物效應(yīng)，然后經(jīng)過(guò)組分分析等步驟鑒定出主要的效應(yīng)化合物，最后通過(guò)污染物與生物間的劑量-效應(yīng)關(guān)系檢驗(yàn)化學(xué)測(cè)定結(jié)果[26?28].TIE 起初是由美國(guó)環(huán)保局（U S EPA）于1984年提出的用于工業(yè)廢水和生活污水中毒性物質(zhì)鑒別與評(píng)價(jià)的一套完整方案，隨后其應(yīng)用到沉積物重污染物的毒性鑒別評(píng)價(jià)中.其操作方法與EDA 較為相似，不過(guò)所能鑒別的污染物種類較EDA 更為豐富，包含了氨氮、重金屬、有機(jī)物等.首先通過(guò)生物測(cè)試檢測(cè)毒性的有無(wú)或大小，最后結(jié)合化學(xué)分析測(cè)定致毒污染物的身份及含量情況[29].在沉積物毒性物質(zhì)鑒別應(yīng)用中逐漸發(fā)展了沉積物孔隙水TIE 和全沉積物TIE，使鑒定結(jié)果更加準(zhǔn)確，也使更多的水生生物類群用于TIE 的毒性檢測(cè)中.兩種方法中生物毒性的測(cè)試均是重要的操作步驟，沉積物TIE 主要采用活體水生生物測(cè)試，不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的模式生物在TIE 的發(fā)展中逐漸被運(yùn)用.而EDA 除了可以應(yīng)用水生生物毒性效應(yīng)測(cè)試外，應(yīng)用更多的則是體外生物測(cè)試，例如特異性效應(yīng)，如遺傳毒性、致突變性、芳香烴受體效應(yīng)、內(nèi)分泌干擾效應(yīng)等.整體來(lái)說(shuō)，水生生物毒性測(cè)試在沉積物毒性評(píng)價(jià)中是十分關(guān)鍵的內(nèi)容.

1.2 水生生物毒性測(cè)試在沉積物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

隨著對(duì)沉積物污染問(wèn)題的研究，陸續(xù)形成不同的沉積物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，如地累積指數(shù)法、富集系數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)法、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)碼、重金屬-硫化物（AVS-SEM）差值法等，這些評(píng)價(jià)方法均基于沉積物中污染物的化學(xué)分析.物種敏感性分布法（species sensitivity distributions，SSD）[30]和證據(jù)權(quán)重法（weight of evidence，WOE）[31]則是基于沉積物中污染物毒性研究的較為經(jīng)典的沉積物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，兩種方法的具體操作流程如圖2 所示.

SSD 是表征特定污染物在沉積物中對(duì)生物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的方法，集合毒性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，模擬不同物種對(duì)環(huán)境中污染物的敏感度，預(yù)測(cè)可保護(hù)大多數(shù)物種的環(huán)境濃度，從而保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[32].WOE 采取綜合評(píng)價(jià)的策略對(duì)沉積物質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，整合了沉積物化學(xué)分析、毒性實(shí)驗(yàn)和底棲生物群落結(jié)構(gòu)調(diào)查的證據(jù)線索，利用信息處理與解譯方法得出科學(xué)全面的沉積物污染評(píng)價(jià)結(jié)論[33].美國(guó)、加拿大、荷蘭和英國(guó)等國(guó)家已經(jīng)把證據(jù)權(quán)重法應(yīng)用到官方的受污染沉積物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指南中[34?36].獲取生物毒性數(shù)據(jù)是SSD 評(píng)估的首要任務(wù)，進(jìn)行水生生物毒性測(cè)試則是獲取毒性數(shù)據(jù)的唯一渠道，U S EPA 要求構(gòu)建SSD 曲線需滿足3 門8 科水生生物的毒性數(shù)據(jù)，歐洲委員會(huì)則要求至少8 科10 種生物的毒性數(shù)據(jù).在對(duì)沉積物進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的WOE 方法中，生物毒性測(cè)試的結(jié)果是一條重要的證據(jù)線索，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果起到了重要支撐作用.

1.3 水生生物毒性測(cè)試在沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)研究中的應(yīng)用

為科學(xué)有效地評(píng)價(jià)和治理沉積物污染逐漸發(fā)展起來(lái)了沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)（sediment quality guideline，SQG），是指特定的化學(xué)物質(zhì)在沉積物中不對(duì)底棲水生生物或其他有關(guān)水體功能產(chǎn)生危害的實(shí)際允許值[37?39].沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)研究方法有10 余種，鐘文玨等[40]根據(jù)理論基礎(chǔ)可分為兩大類：一類是以生物效應(yīng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的生物效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)法；第二類是以相平衡分配原理為依據(jù)的相平衡分配法，如圖3 所示.近年來(lái)我國(guó)已在太湖、鄱陽(yáng)湖等大型湖泊及海河、遼河、長(zhǎng)江等流域[41?46]開展沉積物環(huán)境基準(zhǔn)值研究.基于生物效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)法能夠充分利用廣泛多樣的生物毒性效應(yīng)數(shù)據(jù)而備受關(guān)注，然而在國(guó)內(nèi)的發(fā)展卻受到限制，主要由于我國(guó)開展的關(guān)于污染沉積物生物效應(yīng)的研究仍較少，導(dǎo)致水生生物毒性效應(yīng)數(shù)據(jù)不足.因此利用水生生物毒性測(cè)試手段，獲取沉積物中各類污染物的毒性數(shù)據(jù)可為我國(guó)全面建立沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)奠定基礎(chǔ).

圖3 SQG 建立的主要方法Fig.3 Main methods of SQG establishment

2 水生生物毒性測(cè)試方法學(xué)（Methodology of aquatic organism toxicity testing）

水生生物是研究沉積物污染物毒性時(shí)的首選生物類型，因此如何對(duì)沉積物進(jìn)行處理、如何篩選受試生物、如何確定毒性測(cè)試終點(diǎn)十分重要.經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）已發(fā)布使用帶絲蚓（Lumbriculus）和搖蚊（Chironomid）為受試生物的沉積物生物毒性測(cè)試技術(shù)規(guī)范[47?49]，而我國(guó)尚未正式出臺(tái)沉積物生物毒性的測(cè)試技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)方法，沉積物生物毒性測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的建立有助于推動(dòng)沉積物環(huán)境污染治理與修復(fù)的發(fā)展.根據(jù)大部分學(xué)者的研究，文章從沉積物基質(zhì)、受試生物選擇和測(cè)試終點(diǎn)3 部分內(nèi)容對(duì)沉積物毒性的水生生物測(cè)試方法進(jìn)行梳理概括，如圖4 所示.

圖4 沉積物毒性水生生物測(cè)試方法體系Fig.4 Aquatic testing methodology of sediment toxicity

2.1 沉積物基質(zhì)

沉積物生物毒性測(cè)試的基質(zhì)主要包括直接采集受污染沉積物、干凈沉積物（或土壤）以及人工配制沉積物進(jìn)行加標(biāo)染毒3 種，研究人員基于不同的分析目的采用不同的基質(zhì)開展毒性測(cè)試.

2.1.1 受污染沉積物

采用受污染沉積物進(jìn)行生物毒性試驗(yàn)，其結(jié)果直接反映了調(diào)查區(qū)域沉積物污染的生物效應(yīng)[50].裴舟韜等[51]利用大型溞為受試生物，以常州市典型城市黑臭水體為對(duì)象，對(duì)污染河流治理前后沉積物毒性變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，所獲得的沉積物毒性變化數(shù)據(jù)對(duì)河道治理手段和效果評(píng)價(jià)提供了科學(xué)依據(jù).Massei 等[52]采集了瑞典博特尼亞灣的3 個(gè)污染地點(diǎn)的沉積物，進(jìn)行了斑馬魚胚胎的急性毒性測(cè)試，暴露在污染沉積物下的胚胎可以觀察到特定的脊髓畸形和孵化延遲.現(xiàn)場(chǎng)采集的沉積物開展生物毒性測(cè)試更具現(xiàn)實(shí)意義，受污染的沉積物組分復(fù)雜多變，毒性效應(yīng)不止由單一污染物所引起，如果想要獲取沉積物的主要致毒污染物信息，則需借助EDA 和TIE 兩種方法對(duì)污染物進(jìn)行篩查.布吉紅等[45，53]在研究遼河支流表層沉積物的毒性現(xiàn)狀時(shí)，將污染沉積物經(jīng)預(yù)處理后采集間隙水進(jìn)行了搖蚊幼蟲10 d 活體毒性測(cè)試，又結(jié)合沉積物毒性鑒別評(píng)價(jià)（TIE）方法甄別出遼河不同支流的主要污染因子.基于受污染沉積物的水生生物毒性測(cè)試結(jié)果對(duì)于評(píng)價(jià)污染沉積物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義

2.1.2 干凈沉積物加標(biāo)染毒

通過(guò)已知濃度的單一毒物或添加特定性質(zhì)的沉積物進(jìn)行生物測(cè)試可以確定“毒物劑量-生物效應(yīng)”間的關(guān)系，加標(biāo)法制備的沉積物基質(zhì)在研究特定的污染物在沉積物中的歸趨和生物學(xué)毒性效應(yīng)時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì).首先需要選取干凈的沉積物或土壤（即其中所含受試污染物的本底濃度不會(huì)對(duì)受試生物產(chǎn)生毒害作用的沉積物），然后按照試驗(yàn)所需摻入受試污染物進(jìn)行水生生物的毒性測(cè)試.韓雨薇等[54]在研究沉積物中金屬Pb 和Cd 對(duì)河蜆的毒性效應(yīng)中，由于較難獲得重金屬本底值較低的天然沉積物，便采用潔凈的農(nóng)田土壤加標(biāo)的方式模擬天然沉積物進(jìn)行試驗(yàn).Yang 等[55]研究了水生生物群落對(duì)沉積物中Cu 的敏感性響應(yīng)，所用沉積物采集于未受污染地區(qū)的濕地土壤，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行加標(biāo)染毒.但值得注意的是，雖然此種方法采用的沉積物相對(duì)“清潔”，但仍需要在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)做好對(duì)照組試驗(yàn)，有必要時(shí)需要對(duì)沉積物中其他組分進(jìn)行掩蔽處理，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.此外，在沉積物加標(biāo)過(guò)程中針對(duì)不同加標(biāo)物的理化特征選擇不同的加標(biāo)方式：當(dāng)加標(biāo)物為可以溶于水的物質(zhì)（如水溶性農(nóng)藥、重金屬等），可制備一定濃度的儲(chǔ)備液，按試驗(yàn)所需加入沉積物中；而當(dāng)加標(biāo)物為微溶甚至不溶于水的物質(zhì)（如部分痕量有機(jī)物、油類等），則需特定的介質(zhì)輔助加標(biāo)，比如甲醇、乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑，加標(biāo)后需要將有機(jī)溶劑揮發(fā)干凈，避免對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生干擾.大量試驗(yàn)結(jié)果表明，污染物加標(biāo)的方法可以得到所需合理范圍內(nèi)的污染物濃度梯度，明確地指示污染物的劑量-效應(yīng)關(guān)系，其結(jié)果豐富了不同污染物的毒性數(shù)據(jù)庫(kù)，而且準(zhǔn)確的毒性結(jié)果對(duì)于SQG 的建立具有重要意義.

2.1.3 人工配制沉積物

天然的沉積物和土壤是一種復(fù)雜的基質(zhì)，長(zhǎng)久暴露在環(huán)境中不可避免的含有一些痕量的污染物或其他復(fù)雜化學(xué)成分，采用各種實(shí)驗(yàn)室材料，如沙子、高嶺土、磨細(xì)泥炭等所配制的人工沉積物避免了天然沉積物或土壤中的污染物[56]，在實(shí)際的沉積物生物測(cè)試中同樣具有廣泛的應(yīng)用.OECD 和U S EPA 發(fā)布過(guò)配制人工沉積物進(jìn)行的毒性試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)范[47，57]，文婷等[58]參照了OECD 的方法配制出人工沉積物，考察加入四氧化三鐵納米顆粒后對(duì)斑馬魚胚胎發(fā)育和氧化應(yīng)激水平的影響.相較于天然沉積物，人工沉積物可根據(jù)試驗(yàn)所需更加靈活地調(diào)節(jié)粒度大小、有機(jī)物含量等沉積物的性質(zhì)，然而人工沉積物與各類型污染物的結(jié)合特性、氧化還原條件、微生物組合方面與天然沉積物的差異目前仍有待進(jìn)一步研究.

2.2 受試生物

不同的生物類群由于其生存環(huán)境、生理特征、營(yíng)養(yǎng)等級(jí)、生命周期、污染物耐受性等的差異，對(duì)于沉積物中的各類污染物可能具有不同的“劑量-效應(yīng)”關(guān)系，在沉積物生物毒性測(cè)試中，受試生物選擇的一般原則包括：在環(huán)境中在廣泛存在且具有重要生態(tài)價(jià)值、對(duì)污染物具有較高敏感性、在實(shí)驗(yàn)室中易于培養(yǎng)等[59].沉積物毒性的水生生物測(cè)試中常用的受試生物包括浮游植物、底棲生物、浮游動(dòng)物和魚類.

2.2.1 浮游植物

浮游植物是原生生物界一類能夠進(jìn)行光合作用的真核生物，是水體中的初級(jí)生產(chǎn)者[60].由于其生長(zhǎng)繁殖快速、對(duì)水體污染物敏感等特點(diǎn)，常被用于各類污染物的毒理學(xué)試驗(yàn).對(duì)于常規(guī)的以水為介質(zhì)或是沉積物提取間隙水、上覆水的毒性測(cè)試，利用浮游植物進(jìn)行試驗(yàn)十分便捷有效.鄧惜汝等[61]選擇了銅綠微囊藻、普通小球藻和梅尼小環(huán)藻進(jìn)行了慢性毒性測(cè)試，通過(guò)藻類生長(zhǎng)抑制試驗(yàn)測(cè)定了林丹和毒死蜱兩種農(nóng)藥對(duì)藻類的毒性效應(yīng)，結(jié)果表明兩種農(nóng)藥對(duì)3 種藻的生長(zhǎng)存在不同程度的抑制效應(yīng)，且質(zhì)量濃度越高抑制效應(yīng)越強(qiáng).由于浮游植物生長(zhǎng)受水體濁度影響較大，水體濁度升高對(duì)浮游植物的生長(zhǎng)具有一定的負(fù)面影響，且無(wú)法統(tǒng)計(jì)浮游植物的生長(zhǎng)狀況，因此在“藻類固定化”的概念被提出前，浮游植物只被用于間隙水、上覆水等水相的毒性試驗(yàn)，藻類固定化擴(kuò)大了浮游植物在沉積物毒性試驗(yàn)中的應(yīng)用范圍.Moreira 等[62]試驗(yàn)證明，三角褐指藻用4.9%海藻酸鹽和4%的鍶溶液制備的固定化藻球是最穩(wěn)定、最適合微藻生長(zhǎng).Zhang 等[63]改進(jìn)優(yōu)化了藻類固定化方法，使用淡水綠藻制備出海藻酸鈉-鈣藻球，置于沉積物-水體系中進(jìn)行毒性測(cè)試，后加入3%檸檬酸鈉溶液溶解藻球計(jì)數(shù).有研究認(rèn)為，由于藻球內(nèi)藻類生長(zhǎng)較弱，敏感性降低，限制了固定化藻球的應(yīng)用，從而提出了“底泥固定化”的方法.Pei 等[64]利用凍干沉淀物和3%（W/V）海藻酸鹽混合制成固定化底泥，在4%（W/V）CaCl2溶液中硬化，試驗(yàn)表明底泥固定后，污染物的擴(kuò)散能力沒(méi)有降低.底泥固定化的思路拓寬了以浮游植物為受試生物的沉積物毒性測(cè)試方法的選擇.

2.2.2 浮游動(dòng)物

浮游動(dòng)物是一類經(jīng)常在水中營(yíng)浮游性生活，且本身不能制造有機(jī)物的異養(yǎng)型無(wú)脊椎動(dòng)物和脊索動(dòng)物幼體的總稱，是中上層魚類和其他經(jīng)濟(jì)動(dòng)物的重要餌料[65].鹵蟲和溞類動(dòng)物是水體中典型的浮游動(dòng)物，采用浮游動(dòng)物進(jìn)行生物毒性測(cè)試具有繁殖周期短、實(shí)驗(yàn)室易培養(yǎng)、產(chǎn)仔量多等優(yōu)勢(shì)[66].研究中多將浮游動(dòng)物用于沉積物提取液的毒性的檢測(cè).李純厚等[67]選用浮游橈足類群體和鹵蟲進(jìn)行疏浚淤泥溶出液對(duì)海洋浮游動(dòng)物的毒性測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明一定溫度條件下溶出液對(duì)受試生物有致毒作用.范文宏等[68]將采集于北京密云水庫(kù)內(nèi)湖的沉積物加標(biāo)染毒后提取出上覆水，在上覆水中加入50 只大型溞進(jìn)行上覆水體系暴露試驗(yàn)，暴露于上覆水體系中的大型溞體內(nèi)的生物積累量和金屬硫蛋白（MT）含量隨沉積物Cd 含量的升高而升高.實(shí)際上，浮游動(dòng)物在水相和水土接觸界面均可進(jìn)行生存活動(dòng)，而且攝食、生長(zhǎng)等活動(dòng)離不開沉積物環(huán)境，因此在考察沉積物間隙水、上覆水毒性，以及進(jìn)行全沉積物的毒性測(cè)試，浮游動(dòng)物均可被應(yīng)用，且全沉積物體系的毒性測(cè)試更好地模擬了現(xiàn)實(shí)環(huán)境.Li 等[13]以大型溞作為受試生物，考察了上覆水與水-沉積物共存兩種體系中金屬鎘（Cd）的毒性狀況，以生物積累量、金屬硫蛋白含量以及死亡率作為考察指標(biāo)，分析討論了水體沉積物中重金屬對(duì)生物毒性的作用機(jī)制.

2.2.3 底棲動(dòng)物

底棲動(dòng)物是指棲息于水域底內(nèi)或底表的動(dòng)物，是水生生物中的一個(gè)重要生態(tài)類群，是魚類和鳥類等食物鏈中消費(fèi)者的食物來(lái)源[69].水體中的沉積物為眾多底棲動(dòng)物提供生產(chǎn)的場(chǎng)所，底棲動(dòng)物主要以沉積物中的有機(jī)顆粒為食，沉積物環(huán)境質(zhì)量是底棲動(dòng)物的種類和數(shù)量的重要影響因素.OECD 出臺(tái)的沉積物生物毒性測(cè)試技術(shù)規(guī)范中的受試生物均是底棲動(dòng)物，可見選取底棲生物作為沉積物毒性研究的受試生物對(duì)揭示污染物在水生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程及其對(duì)人類健康的影響都具有極其重要的研究意義[70].搖蚊幼蟲是底棲動(dòng)物的代表性生物之一，在水體中分布廣泛.鄧鑫等[71]研究了加標(biāo)水體和沉積物中Cd2+對(duì)伸展搖蚊幼蟲和黃色羽搖蚊幼蟲的急性（96 h）和慢性（20 d）毒性，觀測(cè)指標(biāo)為死亡率、羽化率、羽化時(shí)間和口器畸形率.毒性測(cè)試結(jié)果和指標(biāo)監(jiān)測(cè)表明伸展搖蚊對(duì)沉積物中鎘污染的敏感性要高于黃色羽搖蚊.Martinez 等[72]將搖蚊幼蟲分別暴露在3 種不同濃度的Cd 和Cu 加標(biāo)的沉積物中，考察了搖蚊的生長(zhǎng)發(fā)育反應(yīng)以及口器畸形率，證明金屬Cd 和Cu 都會(huì)對(duì)搖蚊幼蟲產(chǎn)生致畸作用.水絲蚓[70]、蝦[73]和一些雙殼類動(dòng)物[74]也是常被應(yīng)用于毒理學(xué)測(cè)試中的水生底棲動(dòng)物.底棲動(dòng)物類群多用于全沉積體系的毒性測(cè)試，可直接暴露于沉積物環(huán)境與污染物直接接觸，這也是底棲動(dòng)物較其他生物類群在沉積物毒測(cè)試應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn).

2.2.4 魚類

魚類是水生食物鏈中最高等級(jí)的生物，對(duì)有毒有害物質(zhì)十分敏感，同時(shí)，由于其作為重要的水產(chǎn)品，與人類健康的關(guān)系十分密切，可對(duì)其進(jìn)行充分的解剖觀察、開展不同組織器官的污染物累積化學(xué)分析等[75]，因此在各類環(huán)境毒理學(xué)試驗(yàn)中都被頻繁選用.在通常認(rèn)知中，魚類只生活于水中，所以試驗(yàn)相多為上覆水或間隙水，選擇全沉積物相做毒性測(cè)試的較少.然而，Camargo 等[76]的研究認(rèn)為，由于魚類產(chǎn)卵是在沉積物表面進(jìn)行的，魚類數(shù)量的下降或許與沉積物毒性有關(guān).另外水動(dòng)力學(xué)條件改變引起沉積物上浮，這些沉積物有極大可能性會(huì)被魚類攝入.魚類作為受試生物在沉積物毒性研究中具有極強(qiáng)重要性.俞云鵬[77]采集了湛江近海樣點(diǎn)濱湖公園附近海域沉積物，使用超聲波提取技術(shù)和硅膠柱凈化法相結(jié)合來(lái)制備沉積物多氯聯(lián)苯（PCBs）的提取物，將斑馬魚暴露在不同染毒濃度和不同時(shí)間的PCBs 提取物中，試驗(yàn)證明沉積物提取物中的PCBs 能引起斑馬魚腸道的病變并造成腸道微生物菌群的組成和豐度的改變.文婷等[58]就沉積物中四氧化三鐵納米顆粒（Fe3O4NPs）的安全閾值開展研究，將2 hpf（受精后時(shí)間，小時(shí)）的斑馬魚胚胎暴露在含有不同濃度Fe3O4NPs 的沉積物中，96 hpf 后考察對(duì)斑馬魚胚胎發(fā)育和氧化應(yīng)激水平的影響.泥鰍以底泥中的腐屑為食，是水環(huán)境中典型的底棲魚類，已經(jīng)被廣泛用來(lái)作為監(jiān)測(cè)水體沉積物污染程度的敏感指示生物，趙艷民等[78]以泥鰍死亡率、血液紅細(xì)胞數(shù)量、紅細(xì)胞體積、紅細(xì)胞微核率和核異常率作為測(cè)試指標(biāo)，考察了鎘加標(biāo)沉積物對(duì)其的毒性狀況.斑馬魚作為模式生物在各類環(huán)境污染物的毒性研究中已相當(dāng)成熟，但是基于沉積物毒性的研究卻是缺乏的，泥鰍與水體中其他常見的魚類相比具有不一樣的生活習(xí)性，十分適合作為全沉積物體系毒性測(cè)試的模式生物，可以進(jìn)行更加深入的研究.另外可考慮選取其他國(guó)內(nèi)本土的魚種進(jìn)行深入的研究，擴(kuò)大魚類作為沉積物毒性測(cè)試的模式生物種類數(shù)量.

2.3 測(cè)試終點(diǎn)

水生生物測(cè)試沉積物毒性的終點(diǎn)可分為急性毒性測(cè)試和慢性毒性測(cè)試，二者在受試生物的暴露時(shí)間、效應(yīng)終點(diǎn)和效應(yīng)指標(biāo)方面存在區(qū)別，因此選擇合理的試驗(yàn)終點(diǎn)也是進(jìn)行毒性測(cè)試的關(guān)鍵.與水體毒性測(cè)試類似，沉積物毒性測(cè)試中試驗(yàn)終點(diǎn)和效應(yīng)終點(diǎn)也與受試生物的選擇有關(guān)，表1 中歸納了不同研究者進(jìn)行沉積物毒性實(shí)驗(yàn)的常用受試物種以及測(cè)試時(shí)間及效應(yīng)終點(diǎn)等內(nèi)容.浮游植物和浮游動(dòng)物類群生物的生命周期一般較短，選其進(jìn)行急性毒性測(cè)試的較多，而多數(shù)底棲動(dòng)物和魚類生物的生命周期相對(duì)較長(zhǎng)且體型較大，更加利于考察生長(zhǎng)代謝、基因表達(dá)和繁殖水平等慢性毒性的效應(yīng)終點(diǎn)，因此在慢性毒性測(cè)試中更傾向于選擇這兩類生物.

表1 沉積物水生生物毒性測(cè)試常見受試生物及其測(cè)試終點(diǎn)Table 1 Commonly used tested organisms in sediment toxicity tests and the test endpoints

急性毒性測(cè)試較慢性毒性測(cè)試在受試生物的暴露時(shí)間上有明顯的縮短，一般為24 h、48 h、72 h、96 h 等，對(duì)于生命周期較長(zhǎng)的受試生物，急性毒性的暴露時(shí)間可能也會(huì)有相應(yīng)的延長(zhǎng).效應(yīng)終點(diǎn)一般為存活（死亡率、存活率）和生長(zhǎng)（體重、體長(zhǎng)、生長(zhǎng)率、生物量等）兩種，常用的效應(yīng)指標(biāo)有LC50、EC50等.鐘文玨等[79]研究了沉積物中芘對(duì)花翅羽搖蚊幼蟲和淡水單孔蚓兩種淡水底棲動(dòng)物的急慢性毒性效應(yīng)，其中對(duì)花翅羽搖蚊幼蟲進(jìn)行96 h 急性毒性測(cè)試，LC50為189 mg·kg?1干重，淡水單孔蚓對(duì)芘的耐受力較強(qiáng)，急性毒性測(cè)試測(cè)得了芘對(duì)淡水單孔蚓體表?yè)p傷（包括尾部發(fā)白、尾部凹陷及自斷）14 d-EC50為222 mg·kg?1干重.考察沉積物中污染物對(duì)受試生物的致死率是最基礎(chǔ)但極具意義的工作，設(shè)置不同毒性濃度梯度對(duì)沉積物加標(biāo)染毒進(jìn)行急性毒性測(cè)試可以快速獲得某一類污染物在沉積物中的毒性數(shù)據(jù)，這是急性毒性測(cè)試的主要優(yōu)勢(shì).

然而，有研究指出，衡量生存影響的短期暴露通常只能用于識(shí)別高濃度或高毒性的污染沉積物[80].對(duì)于沉積物中毒性較低的污染物或者含量較低的污染物，只有通過(guò)慢性毒性測(cè)試才能反映出污染物對(duì)水生生物的影響.慢性毒性測(cè)試的暴露時(shí)間通常大于一周，甚至可長(zhǎng)達(dá)1—2 個(gè)月.慢性毒性測(cè)試效應(yīng)終點(diǎn)除存活和生長(zhǎng)兩類外，還包括繁殖（孵化率、孵化時(shí)間、性別比等），常用的效應(yīng)指標(biāo)有MATC、EC10、EC20、NOEC、LOEC 等.韓雨薇等[81]以泥鰍死亡率、鰓部滲血率和體質(zhì)量變化為測(cè)試的效應(yīng)終點(diǎn)，研究了沉積物中Pb、Cd 對(duì)泥鰍的慢性毒性影響.另外，隨著研究的深入，慢性試驗(yàn)終點(diǎn)所考察的指標(biāo)上升到基因表達(dá)、酶活性等分子水平，Boulanger 等[82]在研究加拿大境內(nèi)圣路易斯湖沉積物污染時(shí)，將受精后的斑馬魚胚胎分別暴露于受污染和不受污染的沉積物中，與多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、二噁英和呋喃幾種污染物反應(yīng)有關(guān)的基因在暴露于污染沉積物中有著更高水平的表達(dá)，也表明該地點(diǎn)沉積物可能對(duì)生命早期階段的魚類產(chǎn)生有害影響.慢性毒性測(cè)試的優(yōu)勢(shì)主要在于能夠幫助說(shuō)明沉積物中污染物對(duì)受試生物的致死原因，生理生化、生長(zhǎng)代謝、基因表達(dá)等指標(biāo)的考察解釋了污染物對(duì)受試生物的影響機(jī)理，將沉積物毒理學(xué)的發(fā)展推向了更高的水平.

3 總結(jié)與展望（Summary and outlook）

面對(duì)沉積物環(huán)境的復(fù)雜多變、各類新型污染物的出現(xiàn)以及我國(guó)關(guān)于淡水沉積物環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的缺乏，水生生物測(cè)試在沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)中發(fā)揮了重要作用，并且應(yīng)有更加深入的發(fā)展.以下將從3 個(gè)方面對(duì)水生生物毒性測(cè)試的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行討論與展望.

（1）文章所討論的水生生物測(cè)試是一種體內(nèi)生物測(cè)試，而體外生物測(cè)試則是指在體外培養(yǎng)從通常的生物學(xué)環(huán)境中分離出的生物體組分進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，包括細(xì)胞毒性、遺傳毒性以及重組受體報(bào)告基因細(xì)胞實(shí)驗(yàn).體內(nèi)生物測(cè)試優(yōu)點(diǎn)在于可以選擇不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的代表性水生生物進(jìn)行毒性試驗(yàn)，全面反映沉積物中污染物質(zhì)對(duì)生物的脅迫效應(yīng)情況.一方面受試生物的培養(yǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室要求嚴(yán)格、對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的專業(yè)要求較高以及實(shí)驗(yàn)方法未全面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，另一方面越來(lái)越重視受試生物的倫理學(xué)問(wèn)題，限制了水生生物毒性測(cè)試在沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)中的發(fā)展.因此，在對(duì)沉積物進(jìn)行水生生物的毒性測(cè)試時(shí)，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)氖茉嚿?，最好將體外生物測(cè)試與體內(nèi)生物測(cè)試相結(jié)合，試驗(yàn)結(jié)果相互補(bǔ)充，以對(duì)沉積物毒性進(jìn)行客觀、全面地評(píng)價(jià)，為沉積物環(huán)境中污染物的精準(zhǔn)管控提供重要依據(jù).

（2）我國(guó)目前對(duì)于各類水生生物的毒性數(shù)據(jù)較為缺乏.物種敏感性分析（SSD）將污染物現(xiàn)狀與水環(huán)境中的生物毒性效應(yīng)結(jié)合，在沉積物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中有著廣泛應(yīng)用，也是推導(dǎo)沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的常用方法.SSD 的應(yīng)用需要獲取一定量的水生生物毒性數(shù)據(jù)，在國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究中，絕大多數(shù)污染物對(duì)水生生物的毒性數(shù)據(jù)來(lái)自于U S EPA 的ECOTOX 數(shù)據(jù)庫(kù)或國(guó)際農(nóng)藥行動(dòng)聯(lián)盟建立的PAN 農(nóng)藥數(shù)據(jù)庫(kù)，而國(guó)內(nèi)水生生物對(duì)污染物的毒性數(shù)據(jù)較為缺乏.因此，在未來(lái)發(fā)展中應(yīng)建立充實(shí)不同類型污染物、不同營(yíng)養(yǎng)等級(jí)水生生物的毒性數(shù)據(jù)庫(kù)，立足中國(guó)沉積物環(huán)境污染問(wèn)題，注重本土受試物種的標(biāo)準(zhǔn)化，保證毒性數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，有助于建立我國(guó)的沉積物質(zhì)量基準(zhǔn).

（3）隨著對(duì)水體沉積物的不斷深入研究發(fā)現(xiàn)，例如微塑料、納米材料等越來(lái)越多的非傳統(tǒng)污染物出現(xiàn)在沉積物中，污染物間的相互作用讓沉積物環(huán)境的污染物毒性效應(yīng)更加復(fù)雜化.利用水生生物測(cè)試沉積物中新型污染物的毒性效應(yīng)正處于起步階段，在未來(lái)應(yīng)用中應(yīng)重視污染物間的拮抗、協(xié)同作用，發(fā)展新型污染物的毒性效應(yīng)的測(cè)試方法，了解更多種類污染物對(duì)水生生物的毒性機(jī)理，推動(dòng)沉積物污染治理領(lǐng)域的深入發(fā)展.