铜_铅_镉_锌_汞和银离子复合污染对水螅的急性毒性效应

收稿日期:2006-03-20
作者简介:陈　娜(1980-),女,硕士研究生,E -mail:chenna656854@;
通讯作者:郝家胜(1967-),男,安徽霍邱人,博士(后),教授,主要从事水生生物学、动物分子系统学与分子古生物学研究。

基金项目:安徽省教育厅自然科学基金重点项目(kj2003zd );重要生物资源保护与利用安徽省重点实验室专项基金;安徽省高校“十五”规划优秀人才基金资助课题
铜、铅、镉、锌、汞和银离子复合污染对水
螅的急性毒性效应
陈　娜,郝家胜,王　莹,苏成勇,吴本富
(安徽师范大学生命科学学院,芜湖　241000)
摘　要:以水螅(Hydra s p )为例,通过单因子静态急性毒性试验方法和等毒性溶液法,分别研究Hg 2+、Cu 2+、Cd 2+
、
Ag +、Zn 2+和Pb 2+对其单一和复合毒性效应。

单一实验结果表明,它们对水螅毒性大小顺序为Hg 2+
>Cu
2+
>Cd
2+>Ag +
>Zn
2+
>Pb 2+。

复合毒性实验表明,Zn 2+
与Cu 2+
、Hg 2+
、Pb 2+
、Ag +
;Pb 2+
与Cu 2+
;Hg 2+
与Ag +
;Pb 2+
与Ag
+
这些组合对水螅联合急性毒性总体上表现出拮抗作用,Cd 2+与Cu 2+、Hg 2+、Pb 2+、Ag +组合总体上则是协同作用,
Zn 2+
与Cd 2+
、Pb 2
与Hg 2+
、Cu 2+
与Hg
2+
,Ag +
在不同的浓度水平组合下明显表现出不同的毒性效应。

关键词:重金属;单一和复合污染;急性毒性;水螅中图分类号:Q958.116
文献标识码:A
文章编号:1008-9632(2007)03-0032-04
随着工农业的快速发展,大量含有重金属的废水排放到大自然水体中,使水环境受到污染,严重影响水生生物的生长繁殖。

由于环境中污染物的种类和数量不断增加
[1]
,污染环境中在更多场合以更大概率存在
一种以上的污染物,复合污染就成为生态毒理学研究的热点。

尽管近年来有关汞、镉、锌、铅、铜和银对水生生物的毒性效应国内外已有一些报道
[2,3]
,它们的复合
污染毒理效应的研究也涉及到鱼类、甲壳类甚或微生物,但对水螅这类结构简单的水生动物的急性毒性和联合毒性研究还鲜见报道。

水螅(Hydra s p )是腔肠动物门水螅纲代表动物,容易采集和培养,可作为水环境监测受试生物。

本文系统研究了汞、镉、锌、铅、铜和银单一和两两复合污染对水螅的急性毒性效应,为科学评价水生生态环境中重金属复合污染毒性效应积累基础数据。

1　材料与方法
1.1　水螅的采集和培养
实验用水螅采自安徽芜湖市郊。

光照培养箱中,温度为25±1℃下进行“克隆”培养。

水螅培养液
[4]
:
无水CaC121.47g;TES (N -三(羟)甲基-2-氨基乙磺酸)1.15g;EDT A (乙二胺四乙酸钠)0.04g,加蒸馏水至10L,调节pH 值至6.9±0.1。

饵料:采自芜湖市东郊的西洋湖,是蚤状　(Daphnia pulex )为主的枝角类。

实验室内培养1个月以上。

试验选择个体大小相似,
健康的单体水螅。

1.2　试验方法1.2.1　单一急性毒性实验
实验所用的Pb (NO 3)2、CdCl 2・2.5H 2O 、ZnS O 4・7H 2O 、HgCl 2、Ag NO 3、CuS O 4・5H 2O 均为分析纯,由合肥工业大学化学试剂厂生产,用于配制1g/L 几各种重金属母液,4℃冰箱保存。

按对数间距设置各污染物毒
性实验浓度系列[5]如表1。

每一浓度设3个平行组[6]
,并设对照组(只有水螅培养液)。

表1　单一急性毒性实验中各污染物的浓度设置
Table 1Single t oxicity tesed concentrati on of pollutants
污染物
pollutant 试验浓度(mg /L )concentrati on (mg /L )
Hg 2+0.0870.0750.0560.0490.0370.0320.0240.010.00870.00750.0065Cu 2+1.351.00.870.750.560.420.320.240.180.1350.001Cd 2+1.351.00.870.750.650.560.420.320.210.18Ag
+
5.64.23.22.41.81.351.00.870.560.320.1Zn 2+7.55.64.22.41.00.871.00.750.560.320.24
Pb
2+
13.5
10
8.7
7.5
5.6
4.2
3.2
2.1
1.81.35
试验时将禁食4h 后的水螅12只,放入盛有50mL
的试验液的烧杯中,烧杯置于生化培养箱(25±015℃)中恒温培养。

试验期间不喂食,不更换培养液。

每24h 观察、记录每组水螅的死亡数(对刺激无反应或
已消亡的个体被定为死亡)。

参照几率单位法[5]
求得各污染物对水螅24h 、48h 和96h 的半致死浓度LC 50。

2
3
2.2.2　联合毒性实验　联合毒性试验采用等毒性溶液法,以各污染物的48h LC
50
为1个毒性单位,将各污
染物48h LC
50。

分别乘上0.8,0.6,0.5,0.4,0.2;再两两组合,使得两者的毒性单位之和为1[5]。

各复合浓度组合见表2。

试验方法同前,记录48h各试验组水螅的死亡数,将试验数据输入计算机,进行统计学处理,绘制浓度死亡曲线分析确定各离子之间联合作用类型。

表2　联合毒性实验中各组合污染物的浓度设置Table2B inary-combined t oxicity tesed concentrati ons of pollutants
组合-污染物co mp lex
试验浓度组合(mg/L)centrati on
0.8+0.20.6+0.40.5+0.50.4+0.60.2+0.8
Zn2++Cu2+1.68+0.0741.26+0.1481.05+0.1850.84+0.2220.42+0.296 Zn2++Pb2+1.68+1.121.26+2.241.05+2.80.84+3.360.42+4.48 Zn2++Hg2+1.68+0.0061.26+0.0121.05+0.0150.84+0.0170.42+0.023 Zn2++Ag+1.68+0.351.26+0.701.05+0.880.84+1.050.42+1.41 Zn2++Cd2+1.68+0.091.26+0.181.05+0.2250.84+0.270.42+0.36 Cd2++Cu2+0.36+0.0740.27+0.1480.225+0.1850.18+0.2220.09+0.296 Cd2++Hg2+0.36+0.0060.27+0.0120.225+0.0150.18+0.0170.09+0.023 Cd2++Pb2+0.36+1.120.27+2.240.225+2.80.18+3.360.09+4.48 Cd2++Ag+0.36+0.350.27+0.700.225+0.880.18+1.050.09+1.41 Pb2++Cu2+4.48+0.0743.36+0.1482.8+0.1852.24+0.2221.12+0.296 Pb2++Ag+4.48+0.353.36+0.702.8+0.882.24+1.051.12+1.41 Pb2++Hg2+4.48+0.0063.36+0.0122.8+0.0152.24+0.0171.12+0.023 Hg2++Ag+0.023+0.350.017+0.700.015+0.880.012+1.050.006+1.41 Cu2++Hg2+0.296+0.0060.222+0.0120.185+0.0150.148+0.0170.074+0.023 Cu2++Ag+0.296+0.350.222+0.700.185+0.880.148+1.050.074+1.41
2　结果与分析
2.1　对水螅的单一毒性
6种重金属对水螅的单一因子静态试验结果见表3,经统计分析得出24h、48h和96h水螅的死亡率随污染物浓度变化呈显著线性相关关系。

根据表3中回归方程可计算出各重金属离子在24h、48h和96h的LC
50。

比较它们的半致死浓度,可以得出其毒性大小顺序为: Hg2+>Cu2+>Cd2+>Ag+>Zn2+>Pb2+。

实验表明,这6种重金属单一存在时,各自对水螅均产生毒性。

其中,Hg2+、Cu2+、Cd2+和Ag+中毒症状尤为明显,高浓度处理组,几秒钟后触手就开始急遽收缩,身体也不断扭动收缩。

在48h、72h记录实验数据时通常可以观察到有的个体仅剩触手和口这一部分,但仍具有收缩、运动之功能。

而身体其它部分已消失,这是其它几种重金属所没有的现象。

而Zn2+、Pb2+处理组水螅中毒症状没有上述四种重金属处理的反应快速,在几小时后才发生整个身体发黑,在身体表层出现白色絮状物等现象。

6种重金属对水螅急性毒性上的差异(各时间LC50和所表现的中毒症状),一方面可能是由于污染物的化学结构不同,产生的毒性机制不同[3];另一方面可能是侵入途径不同,导致毒物在水螅体内分布吸收速度不同[7]。

水螅对Hg2+、Cu2+、Cd2+、Ag+的毒性反应迅速,接触后立刻产生收缩现象,说明这几种污染物对水螅的染毒方式可能以口摄食为主。

而水螅对Pb2+,Zn2+可能是以皮肤渗入为主。

表3　6种重金属单—污染对水螅急性毒性试验数据的分析
Table3The data analysis results of single polluti on
of Hg2+,CH2+,Cd2+,Ag+,Zn2+and Pb2+t o Hydra s p.
污染物
pollutant
时间
ti m e
(h)
概率单位—浓度
对数回归方程
linear regressi on equa
相关系数r2
correlati on
coefficients
LC50(mg/L)(95%置信限)
LC50(mg/L)(95%confidence
interval) Hg2+24y=5.81x+12.00330.95470.063(0.013～0.074) 48y=6.56x+15.0530.93060.029(0.025～0.035)
96y=2.99x+10.9030.86670.010(0.007～0.014) Cu2+24V=5.17x+5.57330.86220.77(0.64～0.94) 48V=3.71x+6.60330.97370.37(0.28～0.49)
96y=8.07x+11.4630.98640.16(0.14～0.18) Cd2+24y=12.52x+5.27330.97330.95(0.87～1.04) 48y=10.38x+8.5830.99720.45(0.41～0.50)
96y=9.64x+10.3230.97040.28(0.25～0.31) Ag+24y=4.44x+2.77330.96163.18(2.54～3.99) 48y=4.98x+3.78330.99341.76(1.44～2.16)
96y=7.29x+8.37330.96990.34(0.30～0.40) Zn2+24V=6.24x+0.7630.99524.80(3.65～6.13) 48y=6.41x+2.9130.97562.10(1.78～2.52)
96y=4.65x+6.91330.97150.39(0.37～0.48) Pb2+24y=9.82x-4.790.99299.95(8.87—11.16) 48y=9.66x-2.2230.98495.60(4.97～6.29)
96y=6.31x+2.54330.99762.46(2.06～2.94)
显著性水平3:P<0.05,33:P<0.001significance level3:P<0.05, 33:P<0.001
关于Hg2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+和Zn2+对水生动物的急性毒性作用已有一些报道。

表3显示Hg2+、Cu2+和
Zn2+对Hydra s p48h、96h LC
50
均小于上述甲壳动物,
Zn2+、Cu2+、Cd2+和Pb2+48h LC
50
均大于软体动物,这说明水螅对重金属污染有一定的耐受性和敏感性;而Cd2+
对Hydra s p48h和96h LC
50
均小于它对Hydra vulgaris的
LC
50
值,Cu2+则恰恰相反[8,9]。

这表明尽管是同一类水生生物,但由于种群不同对同一类型的污染胁迫也产生不同的生态毒理效应。

2.2　对水螅的联合毒性
6种重金属两两联合对拟寡水螅的联合急性毒性作
用结果如图1、2、3所示。

方差分析结果表明:Zn2+与Cu2+、Hg2+、pb2+、Cd2+,Cd2+与pb2+、Ag+的组合中各毒性比对水螅的死亡率有显著影响(P<0.05);各毒性比多重比较结果显示,死亡率均在50%以上的重金属组合下水螅的死亡率与死亡率低于50%的组合的死亡率相比具有显著差异性,但死亡率均在50%以上或死亡率均在50%以下的重金属组合间水螅的死亡率无明显差异。

如Cd2++Cu2+组合下水螅死亡率与Cd2+与Hg2+、Pb2+、Ag+组合无显著性差异(图1),但其死之率显著高于其
33
它重金属组合(图2、3)。

表4　Pb 2+、Cd 2+、Cu 2+、Hg 2+和Zn 2+对多种动物的急性毒性作用
Table 4The acute t oxicity of Pb 2+,Cd 2+,Cu 2+,Hg 2+and Zn 2+
t o s o me ani m al s pecies
污染物
pollutant 动物类别
s pecies of ani m al
染毒时间
ti m e (h )LC 50(mg /L )参考文献
references
Pb
2+
海湾扇贝稚贝
481.7999刘亚杰
[2]
Hydra s p .480.9849本研究
Cd
2+
斑节对虾仔虾960.2656邹栋梁
[10]
海湾扇贝稚贝
481.3948刘亚杰[2]
Hydra vulgaris 480.84本研究960.31Hold way DA
[8]
Hydra S p .
480.45本研究960.28本研究Cu
2+
斑节对虾仔虾960.5710邹栋梁
[10]
海湾扇贝稚贝
480.0766刘亚杰[2]
Hydra vulgaris 480.05W ancha mai K
[9]
960.032本研究Hydra s p .
480.37本研究960.16本研究Hg 2+
斑节对虾仔虾
960.01975邹栋梁[10]
Hydra s p .
960.010本研究
Zn
2+
斑节对虾仔虾961.363邹栋梁
[10]
海湾扇贝稚贝
481.4413刘亚杰[2]
Hydra s p .
482.10本研究96
0.39
本研究
Cd 2+与Cu 2+
、Hg 2+
、Pb 2+
、Ag +
的组合中,每一毒性
比下水螅死亡率都高于它们单一污染时的死亡率(图1),它们的共毒系数总的趋势显示这几个污染物组合对
水螅的联合急性毒性效应表现为协同作用。

Cd 2+
的存在加强了其他重金属单一污染时的毒性,这可能因为复合污染改变了单一污染的染毒机制。

可能是当这些金属共同存在于生物体内,使其细胞膜的通透性加大,从
而毒性增强。

Cd 2+与Cu 2+、Pb 2+、Hg 2+
这种协同作用与
其他人研究结果基本一致[6]。

图1　Cd 2+与Cu 2+、Hg 2+、Pb 2+、Ag +对水螅的联合毒性效应
Fig 1Joint t oxicity effects of Cd 2+with Cu 2+,
Hg 2+,Pb 2+and Ag +t o Hydra s p.
Zn 2+
与其它五种重金属组合(除了Cd 2+以外),(如
图2),Pb 2+
+Cu 2+,Hg
2+
+Ag +,Pb
2+
+Ag +
组合(图3)
都降低了它们单一污染时对水螅的死亡率。

但方差分
析结果表明这些组合之间的拮抗作用无显著性差异。

但从图2和表3可得出:Zn 2++Cd 2+
在不同的毒性比下表现出不同的毒性效应,并且方差分析结果表明各毒性
比下死亡率之间有极显著性差异(P <0.001)。

Pb 2+
+Hg 2+,Cu 2++Hg 2+,Cu 2++Ag +
这三个组合对水螅的死亡率均在单一污染物下水螅死亡率附近(图3),不同毒性比也表现出不同的毒性效应,有相加、拮抗甚或协同
作用,但各组的死亡率之间无显著性差异。

图2　Zn 2+与Cu 2+、Pb 2+、Hg 2+、Ag +、Cd 2+对水螅的联合毒性效应
Fig 2Joint t oxicity of Zn 2+with Cu 2+,Pb 2+,
Hg 2+,Ag +and Cd 2+t o Hydra s p.
许多研究结果[6]都表明Zn 2+对Cu 2+、Hg 2+
的毒性
均具有拮抗作用,且随着Zn 2+
的浓度增加而增加,这是
由于Zn 2+、Cu 2+、Hg 2+
对进入细胞的生物活性位点竞争
的结果。

由于金属进入细胞的活性位点有限,当Zn 2+
浓
度远大于Cu 2+、Hg 2+
浓度时,这些进入细胞的活性位点
大部分被Zn 2+所占据,使毒性较大的Cu 2+、
Hg 2+
无法进入细胞。

图3　Pb 2+与Cu 2+、Ag +、Hg 2+,Cu 2+与
Hg 2+、Ag +,Hg 2+与Ag +对水螅联合毒性效应Fig 3Joint t oxicity of Pb 2+with Cu 2+,Ag +and Hg 2+,Cu 2+
with Hg 2+and Ag +,Hg 2+with Ag +t o Hydra s p.
4
3
有关Cd2+和Zn2+对水生生物的联合毒性作用一直都存在着争议,修瑞琴等以斑马鱼[11],河口生物美丽猛水搔(N itocra)和咸水生物卤虫(A rte m ia)[12],Spehar[13]等用美国旗鱼,以及王银秋[14]等以泥鳅和鲫鱼为实验材料所得结果是一致的,两者具有拮抗作用;江敏[12]等以罗氏沼虾仔虾为实验材料的结果却是协同的。

本实验结果中Cd2+和Zn2+,在不同毒性比下对水螅表现不同的毒性作用;其他的污染组合也都出现类似的情况。

这说明各污染物的不同浓度组合表现出对水螅的不同毒性效应,这与周启星所研究的复合污染生态毒理效应结论是一致的[7]。

由此,在单因子污染胁迫下,污染物对水生生物的毒害效应,基本上决定于其本身的理化性质。

而在复合污染条件下,除了各污染物的理化性质之外,各污染物的浓度水平的组合也起到重要作用[7,15,16]。

因此,复合污染生态毒理效应是相当复杂的,它与两污染物存在的浓度水平的组合关系可能有着更为直接的关系。

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Si n gle and bi n ary-co mbi n ed acute toxi city of heavy met al i on Hg2+,Cu2+,Cd2+,Ag+,Zn2+and Pb2+to Hydra CHE N Na,HAO J ia-sheng,WANG Ying,S U Cheng-yong,WU Ben-fu
(College of L ife Sciences,Anhui Nor mal University,W uhu241000,China)
Abstract:Single-fact or acute t oxicity and equi-t oxicity s oluti on test were used t o evaluate the effect of single and bianary-co mbined conta m inati on of Hg2+,Cu2+,Ag+,Zn2+and Pb2+t o Hydra.The single conta m inati on results were obtained after treated.The binary-combined conta m inati on results showed that Zn2+was antagonistic t o Cu2+, Hg2+,Pb2+and Ag+,Pb2+t o Cu2+and Hg+t o Ag+were als o antag onistic.W hereas,the j oint t oxicity analysis sho wed that Cd2+t o Cu2+,Hg2+,Pb2+and Ag+were synergistic.I n additi on,the binary-combinati on of Zn2+with Cd2+,Pb2+with Hg2+,Cu2+with Hg2+,Cu2+with Ag+showed different concentrati on-rati o t oxic effects bet w een the m.
Keywords:heavy metal i on;single and binary-combined conta m inati on;acute t oxicity;Hydra
53。