镉和扑草净污染对蚯蚓的急性毒性效应.pdf

引文格式：李晓岚,吴珂,孙仕仙.镉和扑草净污染对蚯蚓的急性毒性效应J.云南农业大学学报(自然科学),2024,39(2):137144.DOI:10.12101/j.issn.1004-390X(n).202308036镉和扑草净污染对蚯蚓的急性毒性效应*李晓岚1,2，吴珂1,2，孙仕仙1,2*(1.西南林业大学生态与环境学院，云南省高原湿地保护修复与生态服务重点实验室，云南昆明650224；2.国家高原湿地研究中心，云南昆明650224)摘要:【目的】通过蚯蚓死亡率、体质量变化率等数据表征重金属镉和三嗪类农药扑草净单一及复合污染对蚯蚓造成的急性毒性效应，探讨污染物毒性及复合污染关系的变化。【方法】以赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)为受试生物，镉和扑草净为受试材料，采用人工土壤法对比不同污染时间和不同污染物质量分数处理下蚯蚓生理指标的变化。【结果】单一污染时，镉对蚯蚓 7和 14d 的半致死浓度(LC50)分别为 1101.00 和 543.30mg/kg；扑草净对蚯蚓 7和 14d 的 LC50分别为 91.89 和 54.04mg/kg。复合污染时，随着污染时间的增加，主效应因子由扑草净转为镉，污染物毒性也随之增强。【结论】扑草净单一污染的毒性大于镉，但镉在复合污染中的毒性更大。关键词:扑草净；镉；蚯蚓；复合污染；毒性效应中图分类号:S899.8文献标志码:A文章编号:1004390X(2024)02013708Acute Toxic Effects of Cadmium and PrometrynPollution on EarthwormsLIXiaolan1,2，WUKe1,2，SUNShixian1,2(1.YunnanKeyLaboratoryofPlateauWetlandConservation,RestorationandEcologicalServices,CollegeofEcologyandEnvironment,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China;2.NationalPlateauWetlandResearchCenter,Kunming650224,China)Abstract:PurposeTheacutetoxiceffectsofsingleandcompoundpollutionofcadmiumandtriazineherbicideprometrynonearthwormswerecharacterizedbymortalityandbodyweightchangeofearthworms,exploringthechangeofrelationshipbetweenthetoxicityofpollutantsandcompoundpollution.MethodsEisenia fetidawasusedasthetestorganism,cadmiumandprometrynwereusedasthetestmaterials,thechangesofphysiologicalindicatorsofearthwormsunderdifferentpollu-tiontimesanddifferentmassfractionsofpollutantswerecomparedusinganartificialsoilmethod.ResultsInsinglepollution,thehalf-lethalconcentration(LC50)ofcadmiumonearthwormsat7and14dayswere1101.00and543.30mg/kg,respectively;whiletheLC50ofprometrynonearth-wormsat7and14dayswere91.89and54.04mg/kg,respectively.Incompoundpollution,withthe收稿日期：2023-08-28修回日期：2024-04-23网络首发日期：2024-05-15*基金项目：国家自然科学基金项目(42167057)；云南省高原湿地保护修复与生态服务重点实验室开放基金(202105AG070002)；“兴滇英才支持计划”项目。作者简介：李晓岚(1997)，女，云南昆明人，在读硕士研究生，主要从事生态毒理学研究。E-mail：*通信作者 Correspondingauthor：孙仕仙(1979)，女，云南曲靖人，博士，教授，主要从事土壤和水体污染生物修复及重金属农药复合污染毒理学研究。E-mail：网络首发地址：https:/ 7%，西南地区尤为严重6-8。崔祥芬等9统计发现：中国稻田土壤镉含量变化幅度大，介于未检出至 99.11mg/kg 之间，加权平均质量分数为0.54mg/kg，高于背景值 4.6 倍。ZHANG 等10对黄河中下游冲积平原土壤重金属污染的研究显示：镉的潜在生态风险最高。农药在农业生产中常被超剂量、超浓度使用，对土壤生态环境造成严重影响11。联合国粮农组织的调查数据显示：全球范围内，中国的农药使用量常年居于高位，其中除草剂的使用量最大，占比超 50%12。扑草净是三嗪类农药的代表性产品，其结构中类似苯环的部分不易被破坏，可在环境中稳定存在，故作为高效除草剂被广泛使用13-14。不同农田环境中，扑草净的施用量介于 0.312.50mg/kg。扑草净的生态毒性影响深远，在水产养殖中已被禁止使用，但作为除草剂的使用并未受到限制，在许多地区甚至改变产品名称进行销售15。纪丙鑫等16对苏州生态涵养区地表水和沉积物的检测发现：扑草净为该地区唯一一种枯水期和丰水期均被检出的农药。重金属农药复合污染是土壤污染的主要贡献者，特别是镉扑草净复合污染，对区域农田土壤环境质量、食品安全、人体健康及社会经济的可持续发展构成严重威胁和挑战。本研究以模式生物赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)为受试生物，采用国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandardization，ISO)推荐的人工土壤法17，选择扑草净和镉为受试材料，通过 14d 的急性毒理试验，研究单一及复合污染条件下蚯蚓的生理响应、死亡率和体质量变化率，探讨扑草净和镉对蚯蚓的急性毒性效应，为研究两者复合污染的机制及在土壤环境中的生态风险评估提供基础数据。1 材料与方法1.1试验材料1.1.1供试动物赤子爱胜蚓购自江苏句容某蚯蚓养殖基地。试验前，将蚯蚓放置于人工土壤中培养 57d。挑选体质量为 400600mg、具有明显环带的健康成年蚯蚓进行试验，并于试验开始前 24h 对蚯蚓进行清肠处理。1.1.2供试土壤参考 ISO11268-1 配制的人工土壤由 70%石英砂(其中粒径为 0.050.2mm 的石英砂占比50%)、20%高岭土(其中高岭石含量30%)和10%泥炭藓土(风干磨细并无可见植物残留)组成，混合均匀后放置于通风阴暗环境中静置 24h进行老化处理。土壤 pH 值调节为 6.00.5，湿度调节为最大持水量的 40%。1.1.3供试药品扑草净，粉剂，纯度97%，购自常熟恒耀新材料有限公司；CdCl22.5H2O，纯度95%，购自昆明盘龙华森有限公司。1.2试验方法1.2.1污染物质量分数设计参考 ISO11268-1 标准开展镉和扑草净污染对蚯蚓急性毒性效应研究，其中，单一污染质量分数设置取值介于预试验结果的最大无影响浓度(noobservedeffectconcentration，NOEC)和全致死最低浓度(minimallethalconcentration，MLC)之间17。镉单一污染设置为：0、120、360、600、840 和 1080mg/kg(土壤干质量)，分别以 NC、C1、C2、C3、C4 和 C5 表示；扑草净单一污染设置为：乙酸乙酯(溶剂)、0、10、30、50、70和 90mg/kg(土壤干质量)，分别以 CK、NC、P1、P2、P3、P4 和 P5 表示。镉和扑草净复合污染质量138云南农业大学学报第39卷分数取自单一污染，以镉 120、600、1080mg/kg(土壤干质量)和扑草净 10、50、90mg/kg(土壤干质量)复合染毒(表 1)。表 1 镉扑草净复合污染设置Tab.1Cadmium-prometryncompoundpollutionsetting编号code扑草净质量分数/(mgkg1)massfractionofprometryn镉质量分数/(mgkg1)massfractionofcadmiumS110120S210600S3101080S450120S550600S6501080S790120S890600S99010801.2.2土壤染毒镉污染土壤时，以去离子水溶解 CdCl22.5H2O 后再与人工土壤充分混合；扑草净污染土壤时，以乙酸乙酯溶解扑草净后再与人工土壤10g 混合，放置于通风橱中 24h，待溶剂充分挥发再与剩余人工土壤混合。1.2.3急性毒性试验以 1L 玻璃罐为容器，每个容器中放入人工土壤 500g 和蚯蚓 10 条，每个处理组设置 3 个重复。玻璃罐用保鲜膜覆盖，扎孔后放入人工气候培养箱，确保罐内外气体能进行正常交换且蚯蚓无法逃逸，温度控制为(202)C，24h 光暗循环控制为 16h8h。试验时长为 14d。1.3指标测定1.3.1死亡率分别于试验开始后的第 7 和 14 天，记录每个处理的蚯蚓死亡数量，并计算死亡率。若蚯蚓对前尾部针扎无反应，则视为死亡。1.3.2体质量变化率分别于试验开始后的第 7 和 14 天，将容器中存活蚯蚓取出，清洗并用滤纸吸去表面水分后称量，按照公式计算体质量变化率：第7天体质量变化率=W7W0W0100%；第14天体质量变化率=W14W0W0100%。式中：W0、W7和 W14分别为试验初始、第 7 和14 天时蚯蚓的平均质量，g。1.4数据统计与分析采用 GraphPadPrism10.1.1 对蚯蚓死亡率进行线性回归分析，通过拟合出的回归方程计算半致死浓度(half-lethalconcentration，LC50)；采用方差分析(ANOVA)方法对蚯蚓死亡率和体质量变化率进行显著性分析；采用 SPSS27.0 对复合污染蚯蚓死亡率进行偏相关分析，根据偏相关系数确定复合污染的主效应因子。采用 GraphPadPrism10.1.1 作图。2 结果与分析2.1不同污染处理的蚯蚓死亡率和体质量变化率2.1.1镉单一污染由图 1 可知：第 7 天时，除 C1 处理外，蚯蚓均出现死亡，C2C5 处理的蚯蚓死亡率分别为3.33%、16.67%、36.67%和 46.67%；与空白处理(NC)相比，C3C5 处理的死亡率显著上升(P0.05)。第 14 天时，未死亡蚯蚓表现出黄色体液渗出、身体伸长、环带肿胀等中毒现象；与 NC 处理相比，C2C5 处理的死亡率显著上升(P0.05)。随着污染时间的增加，C2C5 处理的死亡率显著上升(P0.05)，分别增长 900.90%、199.94%、81.81%和 107.14%。由图 1 还可知：第 7 天时，C1C3 处理的蚯蚓体质量变化率保持正增长，C4 和 C5 处理的体质量变化率呈负增长；与 NC 处理相比，C2C5 处理的体质量变化率均显著下降(P0.05)。第 14 天时，除 C1 处理的体质量变化率保持正增长外，C2C5 处理的体质量变化率均呈负增长；与 NC 处理相比，C2C4 处理的体质量均显著下降(P0.05)。随着污染时间的增加，C1C5 处理的体质量变化率发生显著变化(P0.05)，分别增加57.04%、256.34%、710.25%、1096.83%和429.29%。2.1.2扑草净单一污染由图 2 可知：第 7 天时，P3P5 处理的蚯蚓出现死亡，死亡率分别为 3.33%、13.33%和46.67%。第 14 天时，未死亡蚯蚓表现出身体蜷缩、尾部针刺反应不明显等中毒症状；其中 P5处理的死亡率达 100%；与 NC 处理相比，P4 和P5 处理的死亡率显著增加(P0.05)。随着污染时第2期李晓岚，等：镉和扑草净污染对蚯蚓的急性毒性效应139间的增加，P3P5 处理的死亡率显著上升(P0.05)，分别增长 700.90%、625.21%和 114.27%。由图 2 还可知：第 7 天时，CK、NC、P1P3 处理的蚯蚓体质量变化率呈正增长，P4 和P5 处理的体质量变化率呈负增长；与 NC 处理相比，P1P5 处理的体质量变化率均显著下降(P0.05)。第 14 天时，除 P1 处理的蚯蚓体质量变化率略微升高外，P2P5 处理的体质量变化率均呈负增长；其中，P5 处理的体质量变化率下降至100%；与 NC 处理相比，P1P5 处理的体质量变化率均显著下降(P0.05)。随着污染时间的增加，P1P5 处理的体质量均显著降低(P0.05)，分别增长87.32%、112.60%、248.34%、701.99%和 319.99%。2.1.3不同质量分数的扑草净与镉复合污染由图 3a 可知：第 7 天时，当镉质量分数由120mg/kg 增加至 1080mg/kg，复合污染处理的蚯蚓死亡率与单一污染间的差距逐渐减小，其中S3 和 S6 处理的死亡率低于单一镉污染；第 14 天时，随着镉质量分数的升高，复合污染处理的蚯蚓死亡率与单一污染间的差距逐渐减小，其中S2、S3、S6 和 S9 处理的死亡率低于单一镉污7140255075100125pollution time死亡率/%mortalityBcdeBcBbBaAdAcAeAbAaAdeAdeAe714120804004080体质量变化率/%weight change rateNCC1C2C3C4C5AaBdAbAbBcBaBaBb Bc Ad AeAa污染时间/d注：NC.空白处理，C1C5.镉质量分数分别为 120、360、600、840和 1080mg/kg。同一处理的 3 个点表示该处理的 3 个平行组数据；不同小写字母表示相同时间不同质量分数处理间差异显著(P0.05)，不同大写字母表示不同时间相同质量分数处理间差异显著(P0.05)；下同。Note:NC.blanktreatment,C1-C5.themassfractionofcadmiumis120,360,600,840,and1080mg/kg,respectively.Threedatapointsforeachtreatmentrepresenttheparallelgroupsofthattreatment;differentlowercaselettersindicatesignificantdifferencesbetweentreatmentswiththesametimebutdiffer-entmassfraction(P0.05),differentuppercaselettersindicatesignificantdifferencesbetweentreatmentswiththesamemassfractionbutdifferenttimes(P0.05);thesameasbelow.图 1 镉单一污染对赤子爱胜蚓死亡率和及体质量变化率的影响Fig.1EffectsofcadmiumsinglepollutiononthemortalityandweightchangerateofEisenia foetida7140255075100125污染时间/dpollution time死亡率/%mortalityBaBcBbAcAbAaAaAcAcAcAcAcAcAc7141208040040体质量变化率/%weight change rateAaAbAcBd BeBbBbBcAdAaBaBaAcAdCKNCP1P2P3P4P5注：CK.溶剂对照，NC.空白处理，P1P5.扑草净质量分数分别为 10、30、50、70和 90mg/kg。Note:CK.solventcontrol,NC.blanktreatment,P1-P5.themassfractionofprometrynis10,30,50,70,and90mg/kg,respectively.图 2 扑草净单一污染对赤子爱胜蚓死亡率及体质量变化率的影响Fig.2EffectsofprometrynsinglepollutiononthemortalityandweightchangerateofE.foetida140云南农业大学学报第39卷染。第 7 天时，S2、S4、S5、S7 和 S8 处理的蚯蚓体质量变化率相较于 120 和 600mg/kg 镉单一污染呈负增长，S3、S6 和 S9 处理的体质量变化率相较于 1080mg/kg 镉单一污染呈负增长；第14 天时，S1S9 处理的体质量变化率均呈负增长，但与单一污染间的差距逐渐减小；随污染时间的增加，几乎所有复合污染处理的蚯蚓体质量均显著降低(P0.05)。由图 3b 可知：第 7 天时，当扑草净质量分数由 10mg/kg 增加至 90mg/kg 时，复合污染处理的蚯蚓死亡率与单一污染间的差距先增大后减小；第 14 天时，当扑草净质量分数由 10mg/kg增加至 90mg/kg 时，复合污染处理的死亡率与单一污染间的差距逐渐缩小，其中 S7S9 处理的死亡率略低于单一污染。第 7 天时，S2S9 处理的体质量变化率呈负增长，其中 S7 和 S8 处理的体质量变化率略低于单一污染；第 14 天时，当扑草净质量分数由 10mg/kg 增加至 90mg/kg 时，各处理的体质量变化率均呈负增长，其中 S7S9 处理的体质量变化率显著低于单一污染(P镉的偏相关系数(0.403)，表明扑草净是影响复合污染毒性的主效应因子；第 14 天，Y、XCd和 XP的剂量效应关系符合方程 Y=31.111+0.038XCd+0.319XP，R2=0.6157，扑草净的偏相关系数(0.586)镉的偏表 2 镉和扑草净单一污染对蚯蚓的急性毒性Tab.2AcutetoxiceffectofsinglepollutionofcadmiumandprometrynonEisenia foetida污染物pollutant污染时间/dpollutiontime半致死浓度(LC50)/(mgkg1)half-lethalconcentration95%置信区间/(mgkg1)95%confidenceintervalR2镉cadmium71101.001027.001210.000.948514543.30475.40611.800.9417扑草净prometryn791.8989.5495.100.96051454.0453.7255.160.9962表 3 镉与扑草净复合污染对蚯蚓的急性毒性效应Tab.3AcutetoxicityofcadmiumandprometryncompoundpollutiontoE.foetida污染物pollutant污染时间/dpollutiontime质量分数/(mgkg1)massfraction线性回归方程linearregressionequation半致死浓度(LC50)/(mgkg1)half-lethalconcentration镉cadmium7120y=0.583x2.50390.01600y=0.583x+6.37574.791080y=0.500 x+18.75062.5014120y=0.458x+37.42527.46600y=0.375x+44.86613.691080y=0.125x+49.8741.01扑草净prometryn710y=0.016x3.8563324.4450y=0.030 x18.3322285.3590y=0.014x+48.341120.221410y=0.123x18.892560.5550y=0.031x+61.258359.6890y=0.028x+61.115399.82142云南农业大学学报第39卷相关系数(0.720)，表明镉是影响复合污染毒性的主效应因子。可见，随着污染时间的增加，复合污染物中主效应因子由扑草净转变为镉。3 讨论3.1镉和扑草净单一污染对蚯蚓的毒性效应本研究表明：单一污染情况下，污染物质量分数与蚯蚓死亡率和体质量变化率存在剂量效应关系，符合死亡率和体质量变化率随着污染物质量分数增加而上升的规律19-21。本研究通过蚯蚓死亡率计算出第 14天镉和扑草净的 LC50分别为 543.30和 54.04mg/kg，与窦晶晶22和赵作媛等23的研究结果相似。扑草净的毒性远大于镉，与曹茹冰等24采用滤纸接触的试验结果相似，分析其原因可能是扑草净为有机污染物，脂溶性更强，而重金属镉的水溶性更强，两者在蚯蚓体内的作用方式不同25-27。此外，单一污染情况下，低质量分数扑草净虽对蚯蚓造成明显的毒性损伤，但不致死，随着污染时间的增加，死亡率迅速上升。目前有关扑草净的研究较少，徐建等28对同属于三嗪类农药的阿特拉津研究发现：低质量分数污染下，蚯蚓虽未死亡但表现出极明显的反应迟钝、身体松弛等毒性效应；随着污染物质量分数的升高和污染时间的增加，死亡率迅速升高。3.2镉和扑草净复合污染对蚯蚓的毒性效应复合污染试验中，当其中一种污染物质量分数不变时，另一种污染物质量分数的变化将使结果出现差异。不同质量分数镉与扑草净复合时，污染物间产生协同效应，随着污染时间的增加，污染物间协同效应增强，复合污染物毒性也成倍增加。不同质量分数扑草净与镉复合时，短时间内低、中质量分数复合污染物间产生拮抗效应，高质量分数复合污染物间产生协同效应；随着污染时间的增加，低质量分数复合污染物间仍保持拮抗效应，但效果已经十分微弱，中质量分数复合污染物间效应由拮抗转为协同，高质量分数复合污染物间协同效应增强；复合扑草净质量分数和污染时间的变化都使复合污染物的作用关系发生改变。镉单一急性污染期内，蚯蚓体内谷胱甘肽 S-转移酶含量随着污染时间的增加大幅上升29，而纤维素酶和解毒酶含量先增加后显著下降30；以三嗪类农药阿特拉津为参考，蚯蚓体内的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶对污染有明显响应，表现为低质量分数诱导、高质量分数抑制，第 7 天时2 种酶含量处于最高位31。由此推测，镉和扑草净复合污染时，机体为清除体内的污染物，短时间内同时诱导激活大量抗氧化酶、解毒酶和纤维素酶，从而表现出较为轻微的协同作用甚至拮抗作用；随着污染时间的增加和复合污染物质量分数的升高，污染物在体内持续扩散使机体受到损伤，机体无法持续产生足够的酶，无法及时清除体内大量的污染物，最终表现为拮抗作用减弱或协同作用增强。复合污染主效应分析中，扑草净偏相关系数下降 0.241，镉偏相关系数上升 0.317，主效应因子随着污染时间的增加由扑草净变为镉，复合污染物关系表现为拮抗效应减弱或协同效应增强，复合污染物毒性增加倍数也远高于单一污染，由此推测镉在复合污染中起到更为关键的影响作用，即：复合污染物在环境中污染时间越长，镉在复合污染物中越占有主导地位，复合污染物的毒性越强，复合关系越倾向于协同；反之，扑草净在复合污染物中越占有主导地位，复合污染物毒性越弱，复合关系越倾向于拮抗。4 结论镉和扑草净单一污染中，随着污染时间的增加或污染物质量分数的升高，蚯蚓的死亡率和体质量变化率发生显著变化。镉扑草净复合污染中，污染时间增加导致主效应因子由扑草净转为镉，复合污染物毒性增强。土壤环境中镉和扑草净均会对蚯蚓造成胁迫，但镉是造成复合污染物毒性增强的重要因素，其复合关系和毒性效应机制尚不明确，仍需进行深入研究。参考文献WUYF,LIX,YUL,etal.ReviewofsoilheavymetalpollutioninChina:spatialdistribution,primarysources,and remediation alternativesJ.Resources,Conservati-onandRecycling,2022,181(2):106261.DOI:10.1016/j.resconrec.2022.106261.1WANGLT,LIURZ,LIUJ,etal.Anovelregional-scalehumanhealthriskassessmentmodelforsoilheavymetal(loid)pollution based on empirical Bayesian 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