几种环境因子影响下铜和TBT对中华哲水蚤的毒性效应

周 浩,朱丽岩,陈志鑫,戚本金,章 程

(中国海洋大学海洋生命学院,山东青岛266003)

几种环境因子影响下铜和TBT对中华哲水蚤的毒性效应

周 浩,朱丽岩＊＊,陈志鑫,戚本金,章 程

(中国海洋大学海洋生命学院,山东青岛266003)

研究了在不同酸度、温度和盐度条件下重金属铜和TBT对中华哲水蚤的毒性效应。在采样环境下(温度12± 0.5℃、盐度32±0.5、p H值7.8±0.1),随着铜和TBT浓度的提高,中华哲水蚤的死亡率升高(P<0.05),此时铜和TBT对中华哲水蚤的96 h-LC50分别为84.65和1.59μg·L-1。为测定改变环境因子后铜和TBT对中华哲水蚤的毒性效应所受的影响,实验采用了2×2×3×4因子设计(2个酸度,2个温度,3个盐度,4个污染物浓度)。结果显示:温度升高8℃能够显著提高各浓度铜和TBT对中华哲水蚤的致死率(P<0.05);p H值降低1,盐度升高8或降低7对各浓度铜和TBT对中华哲水蚤的致死率没有显著影响(P>0.05)。

中华哲水蚤;铜;TBT;毒性效应;环境因子

随着温室气体排放问题日益凸显,其导致的全球变暖、海水酸化等环境问题受到了广泛的关注[1-3]。海水p H值降低在通过多种方式影响海洋生物的同时,还会影响水环境中泥沙颗粒对金属离子的吸附容量以及毒性的大小[4-8]。温度也是影响水生动物正常生理活动和累积溶解态重金属的重要因子,重金属的被吸收率和对水生生物的毒性随着温度的升高而增加[9-11]。盐度对桡足类的效应则较为复杂,不同种类、甚至同一种类的不同发育期及性别都有一定的适盐范围,过高或过低的盐度都会引起桡足类原生质的变质进而导致生物死亡[12]。

TBT毒性大,富集因子高,在底质中存留时间长,μg·L-1级水平就能对海洋生物产生毒性影响,在部分地区造成了严重的环境问题[13-15]。海洋重金属污染中铜主要以无机离子的形式存在,它残毒时间长,对许多海洋生物均具很强的毒性并易在生物体内累积[16]。

中华哲水蚤(Calanus sinicus)为西北太平洋大陆架区的特征桡足类,“黄/东海生态系统动力学研究(973)”项目将其列为我国近海生态系统中的关键种,在我国近海生态系统中有着十分重要的地位[17]。本实验研究了2种沿海常见污染物在不同环境因子作用下对中华哲水蚤的毒性效应,为进一步研究这2种污染物对桡足类的生理生化影响提供基础资料,并为海区环境质量评价提供参考依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验动物采集与培养

中华哲水蚤采自青岛栈桥水域,用浅水Ⅰ型浮游动物网水平拖曳采集,暂养于10 L塑料桶中,于1 h内返回实验室,挑取活泼的成体,放置于圆形玻璃缸中培养。根据不同盐度、p H值的需要在经过GF/F玻璃纤维滤膜过滤的海水中加相应比例的海水晶、去离子水或盐酸(12 mol·L-1)得到实验用海水,进行实验动物的培养。培养温度12±0.5℃、盐度32±0.5、p H值7.8±0.1、光暗比12L∶12D、光照强度12 000 Lx。实验前将中华哲水蚤在相应实验条件下驯化1周。

1.2 材料与方法

1.2.1 环境条件下铜和TBT对中华哲水蚤的急性毒性实验 测定采样环境(温度12±0.5℃、盐度32± 0.5、p H值7.8±0.1)下,铜(分子式CuSO4·5H2O,分子量249.7)和TBT(分子式C24H54OSn2,分子量596.1;以分析纯丙酮为溶剂)对中华哲水蚤的96 h-LC30、LC50、LC70。实验设计如下:6个实验浓度,每个浓度3个平行,每个平行随机挑取12只个体活泼、大小相似的成体,放入盛有100 mL实验溶液的100 mL烧杯。铜离子浓度设定为0(对照),25,50,100,150, 200μg·L-1,TBT浓度设定为0(对照),0.45,0.90, 1.80,2.70,3.60μg·L-1,由于TBT各实验组中溶液的丙酮最终浓度不超过72.0μg·L-1,因此采用72.0 μg·L-1丙酮溶液作为溶剂对照。光暗比12L∶12D,光照强度12 000 Lx,从实验开始到结束不投饵,每24 h换水50%,检查死亡情况,轻轻拨动3次没有反应定义为死亡,死亡个体清除。

1.2.2 环境因子变化对铜和TBT对中华哲水蚤毒性效应的影响 为测定改变环境因子后,铜和TBT对中华哲水蚤的毒性效应所受的影响,实验采用2×2×3 ×4因子设计,即2个酸度:p H值6.8,7.8;2个温度: 12,20℃;3个盐度:25,32,40;4个污染物浓度:铜离子浓度为0(对照)、68,85,106μg·L-1(相当于96 h-LC0,LC30,LC50,LC70);TBT浓度为0(对照)、1.30, 1.59,1.93μg·L-1(相当于96 h-LC0,LC30,LC50, LC70),TBT实验中采用38.6μg·L-1丙酮溶液作为溶剂对照。每个实验组3个平行,每个平行12只个体活泼、大小相似的成体。其它同1.2.1。

1.2.3 数据处理 数据分析采用统计软件SPSS13.0进行,结果以平均值±标准差表示,LC50通过SPSS13.0软件中的Probit函数计算得到,P<0.05为α=0.05水平上差异显著,P<0.01为α=0.01水平上差异极显著。

2 实验结果

2.1 环境条件下铜和TBT对中华哲水蚤的急性毒性实验

铜和TBT对中华哲水蚤的急性毒性实验中,实验开始直至结束的96 h内所有对照组中桡足类个体均保持正常状态。随着铜和TBT浓度的提高,中华哲水蚤的死亡率升高(P<0.05)(见图1)。计算得铜和TBT对中华哲水蚤的96 h-LC50值分别为84.65μg· L-1和1.59μg·L-1。暴露在高浓度铜(106μg· L-1)和TBT(1.93μg·L-1)下,个体的死亡大部分是出现在早期(48 h以内);而暴露在低浓度铜(68μg· L-1)和TBT(1.3μg·L-1)下,个体的死亡则大部分出现在48 h之后。

图1 不同浓度铜(a)和TBT(b)下中华哲水蚤的96 h急性毒性实验的死亡率Fig.1 Mortality ofCalanus sinicusexposed to various concentrations of copper(a)and TBT(b)during the 96 h acute toxicity test

2.2 环境因子变化对铜对中华哲水蚤毒性效应的影响

环境因子改变后,铜对中华哲水蚤毒性效应所受的影响如图2所示:不同盐度下(25,32,40),从全部实验组来看各浓度铜对中华哲水蚤的致死率没有显著差异(P>0.05)。温度由12℃上升到20℃会显著提高铜对中华哲水蚤的致死率(P<0.05)。在p H值7.8± 0.1、盐度25±0.5时、低温((12±0.5)℃)条件下,中华哲水蚤在68μg·L-1时个体死亡率为52.78%,而且存活的个体较对照组活泼;在106μg·L-1环境下,死亡率为88.89%。但是在高温((20±0.5)℃)下,仅暴露在68μg·L-1环境中的个体死亡率就高达91.67%。酸度由7.8变为6.8后,铜对中华哲水蚤的致死率没有受到显著影响(P>0.05)。

2.3 环境因子变化对TBT对中华哲水蚤毒性效应的影响

环境因子改变后,TBT对中华哲水蚤毒性效应所受的影响如图3所示:酸度降低1、盐度升高8或者降低7后,从全部实验组来看各浓度TBT对中华哲水蚤的致死率没有受到显著影响(P>0.05)。环境温度升高8℃会显著提高各浓度TBT对中华哲水蚤的致死率(P<0.05)。在pH值6.8±0.1,盐度40±0.5时,低环境温度条件下,中华哲水蚤在1.30μg·L-1中个体死亡率为52.78%,即使在最高浓度1.93μg·L-1环境下,最终死亡率也仅为69.44%;温度升高后((20±0.5)℃),暴露在1.30μg·L-1环境中的个体死亡率就达到了100%。

图2 不同浓度铜在(12±0.5)℃和(20±0.5)℃下对中华哲水蚤的96 h平均死亡率(＊P<0.05,＊＊P<0.01)Fig.2 Average mortality ofCalanus sinicusexposed to various concentrations of copper at(12±0.5)℃and(20±0.5)℃for 96 hours(＊P<0.05,＊＊P<0.01)

图3 不同浓度TBT在(12±0.5)℃和(20±0.5)℃下对中华哲水蚤的96 h平均死亡率(＊P<0.05,＊＊P<0.01)Fig.3 Average mortality ofCalanus sinicusexposed to various concentrations of TBT at 12±0.5℃and 20±0.5℃for 96 hours(＊P<0.05,＊＊P<0.01)

3 讨论

3.1 铜和TBT对中华哲水蚤的急性毒性效应

重金属铜对生态系统的影响已众所周知,其毒性主要由溶液中游离的铜离子引起,属于在环境中持久性较强的物质;TBT是剧毒的有机金属化合物和内分泌干扰物,它们对大多数敏感水生生物(如藻类、浮游动物、软体动物等)具有急性和慢性毒性作用,半致死浓度低至μg·L-1级。自然生态下,铜对中华哲水蚤的96 h半致死浓度为84.65μg·L-1,低于其它一些桡足类物种(见表1),说明中华哲水蚤对于环境中铜污染的敏感性较高。本次采样地点位于胶州湾海水微表层和次表层铜络合容量最高的东部地区。东部沿岸是青岛市工业集中的区域,人口密集,特别是集中在该区域的7条小河是市区工业废水和生活污水的排污河,给胶州湾带来了大量的污染物质,导致本地区有较高的铜浓度[18-19],这可能使采样区域的中华哲水蚤在实验前表现出一定的亚健康,影响其在实验中对铜的耐受力;另一方面,较高的铜污染也可能提高中华哲水蚤的对铜的耐受力,因此本实验中中华哲水蚤对铜污染的敏感性也可能被低估。

环境条件下,TBT对中华哲水蚤的96 h半致死浓度为1.59μg·L-1,比其它一些桡足类物种的96 h半致死浓度高(见表2)。这可能是因为中华哲水蚤个体较大,进而对TBT毒性耐受性高。通过研究海洋生物食物链各营养级新陈代谢能力、富集效应与TBT毒性关系发现,食物链高营养级的生物中没有发现显著的生物富集,而低营养级生物因为其较低的TBT降解能力,在它们体内则发现了较高的污染物浓度,因此桡足类的半致死浓度比其它很多水生生物低[20],说明桡足类是对TBT最敏感的生物之一,适合用来作为海洋TBT污染的指示生物[21]。

从中华哲水蚤的死亡时间可以看出,随着暴露时间的延长,中华哲水蚤受到的毒性效应增大。与对照相比,暴露在铜和TBT中存活的中华哲水蚤身体由较透明变为白色不透明,推测可能是因为对抗污染物毒性作用需要消耗能量,使得体内脂肪含量减少,也可能是因为在饥饿条件下缺乏饮食来源的类胡萝卜素[22]。日本虎斑猛水蚤(Tigriopus japonicus)暴露在高浓度铜和TBT下24 h后出现蛰伏现象,个体出现蛰伏期的时间与暴露浓度成比例关系[23],本实验中没有观察到中华哲水蚤的蛰伏现象。

表1 铜对桡足类的半致死浓度(LC50;μg·L-1)Table 1 Median lethal concentration(LC50;μg·L-1)values of copper to copepoda

表2 TBT对桡足类的半致死浓度(LC50;μg·L-1)Table 2 Median lethal concentration(LC50;μg·L-1)values of TBT to copepoda

3.2 环境因子变化对铜和TBT对中华哲水蚤毒性效应的影响

实验结果显示铜和TBT的毒性受到实验介质温度的显著影响。提高环境温度8℃能显著增加铜和TBT对中华哲水蚤的致死率,这是由于较高的温度提高了代谢速度,使中华哲水蚤对污染物吸收加快。此外,由于实验期间没有投喂饵料,温度增加引起新陈代谢加快,耗氧量增加,蛋白质消耗过多,使中华哲水蚤对外界环境变化的抵抗力降低,进而可能提高中华哲水蚤对2种污染物的敏感性。Corkett等曾在不投饵的饥饿情况下对长角宽水蚤(Temora longicornis)雌体的寿命与温度关系进行了研究,观察到该桡足类在低温(5～7℃)条件下可存活71 d,而当温度增高至19.5～21.0℃时,仅能存活到第4天[30]。

不同盐度下(25、32、40)铜和TBT对中华哲水蚤的致死率没有显著差异。在正常环境中,动物体内的体腔液、血液与体外液保持渗透压和离子浓度的平衡。当盐度改变时,动物可以通过呼吸和排泄器官的调节机制来调节变化了的渗透压和离子浓度,使之维持正常的生理活动。特别是河口和沿岸类群的桡足类,其生存环境特殊,对盐度变化的抵抗力较强,适盐范围较广。Sprague认为广盐性的种类大多数能在盐度变化的时候通过减少水向体内流动,从而减少有毒物质的摄入,对有毒条件产生抗性[31-33]。本实验结果也显示:盐度25和盐度40时,铜和TBT对中华哲水蚤的致死率与自然环境盐度(32)条件下的死亡率差异不显著。这可能是该水域受人类活动影响较大,提高了中华哲水蚤对盐度变化的抵抗力,进而使盐度改变后铜和TBT对中华哲水蚤的毒性没有受到显著影响。

p H值降低1后,各浓度铜和TBT对中华哲水蚤的致死率没有受到显著影响。该结果和Kurihara的发现类似:在高二氧化碳浓度(CO2=2380×10-6;p H= 7.3)导致的海水酸度降低后,马纺锤水蚤(Acartia tsuensis)F0的世代存活率、个体大小和发育速度均没有受到显著影响[13]。另一方面,Miles证实p H值6.63下暴露8 d就能对栗沙石海胆(Psammechinus miliaris)造成显著的死亡效应[34]。这可能是因为与海胆的碳酸钙质结构不同,中华哲水蚤外壳的主要成分是几丁质,对酸度变化耐受性较高。作为海洋中至关重要的生物,桡足类在温室气体排放导致全球气候变暖、海水酸化、UV-B辐射增强和浮游植物组成变化等多因素长期作用下可能的变化还有待研究。

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Abstract: We investigated the acute toxicities of two kinds of common contaminations:heavy metal copper(Cu)and tributyltin(TBT)on marine copepodCalanus sinicusin different acidities,temperatures and salinities.96 h-LC50of copper and TBT toC.sinicusare 84.65μg·L-1and 1.59μg·L-1respectively(at 12±0.5℃;32±0.5;p H7.8±0.1).The mortality ofC.sinicusrises with the rise of copper and TBT concentrations(P<0.05).According to the acute toxicity test result,we use a 2·2·3·4 factorial design(two acidities;two temperatures;three salinities;four contaminations)to investigate the acute toxicity of copper and TBT in different environmental factors.The results show that temperature rising by 8℃has a significant effect on the mortality ofC.sinicus(P<0.05),while p H reducing by 1,salinity increasing by 8 or reducing by 7 haven't(P>0.05).

Key words: Calanus sinicus;copper;TBT;toxic effect;environmental factors

责任编辑 于 卫

Toxicity of Copper and TBT to the Copepod Calanus sinicus(Crustacea, Copepoda):Effects of Acidity,Temperature and Salinity

ZHOU Hao,ZHU Li-Yan,CHEN Zhi-Xin,QI Ben-Jin,ZHANG Cheng
(College of Marine Life Sciences,Ocean University of China,Qingdao 266003,China)

Q142.9

A

1672-5174(2010)09Ⅱ-131-06

山东省908专项(SD-908-01-01-05.06)资助

2010-03-24;

2010-05-25

周 浩(1984-),男,硕士生,主要从事生态毒理学研究。E-mail:zhouhaoqdsn@163.com

E-mail:lyzhu@ouc.edu.cn