水体重金属污染对轮虫毒性影响的研究进展

徐晓平, 席贻龙, 张 明, 夏强强

(1.安徽工程大学 建筑工程学院，安徽 芜湖 241000； 2.安徽师范大学 a.生命科学学院，b.安徽省皖江城市带退化生态系统的恢复与重建协同创新中心，安徽 芜湖 241000)

水体重金属污染对轮虫毒性影响的研究进展

徐晓平1,2a, 席贻龙2b, 张 明1, 夏强强1

(1.安徽工程大学 建筑工程学院，安徽 芜湖 241000； 2.安徽师范大学 a.生命科学学院，b.安徽省皖江城市带退化生态系统的恢复与重建协同创新中心，安徽 芜湖 241000)

轮虫是水体一类重要的浮游生物，因其具有分布广泛、繁殖迅速、世代时间短以及对环境污染物敏感等优点，在水生态毒理学研究和水环境监测中日益受到研究者的青睐.人们开展了大量关于重金属对轮虫毒性影响的研究工作，结果发现：不同重金属对同一种轮虫的毒性存在很大差异，不同种类的轮虫对同一重金属的抵抗力不一样.同时，多种生态因子(如温度、藻密度和暴露时间等)影响重金属对轮虫的毒性.重金属还影响轮虫体内热休克蛋白的表达.今后应着重从重金属复合污染、低剂量毒性效应、指标优化和野外水体调查等方面开展相关研究.

重金属污染；轮虫；毒性

目前，我国水体重金属污染情况仍然十分严重，不断威胁着生态环境和人们的健康.国家环保部公布的《2015年上半年全国环境质量状况》指出，全国有8个地表水国控断面(点位)共出现18次重金属超标现象.近年来，重金属污染事件也是频频发生，仅2010—2013年媒体披露的重大重金属水污染事件就多达10余次，如安徽怀宁“血铅”事件、云南曲靖铬污染和广西龙江镉污染等等.水环境重金属污染不仅造成重大经济损失，影响生态系统平衡，还严重危害着包括轮虫在内的各种水生生物的生存[1].

1 轮虫及其生活史特征

轮虫(Rotifera)为广泛分布于各类水体中的一类小(微)型动物，是浮游动物四大类群之一，其体长一般在100～1 000 μm之间，最小的仅有40 μm左右，最大的可达4 mm.轮虫典型的特征是：(1)具有纤毛的头冠，纤毛摆动时形似车轮，故称为轮虫；(2)具有特化的咀嚼囊和角质化的咀嚼器；(3)具有原肾管排泄系统(图1).目前，全世界发现的轮虫大约有2 200多种，分属于单巢纲(Monogononta)、蛭态纲(Bdelloidea)和尾盘纲(Seisonidea).轮虫分布广泛，大多数种类在世界范围内都有分布，如淡水萼花臂尾轮虫(Brachionuscalyciflorus)(图1)和海水褶皱臂尾轮虫(B.plicatilis).轮虫(单巢目)完整的生殖周期由孤雌生殖周期(Parthenogenetic Cycle)和有性生殖周期(Sexual Cycle)两部分组成[2](图2)，其生殖周期中主要的雌体类型包括非混交雌体(Amictic Females)和混交雌体(Mictic Females)，并依靠形成休眠卵(Resting Egg)度过不良外界环境.

图1 萼花臂尾轮虫形态构造

图2 单巢目轮虫生殖周期模式图

2 轮虫作为实验材料的优点

虽然轮虫的个体在所有后生动物中为最小，但其繁殖速率却是最快，它们能够迅速占领环境中的空生态位，并将初级生产量(藻类和细菌等)转化成次级消费者(昆虫、甲壳动物和鱼类幼体)可利用的形式，其转换效率极高，以至于总浮游生物现存量的30%由其产生.轮虫在淡水水体生态系统结构功能、能量传递及物质转换上具有重要意义[3]，也正是因为如此，由于水体污染导致轮虫种群的变动也势必会影响整个水生态系统的平衡，所以，暴露于不同污染物下轮虫各生物学参数的变化引起人们越来越多的关注[2,4-5].

Breitholtz等[6]列出了在环境风险评估中适合用作生态毒理测试模式生物的10项标准，如低成本、便于操作、生态关联、重复稳定性强和敏感性高等.表1所列为轮虫适合开展毒理学研究的生物学特征，这些优点使得轮虫一直以来都被视作检测环境毒物对生物体影响的模式动物[2].美国材料与试验协会(ASTM)将萼花臂尾轮虫(Brachionuscalyciflorus)和褶皱臂尾轮虫(B.plicatilis)分别作为淡水和海水标准的测试生物[7].经济合作与发展组织(OECD)将轮虫视作无脊椎动物中进行环境毒性测试最有前途的分类群[8].

表1 轮虫适合开展毒理学研究的优点

3 轮虫-重金属毒理学研究概况

早在20世纪70年代初，人们已经开始使用轮虫(Philodinaroseola和P.acuticornis)来评价重金属对水体的污染[9-10].之后，相关研究呈现迅猛增长之势[2,4-5]，总体来看，主要有以下几点共识：

第一，不同重金属对同一种轮虫的毒性存在很大差异.张才学等[11]的研究结果表明，铜、锌、镉、铅对壶状臂尾轮虫(B.urceolaris)的24 h半数致死浓度(LC50)分别为0.083、4.27、7.60、23.44 mg/L，壶状臂尾轮虫对铜的敏感性最大，对铅的敏感性最小.基于LC50的差异比较，红臂尾轮虫(B.rubens)对铅的敏感性要比镉要高24倍[12].铜等5种金属对无甲腔轮虫(Lecaneinermis)的毒性大小依次是铜>铝>铁>锌>锡>锰[13].

第二，不同种类的轮虫对同一重金属的抵抗力不一样.Pérez-Legaspi和Rico-Martínez[14]发现镉和铅对于3种腔轮虫(L.hamata，L.luna和L.quadridentata)的LC50值要比对萼花臂尾轮虫的LC50值要低；镉和铬对萼花臂尾轮虫的24 h的LC50值分别是0.18和17.4 mg/L，而对十指臂尾轮虫(B.patulus)则分别0.095和9.2 mg/L，相差近1倍[15].锌对红臂尾轮虫和裂痕龟纹轮虫(Anuraeopsisfissa)的LC50值也相差近1倍，分别是0.554和0.315 mg/L[16].Arias-Almeida和Rico-Martínez[17]发现，相对于臂尾属和腔轮属的轮虫而言，大肚须足轮虫(Euchlanisdilatata)对镉、铅和汞的毒性都更加敏感.

第三，重金属对轮虫的慢性毒性随着重金属浓度的上升而增加[16,18-21].如许丹丹等[21]研究发现，随着浓度的上升，镉分别显著降低了角突臂尾轮虫(B.angularis)的种群内禀增长率和曲腿龟甲轮虫(Keratellavalga)的世代时间和生命期望等.

第四，各种生态因子影响重金属对轮虫的毒性.随着食物浓度的上升，重金属对轮虫的负面影响在降低[22-27]；高温和低温均增加了重金属对轮虫的毒性[27-29]；暴露时间的延长增大了铜和镉对萼花臂尾轮虫种群的负面影响[30].

第五，重金属影响轮虫体内抗逆蛋白等的表达.不同浓度的铬、铜、镍、铅、锌等均能诱导提高十指平甲轮虫(Plationuspatulus)热休克蛋白(sp60)的表达量近两倍，而低浓度的砷却使得轮虫sp60的表达量降低了近两倍，揭示了不同种类的污染物对诱导十指平甲轮虫sp60表达存在很大差异；同时，sp60的诱导表达依赖于金属的浓度和暴露的时间[31].暴露铜(0.125、0.25、0.5和1 mg/L)和镉(31、63、125、250和500 mg/L)24 h后，轮虫(B.koreanus)热休克蛋白(sp90α-1和sp70)mRNA水平均显著上调[32].

4 问题及研究展望

虽然，人们对重金属对轮虫此类重要浮游动物的毒性影响有了一定的认识，积累了大量有意义的毒理学数据，但是还存在以下主要问题：

首先，由于水体污染极少是由单一污染物造成的，而目前的研究则多是集中在单一重金属对轮虫的毒性影响，重金属复合污染对轮虫的毒性影响(特别是慢性毒性影响)国内外报道相对较少[27,33-35]，因此，这方面的研究工作还有待加强.一方面，重金属复合污染由于其效应十分复杂，一直是生态毒理研究领域中的难点，目前被广泛使用的评价混合物毒性的浓度加和模型(concentration addition model，CA)和效应加和模型(response addition model，IA)是否在轮虫毒理学中也普遍适用还有待进一步检验.另一方面，研究表明，重金属复合污染效应与复合物的污染物种类、污染物的浓度、暴露时间、机体生理状态以及所处环境的各种理化性质等诸多因素相关[36-37]，所以，开展重金属对轮虫的复合污染毒性研究还需要充分考虑上述因素对实验结果的影响，这样，实验所得的数据才更加具有实际推广意义.此外，已有的重金属复合污染研究主要集中于二元联合对某种生物种类的急性毒性研究，三元及以上联合作用以及复合污染的慢性毒性效应研究开展得很少[38-39]，因此，这方面的研究还有待加强.

其次，水体中重金属多是以低剂量状态存在的，一般是纳克级别，重点污染区域可能会达到微克或者毫克级别，但遗憾的是，长期低剂量重金属暴露对轮虫的毒性影响一直没有引起足够的重视，只是在一些研究中被偶尔提及，没有形成专门的研究.如Sarma等[40]研究发现当轮虫(L.quadridentata)暴露于系列铜浓度(0.31～5 μg/L)中，轮虫种群增长与铜浓度之间呈现一种双相剂量-反应曲线，即低浓度刺激和高浓度抑制.相似的作用结果也发现在萼花臂尾轮虫暴露在低浓度的锌中[41].近年来，污染物的低剂量兴奋效应(Hormesis)已成为毒理学研究的一个热点，这种现象在低剂量重金属对轮虫的毒性影响中是否也普遍存在亟需研究证明，特别是当重金属浓度未可见不良效应浓度(non observed adverse effect level,NOAEL)以下时其对轮虫的毒性作用的研究亟待加强.

再次，实验方法和终点的筛选还有待进一步的优化，一些公认的优良指标如热休克蛋白(HSP)家族、金属硫蛋白(MT)等还较少见到用于评价重金属联合毒性效应，因此，开展暴露于重金属复合污染中轮虫热休克蛋白、金属硫蛋白的表达和DNA损伤等情况的研究将有助于揭示重金属复合污染对轮虫的作用的分子机理.

最后，野外调查研究亟待开展.自然水体轮虫的多样性是水域生态系统服务功能的重要评价指标之一，其种类组成和生物量的变化能及时准确地反映水域生态环境质量的优劣[42-43]，然而，目前有关水体重金属污染与轮虫群落结构变动之间的关系还未见报道.

实践中，人们为了避免重金属等污染对重要水生物种的危害制定了一系列水质基准以及污染物排放标准，然而，这些基于单一重金属毒性制定的水质基准和排放标准很可能由于长期低剂量慢性以及复合污染效应等的存在而不足以保护轮虫等重要水生生物的安全[44].因此，开展从室内到室外、从分子到野外群落水平、从短期急性到长期低剂量慢性、从单一到复合污染的毒性研究将会有助于全面揭示水体重金属污染对轮虫毒性影响的作用规律，为正确评价重金属污染的生态效应提供科学的参考.

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[责任编辑 马云彤]

Progress in Research on the Effects ofHeavy Metal Pollution on Toxicity of Rotifer

XU Xiao-ping1,2a, XI Yi-long2b, ZHANG Ming1, XIA Qiang-qiang1

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China;2.a. College of Life Sciences, b.Collaborative Innovation Center of Recovery and Reconstruction of Degraded Ecosystem in Wanjiang City Belt, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China)

Rotifers are one of the important groups of zooplankton in freshwater ecosystem, and favored by researchers in aquatic toxicology and environmental monitoring because of their small size, short generation time, rapid reproduction rate, and sensitive to environmental pollutants. There are a number of studies on the toxic effects of heavy metals on the rotifer, the results showed that there is a big difference among the various heavy metals toxicity to the same kind of rotifer, and the resistance of different species of rotifer to the same kind of heavy metal are different. Furthermore, the toxicity of heavy metal to rotifer influenced by many kinds of ecological factors, including temperature, algal density, and exposure time, etc. The expression of heat shock proteins in rotifer also can be affected by the heavy metals. In the future, it should focus on the research of compound pollution of heavy metals, low dose toxicity effect, index optimization and field water survey, etc.

heavy metal pollution; rotifer; toxicity

1008-5564(2016)06-0074-06

2016-09-06

安徽省高等学校自然科学研究重点项目(KJ2016A063)；安徽工程大学青年科研基金项目(2015YQ01)；安徽省大学生创新创业训练项目(201510363245)

徐晓平(1979—)，男，安徽当涂人，安徽工程大学建筑工程学院讲师，安徽师范大学生命科学学院博士，主要从事水污染控制与检测研究.

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