多代镉暴露对大型溞(Daphnia magna)生活史及压力反应的影响

汪晓梅，李 爽

(北华大学林学院，吉林 吉林 132013)

生态毒理学的最终目的是理解和预测污染物对生态系统的压力[1].大量生态毒理学试验都是时间较短的毒性试验，这种试验假设生物个体、种群特征都是静态的，观察到的种群反应在预测时间内也是相同的，这在本质上存在一定问题：首先，自然环境下的种群会发生变化[2-4]；其次，很多污染物(例如持久性化学物)暴露时间要长于毒理学试验时间.但很少有研究明确持久化学物(即暴露时间可以持续1代甚至几代的化学物)对个体的作用以及这种作用对种群的影响.长期污染物暴露会造成种群敏感性或耐性下降[5]或上升[6]，这两种结果都具有非常重要的生态意义，而任何一种都不能由短期试验完成.

已有研究[7-13]指出了金属暴露对大型溞生活史特征以及对新压力耐性的影响.LEBLANC[10]指出，铜暴露大型溞的后代比非暴露大型溞的后代存活率高.MUYSSEN 和JANSSEN[11]指出，大型溞在镉暴露3代后急性耐性增加.此外，铬耐性的大型溞在新的铬和镍暴露中比非暴露过的大型溞具有更高的耐性.然而，相同铬耐性的大型溞对锌暴露更敏感[12].铬适应的大型溞在新的温度和营养条件下对镉的敏感性增加，种群增长率降低[13].这些研究表明，长期暴露于污染物，特别是金重属，会导致敏感性/耐性变化.然而，这一问题的相关数据仍旧匮乏，耐性变化的原因也缺乏合理的解释.本研究的目的在于评价长期多代镉暴露对大型溞生活史特征和新污染物耐性的影响，进行长时间多代设计，即暴露于镉10代后进行21 d生活史评价；在镉胁迫消失1代后，评价生物种群对新的镉和温度压力的反应，期望确定长期污染物暴露消失后，镉毒性是否具有代际作用以及这种作用对生物种群的影响.

1 试验材料与方法

1.1 大型溞和镉

本研究使用的大型溞来自中国科学院武汉水生生物研究所，已经在本实验室培养10 a以上.大型溞培养在不含EDTA的M7介质中，光照比16∶8，温度25 ℃.大型溞每天3次喂以悬浮羊角月牙藻(Pseudokirchneriellasubcapitata)，喂食率大约为2×105cells/(mL·d).

试验使用氯化镉(分析纯，德国默克)，0.2%的硝酸酸化，对照也同样进行酸化.配制1 g/L镉储备液.测试液中的镉浓度使用火焰原子吸收光谱(M1100，美国铂金埃尔默)分析，镉标准溶液(德国默克)体积质量为1 g/L.试验稀释水为不含EDTA的M7介质.测量浓度和标称浓度的偏差不大于10%.

1.2 试验过程

在长期暴露阶段，大型溞暴露于低浓度镉(体积质量为0.5 μg/L)和高浓度镉(体积质量为2.0 μg/L)10代，对照及每个浓度都设计3个重复.暴露在1 L烧杯中进行，烧杯中加0.75 L试验水，温度为25 ℃.每代利用20个小于24 h的幼体.试验设计见图1.

21 d慢性毒性生活史试验使用来自长期暴露小于24 h的大型溞.幼体从每个处理的3个重复中随机选择.试验在30 mL烧杯中进行，每杯1个幼体，25 mL试验水.镉浓度与长期暴露试验相同.评价的重点包括存活情况、第一次生产时间、后代数、产卵窝数.利用年龄模型法计算种群增长率(λ).

10代暴露后，所有处理组转移到对照状态.每个处理的20个幼体在25 mL试验水中暴露.暴露镉体积质量为6 μg/L，温度分别为25和30 ℃.记录7 d后的存活情况.

1.3 统计分析

采用Shapiro-Wilk检验法进行数据正态分布检验；使用Friedmann ANOVA进行各处理间差异分析，P<0.05为差异显著.

2 结 果

2.1 生活史评价

21 d生活史评价的终点为死亡率、第1次生产时间和后代数，结果见图2.由图2可知：10代后，高镉、低镉和对照的第1次生产时间分别为14.35、10.35和8.75 d(图2 a)，总后代数分别是10、43和51个幼体(图2 b).对比两个终点，高镉处理组明显不同于低镉组和对照组.为了理解长期镉暴露潜在的代际作用，将10代暴露后的大型溞再进行镉暴露和非镉暴露对比.结果发现：两者在第1次生产时间和后代数上都没有明显差异，表明即使在没有压力的情况下，长期暴露也存在代际作用.

10代后，高镉、低镉和对照的种群增长率分别是1.31、1.29和0.96(图2 c)，高镉和低镉以及对照的种群增长率之间差异明显；低镉和对照种群增长率并没有明显不同.

2.2 高镉、高温暴露

高镉、高温暴露后各处理组死亡率见图3.由图3可知：不同高镉、高温处理组之间死亡率差异明显.长期镉暴露大型溞对高镉暴露比对照组敏感，这种敏感与温度无关，25 ℃和30 ℃大型溞的死亡率都明显升高；25L大型溞比25H大型溞对高镉暴露更敏感，但没有30H敏感，30L大型溞也明显比30H大型溞对镉挑战更敏感，30L处理组的存活率与25L处理组没有明显差别，30C和25C之间也没有明显差别.简单说，对高镉最敏感的是长期低浓度暴露的大型溞，与暴露时的温度无关；而长期暴露镉浓度相同的大型溞在高镉暴露中，较高的温度导致更高的死亡率.

3 讨 论

本研究表明，大型溞连续多代暴露于亚致死浓度的镉相比对照适应性和耐性都降低，但两者变化不同.适应性随镉浓度的增加而降低，一直低于对照；耐性虽然也一直低于对照，但与镉浓度之间并没有一致性关系.在镉处理组，高浓度镉处理的大型溞相对于低镉浓度处理组第1次繁殖时间长、总后代数少、生产窝数少，但对镉的耐性增加.

大量研究表明，繁殖能力降低是污染物暴露的结果.VILLARROEL等[14]报道了多代农药暴露中F1大型溞后代数量降低；BERVOETS等[15]和BALDWIN等[16]都报道了污染物暴露中第2代后代数降低.这一结果也可以用生态毒理学中的动态能量平衡理论进行解释，即生物把更多的能量用于应付压力的作用而减少用于生长和繁殖[17].

本研究中，长期暴露于镉的大型溞在镉压力移走后繁殖和种群增长率的衰减并没有变化，仍旧与对照之间存在差异，这一结果表明镉暴露存在延期的代际效应.有研究表明，把发育阶段的蜗牛暴露于镉，然后放入对照环境，后代的繁殖成功率降低[18].这一类型的代际作用具有非常重要的意义，需要谨慎考虑生态毒理学数据和模型预测的准确性.

本研究中，长期暴露于低浓度镉的溞对温度和镉挑战更敏感，死亡率达到100%；而长期暴露于高浓度镉的溞死亡率并没有达到100%，但死亡率较长期对照组高.高镉处理组对镉挑战的耐性比低镉处理组更强，但是没有对照强.高暴露水平似乎使得大型溞对较高镉浓度更耐受，这可能是由于暴露于高浓度的溞通过分配较多的能量给耐性，或者有更高水平保护分子的表达，或者发生了某些适应[19].

本研究显示，镉暴露的生物后果是可以持续的.污染物长期暴露后，生物对新的环境压力的反应并不单一.环境压力对种群的作用应该进行长期、多代研究，长期研究和短期研究相结合会增加对污染物长期暴露下生物反应方式的理解.