水体重金属污染对水生生物生态毒性效应研究进展

＊苏 驰

（南华大学资源环境与安全工程 湖南 421001）

随着经济的日渐发展，人类活动产生的大量有毒污染物，会通过各种途径进入水体，对水生态系统和人体健康造成严重威胁。Cahill and Unger[1]研究发现，一些水域遭受重金属污染，并且污染程度日趋严重，如美国印第安纳州大卡柳梅特河（Grand Calumet River）的一条支流底泥中重金属含量严重超标受到人们的广泛关注。水体重金属污染是一种常见的环境污染问题，主要由工业生产活动引起。重金属在水体中可以长期存在，对生物和人类健康构成威胁[2]。水体中存在大量可溶解重金属，其中无色重金属元素污染不易被察觉，因此需要进行相应的检测才能了解水体重金属污染情况[3]。根据美国环境保护局毒物与疾病登记处的调查，列举了20种最具危害性的污染物，其中重金属污染（镉、铜、铅等）排在前列[4]。当水体中重金属浓度达到一定水平时，可对动物、植物产生严重影响。并且，某些重金属元素在水生生物体内难降解、易累积，它可引起这些生物急性与慢性中毒，并通过食物链具有生物放大作用[5]。研究显示，重金属污染可对水生生态环境造成影响，也对人们生存环境造成危害，因此亟需评估水环境健康状况。水环境评价最常用的方法是检测水体中各类理化指标，即通过这些指标开展相应监测与评价。然而仅依靠理化方法评估水环境健康状况是存在局限性的，因为未考虑环境生物对污染物的生物利用度，缺少重金属等对周围生态环境的毒性效应评估，故开展水体重金属污染对水生生物生态毒性效应评价显得十分重要与紧迫[6]。毒性实验可用于评估毒物对生物体和生态系统的影响，是生物指标测定和生态系统健康评估的重要手段[7]。

1.重金属元素对水生生物生态毒性效应

大多重金属元素对人体和水生生物均具有严重的危害，长时间蓄积可通过食物链转移，其在水生生物体内的半衰期可长达10～35年[8]。水生生物作为水生态系统的重要组成部分，其多样性能够客观反映生态环境健康状况。近年来，利用水生生物对栖息环境状态进行监测与评价，让其作为一种科学、环保且经济的评价方法已得到广泛应用。

（1）鱼类对水体重金属污染的响应。鱼类是水生态系统的重要指示生物，其对污染物的敏感性可以反映水质环境的质量。鱼类与人类基因相似，其实验结果对人类健康具有一定的参考价值。此外，鱼类容易饲养，因此被广泛用于水质环境检测。汪红军等[9]以青鳉为受试生物，研究不同重金属对其的生态毒性效应，研究表明该生物对重金属镉、锌、铜和汞较为敏感，其中鱼类的呼吸可作为生物指示。周斯芸等[10]以鱼类为受试生物研究了化学污染物对水生生物的毒性效应，主要以青鲻鱼、斑马鱼、红鲤鱼这三种受试生物为主，研究Cd对生物的毒性效应，考察本地鱼类作为毒性评价受试生物的可行性。结果表明，三种鱼类的敏感性依次为：青鲻鱼＞斑马鱼＞红鲤鱼，不同属种，敏感性不同。作为中国土生土长的红鲤鱼被证明可与其它两种国际标准的指示生物（斑马鱼和青鲻鱼）同样可用于水生生态环境进行监测与评价。

（2）藻类对水体重金属污染的响应。藻类是水生生态系统的重要组成部分，与其他高等植物相比，藻类的繁殖速度更快、生长要求更低，因此培养更加方便[11]。微藻在生态毒理学研究领域常被用作环境污染敏感指示生物，其毒性测试的终点是评估化学物质对生物的毒性程度，可以通过测量光合作用、藻类生长、可溶性多糖、蛋白质、脂类的合成及酶活性等指标来实现。藻类的生长情况通过测定细胞数量来进行表征，光合作用是重金属胁迫下其最先响应。熊邦[12]利用普通小球藻和原壳小球藻进行生物测试,在不同浓度和暴毒周期下，Pb对两种小球藻生理生化及光合作用相关功能基因的影响。结果表明，普通小球藻和原壳小球藻对Pb十分敏感，且Pb对小球藻具有抑制作用。Pb对两种小球藻的三种光合作用相关功能基因表现出持久性毒性，暴露时间越长，Pb对三种基因的毒性越大。在环境研究方面同样具有良好的监测与评价作用。王琳等[13]研究不同重金属对斜生栅藻生长及叶绿素的影响，结果表明铜与锌对该生物具有显著的抑制效果。

（3）介形类对水体重金属污染的响应。介形类属于节肢动物门甲壳纲，为水生生态系统的重要组成部分。该生物是水质监测的重要指标生物，具有体型小、分布广、数量多、易采集、敏感性高、易培养等特点。Dos Santos Lima等[14]研究了四种金属（铜、镉、汞、锰）对介形类Chlamydotheca sp.摄食率和食物偏好的影响，结果显示该生物可能在受到毒物化学胁迫后触发了其生物防御机制，提高了能量需求，从而导致扑食率增加。Anandakumar等[15]研究了工业废水对介形类Cypridopsis species多样性的影响，发现物种多样性明显受到污染废水影响。

国外对生态毒理学方面的研究已十分成熟，但国内只有小众研究者对其展开研究。三种水生生物对重金属都具有较好的敏感性，但相比之下介型类成本低，分布范围广，更适合开展环境评价。

2.联合毒性实验与模型预测

毒性实验可通过测定生物指标来评估毒物对生态系统的影响，是生态系统健康评估的重要方法。将受试暴露于毒物中，观察其死亡率等指标的变化，以评估污染程度，是生物环境监测与评价的方法之一。

单一毒性实验的大量研究，为污染治理和环境保护提供了科学基础[15]。但重金属元素混合污染的毒性作用往往是多种因素共同作用的结果，而不仅仅是单一重金属的毒性作用。重金属元素混合物对环境和人体的影响可能存在协同或拮抗等现象[16]。重金属元素混合污染的毒性作用难以预测，且危害严重。因此，开发新技术、构建模型是评估混合污染物危害的重要手段，可提高评估的准确性和可靠性。

(1)独立作用模型与浓度加成模型

最初，由于技术条件的限制，混合污染物毒性评价主要采用定性方法。随着技术的进步，定量评价模型逐渐发展起来，为混合污染物毒性评价提供了更加科学和可靠的手段。浓度加和模型与独立作用模型是目前联合毒性预测的两种主要方法[17]。

IA模型假设化学物质通过不同作用方式影响生物体，因此它们的影响在统计上相互独立[18]。

式中，cmix表示混合物中各个组分的浓度之和；ci表示混合物达到x%效应时组分i的浓度；E(ci)表示组分i独自作用达到x%效应时的浓度。

CA模型假设化学物质具有相同作用方式。该模型以浓度为基础，对作用相似的化学物质毒性进行求和，并按比例反映它们的相对毒性。

式中，pi表示的是化合物中组分i浓度占混合物浓度的比例；ECx,i是组分i达到x效应时的浓度；ECx,mix是多种组分达到x效应时的浓度，当ECx,mix等于1时，表明混合物之间的为加和作用；小于1时为协同作用；大于1时为拮抗作用。

Silva等[19]以大型蚤（Daphnia magna）为指示生物评估人为活动导致的常见污染物对水生生态系统的影响，使用标准化毒性测定分析污染物在二元和四元混合状况下的潜在相互作用。结果显示，联合毒性主要表现为拮抗作用，但也表现出剂量水平和剂量比依赖性偏差，IA模型为四元混合物提供了更准确的预测，CA模型则高估了混合物毒性。

(2)联合毒性实验模拟拓展

①TSP预测模型

CA和IA模型在混合物的毒性预测中存在局限性，容易出现低估或高估的情况，TSP模型克服了这些局限性。TSP模型是用于评估混合污染物联合毒性的模型，可用于判别相同或不同作用方式污染物组成的混合体系的联合毒性。TSP模型的基本原理是先使用CA模型预测污染物联合毒性，然后使用IA模型修正CA模型的预测结果，以提高预测结果的准确性。CA和IA模型只能预测具有相同作用机制或相同作用位点的混合物毒性，而TSP模型则可以预测具有不同作用机制或不同作用位点的混合物毒性。该模型的计算公式如下：

式中：E（Cmix,i）代表混合物中组分i的联合毒性；n表示混合体系中组分之和。

②TSP模型应用

Altenburger等发现，TSP模型可以准确预测混合污染物的联合毒性。他们将TSP模型应用于多环芳炷和甲基对硫磷等联合毒性预测，并验证了这一结论。Mo等研究发现，TSP模型比CA模型和IA模型更准确地预测了6种酚类化合物和6种重金属混合物对青海弧菌Q67的毒性，其预测误差显著低于CA模型和IA模型，表明TSP模型在预测混合污染物联合毒性方面更准确。

3.结论与展望

水生生物是水生态中重要组成部分，其对重金属有较强的敏感性，利用其监测与评价环境具有全面性、直接性等优势。单一毒性研究是生态环境风险评估的基础，但它无法完全满足生态环境风险评估的需求。混合污染物是生态环境中的主要污染物，单一毒性研究结果无法准确预测混合污染物的毒性效应。因此，许多研究者将关注点转向联合毒性研究，并开发了一系列联合毒性模型，以提高风险评估的质量。而混合物研究的难点在于，环境中污染物种类多、浓度变化大、作用机理复杂，导致联合毒性难以预测。因此，发展准确预测的新方法和新模型是未来研究方向，更好地考虑复杂体系中各组分的相互作用及其毒理学机制。