水生昆虫对化学性有毒污染物生理反应的研究进展

徐茂洲，曹成全，黎煜桐

(1.大连海洋大学水产与生命学院,辽宁 大连 116023;2.乐山师范学院生命科学学院,四川 乐山 614004)

化学污染是指由于化学物质进入环境后造成的环境污染，主要是指农用化学物质、食品添加剂、工业废弃物以及汞、镉、铅等重金属和其他有机或无机化合物所造成的污染[1]。水中毒性化学物质通过水生环境暴露会对自然水体中的包括水生昆虫在内的水生生物造成危害，甚至中毒死亡。水生昆虫个体小，种类多，耐受范围广，相较于其他水生动物，水生昆虫具有活动范围较小、对环境污染敏感等特点，所以利用水生昆虫进行水质监测和评价是水质生物监测的有效手段[2-3]。水生昆虫对有毒污染物的生理反应研究，是通过可以作为水环境污染检测生物标志物的生理指标，以此利用水生昆虫进行水质监测和评价。同时，水环境污染物可导致昆虫免疫力下降，影响其生长发育，对水生资源昆虫产业具有隐形的影响[4-5]。

本文综述了双翅目、蜻蜓目、蜉蝣目、毛翅目、鞘翅目等水生昆虫幼虫(稚虫)或成虫体内的酶活性以及部分基因表达水平等指标对于重金属、有机农药、微塑料3种化学性有毒污染物的生理反应的研究进展，对于加强水生昆虫基础研究、利用水生昆虫检测水体及推动水生昆虫的人工繁育和产业化等都具有积极的意义。

1 水生昆虫对重金属污染的生理反应

水生昆虫可以作为监测重金属污染的有效生物监测器，其中以摇蚊为代表的水生双翅目昆虫更是监测水体重金属污染的理想对象[6-7]，摇蚊幼虫具有解毒能力低、生活史短、易于饲养等特点，因此被广泛运用于水质评价和毒性测试的相关研究。其中，对我国分布广泛的优势种红裸须摇蚊Propsilocerusakamusi研究最多(表1)。通过对污染环境中红裸须摇蚊体内各种酶活性，尤其是抗氧化酶和解毒酶的酶活监测，可以有效反应环境污染程度，是优秀的指示生物，同时对同科不同属的摇蚊幼虫相关研究也有着参考意义。

表1 水生昆虫各类群对重金属污染的生理反应

红裸须摇蚊幼虫的研究最为充分：其体组织中超氧化物歧化酶、过氧化氢酶以及谷胱甘肽巯基转移酶活性在低浓度的铜离子及镉离子的暴露下，活性呈规律的变化趋势[8]；除此之外，上述的3种酶对汞离子同样具有较高的敏感性并在其暴露期间呈现出复杂的变化[9]。在镍离子急性暴露下，其体组织中过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性受到显著诱导，过氧化物酶活性表现为先下降后上升的趋势[10]。红裸须摇蚊幼虫对于镉离子具有较强的耐受能力，在400 mmol·L-1浓度的镉离子中暴露48 h与72 h时，体内过氧化氢酶活性表现出显著差异，在72 h时表现为显著抑制[11]。虽然红裸须摇蚊幼虫因其生活史短以及易于饲养的特点是环境污染情况下良好的指示生物，但通过对红裸须摇蚊幼虫在不同重金属环境暴露下，体内抗氧化酶和解毒酶酶活的研究，发现不同重金属环境下的不同酶活变化并没有呈明显的相似规律，因此在实际应用研究中需进行选择。

除红裸须摇蚊外，其他种类摇蚊幼虫对于重金属的生理反应也有很多的相关研究。花翅摇蚊Chironomuskiiensis幼虫在分别暴露于亚致死浓度的镉离子、铅离子及其混合离子下48 h时，体组织中的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性皆表现为显著下降，而其体组织内金属硫蛋白含量则显著升高，并随时间先增加后降低，集中生理指标均表现出时间-剂量效应[12]。羽摇蚊Tendipesplumosus幼虫在镉离子暴露下，其体组织中超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性随着暴露浓度的升高及暴露时间的增加而升高；在铜离子暴露下，其体组织中超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活力在受低浓度铜离子刺激初期时则表现出不同的激活程度，谷胱甘肽巯基转移酶活性仅在长时间暴露后才会表现出激活的状态，说明羽摇蚊幼虫在铜离子暴露初期可能是通过抗氧化酶的途径进行解毒作用[9，13]。重金属的暴露除了对摇蚊幼虫体内各种保护酶活性具有影响之外，多项研究也表明了重金属对摇蚊幼虫具有明显的致畸作用。闫宾萍等[14]研究发现镍、汞对羽摇蚊幼虫头颏和上颚有致畸作用，且在中毒后摇蚊幼虫口器异常脆弱，经不同浓度铜离子暴露7 d后，羽摇蚊幼虫颏部发生不同类型的畸变，表现为中间齿缺失及部分缺失、侧面齿缺失以及中间齿裂开；羽摇蚊幼虫口器致畸率和铜离子暴露浓度之间呈显著正相关。邓鑫等[15]研究同样发现，伸展摇蚊Chironomustentans及黄色羽摇蚊Chironomusflaviplumus幼虫与羽摇蚊幼虫相似，其死亡率及口器畸形率与铜离子暴露浓度存在显著正相关。通过对其他种类摇蚊幼虫的研究，发现在重金属环境下，除了造成幼虫体内生理指标的变化，还存在明显的致畸作用，并存在正相关，这对环境污染是一个可视化指示。

除了对摇蚊幼虫的研究，其他水生昆虫如蜉蝣目、毛翅目等对重金属污染的生理反应也有一些研究，但是相关研究的数量、深度和广度远不及摇蚊。El-Samad等[16]研究发现，体组织中铅、镉、铁、钴、铜、锌、锰等金属离子浓度较高的Cercyonunipunctatus体内，天冬氨酸转氨酶、丙氨酸转氨酶的活性和丙二醛浓度显著升高，而总蛋白含量、谷胱甘肽含量、谷胱甘肽过氧化物酶活性则显著降低。俞玲园等[17]通过检测生活在不同水体中的红蜻Crocothemisservilia稚虫体内的生理指标，发现其体组织中的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活力主要与水体内铬离子浓度正相关。白尾灰蜻Orthetrumalbistylum稚虫体内超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性在0.05 mg·L-1铬离子9 d的暴露下，随时间推移表现为先升高再降低的趋势，在0.5、1.289 mg·L-1浓度的铬离子暴露下则表现为先升后降、之后再升再降的趋势[18]。范清华[19]研究认为，三带短脉纹石蛾Cheumatopsychetrifascia幼虫体内谷胱甘肽巯基转移酶活性与水体沉积物中铬浓度、溶解铬浓度显著正相关，超氧化物歧化酶活性与水体沉积物中铜、锌浓度显著正相关，过氧化氢酶活性与水体沉积物中铬浓度、溶解铜浓度显著正相关；溶解的镉对四节蜉Centroptilumtriangulifer稚虫的抗氧化酶基本无影响，而饲料中的镉却显著抑制了其体内的过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性，并降低其体内谷胱甘肽的含量，其结果可能有助于解释昆虫在实验室中通常对溶解重金属离子暴露没有反应却对自然界中的金属污染高度敏感的原因[20]。水生昆虫中蜉蝣目和毛翅目依然可作为重要的指示生物，同时对于水污染的研究，实验室中的试验设计基本是对水体直接进行染毒，但通过对四节蜉的研究发现相较于直接接触有毒水环境，其对食物中的重金属污染更敏感。

综上所述，重金属胁迫会造成水生昆虫的氧化应激，主要体现在对抗氧化酶和解毒酶的酶活性造成影响，但没有固定规律，即使是同属的幼虫也产生不一样的反应，一些甚至会造成幼虫的致畸作用，所以在使用水生昆虫作为指示生物时，要查明相应的生理指标。目前的试验大部分是使用可溶性的金属离子溶于水环境中，使虫体直接接触染毒，而通过沉积物、食物等途径进行染毒的相关研究较少；同时，对于摇蚊等植食性水生昆虫的研究更广泛，而作为以其他水生生物为食的捕食者昆虫研究较少。因此，今后的研究应该聚焦于重金属的不同暴露途径对生理指标的影响以及更多捕食性水生昆虫的各项生理指标。

2 水生昆虫对有机农药的生理反应

农药污染是指农药施于作物后，经环境因素的作用进入水体后，使水体受到污染，同时水体中的农药通过食物链或直接吸收的方式进入非靶水生昆虫的体内并对其造成伤害(表2)，其中有机磷农药毒死蜱对多数水生动物存在较高的毒性[21]。

表2 水生昆虫各类群对有机农药污染的生理反应

毒死蜱暴露降低了心斑绿蟌Enallagmacyathigerum稚虫的生长速度，并通过降低其细胞能量存储、增加细胞能量消耗的途径改变了整体细胞能量分配；毒死蜱暴露导致心斑绿蟌稚虫体内活性氧水平升高，抗氧化防御能力降低，氧化损伤增加；在升温条件下，毒死蜱与升温对心斑绿蟌稚虫抗氧化反应的作用表现为拮抗[22-23]。氧化乐果、毒死蜱和三氟氯氰菊酯三种农药高浓度短时间的暴露导致红裸须摇蚊幼虫体内蛋白质质量分数降低，低浓度长时间的暴露则导致红裸须摇蚊幼虫体内蛋白质质量分数增高；氧化乐果对红裸须摇蚊幼虫体组织内的乙酰胆碱酶活性抑制作与暴露浓度和时间呈反比；毒死蜱和三氟氯氰菊酯在低浓度的暴露对乙酰胆碱酶始终表现为被诱导，高浓度时对乙酰胆碱酶的抑制与时间呈反比；氧化乐果和毒死蜱的暴露除少部分情况时对红裸须摇蚊幼虫体内羧酸酯酶表现为被诱导，其余情况均表现为被抑制，三氟氯氰菊酯的暴露对羧酸酯酶均表现为被抑制[24-25]。花翅摇蚊Chironomuskiiensis幼虫体内过氧化氢酶活性在0.5 mg·L-1戊唑醇暴露下先升高后降低，而在1.0 mg·L-1、2.0 mg·L-1戊唑醇暴露下则表现为持续降低；不同质量浓度戊唑醇暴露对花翅摇蚊幼虫体内超氧化物歧化酶活性均有显著影响，但变化并无一定规律，尚有待深入研究[26]。

新烟碱类杀虫剂是目前生产中大量使用的一类杀虫剂，具有无交互抗性、高效和低毒等特点，该类杀虫剂的高水溶性以及大量使用造成了严重的环境污染问题，在很多国家的水体和土壤中检出多种新烟碱类杀虫剂[27-28]。姚媛媛等[29]测试了吡虫啉、噻虫嗪、噻虫胺、呋虫胺、啶虫脒5种新烟碱类杀虫剂对休眠期和发育期红裸须摇蚊幼虫的影响：吡虫啉、啶虫脒和噻虫胺对幼虫的毒性始终处于剧毒水平，且噻虫胺毒性低于吡虫啉和啶虫脒；吡虫啉对发育期幼虫毒性略高于啶虫脒，对休眠期幼虫则相反；呋虫胺毒性始终为高毒水平；休眠期幼虫对于噻虫嗪的耐受性显著高于发育期幼虫；吡虫啉暴露导致幼虫体长略有增长且湿重增长显著，而其他新烟碱类农药均会缩短幼虫体长。新烟碱类农药中较有代表性的农药吡虫啉对于地表水中的无脊椎动物具有显著影响，且在水环境中残留率高于其他的新烟碱类杀虫剂，因此受到广泛关注[30-31]。

综上所述，在对农药污染的研究中，对于摇蚊幼虫的研究依然是最多的，其他水生昆虫的研究较少，日后的研究重点可加强对其他水生昆虫的研究，多数农药对于水生昆虫的影响与水生昆虫体组织中的乙酰胆碱酶有关，农药与水生昆虫的乙酰胆碱受体结合，影响其神经传导进而导致昆虫死亡。同时相较于体型较小的水生昆虫例如摇蚊幼虫对农药的耐受性，体型较大的水生昆虫例如蜻蜓目稚虫对于农药有较强的耐受性，对于水生昆虫不同体型对农药的耐受性是日后值得研究的课题。农药残留是广受社会关注的现实问题，在田间等水环境中喷洒农药后可能会对大部分水生生物造成伤害，但目前大部分的研究都局限于鱼虾等大型动物，而对非靶标水生昆虫的研究较少，日后研究应当侧重于此方面。

3 水生昆虫对微塑料的生理反应

微塑料(MPs)即直径小于5 mm的塑料颗粒，对全球范围内的淡水和海洋生态系统有着巨大的危害，是目前最重要的环境问题之一[32-33]。塑料污染对于水生昆虫的危害主要是因为大块塑料处理不当，影响了水生昆虫的捕食、繁殖、筑巢等行为，但仍有一小部分研究指出，微塑料导致的水污染也对水生昆虫造成了危害[34](表3)。

表3 水生昆虫各类群对微塑料污染的生理反应

Akindele等[35]研究发现作为收集者或刮食者的Chironomussp.和Siphlonurussp.体内的微塑料含量远高于作为捕食者的L.viridis，这表明了水生昆虫中的收集者比捕食者更适合作为淡水系统中微塑料污染的生物指标。Shin等[36]研究发现，作为淡水生态系统中顶级捕食者的Cybisterjaponicus在食用暴露于微塑料的斑马鱼后，摄食率明显降低，在C.japonicus的前胃中发现了微塑料，而经过48 h后所有的微塑料颗粒均被清除，C.japonicus可能将无法消化的微塑料颗粒吐出，这是关于微塑料通过食物链从鱼类向龙虱转移的首次纪录。Piccardo等[37]对比了Hydropsychepellucidula幼虫对表面活性剂Triton X-100预处理的聚丙烯微塑料(PP)与未经表面活性剂预处理的聚丙烯微塑料的反应，在表面活性剂的作用下，聚丙烯微塑料暴露导致的石蛾幼虫的死亡率降低，其体内超氧化物歧化酶活性和丙二醛含量对聚丙烯微塑料具有更大的响应。Silva等研究发现，Chironomusripariu幼虫在聚乙烯微塑料的暴露下诱导了幼虫能量储备的变化，谷胱甘肽总量增加、过氧化氢酶和谷胱甘肽巯基转移酶活性增加，并诱导乙酰胆碱酯酶活性的增加；暴露于大颗粒(63～250 μm以及125～500 μm)的聚乙烯微塑料48 h，幼虫出现了可见的肠道梗阻、氧化损伤和有氧能量减少，且因缺乏营养导致总脂质储备耗尽[38-40]。聚乳酸生物微塑料的暴露使春蜓Aphyllawilliamsoni稚虫表现出亚硝酸盐和脂质过氧化水平的增加，超氧化物歧化酶活性和总硫醇水平的下降，而聚苯乙烯纳米塑料的暴露会造成春蜓稚虫氧化还原的失衡，两种微塑料均降低了春蜓稚虫体内乙酰胆碱酯酶活性，表明两种微塑料污染物对春蜓稚虫有神经毒性作用，并可能影响它们的神经和神经肌肉功能[41-42]。

微塑料的污染和其他两种污染不同，取食是微塑料污染的主要方式，因此不同摄食方式的昆虫对污染的感染程度也存在不同，同时通过食物链的方式进行堆积也是微塑料污染的重要途径，相较于食物链较短的植食性水生昆虫，捕食性水生昆虫以及杂食性水生昆虫由于食物链的富集作用，对微塑料污染可能表现出特殊的反应。目前关于微塑料对水生昆虫胁迫的研究较少，微塑料对于水生昆虫的影响主要是无法消化的塑料颗粒被昆虫摄入从而造成的影响，水生昆虫体内热休克蛋白、抗氧化酶、乙酰胆碱酶也参与了水生昆虫对微塑料的防御，但是微塑料对于水生昆虫具体的作用机制目前仍未清楚，可以参考其他污染通过行为和酶活方面的影响作为指标进行深入研究。

4 展望

水生昆虫对污染物反应敏感，耐受范围广，研究水生昆虫对污染物的生理响应对于监测环境污染具有重要意义，水生昆虫体内抗氧化酶等生物标志物的研究将成为水体污染预防监测的新的主要研究方向。目前，水生昆虫对污染物的生理反应相关研究的主要目的是将水生昆虫作为水生物指示器以检测水污染，且大多数的相关研究集中在双翅目的摇蚊科(Chironomidae)对污染物的生理响应，其他很多水生昆虫类群都研究得很少甚至从未涉猎，这就决定了水生昆虫对污染物的生理反应研究还有很大的潜力。蜉蝣目、广翅目、毛翅目、鞘翅目等多种水生昆虫都有用作水质监测的生物指示器的研究空间，同时目前对于植食性水生昆虫的研究较多，而捕食性水生昆虫研究相对较少，因此今后应进一步开展捕食性水生昆虫的相关研究，深入研究水生昆虫体内蛋白、酶、基因表达等与污染物的相互作用规律及机理，以丰富水生昆虫的基础研究。

此外，水生昆虫的作用和价值不仅仅是可以作为生物指示器和环境检测器，用于水质检测和环境保护；同时，还有很多水生的资源性昆虫可以发展成新兴产业，比如，爬沙虫(广翅目幼虫)、水虿(蜻蜓稚虫)、龙虱、负子蝽等，都是具有极大药用和食用价值的资源性昆虫[43-45]，它们都可以作为“新型水产”项目开发。近些年，爬沙虫等水生昆虫的人工繁育及产业化也逐步兴起[46-47]，各种水环境要素尤其是水中化学性有毒污染物对水生昆虫产生的胁迫会成为影响水生昆虫人工繁育的重要问题。

因此，加强水中化学性有毒污染物对水生昆虫生理反应的系统研究，不仅有利于水质监测和环境保护，还能为人工繁育水生资源昆虫提供理论支撑，从而建立准确评价水生昆虫健康状况的方法和指标体系，指导水生资源昆虫繁育和产业，更科学地改进水质，提高繁育效率，保护自然生态河道进而保护更多的野生水生昆虫资源，发展“昆虫溪沟经济”和“新型水产产业”，为乡村振兴和产业转型做出贡献。