摘要 摘要 本文以浮游動物大型水蚤作為研究對象，以生物體內(nèi)金屬積累量、金屬硫蛋 白( m t ) m t 、超氧化物歧化酶( s o d ) s o d 活性以及吸收、同化作用等作為測試指 標(biāo)，利用同位素示蹤技術(shù)、生物化學(xué)技術(shù)以北京市不同功能水體作為研究案例， 系統(tǒng)研究了水體中重金屬污染物質(zhì)的生物毒性、生物有效性，主要研究內(nèi)容包括： ( 1 ) 調(diào)查了北京市不同功能的三條代表性河流( 清河：納污排洪；京密引水渠： 供水水源；小月河：景觀用水) 的水質(zhì)和急性毒性狀況，并運(yùn)用主成分分析方法 探討了毒性產(chǎn)生的原因；( 2 ) 采用實(shí)驗(yàn)室模擬方法研究了受金屬c d 、c u 、z n 污 染水體的生物積累、生物標(biāo)志物的誘導(dǎo)作用，并探討了這些生物毒性指標(biāo)之間的 相互關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，研究了水環(huán)境中有機(jī)絡(luò)合劑對水體中c u 的毒性作用的 影n 向；( 3 ) 在國內(nèi)首次建立了利用穩(wěn)定同位素6 5 c u 作為示蹤劑研究金屬對大型 蚤的生物有效性的方法，對大型水蚤暴露的溶液和食物進(jìn)行標(biāo)記，研究了大型水 蚤對水相中c u 的吸收、食物相同化和生物的生理排出過程，建立了生物能量動 力學(xué)模型。 通過以上的研究，得到如下主要結(jié)論：1 ) 京密引水渠水質(zhì)一般，生物毒性很 低，能夠滿足飲用水源水使用要求，但須加強(qiáng)管理；清河水質(zhì)較差，生物毒性極 高，可作為納污排洪功能水體使用；小月河總體水質(zhì)般、毒性不高，符合景觀 用水的要求；水樣生物毒性與c 1 、c a 、k 、l i 、m n 、n a 、c r 、n i 等指標(biāo)有關(guān)； 內(nèi)梅羅水質(zhì)指數(shù)與n 0 2 、c 1 、k 、n a 、n i 等指標(biāo)有關(guān)，說明水質(zhì)的優(yōu)劣并不能 反映水體綜合毒性的大小，結(jié)合化學(xué)指標(biāo)和毒理學(xué)指標(biāo)共同評價水體污染更為合 理；2 ) 大型水蚤體內(nèi)積累的重金屬含量( b o d yb u r d e n ) 、m t 的含量會隨著水環(huán)境 中的重金屬濃度的升高而升高；s o d 的活性會隨著水環(huán)境中的重金屬濃度的升 高、暴露時間的延長( 0 7 2 h ) 而呈現(xiàn)出先升高后下降的峰值變化；3 ) 大型水蚤體 內(nèi)金屬積累量( b o d yb u r d e n ) 與m t 含量之間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系，與s o d 的活性之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；以大型水蚤體內(nèi)的m t 含量、b o d yb u r d e n m t 的比值來指示水體受到重金屬的污染程度具有一定的應(yīng)用前景；4 ) z n 和c d 兩 種金屬的聯(lián)合暴露結(jié)果表明，兩種重金屬之間的聯(lián)合作用在低濃度時表現(xiàn)為毒性 增加的協(xié)同作用：在中等濃度時表現(xiàn)為近似相加作用；在高濃度時表現(xiàn)為拮抗作 用；5 ) 有機(jī)絡(luò)合劑能顯著的改變c u 在水體中的形態(tài)分布，有效的減少了大型 水蚤體內(nèi)重會屬含量( b o d yb u r d e n ) 以及誘導(dǎo)的m t 含量，并且絡(luò)合態(tài)的c u 也 對大型水蚤產(chǎn)生了一定的毒性；6 ) 大型水蚤對水相中的銅的吸收與水相中銅的 濃度具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系，受凈化作用的影響很小，吸收速率常數(shù)為 0 3 0 2 + 0 1 8 8l g - i h _ 。；大型水蚤對食物重金屬的同化率( a e ) 為( 1 7 2 + 2 3 3 ) ， 生理循環(huán)速率常數(shù)k 為0 5 0 d ；大型水蚤對銅的排出速率常數(shù)k e 為0 2 7 7 d 一， j l 匕京t 業(yè)人學(xué)：廠學(xué)博十學(xué)位論文 根據(jù)以上參數(shù)定量比較了大型水蚤在水體中水相吸收與食物相吸收的重要性，結(jié) 果表明水相吸收是大型水蚤體內(nèi)銅積累的主要途徑。 關(guān)鍵詞：重金屬；金屬硫蛋白；超氧化物歧化酶；有機(jī)絡(luò)合劑；穩(wěn)定同位素示蹤； 生物積累；生物有效性；生物毒性 人b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ep r e s e n ts t u d y , b o d yb u r d e n ，m e t a l l o t h i o n e i n ( m t ) ，s u p e r o x i d ed i s m u t a s e ( s o d ) ，u p t a k e a n da s s i m i l a t i o no fz o o p l a n k t o n ，d a p h n i am a g n au s i n ga st e s t i n go r g a n i s m ，w e r ed e t e r m i n e dw i t h s t a b l ei s o t o p et r a c i n gt e c h n o l o g ya n db i o c h e m i c a lm e t h o d st os t u d yt h eb i o t o x i c i t ya n d b i o a v a i l a b i l i t yo ft r a c em e t a l si na q u a t i ce n v i r o n m e n t s e v e r a lf u n c t i o n a lr i v e r si nb e i j i n gw e r e i n v e s t i g a t e da n dt h em a i nc o n t e n t so fr e s e a r c h e sw e r ea sf o l l o w s ：( 1 ) t h r e er e p r e s e n t a t i v er i v e r s w i t hd i f f e r e n tf u n c t i o n si nb e i j i n g ( q i n gr i v e r ：w a s t ed r a i n a g e ；j i n g m id i v e r s i o nc a n a l ：w a t e r s u p p l y ；x i a o y u er i v e r ：r e c r e a t i o n a lw a t e r ) w e r ei n v e s t i g a t e do nw a t e rq u a l i t ya n da c u t et o x i c i t y t h er e a s o n sf o rt o x i c i t yw e r ed i s c u s s e dw i t hp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ；( 2 ) b i o a c c u m u l a t i o n a n db i o m a r k e ri n d u c t i o no fc d ，c ua n dz ni np o l l u t e dw a t e rw e r ee v a l u a t e dw i t he x p e r i m e n t a l s i m u l a t i o n sa n dt h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h e s eb i o t o x i c i t yi n d i c a t o r sw e r ep r o b e d b a s i n go nt h e k n o w l e d g e ，t h ei n f l u e n c e so fo r g a n i cc h e l a n t st oc ut o x i c i t yw e r ei n v e s t i g a t e di na q u a t i c e n v i r o n m e n t ；( 3 ) t h es t a b l ei s o t o p e6 5 c uw a su s e da sat r a c e rf o r t h ef i r s tt i m ei nd o m e s t i c r e s e a r c h e st os t u d yc ub i o a v a i l a b i l i t yi nd a p h n i d s w i t hl a b e l i n gt h ee x p o s u r em e d i u ma n df o o do f d a p h n i d s ，t h eu p t a k ef r o mt h ed i s s o l v e dp h a s e ，a s s i m i l a t i o n ，e f f l u xa n db i o e n e r g e t i c b a s e dk i n e t i c m o d e lw e r ei n v e s t i g a t e d t h r o u g ht h er e s e a r c h e sm e n t i o n e da b o v e ，t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r ei n c l u d e da sf o l l o w s ：( 1 ) w i t he x t r e m e l yl o wt o x i c i t y , j i n g m id i v e r s i o nc a n a lc o u l db eu s e da sd r i n k i n gw a t e rs u p p l i e s ； h o w e v e r , w a t e rm a n a g e m e n ts h o u l db ep a i dm o r ea t t e n t i o n sb e c a u s eo ft h ef a i rw a t e rq u a l i t y q i n g r i v e rw h i c hh a db a dw a t e rq u a l i t ya n dh i g hb i o t o x i c i t yc o u l db eu s e df o rd r e d g i n ga n dd e w a t e r i n g x i a o y u er i v e rw a sq u a l i f i e dt ob ear e c r e a t i o n a lo n ef o ri t sf a i rw a t e rq u a l i t ya n d l o wt o x i c i t y c i 一， c a ，kl i ，m n ，n a ，c ra n dn ic o u l da f f e c t t h et o x i c i t yo fw a t e r w a t e rq u a l i t ye v a l u a t e db y n e m e r oi n d e xh a dt h er e l a t i o n s h i pw i t hn 0 2 - ，c i - ，kn aa n dn i ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tw a t e r q u a l i t yc l a s s i f i c a t i o nc o u l dn o tf u l l yr e f l e c tt o x i c i t yo fw a t c hi tw a sm u c hm o r er e a s o n a b l et o e v a l u a t ew a t e rq u a l i t yb yc o m b i n i n gc h e m i c a la n dt o x i ci n d i c a t o r s ：( 2 ) t h eb o d yb u r d e n a c c u m u l a t e da n dm ti n d u c e di nd a p h n i d sw e r ei n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gm e t a lc o n c e n t r a t i o n si n a q u a t i ce n v i r o n m e n t t h ea c t i v i t i e s9 fs o di n c r e a s e di n i t i a l l ya n dt h e nd e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo fm e t a lc o n c e n t r a t i o n si nt h ed u r a t i o no f7 2h ：( 3 ) t h eb o d yb u r d e ni nd a p h n i d sh a d s i g n i f i c a n t l yp o s i t i v ec o r r e l a t i o n s h i pw i t hm ti n d u c e db ym e t a l ，w h e r e a si t h a dan e g a t i v e c o r r e l a t i o n s h i pw i t ht h ea c t i v i t i e so fs o d i tw a sf e a s i b l et oa p p l i e dq u a n t i t yo fm e t a l l o t h i o n e i n a n db o d yb u r d e r f f m tr a t i ot oi n d i c a t et h ep o l l u t e dd e g r e eo ft r a c em e t a l si nw a t e r s ；( 4 ) w i t ht h e c o m b i n e de x p o s u r eo fc da n dz n ，t h et o x i c i t yw a ss y n e r g i s t i ca tt h el o wc o n c e n t r a t i o n ， a p p r o x i m a t e l ya d d i t i v ea tt h em e d i u mc o n c e n t r a t i o na n da n t a g o n i s t i ca tt h eh i g hc o n c e n t r a t i o no f 北京7 1 ：, a k 人學(xué)i ：學(xué)博 j 學(xué)位論文 c da n dz n ；( 5 ) t h eo r g a n i cc h e l a n t ss i g n i f i c a n t l ya f f e c t e dt h es p e c i a t i o no fc ui nw a t e r sa n dc u c o m b i n e dw i t ho r g a n i cc h e l a n t sw a sa l s ot o x i ct od a p h n i d s ；( 6 ) t h eu p t a k ef r o mt h ed i s s o l v e d p h a s ew a ss i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yc uc o n c e n t r a t i o ni nt h em e d i u ma n dl e s si n f l u e n c e db ye f f l u x t h eu p t a k er a t ec o n s t a n tf r o mt h ed i s s o l v e dp h a s ew a s0 3 0 2 + 0 18 8lg 一1h ，c ua s s i m i l a t i o n e f f i c i e n c yw a s17 2 + 2 3 3 ，t h ep h y s i o l o g i c a lt u r n o v e rr a t ec o n s t a n tw a s0 5 0d ，a n dt h ee f f l u x r a t ec o n s t a n tw a s0 2 7 7d t h er e l a t i v ef r a c t i o n so fw a t e r b o r n ea n dd i e t b o m eu p t a k ec o u l db e q u a n t i f i e dw i t ht h ek i n e t i cp a r a m e t e r s t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h eu p t a k ef r o mt h ed i s s o l v e d p h a s ew a st h em a i nu p t a k er o u t eo fc ua c c u m u l a t i o ni nd a p h n i d s k e yw o r d sm e t a l ：m e t a l l o t h i o n e i n ；s u p e r o x i d ed i s m u t a s e ；o r g a n i cc o m p l e xa g e n t s ；s t a b l e i s o t o p e st r a c e ；b i o a c c u m u l a t i o n ；b i o a v a i l a b i l i t y ：b i o t o x i c i t y i v 獨(dú)創(chuàng)性聲明 今入，：i1 糾所芏交的淪艾是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究1 2 作及取得的研 究成澩。j 0 伐所知，除了史 時j ：別j q ll l 杯譴刷斂謝的地方外，論文中彳i 包含其他 人l ! 經(jīng)發(fā)農(nóng)或撰寫過的研究成果，也_ i 包含為扶得北京：r j 火學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu) | ，i ，j 化掣岫j ；：j 使f lj j - _ l i r , j 卡j 料。0 找。i _ j - | ：f i - - i f ，ji i i j 忐時小義所做的任何貢獻(xiàn)均已 n ：淪殳iif 1 tf u f | ：f | 1f n 諺a 明_ 爿：喪示了謝意。 虢勰 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 蝴j ：。甲：d 弓汐f | 本人分全了解北京：l ：業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使川。、爹位論史的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán) f 術(shù)科j 蓋- 2 淪迂 門復(fù) i h i ：，允許論文被盤閱和f 持閱；皇：校i i j 以公- f i j 論文的全部或部 分內(nèi)容，叫以采j ：f j 影印、縮印或其他復(fù)制f 段保仔淪文。 ( 俅密的淪叟舟胼密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 筘“： 鋤齜侄洋硌叭哪弓廳羅且 第1 章緒論 第1 章緒論 5 0 年代以來，隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，各類化學(xué)物品進(jìn)入市場并轉(zhuǎn)入環(huán)境。目 前在美國化學(xué)文摘中登記的化學(xué)物質(zhì)已超過2 0 0 0 萬種，進(jìn)入環(huán)境的有數(shù)萬種， 此外，每年全球市場還要增加1 5 0 0 2 0 0 0 種新的化學(xué)物質(zhì)。這些化學(xué)物質(zhì)都會對 環(huán)境以及人類健康構(gòu)成極大的危害。隨著日本的水俁鎮(zhèn)和富山神通川發(fā)現(xiàn)了“水 俁病”和“骨痛病”，人們從而確認(rèn)水中的重金屬污染物可以通過食物鏈傳遞進(jìn)入 人體并對人類造成嚴(yán)重的危害。重金屬污染是近年水環(huán)境污染的公害之一，且形 勢十分嚴(yán)峻。重金屬是一類典型的環(huán)境污染物，普遍存在于巖石、土壤、大氣、 水體和生物體內(nèi)，并不斷的進(jìn)行自然環(huán)境中的遷移循環(huán)。 隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，重金屬通過礦山開采、金屬冶煉加工、化工廢水 的排放、農(nóng)藥化肥的濫用，生活垃圾的棄置等人為污染及地質(zhì)侵蝕、風(fēng)化等天然 源形式進(jìn)入水中，而重金屬污染又具有易被生物富集、并有生物放大效應(yīng)、且毒 性大等特點(diǎn)，因此水中的重金屬污染不僅污染了水環(huán)境，也嚴(yán)重危害了人類及各 類生物的生存。目前淡水資源日益枯竭，而人類對淡水的需求量卻在日益增加， 未加處理的大量廢水污染了水環(huán)境，嚴(yán)重影響了水生生態(tài)結(jié)構(gòu)和水資源的有效利 用。近幾年來，我國水體重金屬污染日益加重，重金屬在水環(huán)境中不能被微生物 降解，只能發(fā)生各種形態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化及分散和富集過程而進(jìn)行重金屬遷移。 因而，當(dāng)水環(huán)境中重金屬濃度升高時，水體中的重金屬就會對水生生物產(chǎn)生毒害 的作用，對水生生態(tài)環(huán)境和生物安全造成嚴(yán)重危害。 重金屬是指密度4 0 以上的約6 0 種元素或密度在5 0 以上的4 5 種元素。砷、 硒是非金屬，但是它的毒性及某些性質(zhì)與重金屬相似，所以將砷、硒列入重金屬 污染物范圍內(nèi)。環(huán)境污染方面所指的重金屬主要是指生物毒性顯著的汞、鎘、鉛、 鉻以及類金屬砷，還包括具有毒性的重金屬鋅、銅、鈷、鎳、錫、釩等污染物。 甲殼類動物對水環(huán)境的變化反應(yīng)十分靈敏，當(dāng)水環(huán)境中的重金屬達(dá)到一定濃 度時，就會引起一系列中毒反應(yīng)，例如行為異常、生理功能紊亂、組織細(xì)胞病變 等等，直至死亡。大型水蚤( d a p h n i am a g n a ) 是一類重要的甲殼類動物，在水生 生態(tài)系統(tǒng)之中分布廣泛，在水生食物鏈中具有極其重要的位置，在毒理學(xué)和生態(tài) 風(fēng)險評價中具有重要的價值。因此，隨著重金屬毒理的研究越來越為人們所重視， 全面而深入的研究和揭示重金屬離子對大型水蚤毒性效應(yīng)的影響不僅具有重要 的理論意義，而且具有重要的實(shí)際意義。 重金屬離子對甲殼動物毒性效應(yīng)的研究主要包括致死濃度、機(jī)體的累積以及 在亞致死濃度下的生化效應(yīng)等。目前，國內(nèi)外學(xué)者對水生生態(tài)系統(tǒng)中的重金屬污 染進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并取得了重要的成果。為進(jìn)一步推動重金屬污染的 理論研究與防治，本論文針對主要重金屬元素( c d 和z n 、c u ) 以及淡水水生生 ：l 匕京，：業(yè)人學(xué)一學(xué)博十學(xué)何論文 態(tài)系統(tǒng)中重金屬污染對大型水蚤產(chǎn)生的生物毒性作用，分別從大型水蚤的半數(shù)致 死、抑制濃度( l c 5 0 。e c 5 0 ) 、體內(nèi)的重金屬含量( b o d yb u r d e n ) 、m t 含量和體 內(nèi)的s o d 活性四方面以及它們之間的聯(lián)系全面闡述了重金屬離子對大型水蚤致 毒解毒的生化效應(yīng)。 1 1 水環(huán)境污染現(xiàn)狀 隨著人口的增加，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)的不斷發(fā)展，水環(huán)境污染問題已十分突出， 嚴(yán)重制約著流域社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。目前，我國主要流域水系中， 。湖泊水資源總量達(dá)6 3 8 0 億m 3 ，地下水可開采量2 9 0 0 億m 3 ，占我國城鎮(zhèn)飲用水 水源的7 0 以上，國民生產(chǎn)總值占全國的8 0 以上。我國沿海海水資源也非常 豐富，我國海岸線長達(dá)1 8 0 0 0 多公里，全國人口的1 3 集中在沿海省市，工農(nóng)業(yè) 總產(chǎn)值占有量更是達(dá)到了全國的6 0 以上。我國主要水資源的保護(hù)直接涉及我國 今后人口健康素質(zhì)的變化和國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?fàn)顩r，因此有必要從國家安全性的戰(zhàn) 略角度重視水資源的環(huán)境保護(hù)問題。雖然我國水資源總量居世界第六位，但是我 國人均水資源占有量只有2 3 0 0 m 3 ，約為世界平均水平的1 1 4 ，排在第1 2 1 位，是 世界上1 3 個貧水國之一。從總體上看，隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長，水環(huán)境質(zhì)量總體 上仍在下降。以城市為中心的環(huán)境污染仍然呈惡化的趨勢，具體表現(xiàn)為地表水污 染普遍，特別是流經(jīng)城市的河段有機(jī)污染嚴(yán)重；湖泊富營養(yǎng)化問題突出；地下水 受到點(diǎn)狀或面狀污染，水位持續(xù)下降，加劇了水資源的供需矛盾：生態(tài)破壞加劇 的趨勢尚未得到有效控制。根據(jù)我國近年來對全國1 0 9 7 0 0 公里河流進(jìn)行的評價， 我國河流長度有7 0 6 被污染，污染程度已相當(dāng)嚴(yán)重。2 0 0 6 年，全國七大水系的 4 1 1 個地表水監(jiān)測斷面中有2 7 為劣v 類水質(zhì)，基本喪失使用功能。在七大水系 中，海河流域污染最為嚴(yán)重，長江流域污染相對較輕。 水環(huán)境污染分為化學(xué)性污染( 污染物質(zhì)為化學(xué)物品而造成的水體污染) 、物 理性污染( 不溶性：懸浮物質(zhì)污染、熱污染、放射性污染) 和生物性污染( 生活污 水) 三大類，其中最具代表性的是無機(jī)、有機(jī)污染和重金屬污染。各種無機(jī)污染 物如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等；各種有機(jī)污染物如有機(jī)農(nóng)藥、多環(huán)芳烴、芳香烴等：和各種 重金屬c u 、c d 、h g 、a s 和p b 等；如重金屬在其危害環(huán)境方面的特點(diǎn)是：微量 濃度即可產(chǎn)生毒性( 一般為1 1 0 m g l 1 ) ；在微生物作用會轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的有 機(jī)金屬化合物( 如洋一甲基汞) ；可被生物富集，通過食物鏈進(jìn)入人體，造成慢 性路線。親硫重金屬元素( h g 、c d 、p b 、z n 、s n 、c u 、a s 等) 與人體組織某 些酶的巰基( s h ) 有特別大的親合力，能抑制酶的活性。重金屬對環(huán)境造成的 污染已經(jīng)屢見不鮮，如水俁病、骨痛病以及2 0 0 0 年在羅馬尼亞發(fā)生的多瑙河污 染。目前重金屬如c u 、c d 、z n 、h g 和p b 等污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了水生生物和 人類的健康。 第l 章緒論 根據(jù)水質(zhì)的優(yōu)劣其功能用途也不同，環(huán)境水體按功能可分為納污排洪河道用 水、娛樂景觀用水、供水水源用水。隨著水環(huán)境污染的日益加重，各水體的原有 功能逐漸喪失，己不能再被人們所利用。北京市位于華北平原的西北邊緣，地處 海河流域，有永定、潮白、北運(yùn)、大清、薊運(yùn)河五大水系，共有大小河流8 0 多 條。作為原北京市供水水源地的官廳水庫因受到有機(jī)污染，富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重， 已在1 9 9 7 年停止使用，退出了作為北京水源供水地的行列。而在近幾年，密云 水庫也受到了不同程度的污染，如果不加強(qiáng)保護(hù)，勢必會造成嚴(yán)重后果。 1 2 污染水體對水生生物的急性毒性 水體是化學(xué)品進(jìn)入環(huán)境后的一個重要的歸宿地，化學(xué)品進(jìn)入水體后，會對水 生生態(tài)系統(tǒng)造成影響，其影響的大小與化學(xué)品對水生生物的毒性有關(guān)，化學(xué)品對 水生生物的毒性數(shù)據(jù)可以通過水生生物毒性試驗(yàn)而得到。因此，以水生生物為受 試對象的毒性試驗(yàn)在評價水環(huán)境受到的污染程度方面起著重要作用。根據(jù)受試對 象的不同，生物毒性試驗(yàn)大致分為：藻類毒性試驗(yàn)、蚤類毒性試驗(yàn)、魚類毒性試 驗(yàn)等等。 藻類是水體的初級生產(chǎn)者，它對生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定起著十分重要的作 用。其種類的多樣性和生產(chǎn)量直接影向水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。在水生毒理 學(xué)研究中，藻類因其個體小、繁殖快、對毒物敏感等諸多優(yōu)點(diǎn)越來越受到廣泛的 應(yīng)用。不同的污染物質(zhì)對藻類的致毒效應(yīng)有所不同，重金屬的毒性效應(yīng)主要表現(xiàn) 在影響其生長代謝，抑制光合作用，導(dǎo)致細(xì)胞畸形及改變天然環(huán)境中種群的組成 等方面。例如，汞濃度大于0 0 1 m g l 以時，鹽藻的生產(chǎn)率和生產(chǎn)量大幅度降低， 在亞致死濃度下，表現(xiàn)為藻細(xì)胞體積增大，運(yùn)動能力喪失l l j 。在氯化鎘作用下， 淀粉核小球藻、鐮型纖維藻和四尾柵藻等線粒體結(jié)構(gòu)明顯變化，在線粒體間產(chǎn)生 濃顆粒和空胞【2 j 。關(guān)于有機(jī)毒物對藻類的影響研究較少，主要集中在有機(jī)毒物對 藻生長的抑制和光合作用的影響的方面。有些物質(zhì)在較低濃度時對藻的生長表現(xiàn) 為促進(jìn)作用，例如多氯聯(lián)苯p c b 在8 1 0 m g l 一對蛋白核小球藻，4 x 1 0 一m g l “ 對斜生柵藻均表現(xiàn)為輕微的刺激生長作用；但在較高的濃度下卻導(dǎo)致藻葉綠體解 體，細(xì)胞結(jié)構(gòu)不完整，破碎細(xì)胞殘體增高p j 。 大型水蚤( d a p h n i a ，甲殼綱枝角目) 是國際上普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)毒性試驗(yàn)生物。 過去的幾十年，大型水蚤的毒理試驗(yàn)得到了廣泛的發(fā)展，在國內(nèi)外積累了大量的 研究。e a s t m o n d 研究了受多環(huán)芳烴污染水體對水蚤的影響，觀察了多環(huán)芳烴在 水蚤體內(nèi)的積累和排除1 4 1 。v i l l e g a s n a v a r r o 和s a n t i a g o 等人利用大型水蚤測試處 理過的工業(yè)廢水和未經(jīng)處理的醫(yī)院排水的l c 5 0 ，并對其毒性進(jìn)行對比【5 j 。曲克 明1 6 j 等研究了化纖廢水中主要污染物對大型水蚤的急性毒性及聯(lián)合毒性作用，有 毒化學(xué)物質(zhì)對蚤類的損傷表現(xiàn)在對蚤類生殖和生長過程及對子孫性別發(fā)育過程 北京：業(yè)火學(xué)2 1 ：學(xué)博十學(xué)竹論文 產(chǎn)生干擾等方面。大型水蚤在胚胎期暴露于阿特拉津中會導(dǎo)致性別向雄性分化， 在o 5 9 9 l 一即可以檢出【7 | 。鄰苯二甲酸二丁酯( d b p ) 對大型水蚤( d a p h n i am a g n a ) 的毒性試驗(yàn)表明，低濃度的d b p 對蚤的生長繁殖有一定的刺激作用，高濃度時 對蚤的生長繁殖有抑制作用j 。王連生等用大型水蚤研究了4 7 種芳烴類有機(jī)物 結(jié)構(gòu)與活性相關(guān)的模式參數(shù)研究，從理論上表述了有機(jī)物生物活性效應(yīng)取決于有 機(jī)物與生物靶分子的結(jié)合量和反應(yīng)過程中靶分子含量，得出芳烴類有機(jī)物分子對 生物活性的貢獻(xiàn)順序，給出了多元優(yōu)化方程【9 j 。靳立軍等研究了取代苯甲醛衍生 物的定量結(jié)構(gòu)活性關(guān)系( q s a r ) ，發(fā)現(xiàn)其毒性主要取決于苯壞上取代基的 h a m m e t t 電效應(yīng)常數(shù)i i 。 魚類是水生生態(tài)系統(tǒng)的消費(fèi)者，在食物鏈上與人類的關(guān)系最密切。因此魚類 也常作為水生生物毒性試驗(yàn)的受試對象。目前，對魚類的研究主要集中于分子水 平，尤其是應(yīng)用生物標(biāo)志物來評價物質(zhì)的毒性。乙酰膽堿酯酶( a c h e ) 是通常所用 的生物標(biāo)志物，低濃度的有機(jī)磷和氨基甲酸鹽會抑制a c h e ，導(dǎo)致乙酰膽堿在中 心類膽堿神經(jīng)鍵的聚集。然而，魚體能夠比較容易地解毒，體內(nèi)的a c h e 抑制只 有在毒物相對較高的濃度下才會被檢測出來】。另外，還有采用卵黃蛋白原【l 引、 m t 1 3 】作為毒物毒性試驗(yàn)的生物標(biāo)志物，均取得了良好的效果。 1 3 水體重金屬污染 重金屬( h e a v ym e t a l s ) 是一類典型的環(huán)境污染物，主要是指汞( m e r c u r y , h g ) 、 鎘( c a d m i u m ，c d ) 、鉛( l e a d ，p b ) 、鉻( c h r o m i u m ，c r ) 和類金屬 i o ( a r s e n i c ，a s ) 等生 物毒性顯著的重元素，也指具有一定毒性的一般重金屬如鋅( z i n c ，z n ) 、銅( c o p p e r , c u ) 、鉆( c o b a l t ，c o ) 、鎳( n i c k e l ，n i ) 、錫( s i n ，s n ) 等。在這些重金屬中，以h g 毒 性最大，c d 次之，p b ，c r , a s 也有相當(dāng)毒性。水體重金屬污染主要是指水體中汞 ( h g ) 、鉻( c r ) 、鉛( p b ) 、鎘( c d ) 、鋅( z n ) 、鐵( f e ) 、鎳( n i ) 、鍺( g e ) 、錳( m n ) 、銅( c u ) 、 鉆( c o ) 等金屬離子的濃度超過了一定的濃度標(biāo)準(zhǔn)而引起的。自然水體中重金屬原 有的濃度一般是不會對其中的水生生物構(gòu)成威脅，水體重金屬污染主要是人類活 動所造成，重金屬普遍存在于巖石、土壤、大氣、水體和生物體內(nèi)，并不斷地進(jìn) 行自然環(huán)境中的遷移循環(huán)，其含量雖然均低于0 1 或?qū)儆诤哿?，但污染危害?局部地區(qū)卻相當(dāng)明顯。水體中的重金屬污染主要是冶金、金屬加工、機(jī)器制造、 有機(jī)合成及其它工業(yè)排放含重金屬廢水造成的，存在于巖石以及粘土礦物中的重 金屬，也可通過風(fēng)化、火山爆發(fā)、風(fēng)暴、生物轉(zhuǎn)化等自然作用進(jìn)入土壤、大氣、 水體及生物體中。另外，大氣鎘塵、鉻塵的沉降和雨水對地面的沖刷，都可以使 重會屬進(jìn)入江河湖泊水體，使水體受到污染。重金屬在水體中不能被微生物降解， 只能發(fā)生各種形態(tài)之i b j 的相互轉(zhuǎn)化及分散和富集過程而進(jìn)行重金屬遷移。水體對 重金屬離子及其化合物有一定的凈化作用，這種作用是水體、淤泥及生物群落等 第1 章緒論 物理、化學(xué)、生物多因素共同作用的結(jié)果1 1 4 , 1 5 】。 重金屬既可以溶解態(tài)的形式存在，同時也可以與水中的顆粒物相結(jié)合，隨著 水流作機(jī)械運(yùn)動。在此過程中，重金屬與介質(zhì)之間不斷發(fā)生化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)， 如吸附一解吸、沉淀一溶解、絡(luò)合作用、水解作用和生物富集等。當(dāng)水環(huán)境條件 保持不變時，重金屬一旦與沉積物結(jié)合，就很難釋放出來。但當(dāng)水環(huán)境條件發(fā)生 變化時，與沉積物結(jié)合的重金屬有可能出現(xiàn)二次釋放，從而產(chǎn)生生態(tài)毒性。進(jìn)入 水環(huán)境的重金屬對水生生物的生長、新陳代謝、繁殖可直接產(chǎn)生危害，同時被生 物富集吸收后進(jìn)入食物鏈，通過營養(yǎng)級的傳遞，而最終危害到人類的健康。重金 屬能被生物吸收，并與生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)和酶等高分子物質(zhì)結(jié)合，產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn) 的變性，導(dǎo)致生理或代謝過程的障礙，或者與脫氧核糖核酸等相互作用而致突變。 對不同的官能團(tuán)，各種重金屬有相對不同的親和能力【l6 1 。有些重金屬是生物體必 需的微量營養(yǎng)元素，是細(xì)胞結(jié)構(gòu)和酶化合物的重要組成部分，在機(jī)體代謝中有著 重要的作用。如銅是血、肝等銅蛋白的組成部分，有3 0 種以上的蛋白和酶中含 有銅，它起著維持生命正常發(fā)育和新陳代謝的作用j 鋅也是多種酶的組成成分， 還可以影響某些非酶的有機(jī)分子配位基的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。機(jī)體內(nèi)缺乏這些營養(yǎng)元素 時，可引起器官功能下降，導(dǎo)致病變，如鋅缺乏導(dǎo)致高密度脂蛋白下降，造成外 周組織膽固醇清除障礙，銅缺乏可使膽固醇和甘油酯升高，引起高膽固醇血癥【1 7 1 。 但當(dāng)重金屬濃度超過生物的生態(tài)幅度時又是有毒元素，可以引起生物中毒：如人 體銅過量，肝內(nèi)含銅量會增加數(shù)倍，超過忍受限度時，紅細(xì)胞不能攝取全部銅， 銅突然釋放到血清內(nèi)，結(jié)果發(fā)生溶血。攝入含有過量鋅的食物和飲料會引起鋅中 毒。 另外，有些重金屬不是生物體的必需元素，對生物體完全無益。如鎘是一種 半衰期很長( 1 9 至3 0 年) 的多器官、多系統(tǒng)毒物，也是一種重要的環(huán)境和工業(yè)毒 物。鎘可與含琉基、羥基及氨基的蛋白質(zhì)分子結(jié)合，從而抑制一些酶系統(tǒng)的活性。 此外，鎘和琉基的親和力比鋅大，故可取代機(jī)體內(nèi)含鋅酶中的鋅，使其失去功能。 如長期攝入微量鎘，通過器官組織中的積蓄可引起骨痛病。汞化合物也是非常有 毒的物質(zhì)，汞進(jìn)入生物體內(nèi)，與蛋白質(zhì)中的琉基有高度的親和力，它與琉基結(jié)合 形成硫醇鹽，可使一系列的含琉基酶的活性和蛋白質(zhì)的合成受到抑制，致使功能 發(fā)生變化而中毒。 1 4 重金屬對大型水蚤的毒性作用 大型水蚤類對水環(huán)境的變化反應(yīng)十分靈敏，當(dāng)水體中的重金屬達(dá)到一定濃度 時，就會對大型水蚤產(chǎn)生毒性作用，抑制其生長，甚至死亡。大型水蚤類毒性實(shí) 驗(yàn)是用來判斷污染物毒性的簡便而快速的方法，不僅用于測定化學(xué)物質(zhì)毒性強(qiáng) 度、測試水體污染程度、檢查廢水處理的有效程度，也為制定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、評價環(huán) 北京1 ：業(yè)人學(xué)一i ：學(xué)博十j 。位論文 境質(zhì)量和管理廢水排放提供環(huán)境依據(jù)。 目前，運(yùn)用大型水蚤進(jìn)行毒理試驗(yàn)來評價重金屬對水環(huán)境造成的影響已得到 了廣泛而深入地研究，重金屬對大型水蚤的毒性研究國內(nèi)外報道已很多，涉及到 多利，會屬污染物( 銅、鎘、鉛、鋅、汞、鉻和砷等) 8 舊j 。例如，j i n s e o ka n dh a r o l d s 研究了銅化合物對大型水蚤的毒性作用【2 0 1 ，朱麗和李愛貞在研究樂安江沉積物 中重金屬銅、鉛、鋅的形態(tài)對大型水蚤的影響中發(fā)現(xiàn)，三種重金屬的生物可給態(tài) 對大型水蚤的毒性最大，間接可給態(tài)次之，惰性態(tài)降低了其有害態(tài)對大型水蚤的 毒性【2 1 1 。 重金屬對大型水蚤的毒性受環(huán)境中許多物理、化學(xué)以及生物因素影響，包括 p h 值、無機(jī)陰離子、水的硬度、其它金屬離子、絡(luò)合物及甲殼類自身因素等。 在酸性條件下( p h5 6 ) ，鉛的毒性增強(qiáng)【7 2 1 。可溶性有機(jī)物，如半胱氨酸、琥珀酸、 谷胱甘肽可以降低重金屬的毒性，磷酸鹽和碳酸鹽能降低鉛的毒性，可能是由于 形成難溶的鉛鹽的結(jié)果。水中絡(luò)合物( 自身代謝產(chǎn)物、天冬氨酸鹽等等) 可消除 c d 2 + 的致死作用【2 3 1 。p e n t t i n e n 等研究了溶解的有機(jī)物( d o m ) 和水硬度對于c d 對 大型水蚤毒性的影響，發(fā)現(xiàn)在軟水中，d o m 對c d 起拮抗作用，而在硬水中( 主 要是c a 2 十的增加) ，由于c a 2 + 與c d 2 + 競爭在d o m 上的鍵合位置使得參照和含c d 水中的毒性并無差別 2 4 1 。修瑞琴等、高世榮等研究了大型水蚤對含銻冶煉堿渣的 急性毒性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)毒性較大【25 1 。王珊珊和馮流研究了5 種含錫有機(jī)化合物對大 型水蚤的毒性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)三丁基錫毒性最大，一丁基錫毒性最小【2 6 1 。傅迎春等用 相加指數(shù)法和毒性單位分析法研究了氟和砷，氟與硒對大型水蚤的毒性作用，發(fā) 現(xiàn)兩者均表現(xiàn)為拮抗作用【2 7 鄶1 。 重金屬離子被大型水蚤體內(nèi)組織吸收后，一部分可隨血液循環(huán)到達(dá)各組織器 官，妨礙組織細(xì)胞代謝過程而出現(xiàn)組織學(xué)的超微損傷。重金屬對這些器官細(xì)胞結(jié) 構(gòu)的破壞無疑將影響到大型水蚤正常的呼吸、代謝、排泄和繁殖功能，從而導(dǎo)致 其死亡。 重金屬等污染物進(jìn)入生物機(jī)體后，首先將導(dǎo)致機(jī)體一系列的生物化學(xué)變化， 這些變化廣義上說可分為兩種：一種是用來保護(hù)生物體抵抗污染物的傷害，稱之 為防護(hù)性生化反應(yīng)：另一種不起保護(hù)作用，稱之為非防護(hù)性反應(yīng)。防護(hù)性反應(yīng)的 機(jī)理是通過降低細(xì)胞中游離污染物的濃度，從而防止或限制細(xì)胞組成成分發(fā)生可 能的有害反應(yīng)，消除對機(jī)體的影響，如重金屬誘導(dǎo)金屬硫蛋白，超氧化歧酶等。 非防護(hù)性生化反應(yīng)有多種多樣，其作用機(jī)理也多樣化。非防護(hù)性生化效應(yīng)的結(jié)果 之一是產(chǎn)生對生物體有害的影u l h l i 1 。 1 4 1 重金屬對金屬硫蛋白( m e t a l l o t h i o n e i n ，m t ) 的誘導(dǎo) l9 5 7 年m a r g o s h e 和v a l l e 首次在馬腎中發(fā)現(xiàn)并分離出會屬硫蛋白 ( m e t a l l o t h i o n e i n ，簡稱m t ) p u 】，以后發(fā)現(xiàn)m t 廣泛存在于各種生物體中。它是一 6 第l 章緒論 種位于胞漿的低分子蛋白，半胱氨酸含量極高，約3 0 ，分子量一般在6 0 0 0 7 0 0 0 道爾頓，對熱穩(wěn)定，金屬含量高口。m t 對二價金屬離子有極高的親和力，因而 在細(xì)胞內(nèi)起著貯存必需的微量金屬如z n 、c u 和結(jié)合有毒金屬如c d 、h g 的作用， 它與必需金屬的結(jié)合起著調(diào)節(jié)這些金屬在細(xì)胞內(nèi)濃度的作用，而與有毒金屬的結(jié) 合則可以保護(hù)細(xì)胞器免受會屬毒性影響。它的一個重要特點(diǎn)是可在轉(zhuǎn)錄水平上被 環(huán)境中的金屬所誘導(dǎo)，而且這種誘導(dǎo)與環(huán)境中的金屬濃度有相關(guān)性，可以反映環(huán) 境中金屬的水平，因而是一種重要的分子生態(tài)毒理學(xué)指標(biāo)。 高金屬含量區(qū)域的生物m t 的誘導(dǎo)己在無脊椎動物和魚中得到了證實(shí)，擬鯉 暴露于水體中濃度為1 0 0 i - t g l - 。的c d z + 時，肝中的m t 和c d 濃度均增加【3 2 i 。大 型水蚤經(jīng)水體暴露和攝食，c u 、z n 、c d 均可誘導(dǎo)m t 的合成，水體暴露后的檢 測表明，大型水蚤體內(nèi)的m t 含量與水中金屬含量相關(guān)性極密切，可以反映暴露 的程度。w a n g 和g u a n 在2 0 0 5 年研究了經(jīng)過相同的金屬暴露實(shí)驗(yàn)，大型水蚤的 兩種克隆體體內(nèi)m t 變化量的比較以及這兩種克隆體子代體內(nèi)的m t 的變化量結(jié) 果的對比。他們發(fā)現(xiàn)，大型水蚤體內(nèi)m t 含量與暴露水平具有較為明顯的相關(guān)性； 并且來自北美的大型水蚤種要比來自中國武漢水生物所的大型水蚤種更加能夠 耐受金屬的毒性，經(jīng)過金屬的誘導(dǎo)后，其體內(nèi)m t 的含量的平均水平要比中國武 漢水生物所的高，這兩種克隆體的第一子代、第二子代和第三子代也相應(yīng)的表現(xiàn) 出相同的變化水平p 引。 另外，生物累積c u 、z n 和c d 的容量與其產(chǎn)生m t 的能力是成正比的p 4 1 ， 所以當(dāng)攝入的重金屬劑量超出m t 的結(jié)合能力時，動物體便會出現(xiàn)中毒癥狀。 1 4 2 重金屬對超氧化物歧化酶( s u p e r o x i d ed i s m u t a s e ，s o d ) 活性的影 響 重金屬等污染物可導(dǎo)致水生生物體內(nèi)自由基含量的增加，引起氧化脅迫 ( o x i d a t i v es t r e s s ) ，因此抗氧化系統(tǒng)不僅可作為監(jiān)測水體污染的生物標(biāo)志物，也能 從一個側(cè)面揭示污染物對水生生物的毒性機(jī)$ 1 j 3 5 , 3 6 】。s o d 是廣泛存在于水生生 物體內(nèi)的抗氧化防御性功能酶。近年來，國內(nèi)外在人工和野外條件下，都開展了 污染物對甲殼類動物抗氧化酶活性影響的研究工作，探討以抗氧化酶作為污染監(jiān) 測指標(biāo)的可能性p7 列j 。 s o d 是生物體抗氧化酶系統(tǒng)的重要組成成分之一【3 9 】。按其結(jié)合的金屬離子， s o d 主要分為f e s o d 、m n s o d 和z n s o d 4 叭。s o d 幾乎存在于所有動物的細(xì) 胞中，對機(jī)體的氧化與抗氧化平衡起著至關(guān)重要的作用。s o d 能將機(jī)體內(nèi)有毒 的超氧陰離子自由基( 0 2 。) 轉(zhuǎn)化成無毒的h 2 0 和0 2 ，從而保證機(jī)體免遭自由基的 危害。因此，在生物體內(nèi)維持定水平的s o d 是相當(dāng)重要的。 在正常的生理狀態(tài)下，所有的需氧生物代謝產(chǎn)生的活性氧可被抗氧化防御系 北京 j ：業(yè)大學(xué)一f j 學(xué)博l ：學(xué)位論文 統(tǒng)所控制，這個系統(tǒng)的關(guān)鍵組成是一些能夠被氧應(yīng)激誘導(dǎo)的酶類，s o d 就是其 中的一種【4 。1 。但當(dāng)生物體受到重金屬等污染物脅迫時，由于許多重金屬具有氧化 還原活性，可參與生物體內(nèi)的氧化還原循環(huán)，產(chǎn)生大量的活性氧( 0 2 ，h 2 0 2 等) ， 這些活性氧可導(dǎo)致d n a 斷裂、脂質(zhì)過氧化：酶蛋白失活等，從而引起生物體強(qiáng) 烈的氧化應(yīng)激反應(yīng)【4 2 4 3 1 ，使得一些能夠被氧應(yīng)激所誘導(dǎo)的酶類，如s o d 等含量 或活性發(fā)生變化，因而，這些酶的含量或活性變化可間接反映環(huán)境中氧化污染的 存在，能夠作為環(huán)境污染脅迫的指俐4 4 1 。 一 當(dāng)水生生物生活在受到重金屬等污染物污染的水體環(huán)境中時，這個特殊環(huán)境 的細(xì)微變化都將對它們的生理生化產(chǎn)生一系列的影響，比如體內(nèi)s o d 活性的顯 著變化【4 引。國內(nèi)外已有一些科技工作者開展了旨在探討以抗氧化酶作為水體污染 監(jiān)測指標(biāo)的基礎(chǔ)性工作，并取得了一定的研究成果。目前，重金屬c u 、z n 、c d 、 p