水體重金屬污染對水生生物生態毒性效應研究進展

＊蘇 馳

（南華大學資源環境與安全工程 湖南 421001）

隨著經濟的日漸發展，人類活動產生的大量有毒污染物，會通過各種途徑進入水體，對水生態系統和人體健康造成嚴重威脅。Cahill and Unger[1]研究發現，一些水域遭受重金屬污染，并且污染程度日趨嚴重，如美國印第安納州大卡柳梅特河（Grand Calumet River）的一條支流底泥中重金屬含量嚴重超標受到人們的廣泛關注。水體重金屬污染是一種常見的環境污染問題，主要由工業生產活動引起。重金屬在水體中可以長期存在，對生物和人類健康構成威脅[2]。水體中存在大量可溶解重金屬，其中無色重金屬元素污染不易被察覺，因此需要進行相應的檢測才能了解水體重金屬污染情況[3]。根據美國環境保護局毒物與疾病登記處的調查，列舉了20種最具危害性的污染物，其中重金屬污染（鎘、銅、鉛等）排在前列[4]。當水體中重金屬濃度達到一定水平時，可對動物、植物產生嚴重影響。并且，某些重金屬元素在水生生物體內難降解、易累積，它可引起這些生物急性與慢性中毒，并通過食物鏈具有生物放大作用[5]。研究顯示，重金屬污染可對水生生態環境造成影響，也對人們生存環境造成危害，因此亟需評估水環境健康狀況。水環境評價最常用的方法是檢測水體中各類理化指標，即通過這些指標開展相應監測與評價。然而僅依靠理化方法評估水環境健康狀況是存在局限性的，因為未考慮環境生物對污染物的生物利用度，缺少重金屬等對周圍生態環境的毒性效應評估，故開展水體重金屬污染對水生生物生態毒性效應評價顯得十分重要與緊迫[6]。毒性實驗可用于評估毒物對生物體和生態系統的影響，是生物指標測定和生態系統健康評估的重要手段[7]。

1.重金屬元素對水生生物生態毒性效應

大多重金屬元素對人體和水生生物均具有嚴重的危害，長時間蓄積可通過食物鏈轉移，其在水生生物體內的半衰期可長達10～35年[8]。水生生物作為水生態系統的重要組成部分，其多樣性能夠客觀反映生態環境健康狀況。近年來，利用水生生物對棲息環境狀態進行監測與評價，讓其作為一種科學、環保且經濟的評價方法已得到廣泛應用。

（1）魚類對水體重金屬污染的響應。魚類是水生態系統的重要指示生物，其對污染物的敏感性可以反映水質環境的質量。魚類與人類基因相似，其實驗結果對人類健康具有一定的參考價值。此外，魚類容易飼養，因此被廣泛用于水質環境檢測。汪紅軍等[9]以青鳉為受試生物，研究不同重金屬對其的生態毒性效應，研究表明該生物對重金屬鎘、鋅、銅和汞較為敏感，其中魚類的呼吸可作為生物指示。周斯蕓等[10]以魚類為受試生物研究了化學污染物對水生生物的毒性效應，主要以青鯔魚、斑馬魚、紅鯉魚這三種受試生物為主，研究Cd對生物的毒性效應，考察本地魚類作為毒性評價受試生物的可行性。結果表明，三種魚類的敏感性依次為：青鯔魚＞斑馬魚＞紅鯉魚，不同屬種，敏感性不同。作為中國土生土長的紅鯉魚被證明可與其它兩種國際標準的指示生物（斑馬魚和青鯔魚）同樣可用于水生生態環境進行監測與評價。

（2）藻類對水體重金屬污染的響應。藻類是水生生態系統的重要組成部分，與其他高等植物相比，藻類的繁殖速度更快、生長要求更低，因此培養更加方便[11]。微藻在生態毒理學研究領域常被用作環境污染敏感指示生物，其毒性測試的終點是評估化學物質對生物的毒性程度，可以通過測量光合作用、藻類生長、可溶性多糖、蛋白質、脂類的合成及酶活性等指標來實現。藻類的生長情況通過測定細胞數量來進行表征，光合作用是重金屬脅迫下其最先響應。熊邦[12]利用普通小球藻和原殼小球藻進行生物測試,在不同濃度和暴毒周期下，Pb對兩種小球藻生理生化及光合作用相關功能基因的影響。結果表明，普通小球藻和原殼小球藻對Pb十分敏感，且Pb對小球藻具有抑制作用。Pb對兩種小球藻的三種光合作用相關功能基因表現出持久性毒性，暴露時間越長，Pb對三種基因的毒性越大。在環境研究方面同樣具有良好的監測與評價作用。王琳等[13]研究不同重金屬對斜生柵藻生長及葉綠素的影響，結果表明銅與鋅對該生物具有顯著的抑制效果。

（3）介形類對水體重金屬污染的響應。介形類屬于節肢動物門甲殼綱，為水生生態系統的重要組成部分。該生物是水質監測的重要指標生物，具有體型小、分布廣、數量多、易采集、敏感性高、易培養等特點。Dos Santos Lima等[14]研究了四種金屬（銅、鎘、汞、錳）對介形類Chlamydotheca sp.攝食率和食物偏好的影響，結果顯示該生物可能在受到毒物化學脅迫后觸發了其生物防御機制，提高了能量需求，從而導致撲食率增加。Anandakumar等[15]研究了工業廢水對介形類Cypridopsis species多樣性的影響，發現物種多樣性明顯受到污染廢水影響。

國外對生態毒理學方面的研究已十分成熟，但國內只有小眾研究者對其展開研究。三種水生生物對重金屬都具有較好的敏感性，但相比之下介型類成本低，分布范圍廣，更適合開展環境評價。

2.聯合毒性實驗與模型預測

毒性實驗可通過測定生物指標來評估毒物對生態系統的影響，是生態系統健康評估的重要方法。將受試暴露于毒物中，觀察其死亡率等指標的變化，以評估污染程度，是生物環境監測與評價的方法之一。

單一毒性實驗的大量研究，為污染治理和環境保護提供了科學基礎[15]。但重金屬元素混合污染的毒性作用往往是多種因素共同作用的結果，而不僅僅是單一重金屬的毒性作用。重金屬元素混合物對環境和人體的影響可能存在協同或拮抗等現象[16]。重金屬元素混合污染的毒性作用難以預測，且危害嚴重。因此，開發新技術、構建模型是評估混合污染物危害的重要手段，可提高評估的準確性和可靠性。

(1)獨立作用模型與濃度加成模型

最初，由于技術條件的限制，混合污染物毒性評價主要采用定性方法。隨著技術的進步，定量評價模型逐漸發展起來，為混合污染物毒性評價提供了更加科學和可靠的手段。濃度加和模型與獨立作用模型是目前聯合毒性預測的兩種主要方法[17]。

IA模型假設化學物質通過不同作用方式影響生物體，因此它們的影響在統計上相互獨立[18]。

式中，cmix表示混合物中各個組分的濃度之和；ci表示混合物達到x%效應時組分i的濃度；E(ci)表示組分i獨自作用達到x%效應時的濃度。

CA模型假設化學物質具有相同作用方式。該模型以濃度為基礎，對作用相似的化學物質毒性進行求和，并按比例反映它們的相對毒性。

式中，pi表示的是化合物中組分i濃度占混合物濃度的比例；ECx,i是組分i達到x效應時的濃度；ECx,mix是多種組分達到x效應時的濃度，當ECx,mix等于1時，表明混合物之間的為加和作用；小于1時為協同作用；大于1時為拮抗作用。

Silva等[19]以大型蚤（Daphnia magna）為指示生物評估人為活動導致的常見污染物對水生生態系統的影響，使用標準化毒性測定分析污染物在二元和四元混合狀況下的潛在相互作用。結果顯示，聯合毒性主要表現為拮抗作用，但也表現出劑量水平和劑量比依賴性偏差，IA模型為四元混合物提供了更準確的預測，CA模型則高估了混合物毒性。

(2)聯合毒性實驗模擬拓展

①TSP預測模型

CA和IA模型在混合物的毒性預測中存在局限性，容易出現低估或高估的情況，TSP模型克服了這些局限性。TSP模型是用于評估混合污染物聯合毒性的模型，可用于判別相同或不同作用方式污染物組成的混合體系的聯合毒性。TSP模型的基本原理是先使用CA模型預測污染物聯合毒性，然后使用IA模型修正CA模型的預測結果，以提高預測結果的準確性。CA和IA模型只能預測具有相同作用機制或相同作用位點的混合物毒性，而TSP模型則可以預測具有不同作用機制或不同作用位點的混合物毒性。該模型的計算公式如下：

式中：E（Cmix,i）代表混合物中組分i的聯合毒性；n表示混合體系中組分之和。

②TSP模型應用

Altenburger等發現，TSP模型可以準確預測混合污染物的聯合毒性。他們將TSP模型應用于多環芳炷和甲基對硫磷等聯合毒性預測，并驗證了這一結論。Mo等研究發現，TSP模型比CA模型和IA模型更準確地預測了6種酚類化合物和6種重金屬混合物對青海弧菌Q67的毒性，其預測誤差顯著低于CA模型和IA模型，表明TSP模型在預測混合污染物聯合毒性方面更準確。

3.結論與展望

水生生物是水生態中重要組成部分，其對重金屬有較強的敏感性，利用其監測與評價環境具有全面性、直接性等優勢。單一毒性研究是生態環境風險評估的基礎，但它無法完全滿足生態環境風險評估的需求。混合污染物是生態環境中的主要污染物，單一毒性研究結果無法準確預測混合污染物的毒性效應。因此，許多研究者將關注點轉向聯合毒性研究，并開發了一系列聯合毒性模型，以提高風險評估的質量。而混合物研究的難點在于，環境中污染物種類多、濃度變化大、作用機理復雜，導致聯合毒性難以預測。因此，發展準確預測的新方法和新模型是未來研究方向，更好地考慮復雜體系中各組分的相互作用及其毒理學機制。