水生昆蟲對化學性有毒污染物生理反應的研究進展

徐茂洲，曹成全，黎煜桐

(1.大連海洋大學水產與生命學院,遼寧 大連 116023;2.樂山師范學院生命科學學院,四川 樂山 614004)

化學污染是指由于化學物質進入環境后造成的環境污染，主要是指農用化學物質、食品添加劑、工業廢棄物以及汞、鎘、鉛等重金屬和其他有機或無機化合物所造成的污染[1]。水中毒性化學物質通過水生環境暴露會對自然水體中的包括水生昆蟲在內的水生生物造成危害，甚至中毒死亡。水生昆蟲個體小，種類多，耐受范圍廣，相較于其他水生動物，水生昆蟲具有活動范圍較小、對環境污染敏感等特點，所以利用水生昆蟲進行水質監測和評價是水質生物監測的有效手段[2-3]。水生昆蟲對有毒污染物的生理反應研究，是通過可以作為水環境污染檢測生物標志物的生理指標，以此利用水生昆蟲進行水質監測和評價。同時，水環境污染物可導致昆蟲免疫力下降，影響其生長發育，對水生資源昆蟲產業具有隱形的影響[4-5]。

本文綜述了雙翅目、蜻蜓目、蜉蝣目、毛翅目、鞘翅目等水生昆蟲幼蟲(稚蟲)或成蟲體內的酶活性以及部分基因表達水平等指標對于重金屬、有機農藥、微塑料3種化學性有毒污染物的生理反應的研究進展，對于加強水生昆蟲基礎研究、利用水生昆蟲檢測水體及推動水生昆蟲的人工繁育和產業化等都具有積極的意義。

1 水生昆蟲對重金屬污染的生理反應

水生昆蟲可以作為監測重金屬污染的有效生物監測器，其中以搖蚊為代表的水生雙翅目昆蟲更是監測水體重金屬污染的理想對象[6-7]，搖蚊幼蟲具有解毒能力低、生活史短、易于飼養等特點，因此被廣泛運用于水質評價和毒性測試的相關研究。其中，對我國分布廣泛的優勢種紅裸須搖蚊Propsilocerusakamusi研究最多(表1)。通過對污染環境中紅裸須搖蚊體內各種酶活性，尤其是抗氧化酶和解毒酶的酶活監測，可以有效反應環境污染程度，是優秀的指示生物，同時對同科不同屬的搖蚊幼蟲相關研究也有著參考意義。

表1 水生昆蟲各類群對重金屬污染的生理反應

紅裸須搖蚊幼蟲的研究最為充分：其體組織中超氧化物歧化酶、過氧化氫酶以及谷胱甘肽巰基轉移酶活性在低濃度的銅離子及鎘離子的暴露下，活性呈規律的變化趨勢[8]；除此之外，上述的3種酶對汞離子同樣具有較高的敏感性并在其暴露期間呈現出復雜的變化[9]。在鎳離子急性暴露下，其體組織中過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性受到顯著誘導，過氧化物酶活性表現為先下降后上升的趨勢[10]。紅裸須搖蚊幼蟲對于鎘離子具有較強的耐受能力，在400 mmol·L-1濃度的鎘離子中暴露48 h與72 h時，體內過氧化氫酶活性表現出顯著差異，在72 h時表現為顯著抑制[11]。雖然紅裸須搖蚊幼蟲因其生活史短以及易于飼養的特點是環境污染情況下良好的指示生物，但通過對紅裸須搖蚊幼蟲在不同重金屬環境暴露下，體內抗氧化酶和解毒酶酶活的研究，發現不同重金屬環境下的不同酶活變化并沒有呈明顯的相似規律，因此在實際應用研究中需進行選擇。

除紅裸須搖蚊外，其他種類搖蚊幼蟲對于重金屬的生理反應也有很多的相關研究。花翅搖蚊Chironomuskiiensis幼蟲在分別暴露于亞致死濃度的鎘離子、鉛離子及其混合離子下48 h時，體組織中的超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性皆表現為顯著下降，而其體組織內金屬硫蛋白含量則顯著升高，并隨時間先增加后降低，集中生理指標均表現出時間-劑量效應[12]。羽搖蚊Tendipesplumosus幼蟲在鎘離子暴露下，其體組織中超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性隨著暴露濃度的升高及暴露時間的增加而升高；在銅離子暴露下，其體組織中超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活力在受低濃度銅離子刺激初期時則表現出不同的激活程度，谷胱甘肽巰基轉移酶活性僅在長時間暴露后才會表現出激活的狀態，說明羽搖蚊幼蟲在銅離子暴露初期可能是通過抗氧化酶的途徑進行解毒作用[9，13]。重金屬的暴露除了對搖蚊幼蟲體內各種保護酶活性具有影響之外，多項研究也表明了重金屬對搖蚊幼蟲具有明顯的致畸作用。閆賓萍等[14]研究發現鎳、汞對羽搖蚊幼蟲頭頦和上顎有致畸作用，且在中毒后搖蚊幼蟲口器異常脆弱，經不同濃度銅離子暴露7 d后，羽搖蚊幼蟲頦部發生不同類型的畸變，表現為中間齒缺失及部分缺失、側面齒缺失以及中間齒裂開；羽搖蚊幼蟲口器致畸率和銅離子暴露濃度之間呈顯著正相關。鄧鑫等[15]研究同樣發現，伸展搖蚊Chironomustentans及黃色羽搖蚊Chironomusflaviplumus幼蟲與羽搖蚊幼蟲相似，其死亡率及口器畸形率與銅離子暴露濃度存在顯著正相關。通過對其他種類搖蚊幼蟲的研究，發現在重金屬環境下，除了造成幼蟲體內生理指標的變化，還存在明顯的致畸作用，并存在正相關，這對環境污染是一個可視化指示。

除了對搖蚊幼蟲的研究，其他水生昆蟲如蜉蝣目、毛翅目等對重金屬污染的生理反應也有一些研究，但是相關研究的數量、深度和廣度遠不及搖蚊。El-Samad等[16]研究發現，體組織中鉛、鎘、鐵、鈷、銅、鋅、錳等金屬離子濃度較高的Cercyonunipunctatus體內，天冬氨酸轉氨酶、丙氨酸轉氨酶的活性和丙二醛濃度顯著升高，而總蛋白含量、谷胱甘肽含量、谷胱甘肽過氧化物酶活性則顯著降低。俞玲園等[17]通過檢測生活在不同水體中的紅蜻Crocothemisservilia稚蟲體內的生理指標，發現其體組織中的超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活力主要與水體內鉻離子濃度正相關。白尾灰蜻Orthetrumalbistylum稚蟲體內超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性在0.05 mg·L-1鉻離子9 d的暴露下，隨時間推移表現為先升高再降低的趨勢，在0.5、1.289 mg·L-1濃度的鉻離子暴露下則表現為先升后降、之后再升再降的趨勢[18]。范清華[19]研究認為，三帶短脈紋石蛾Cheumatopsychetrifascia幼蟲體內谷胱甘肽巰基轉移酶活性與水體沉積物中鉻濃度、溶解鉻濃度顯著正相關，超氧化物歧化酶活性與水體沉積物中銅、鋅濃度顯著正相關，過氧化氫酶活性與水體沉積物中鉻濃度、溶解銅濃度顯著正相關；溶解的鎘對四節蜉Centroptilumtriangulifer稚蟲的抗氧化酶基本無影響，而飼料中的鎘卻顯著抑制了其體內的過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性，并降低其體內谷胱甘肽的含量，其結果可能有助于解釋昆蟲在實驗室中通常對溶解重金屬離子暴露沒有反應卻對自然界中的金屬污染高度敏感的原因[20]。水生昆蟲中蜉蝣目和毛翅目依然可作為重要的指示生物，同時對于水污染的研究，實驗室中的試驗設計基本是對水體直接進行染毒，但通過對四節蜉的研究發現相較于直接接觸有毒水環境，其對食物中的重金屬污染更敏感。

綜上所述，重金屬脅迫會造成水生昆蟲的氧化應激，主要體現在對抗氧化酶和解毒酶的酶活性造成影響，但沒有固定規律，即使是同屬的幼蟲也產生不一樣的反應，一些甚至會造成幼蟲的致畸作用，所以在使用水生昆蟲作為指示生物時，要查明相應的生理指標。目前的試驗大部分是使用可溶性的金屬離子溶于水環境中，使蟲體直接接觸染毒，而通過沉積物、食物等途徑進行染毒的相關研究較少；同時，對于搖蚊等植食性水生昆蟲的研究更廣泛，而作為以其他水生生物為食的捕食者昆蟲研究較少。因此，今后的研究應該聚焦于重金屬的不同暴露途徑對生理指標的影響以及更多捕食性水生昆蟲的各項生理指標。

2 水生昆蟲對有機農藥的生理反應

農藥污染是指農藥施于作物后，經環境因素的作用進入水體后，使水體受到污染，同時水體中的農藥通過食物鏈或直接吸收的方式進入非靶水生昆蟲的體內并對其造成傷害(表2)，其中有機磷農藥毒死蜱對多數水生動物存在較高的毒性[21]。

表2 水生昆蟲各類群對有機農藥污染的生理反應

毒死蜱暴露降低了心斑綠蟌Enallagmacyathigerum稚蟲的生長速度，并通過降低其細胞能量存儲、增加細胞能量消耗的途徑改變了整體細胞能量分配；毒死蜱暴露導致心斑綠蟌稚蟲體內活性氧水平升高，抗氧化防御能力降低，氧化損傷增加；在升溫條件下，毒死蜱與升溫對心斑綠蟌稚蟲抗氧化反應的作用表現為拮抗[22-23]。氧化樂果、毒死蜱和三氟氯氰菊酯三種農藥高濃度短時間的暴露導致紅裸須搖蚊幼蟲體內蛋白質質量分數降低，低濃度長時間的暴露則導致紅裸須搖蚊幼蟲體內蛋白質質量分數增高；氧化樂果對紅裸須搖蚊幼蟲體組織內的乙酰膽堿酶活性抑制作與暴露濃度和時間呈反比；毒死蜱和三氟氯氰菊酯在低濃度的暴露對乙酰膽堿酶始終表現為被誘導，高濃度時對乙酰膽堿酶的抑制與時間呈反比；氧化樂果和毒死蜱的暴露除少部分情況時對紅裸須搖蚊幼蟲體內羧酸酯酶表現為被誘導，其余情況均表現為被抑制，三氟氯氰菊酯的暴露對羧酸酯酶均表現為被抑制[24-25]。花翅搖蚊Chironomuskiiensis幼蟲體內過氧化氫酶活性在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戊唑醇暴露下則表現為持續降低；不同質量濃度戊唑醇暴露對花翅搖蚊幼蟲體內超氧化物歧化酶活性均有顯著影響，但變化并無一定規律，尚有待深入研究[26]。

新煙堿類殺蟲劑是目前生產中大量使用的一類殺蟲劑，具有無交互抗性、高效和低毒等特點，該類殺蟲劑的高水溶性以及大量使用造成了嚴重的環境污染問題，在很多國家的水體和土壤中檢出多種新煙堿類殺蟲劑[27-28]。姚媛媛等[29]測試了吡蟲啉、噻蟲嗪、噻蟲胺、呋蟲胺、啶蟲脒5種新煙堿類殺蟲劑對休眠期和發育期紅裸須搖蚊幼蟲的影響：吡蟲啉、啶蟲脒和噻蟲胺對幼蟲的毒性始終處于劇毒水平，且噻蟲胺毒性低于吡蟲啉和啶蟲脒；吡蟲啉對發育期幼蟲毒性略高于啶蟲脒，對休眠期幼蟲則相反；呋蟲胺毒性始終為高毒水平；休眠期幼蟲對于噻蟲嗪的耐受性顯著高于發育期幼蟲；吡蟲啉暴露導致幼蟲體長略有增長且濕重增長顯著，而其他新煙堿類農藥均會縮短幼蟲體長。新煙堿類農藥中較有代表性的農藥吡蟲啉對于地表水中的無脊椎動物具有顯著影響，且在水環境中殘留率高于其他的新煙堿類殺蟲劑，因此受到廣泛關注[30-31]。

綜上所述，在對農藥污染的研究中，對于搖蚊幼蟲的研究依然是最多的，其他水生昆蟲的研究較少，日后的研究重點可加強對其他水生昆蟲的研究，多數農藥對于水生昆蟲的影響與水生昆蟲體組織中的乙酰膽堿酶有關，農藥與水生昆蟲的乙酰膽堿受體結合，影響其神經傳導進而導致昆蟲死亡。同時相較于體型較小的水生昆蟲例如搖蚊幼蟲對農藥的耐受性，體型較大的水生昆蟲例如蜻蜓目稚蟲對于農藥有較強的耐受性，對于水生昆蟲不同體型對農藥的耐受性是日后值得研究的課題。農藥殘留是廣受社會關注的現實問題，在田間等水環境中噴灑農藥后可能會對大部分水生生物造成傷害，但目前大部分的研究都局限于魚蝦等大型動物，而對非靶標水生昆蟲的研究較少，日后研究應當側重于此方面。

3 水生昆蟲對微塑料的生理反應

微塑料(MPs)即直徑小于5 mm的塑料顆粒，對全球范圍內的淡水和海洋生態系統有著巨大的危害，是目前最重要的環境問題之一[32-33]。塑料污染對于水生昆蟲的危害主要是因為大塊塑料處理不當，影響了水生昆蟲的捕食、繁殖、筑巢等行為，但仍有一小部分研究指出，微塑料導致的水污染也對水生昆蟲造成了危害[34](表3)。

表3 水生昆蟲各類群對微塑料污染的生理反應

Akindele等[35]研究發現作為收集者或刮食者的Chironomussp.和Siphlonurussp.體內的微塑料含量遠高于作為捕食者的L.viridis，這表明了水生昆蟲中的收集者比捕食者更適合作為淡水系統中微塑料污染的生物指標。Shin等[36]研究發現，作為淡水生態系統中頂級捕食者的Cybisterjaponicus在食用暴露于微塑料的斑馬魚后，攝食率明顯降低，在C.japonicus的前胃中發現了微塑料，而經過48 h后所有的微塑料顆粒均被清除，C.japonicus可能將無法消化的微塑料顆粒吐出，這是關于微塑料通過食物鏈從魚類向龍虱轉移的首次紀錄。Piccardo等[37]對比了Hydropsychepellucidula幼蟲對表面活性劑Triton X-100預處理的聚丙烯微塑料(PP)與未經表面活性劑預處理的聚丙烯微塑料的反應，在表面活性劑的作用下，聚丙烯微塑料暴露導致的石蛾幼蟲的死亡率降低，其體內超氧化物歧化酶活性和丙二醛含量對聚丙烯微塑料具有更大的響應。Silva等研究發現，Chironomusripariu幼蟲在聚乙烯微塑料的暴露下誘導了幼蟲能量儲備的變化，谷胱甘肽總量增加、過氧化氫酶和谷胱甘肽巰基轉移酶活性增加，并誘導乙酰膽堿酯酶活性的增加；暴露于大顆粒(63～250 μm以及125～500 μm)的聚乙烯微塑料48 h，幼蟲出現了可見的腸道梗阻、氧化損傷和有氧能量減少，且因缺乏營養導致總脂質儲備耗盡[38-40]。聚乳酸生物微塑料的暴露使春蜓Aphyllawilliamsoni稚蟲表現出亞硝酸鹽和脂質過氧化水平的增加，超氧化物歧化酶活性和總硫醇水平的下降，而聚苯乙烯納米塑料的暴露會造成春蜓稚蟲氧化還原的失衡，兩種微塑料均降低了春蜓稚蟲體內乙酰膽堿酯酶活性，表明兩種微塑料污染物對春蜓稚蟲有神經毒性作用，并可能影響它們的神經和神經肌肉功能[41-42]。

微塑料的污染和其他兩種污染不同，取食是微塑料污染的主要方式，因此不同攝食方式的昆蟲對污染的感染程度也存在不同，同時通過食物鏈的方式進行堆積也是微塑料污染的重要途徑，相較于食物鏈較短的植食性水生昆蟲，捕食性水生昆蟲以及雜食性水生昆蟲由于食物鏈的富集作用，對微塑料污染可能表現出特殊的反應。目前關于微塑料對水生昆蟲脅迫的研究較少，微塑料對于水生昆蟲的影響主要是無法消化的塑料顆粒被昆蟲攝入從而造成的影響，水生昆蟲體內熱休克蛋白、抗氧化酶、乙酰膽堿酶也參與了水生昆蟲對微塑料的防御，但是微塑料對于水生昆蟲具體的作用機制目前仍未清楚，可以參考其他污染通過行為和酶活方面的影響作為指標進行深入研究。

4 展望

水生昆蟲對污染物反應敏感，耐受范圍廣，研究水生昆蟲對污染物的生理響應對于監測環境污染具有重要意義，水生昆蟲體內抗氧化酶等生物標志物的研究將成為水體污染預防監測的新的主要研究方向。目前，水生昆蟲對污染物的生理反應相關研究的主要目的是將水生昆蟲作為水生物指示器以檢測水污染，且大多數的相關研究集中在雙翅目的搖蚊科(Chironomidae)對污染物的生理響應，其他很多水生昆蟲類群都研究得很少甚至從未涉獵，這就決定了水生昆蟲對污染物的生理反應研究還有很大的潛力。蜉蝣目、廣翅目、毛翅目、鞘翅目等多種水生昆蟲都有用作水質監測的生物指示器的研究空間，同時目前對于植食性水生昆蟲的研究較多，而捕食性水生昆蟲研究相對較少，因此今后應進一步開展捕食性水生昆蟲的相關研究，深入研究水生昆蟲體內蛋白、酶、基因表達等與污染物的相互作用規律及機理，以豐富水生昆蟲的基礎研究。

此外，水生昆蟲的作用和價值不僅僅是可以作為生物指示器和環境檢測器，用于水質檢測和環境保護；同時，還有很多水生的資源性昆蟲可以發展成新興產業，比如，爬沙蟲(廣翅目幼蟲)、水蠆(蜻蜓稚蟲)、龍虱、負子蝽等，都是具有極大藥用和食用價值的資源性昆蟲[43-45]，它們都可以作為“新型水產”項目開發。近些年，爬沙蟲等水生昆蟲的人工繁育及產業化也逐步興起[46-47]，各種水環境要素尤其是水中化學性有毒污染物對水生昆蟲產生的脅迫會成為影響水生昆蟲人工繁育的重要問題。

因此，加強水中化學性有毒污染物對水生昆蟲生理反應的系統研究，不僅有利于水質監測和環境保護，還能為人工繁育水生資源昆蟲提供理論支撐，從而建立準確評價水生昆蟲健康狀況的方法和指標體系，指導水生資源昆蟲繁育和產業，更科學地改進水質，提高繁育效率，保護自然生態河道進而保護更多的野生水生昆蟲資源，發展“昆蟲溪溝經濟”和“新型水產產業”，為鄉村振興和產業轉型做出貢獻。