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不同pH條件下Cr6+對3種藻的毒性效應

2010-01-17 10:00:52趙娜朱琳馮鳴鳳
生態毒理學報 2010年5期
關鍵詞:效應生長

趙娜,朱琳,馮鳴鳳

南開大學環境科學與工程學院 污染過程與環境基準教育部重點實驗室,天津300071

1 引言(Introduction)

我國水生態基準的制定研究零星、分散,當前我國《地表水環境質量標準》的標準值主要是參考美國各州、日本、前蘇聯、歐洲等國家及地區的水質基準值和標準值來確定,沒有考慮我國水生態系統的區域性特征(趙娜等,2010).水生態體系的區域性特征如水文條件、氣候等多種因素都會影響污染物在水環境中的物理、化學和生物過程,因而可能導致不同的生態效應,這就要考慮到水生態系統的差異性對水生態基準的影響(孟偉等,2006).因此,在制定水生態基準時,開展環境因子對污染物毒性影響的研究是十分必要的.

鉻(Cr)在環境中廣泛分布,并且廣泛用于涂料、金屬制造、合金和制革等工業生產中(王大勇等,2007).鉻的毒性與其存在的狀態有極大的關系,自然水體中主要以三價鉻(Cr3+)和六價鉻(Cr6+)的形式存在,Cr6+的毒性較強,約為Cr3+的100倍,Cr6+具有強致癌變、致畸變、致突變作用(Vajpayee et al.,2000;徐衍忠等,2002).有調查顯示,Cr6+在我國的十大流域片都存在著不同程度的污染(胡必彬,2003).在水生系統及水生食物鏈中,藻類作為水生動物的食物及氧氣來源,占有重要位置.重金屬通過各種途徑進入水體后,首當其沖的受害者就是藻類生物,藻類相對細菌或水生動物而言,對毒物更敏感(邱昌恩,2006;Pascal et al.,2000).目前已有很多關于重金屬對藻類影響的研究(Rai et al.,1981;Rojickova-Padrtova and Marsalek,1999).小球藻、斜生柵藻和銅綠微囊藻是典型的代表藻種,廣泛存在于我國的水體中,對其的研究已有很多報道(王莉等,2009;魏群等,2008;楊州等,2005).

OECD(theOrganizationforEconomicCooperation and Development)提出的淡水藻生長抑制實驗規范(OECD,2006)目前已被廣泛應用于研究污染物對藻類的毒性的實驗研究中,它已成為被國際公認的進行金屬對藻類毒性風險評價的實驗規范之一(Heijerick et al.,2002).本實驗按照OECD提出的淡水藻生長抑制實驗規范,選取72h藻生物量為指標,研究了不同環境因子pH條件下,重金屬Cr6+對小球藻、斜生柵藻和銅綠微囊藻的毒性效應,旨在為研究重金屬對水生生物及水生態系統的毒害作用以及我國水體質量基準和標準的制定提供科學依據.

2 材料與方法(Materials and methods)

2.1 材料

2.1.1 藻種

小球藻(Chlorella vulgaris,FACHB-6)、斜生柵藻(Scenedesmus obliquus,FACHB-416)和銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa,FACHB-524)均購自中國科學院武漢水生生物研究所淡水藻種庫.

2.1.2 試劑

重鉻酸鉀(K2Cr2O7)以及配制營養液所用的藥品(見表1)均購自天津市北方天醫化學試劑廠,均為分析純.

2.2 實驗儀器

人工氣候箱,分光光度計,生物顯微鏡,凈化工作臺,血球計數板,高壓滅菌鍋,pH計,照度計.

2.3 藻類培養

采用BG11培養基,由中國科學院武漢水生生物研究所淡水藻種庫提供配方.由于EDTA會與重金屬形成螯合物,影響重金屬的毒性(Ma et al., 2003;Calace and Petronio,2004;Zhou and Zhang, 1997),所以培養液中去掉EDTA,培養液的組成見表1,pH=8.0.

表1 BG11培養基Table 1 BG11 nutrition solution

將100mL培養液裝入到250mL三角瓶中,用滅菌鍋120℃高壓滅菌20min,接種時在超凈工作臺上紫外滅菌20min.接入適量處于對數生長期的藻,放入光照培養箱,溫度(25±2)℃,光照4000~ 6000Lux,光暗比為 12h:12h.每天人工搖瓶 3~4次,隨機更換瓶的位置,使其受光均勻.

2.4 實驗方法

EC50被認為是最精確的毒性效應值,但是它僅僅能反映不同毒物的毒性大小或者不同受體對毒物的耐受性大小,而不能用作安全暴露濃度. OECD曾推薦用NOEC和EC05、EC10或EC20置信區間的下限來作為安全暴露基準濃度(Isnard et al., 2001).NOEC(No Observed Effect Concentrations)是指毒性作用與對照組無顯著差異的最大處理濃度.有研究指出,在以NOEC為毒性效應值時,應該同時給出最小觀察效應值(Van der Hoeven et al.,1998), 即 LOEC(LowestObserved Effect Concentrations)(與對照組有顯著差異的最小濃度).

采用國際通用的“瓶法”,嚴格按照OECD-201淡水藻生長抑制實驗指南(OECD,2006),以72h藻生物量為測試終點,計算比生長率和抑制率,采用SPSS 13.0對結果進行方差分析(ANOVA),采用多重比較Dunnett-t檢驗確定Cr6+對小球藻、斜生柵藻和銅綠微囊藻產生效應的NOEC和LOEC(VanderHoeven,1997;周永欣等,1993;王長友等,2007;莊德輝和周晏敏,1994)并對結果進行回歸分析,得出EC10和EC20.

其中,μ表示比生長率,d-1;Xj表示第j天的初始藻細胞數,mL-1,Xi表示第i天的藻細胞數,mL-1;ti某時段初始時間,d;tj表示某時段結束時間,d.

其中,I為抑制率;μc為對照組的比生長率,μt為處理組的比生長率.

2.5 預備試驗

2.5.1 繪制OD-N標準曲線

表征藻生物量的方法有很多,本文以光密度(OD)值來代表藻細胞密度(N).由于在紫外波段干擾比較多,所以在600~740nm波段對小球藻、斜生柵藻和銅綠微囊藻進行全波段掃描,3種藻在690nm附近有最大吸收峰.

取一定量的藻在顯微鏡下血球計數板計數,并測定其吸光值,建立藻細胞密度(N)與光密度值(OD690)間的線性關系(pH=8.0),見圖1.回歸方程:小球藻,y=2923.775x-8.480,R2=0.996;斜生柵藻,y=2749.501x+13.246,R2=0.993;銅綠微囊藻,y=3548.449x-9.075,R2=0.999.

2.5.2 影響濃度范圍的確定

用重鉻酸鉀配置鉻貯備液2mg·L(離子濃度),過0.45μm濾膜備用.向滅菌后的100mL培養液中加入不同體積的重鉻酸鉀貯備液,轉接處于對數生長期的藻,置于人工氣候箱培養.每24h測定藻的吸光值,觀察藻對Cr6+的敏感度以及Cr6+對藻產生影響的濃度范圍,開始正式實驗.

2.6 正式試驗

2.6.1 pH對藻種生長的影響

自然水體的pH值范圍一般是中性偏堿,本實驗設定pH為7.0±0.2、8.0±0.2和9.0±0.2(以下簡寫為pH=7.0、8.0和9.0),用HCl和NaOH調節培養液的pH.接種一定量處于對數生長期的藻,每個pH設3個平行,置于人工氣候箱中,每隔24h測定藻的光密度值,計算72h的比生長率.

2.6.2 pH對Cr6+毒性的影響

在pH為7.0、8.0和9.0的培養液中,加入不同體積的Cr6+貯備液,充分搖勻后接入一定量處于對數生長期的藻.設置Cr6+的處理濃度和一個空白,處理組的 Cr6+的濃度分別為 0.0001、0.001、0.01、0.05、0.1、0.25、0.5、0.75、1.0和1.5mg·L(離子濃度),每個處理組設3個平行.放入培養箱中,測定72h時藻的光密度值(OD),并計算Cr6+對藻生長的抑制率,以及 Cr6+產生效應的 NOEC、LOEC、EC10和EC20值.

3 結果(Results)

3.1 不同pH條件下藻的生長

表2比較了不同pH條件下,小球藻、斜生柵藻和銅綠微囊藻在72h時的比生長率.可見,小球藻在pH=7.0時生長率達到最大,說明生長最好,斜生柵藻和銅綠微囊藻在pH=9.0時生長最好.

表2 不同pH下72h藻的比生長率Table 2 The 72h specific growth rates of the alga at different pH levels

由圖2可見,在pH=7.0時,小球藻在48h和72h時的生長顯著高于pH=8.0和9.0(p<0.01);在48h和72h時,斜生柵藻在pH=9.0時生長顯著高于pH=7.0(p<0.01),但與pH=8.0相比沒有達到顯著性差異;在72h時,銅綠微囊藻在pH=8.0和9.0時生長顯著高于pH=7.0(p<0.01),且pH=9.0的生長顯著高于pH=8.0(p<0.05).

3.2 不同pH下Cr6+的毒性效應

水體中三價鉻和六價鉻可以發生相互的轉化,有研究表明隨著pH的增大,六價鉻的還原作用逐漸降低,當pH≥6時,六價鉻的光還原反應基本消失(鄧琳等,2008).本工作中依據《水和廢水監測分析方法》(國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會,2006),采用二苯碳酰二肼法,測定反應開始和結束時水體中的Cr6+的含量.結果顯示Cr6+基本沒有被還原.因此本實驗的結果可以被認為都是Cr6+的毒性效應.

在72h時測定藻的光密度值,計算各個濃度Cr6+對藻生長的抑制率,以劑量-效應關系作圖(見圖3),并對結果進行統計分析,得出不同pH條件下的NOEC、LOEC、EC10和EC20,結果列于表3、表 4和表5.

表3 不同pH值下小球藻的NOEC、LOEC、EC10和EC20Table 3 The NOEC,LOEC,EC10and EC20of Chlorella vulgaris at different pH levels

表4 不同pH值下斜生柵藻NOEC、LOEC、EC10和EC20Table 4 The NOEC,LOEC,EC10and EC20of Scenedesmus obliquus at different pH levels

表5 不同pH值下銅綠微囊藻的NOEC、LOEC和EC20Table 5 The NOEC,LOEC and EC20of Microcystis aeruginosa at different pH levels

由圖3可見,對于小球藻而言,Cr6+在低濃度時產生了刺激效應,當Cr6+濃度達到0.1mg·L-1,在pH=8.0時對小球藻產生了顯著的抑制作用;而pH=7.0和9.0時Cr6+對小球藻產生了刺激作用,且隨著濃度的增大,抑制作用增強;當Cr6+濃度達到0.5mg·L-1時,對小球藻產生的抑制率分別為1.33%、4.96%和 2.99%,Cr6+對小球藻的毒性在pH=7.0時最小,在pH=8.0時最大;對于斜生柵藻而言,Cr6+濃度達到0.5mg·L-1時,在pH=7.0、8.0和9.0條件下產生的抑制率分別為12.17%、8.02%和5.87%,Cr6+對斜生柵藻的毒性在pH=9.0時最小,在pH=7.0時最大;對于銅綠微囊藻而言,Cr6+濃度達到0.5mg·L-1時,在pH=7.0、8.0和9.0條件下產生的抑制率分別為 58.34%、55.78%和52.75%,Cr6+對銅綠微囊藻的毒性在pH=9.0時最小,在pH=7.0時最大.

由表3可見,pH=7.0時,Cr6+對小球藻的毒性效應值NOEC、LOEC、EC10和EC20最大,這說明在pH=7.0時,Cr6+對小球藻的毒性效應最小,而在pH=8.0時,效應值最小,說明其毒性最大;同樣,由表4可見,pH=9.0時,Cr6+對斜生柵藻的毒性最小,pH=7.0時毒性最大;由表5可見,pH=9.0時,Cr6+對銅綠微囊藻的毒性最小,pH=7.0時毒性最大.以上結果表明,在藻的最適生長pH條件下,Cr6+對藻的毒性最小,即在最適pH條件下,藻對Cr6+的抗性最大.

比較以上3個表中的結果,同樣在最適生長pH條件下,毒性效應值EC20大小順序為:銅綠微囊藻(pH=9.0)<斜生柵藻(pH=9.0)<小球藻(pH= 7.0);同樣在生長較差的pH條件下,毒性效應值EC20大小順序為:銅綠微囊藻(pH=7.0)<斜生柵藻(pH=7.0)<小球藻(pH=9.0),這說明Cr6+對銅綠微囊藻的毒性要比對小球藻和斜生柵藻的大,即銅綠微囊藻對Cr6+更加敏感.

4 討論(Discussion)

由表2和圖2可見,小球藻、斜生柵藻和銅綠微囊藻在不同pH條件下,生長速度不同.藻類生長與藻本身的生理特點以及溫度、光照、營養鹽、其它生物、pH等諸多環境因素有關,水體pH是一個重要的生態因子,與藻類生長關系密切.不同藻類有一定的pH適應范圍,即使同一屬的兩種藻,在不同pH下,其生長也可能有很大差別(劉春光等,2005).水體pH主要從兩方面對藻生長產生影響,一方面改變環境酸堿度,酸性太強(H+濃度高)或堿性太強(OH-濃度高)都會對藻細胞產生傷害,只有在適宜的酸堿度范圍內,藻細胞才能正常生長繁殖;另一方面水體pH是影響碳酸鹽平衡系統以及不同形態無機碳分配關系,從而對藻類生長產生影響(許海等,2009).有資料表明,小球藻的最適pH值為6.0~7.0(張麗君等,2001),斜生柵藻的最適pH值為9.0~10.0(許海等,2009),銅綠微囊藻的最適pH值為8.5~9.5(金相燦等,2004),這與本實驗結果一致.

圖3比較了不同pH值條件下,Cr6+對小球藻、斜生柵藻和銅綠微囊藻的抑制率.在不同的pH條件下,相同濃度的Cr6+對藻產生毒性作用不同,且有種類差異,表明pH對Cr6+的毒性效應產生影響. Cr6+對不同藻產生的毒性強度不同,在較大濃度下,都產生了顯著的抑制作用,且都隨著濃度的增大,抑制效應增強.結果表明,在藻的最適pH條件下,Cr6+的毒性最小,即在最適pH條件下,藻對Cr6+的抗性最大.且Cr6+對銅綠微囊藻的毒性大于小球藻和斜生柵藻的毒性,銅綠微囊藻對Cr6+更為敏感,這同許多研究結果一致(鄭春艷和張庭廷,2008;Ma,2005).

重金屬對藻類的毒性作用取決于金屬元素的形態、濃度、環境因素和重金屬元素之間的相作用,也取決于實驗藻種及藻類細胞的生理生化過程.其中影響重金屬毒性的環境因素主要有pH值、溫度、光照、溶氧及螯合劑等(高為和張燁,2009;姜彬慧和林碧琴,2000).以往的研究多注意到水體pH的變化會影響金屬的化學形態,從而導致其毒性有所不同(Kim et al.,1999;Park et al., 2009;孔繁翔等,1997;Peterson,1990).本研究發現即使Cr6+的形態在pH值為7~9的范圍內無明顯變化,也會造成對不同藻種的毒性效應不同,這說明藻本身的生理特性也是影響重金屬毒性的主要因素之一.本實驗中,小球藻、斜生柵藻和銅綠微囊藻的最適生長pH分別是 7.0、9.0和 9.0,而Cr6+在最適pH條件下,對這3種藻的毒性分別也是最小,表明藻生長較好時,對毒物的抗性較大.

一般在確定污染物的環境基準時,只考慮對所選擇典型代表生物的毒效應,很少一并考慮環境因素.但從生態學角度,環境因素的影響不可忽視.我國幅員遼闊,不同流域/區域水環境生態特征、水環境承載力等都有很大的差異(孟偉等,2006).由于水生態體系的局域性特征如水文條件、氣候、群落的生態機構等多種因素都會影響污染物在水環境中的物理、化學和生物過程,因而可能導致不同的生態效應.因此,在制定我國的水質標準時,要充分考慮到環境因子對污染物毒性的影響.

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