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農藥助劑對蚯蚓(Eisenia foetida)的急性毒性

2014-03-22 08:31:54張燦光杜軍輝李華李北興劉峰
生態毒理學報 2014年3期

張燦光,杜軍輝,2,李華,2,李北興,劉峰 ,2,*

1. 山東農業大學植物保護學院 農藥毒理與應用技術省級重點實驗室,泰安 271018 2. 山東農業大學農藥環境毒理研究中心,泰安 271018

農藥助劑伴隨著農藥劑型的發展而逐漸被開發和應用[1]。助劑的大量使用,不僅增加藥劑成本,而且會隨著農藥的使用撒入田間后進入土壤和河流,污染環境[2-3]。然而由于多數農藥助劑對靶標生物沒有直接的活性[4],以致忽視了對農藥助劑的環境毒理研究和生產管理;特別是有關農藥助劑的生態環境毒性,國內鮮有文獻報道。近年來,隨著環保意識的增強,人們逐漸從關注農藥對環境非靶標生物的影響方面,轉移到研究一些高風險溶劑或分散劑等助劑本身的環境毒性[5-6]。

我國已有學者對表面活性劑的毒理學及降解規律做了基礎性研究[1],但是關于農用表面活性劑對土壤生物的影響方面的相關報道較少,關于對土壤生物的生態毒理效應的研究更不夠深入。蚯蚓是陸生生物量最大的一類土壤動物,通常被視為土壤動物區系的代表類群而被用于指示、監測土壤污染。這主要是由于蚯蚓在土壤物理性質改良和植物營養循環方面中起著舉足輕重的作用[7-11]。針對蚯蚓的生態毒理學研究不僅可反映所測污染物的毒性效應,還可反映出土壤的污染狀況,同時還可為保護整個土壤動物區系的安全閾值的確定提供數據支持[12]。因此,蚯蚓作為受試生物用于土壤污染的生態風險評價越來越受到重視[13]。

盡管個別溶劑和分散劑對蚯蚓的毒性效應已有報道[14-15],但所采用測定方法不一致并缺乏系統地對比研究。因此,本研究采用OECD推薦的化學品對蚯蚓急性毒性測定的標準方法[16],測定了不同類別農藥助劑對蚯蚓的急性毒性效應,旨在為科學評價農藥助劑的環境影響和生態風險、指導農藥制劑開發提供依據。

1 材料和方法(Materials and methods)

1.1 試驗材料

非離子表面活性劑:壬基酚聚氧乙烯醚系列(TX-5、TX-7、TX-8、TX-10、TX-18、TX-30、TX-40、TX-50),江蘇省海安石油化工廠;辛基酚聚氧乙烯醚系列(OP-7、OP-10)、蓖麻油聚氧乙烯醚系列(EL-12、EL-20、EL-40、EL-80)、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-7)、苯乙烯基酚聚氧乙烯醚(農乳600#)、失水山梨醇單油酸酯(SP-80)、失水山梨醇單油酸酯聚氧乙烯醚(T-80),邢臺藍星助劑廠;脂肪酸聚氧乙烯酯(OE-12),遼陽奧克化學有限公司。

陰離子表面活性劑:十二烷基硫酸鈉(SDS),上海優揚實業有限公司;十二烷基苯磺酸鈣(農乳500#), ;木質素磺酸鈉M-9(木鈉),木質素磺酸鈣(木鈣),吉林延邊石峴白麓紙業股份有限公司;亞甲基雙萘磺酸鈉(NNO)。

溶劑:二甲苯、甲苯、乙苯、乙醇、正丁醇、丙酮、環己酮、乙腈、二甲基亞砜(DMSO),天津市凱通化學試劑有限公司;N,N-二甲基甲酰胺(DMF),天津市巴斯夫化工有限公司;油酸甲酯,濟南慧豐化工有限公司;生物柴油,山東德州隆光油脂加工廠;大豆油,山東德州聚鑫化工助劑有限公司。

填料:高嶺土(高嶺石質量分數大于30%,河北靈壽縣德潤盛建材廠);白炭黑,山東聊城運昌白炭黑有限公司;硅藻土,青島盛泰硅業有限公司;凹凸棒土,安徽明美礦物化工有限公司;輕質碳酸鈣(輕鈣),桂林金山化工有限責任公司。

生物試材:赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida),購于天津賈立明蚯蚓養殖有限公司。挑選已出現繁殖環帶的健康成蚓,體重在400 mg~500 mg之間的個體用于試驗,購入后在室溫20 ℃條件下避光馴養。

濾紙(80 g·m-2-85 g·m-2,厚度0.2 mm左右,杭州特種紙業有限公司);泥炭蘚灰(pH值5.5-6.0,荷蘭TREF集團公司);石英砂(50-200 μm粒徑的細砂質量分數大于50%,河北靈壽縣德潤盛建材廠)。

1.2 試驗方法

1.2.1 蚯蚓毒性試驗

濾紙接觸法參照趙學平等[17]的方法,對OECD 207[16]的方法進行了改進。①向底部鋪有一層濾紙的平底燒杯(直徑9 cm×高12 cm)中加入少量去離子水,以剛浸沒濾紙為宜。將蚯蚓放在濾紙上,用塑料薄膜封口,扎孔,將燒杯放入溫度為(20±1) ℃,濕度為80%~85%的恒溫箱中清腸24 h。②在培養皿(直徑9 cm)中墊入直徑11 cm的一層濾紙(濾紙包住培養皿邊緣)。在水能溶解或分散的表面活性劑和溶劑,用去離子水配制母液,并設置空白對照;在水中不溶且不易分散的表面活性劑和溶劑,用乙醇及乳化劑T-80配制母液,稀釋后乙醇及T-80的質量分數均不超過0.2%[6],并設置乙醇及T-80的對照;填料研磨成10%水懸浮劑母液,其中含2% T-80,并配制2% T-80母液對照。通過預實驗明確助劑有效濃度范圍后,將母液以等比級差稀釋成7個系列梯度濃度,取一定濃度的溶液2 mL于濾紙上,每個濃度設30個重復。后加2 mL去離子水濕潤濾紙,將清腸后的蚯蚓沖洗干凈,用濾紙吸去多余的水分后放入培養皿中,每個培養皿放1條蚯蚓,用塑料薄膜封口、扎孔,后置于(20±1) °C,濕度為80%~85%的恒溫箱中黑暗培養,于24 h和48 h各計數1次,記錄死亡數和中毒癥狀,以蚯蚓前尾部對機械刺激無反應視為死亡。

按照OECD 207中的標準方法[16]配制人工土壤。泥炭蘚灰10%、高嶺土20%、石英砂70%,按上述比例混合均勻,后于105 °C烘干,備用。

非揮發性助劑采用OECD 207[16]中的標準人工土壤法。將母液與500 g人工土壤混勻,加入去離子水使土壤含水量為30%。將上述含助劑的人工土壤放入1 L玻璃標準瓶中,向其中放入10條蚯蚓,用塑料薄膜封口,扎孔后置于(20±1) °C,濕度為80%~85%的恒溫箱中連續光照培養(光照強度為600 lx)。每種助劑設7個濃度,每濃度設3個重復,并設溶劑、空白對照。第7 d和14 d各計數1次,記錄死亡數及中毒癥狀,以蚯蚓前尾部對機械刺激無反應視為死亡。

揮發性助劑采用An建議的密封人工土壤法[18]。使用有底玻璃管(內徑2.6 cm×高8 cm)為實驗容器,根據預實驗中蚯蚓不死及完全死亡的濃度,在二者之間設置正式試驗濃度,并設溶劑、空白對照。稱取10 g干土樣品于玻璃管中,快速且均勻滴入助劑,調整水土比為1:4,迅速用鋁箔紙封口。用封口膜將鋁箔紙粘緊在玻璃管壁上,防止助劑揮發。待平衡24 h后,快速將土拌勻,每個玻璃管放入1條已清腸24 h的蚯蚓,再次封口,置于(20±1) °C、濕度為(75±1)%的生化培養箱中避光培養。每處理重復10次,分別于24 h、48 h記錄蚯蚓死亡數及中毒癥狀,蚯蚓對針刺無反應判為死亡。

1.2.2 數據處理

用寇氏法計算助劑對蚯蚓的LC50值及其95%置信限,以LC50值與95%置信限是否有重疊作為判斷不同種藥劑毒性差異是否顯著的標準[19]。采用濾紙接觸法測定農藥助劑對蚯蚓的毒性分級采用下面的標準[20]:LC50≤ 1.0 μg·cm-2,為劇毒級;1.0 μg·cm-2< LC50≤ 10.0 μg·cm-2,為高毒級;10.0 μg·cm-2< LC50≤ 100.0 μg·cm-2,為中毒級;100.0 μg·cm-2< LC50≤ 1 000.0 μg·cm-2,為低毒級;> 1 000.0 μg·cm-2,為微毒級。采用標準人工土壤法測定農藥助劑對蚯蚓的毒性分級標準采用《化學農藥環境安全評價的試驗準則》中提出的標準[21]:LC50≤ 1.0 mg·kg-1為高毒級;1.0 mg·kg-1< LC50≤ 10.0 mg·kg-1為中毒級;LC50> 10.0 mg·kg-1,為低毒級。采用密封人工土壤法測定農藥對蚯蚓的毒性參考前蘇聯制定的化學物質急性毒性經皮分級標準[22]:LC50≤ 100.0 mg·kg-1為劇毒級;100.0 mg·kg-1< LC50≤ 500.0 mg·kg-1為高毒級;501.0 mg·kg-1< LC50≤ 2 500.0 mg·kg-1為中等毒級;LC50> 2 500.0 mg·kg-1,為低毒級。

2 結果(Results)

試驗期間,濾紙接觸法和人工土壤法中設置的溶劑、空白對照,蚯蚓均表現正常,未見死亡。

2.1 濾紙接觸法

采用濾紙接觸法測定的19種非離子表面活性劑對蚯蚓的急性毒性,24 h時,均為中等毒性以下;壬基酚聚氧乙烯醚系列中的TX-5、TX-7、TX-8、TX-10,辛基酚聚氧乙烯醚系列中的OP-7、OP-10,脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-7,毒性較高,為中等毒性,其LC50為12.32~42.56 μg·cm-2,毒性順序為:OP-10 > TX-5 > AEO-7 > TX-7 > OP-7 > TX-8 > TX-10;蓖麻油聚氧乙烯醚系列中的EL-12、EL-20,苯乙烯基酚聚氧乙烯醚農乳600#,為低毒,其LC50為804.0~867.4 μg·cm-2,毒性順序為:EL-12 > EL-20 > 農乳600#;其余9種非離子表面活性劑的LC50均大于1 000.0 μg·cm-2,對蚯蚓的毒性較小(表1)。

48 h時,上述表面活性劑對蚯蚓的毒性均略有增加。辛基酚聚氧乙烯醚系列中的OP-10,毒性上升為高毒級;TX-5、TX-7、TX-8、TX-10、AEO-7、OP-7,仍為中等毒性,其LC50為28.57~39.65 μg·cm-2;EL-12、EL-20、農乳600#,為低毒,其LC50為778.5~842.5 μg·cm-2,毒性順序均與24 h時一致(表1)。

采用濾紙接觸法測定的5種陰離子表面活性劑對蚯蚓的急性毒性,24 h時,SDS毒性最高,其LC50為7.329 μg·cm-2,為高毒級;農乳500#的LC50為50.48 μg·cm-2,屬中等毒性;其余3種陰離子表面活性劑的LC50均大于1 000.0 μg·cm-2,對蚯蚓的毒性較小;毒性順序為SDS >農乳500#> 木鈉、木鈣、NNO(表2)。

48 h時,上述表面活性劑對蚯蚓的毒性均略有增加。SDS為高毒,LC50為6.575 μg·cm-2;農乳500#為中等毒性,LC50為41.89 μg·cm-2;毒性順序與24 h時一致(表2)。

表1 采用濾紙接觸法測定19種非離子表面活性劑對蚯蚓的急性毒性Table 1 Acute toxicity of nineteen nonionic surfactants to earthworm by using contact filter method

注:— 表示在本研究設定的濃度范圍內未見致死作用,下同。A:壬基酚聚氧乙烯醚系列;B:辛基酚聚氧乙烯醚系列;C:蓖麻油聚氧乙烯醚系列;D:脂肪醇聚氧乙烯醚;E:脂肪酸聚氧乙烯酯;F:失水山梨醇單油酸酯;G:失水山梨醇單油酸酯聚氧乙烯醚;H:苯乙烯基酚聚氧乙烯醚。

Note: — indicated that there was no death in the tested dosages, the same below. A: Nonylphenol polyoxyethylene ether surfactants; B: Octaphenyl polyoxyethyiene ether surfactants; C: Polyoxyethylene ether castor oil series; D: Fatty alcohol polyoxyethylene ether surfactants; E: Polyoxyethylene esters of fatty acids surfactants; F: Sorbitan monooleate; G: Sorbitan monooleate polyoxyethylene ether; H: Styryl phenol polyoxyethylene ether surfactants.

表2 采用濾紙接觸法測定5種陰離子表面活性劑對蚯蚓的急性毒性Table 2 Acute toxicity of five anionic surfactants to earthworm by using contact filter method

采用濾紙接觸法測定的13種溶劑對蚯蚓的急性毒性,24 h時,正丁醇的毒性最高,LC50為7.142 μg·cm-2,為高毒級;環己酮、乙苯、二甲苯、甲苯,屬中等毒性,LC50為39.03~60.79 μg·cm-2;其余8種溶劑的LC50均大于1 000.0 μg·cm-2,對蚯蚓的毒性較小;毒性順序為:正丁醇 > 環己酮 > 乙苯 > 二甲苯 > 甲苯(表3)。

48 h時,上述溶劑對蚯蚓的毒性均略有增加。正丁醇為高毒,LC50為6.587 μg·cm-2;環己酮、乙苯、二甲苯、甲苯,為中等毒性,LC50為36.47~57.62 μg·cm-2;毒性順序與24 h時一致(表3)。處于中等毒性及以上時,蚯蚓很快出現蚓體變軟、掙扎扭曲、伸長、環帶腫大充血、向四周爬行、身體斷裂和糜爛等癥狀。

采用濾紙接觸法測定的5種填料(高嶺土、白炭黑、硅藻土、凹凸棒土、輕質碳酸鈣)對蚯蚓的急性毒性,24 h及48 h時,其LC50均大于1 000.0 μg·cm-2,對蚯蚓的毒性較小。

2.2 人工土壤法

采用標準人工土壤法測定的19種非離子表面活性劑對蚯蚓的急性毒性,7 d時,壬基酚聚氧乙烯醚系列中的TX-5、TX-10毒性較高,且TX-5毒性高于TX-10,其LC50為910.2~2 835.5 mg·kg-1;其余17種非離子表面活性劑的LC50均大于5 000 mg·kg-1(表4)。

14 d時,上述表面活性劑的毒性均略有增加。壬基酚聚氧乙烯醚系列中的TX-5、TX-7、TX-8、TX-10毒性較高,其LC50為876.5~2 786.6 mg·kg-1,TX-7、TX-8的毒性上升較快,毒性順序為:TX-5 > TX-7 > TX-8 > TX-10;其余15種非離子表面活性劑的LC50均大于5 000 mg·kg-1,所測19種非離子表面活性劑均為低毒(表4)。

表3 采用濾紙接觸法測定13種溶劑對蚯蚓的急性毒性Table 3 Acute toxicity of thirteen solvents to earthworm by using contact filter method

采用標準人工土壤法測定的5種陰離子表面活性劑對蚯蚓的急性毒性,7 d時,SDS、農乳500#的毒性相對較高,其LC50為1 227.0~2 820.1 mg·kg-1;其余3種陰離子表面活性劑的LC50均大于5 000 mg·kg-1,毒性順序為:SDS > 農乳500#> 木鈉、木鈣、NNO(表5)。

14 d時,上述表面活性劑的毒性均略有增加。SDS、農乳500#的LC50為1 195.0~1 911.7 mg·kg-1;其余3種陰離子表面活性劑的LC50均大于5 000 mg·kg-1,毒性順序與7 d時一致。所測5種陰離子表面活性劑均為低毒(表5)。

表4 采用標準人工土壤法測定19種非離子表面活性劑對蚯蚓的急性毒性Table 4 Acute toxicity of nineteen nonionic surfactants to earthworm by using artificial soil test method

注:— 表示在本研究設定的濃度范圍內未見致死作用,下同。A:壬基酚聚氧乙烯醚系列;B:辛基酚聚氧乙烯醚系列;C:蓖麻油聚氧乙烯醚系列;D:脂肪醇聚氧乙烯醚;E:脂肪酸聚氧乙烯酯;F:失水山梨醇單油酸酯;G:失水山梨醇單油酸酯聚氧乙烯醚;H:苯乙烯基酚聚氧乙烯醚。

Note: — indicated that there was no death in the tested dosages, the same below. A: Nonylphenol polyoxyethylene ether surfactants; B: Octaphenyl polyoxyethyiene ether surfactants; C: Polyoxyethylene ether castor oil series; D: Fatty alcohol polyoxyethylene ether surfactants; E: Polyoxyethylene esters of fatty acids surfactants; F: Sorbitan monooleate; G: Sorbitan monooleate polyoxyethylene ether; H: Styryl phenol polyoxyethylene ether surfactants.

表5 采用標準人工土壤法測定5種陰離子表面活性劑對蚯蚓的急性毒性Table 5 Acute toxicity of five anionic surfactants to earthworm by using artificial soil test method

采用標準人工土壤法測定的3種非揮發性溶劑對蚯蚓的急性毒性,7 d與14 d毒性結果均為低毒,其LC50均大于5 000 mg·kg-1(表6)。

采用標準人工土壤法測定的5種填料對蚯蚓的急性毒性,7 d與14 d毒性結果均為低毒,其LC50均大于5 000 mg·kg-1。

采用密封人工土壤法測定的10種揮發性溶劑對蚯蚓的急性毒性,DMSO、丙酮、乙醇、乙腈對蚯蚓的毒性最低,其24 h-LC50和48 h-LC50均大于5 000 mg·kg-1;除上述4種溶劑外,其余6種溶劑對蚯蚓均表現出一定的急性毒性。24 h時,二甲苯、乙苯對蚯蚓的毒性最高,其LC50為202.2~329.6 mg·kg-1,屬于高毒級;其次為甲苯、環己酮、正丁醇,其LC50值為520.2~823.8 mg·kg-1,屬于中等毒性;而DMF對蚯蚓的毒性最低,其LC50為4 245.2 mg·kg-1(表7)。

48 h時,上述溶劑對蚯蚓的毒性均略有增加。二甲苯、乙苯、甲苯對蚯蚓的毒性較高,其LC50為181.9~453.8 mg·kg-1,屬高毒級;DMF對蚯蚓的毒性最低,其LC50為4 182.3 mg·kg-1,屬低毒級;6種溶劑對蚯蚓的毒性順序為:二甲苯 > 乙苯 > 甲苯 > 環己酮 > 正丁醇 > DMF,與24 h時的毒性順序一致(表7)。

表6 采用標準人工土壤法測定3種非揮發性溶劑對蚯蚓的急性毒性Table 6 Acute toxicity of three nonvolatile solvents to earthworm by using artificial soil test method

表7 采用密封人工土壤法測定10種揮發性溶劑對蚯蚓的急性毒性Table 7 Acute toxicity of ten volatile solvents to earthworm by using closed artificial soil test method

3 討論(Discussion)

濾紙接觸法是將蚯蚓直接暴露在一定濃度的農藥環境下的實驗方法,簡單易行,可以初步了解化學藥品的固有毒性和對土壤動物的潛在毒性。而在實際環境中,藥物對蚯蚓產生的毒性不僅取決于藥物的固有毒性,還與藥物在土壤中的降解情況、蚯蚓體內的藥物代謝動力學等因素密切相關,因此,土壤接觸法更接近實際情況。在土壤接觸法中,盡管自然土壤法更接近自然狀況下蚯蚓接觸藥物的方式,但是不同地區土壤情況的差異常會降低數據的可比性。因此,本研究選擇人工土壤法來比較農藥助劑的毒性差異,避免不同地區土壤對毒性結果的影響[16,19]。從研究結果可以看出,采用濾紙接觸法與人工土壤法測得的毒性系統偏差相近,即兩種方法均具有較好的重現性;但其測得的毒性間存在一定差異,前者測得的毒性往往大于后者;如本研究中濾紙法顯示SDS、正丁醇對蚯蚓高毒,而人工土壤法則分別顯示為低毒和中毒;脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-7與烷基酚聚氧乙烯醚(環氧乙烷縮合數EO<10)的毒性相近,但采用人工土壤法測得的毒性低于烷基酚聚氧乙烯醚(EO<10)。可能的原因是,濾紙法中,助劑粘附于濾紙表面,直接與蚯蚓接觸,吸收速率快,吸收量大;人工土壤法中,助劑會吸附于土壤膠體和有機質上,并通過生物、光和化學氧化等途徑降解,生物有效性大大降低,從而降低了蚯蚓對助劑的吸收速率[19],毒性下降。由此可見,作為被EEC和ISO推薦的人工土壤法的測定結果比濾紙法更客觀、準確,可為農藥助劑對蚯蚓的毒性提供較為準確的信息[23-24]。

不同類別的助劑對蚯蚓的毒性存在較大差異,溶劑、表面活性劑的毒性相對高于填料等惰性助劑。而同一功能助劑中,不同來源或不同結構的助劑毒性差異也比較大。如農藥乳油中常用的芳烴類溶劑,水乳劑和微乳劑中常用的正丁醇、環己酮等溶劑,毒性高于乙醇、生物柴油、油酸甲酯等植物源溶劑。二甲苯、乙苯、甲苯3種化合物均屬于非極性麻醉型化合物。非極性麻醉型化合物引起麻醉的能力依賴于其疏水性。根據相似相溶原理,生物體細胞膜及細胞中類脂物質都會吸附麻醉型化合物,可以用辛醇-水分配系數(Kow)確定其基本的毒性[25]。二甲苯(總)、乙苯、甲苯20 °C辛醇-水分配系數logKow分別是3.15~3.20、3.13、2.69[26],Kow越大,就越容易非選擇性通過細胞膜進入生物體內而體現毒性。二甲苯對蚯蚓表現出最大的毒性,其次是乙苯,甲苯雖然有較大的水溶性,但是logKow是3種物質中最小的,導致表現出的毒性也最小。同時,說明有機污染物的生態毒性不僅與其在水中的溶解度有關,還與其理化性質及其對靶標生物的毒性機制有關[6]。本研究結果與劉堯等[6]采用自然土壤法測得的毒性基本一致。

在表面活性助劑中,起潤濕和乳化作用的陰離子型表面活性劑如SDS、農乳500#,起增加滲透及潤濕作用的非離子表面活性劑如烷基酚聚氧乙烯醚TX和OP系列、脂肪醇聚氧乙烯醚AEO系列助劑的直接毒性相對較高,而部分來源于天然產物的脂肪酸聚氧乙烯酯、蓖麻油聚氧乙烯醚EL系列、失水山梨醇酯及其環氧乙烷化物Span和Tween系列毒性相對較低。此外,作為分散劑使用的NNO、木鈉、木鈣直接和間接毒性均較低。除化合物自身毒性低外,可能也與分散劑吸附能力強[27],更容易吸附于濾紙及土壤顆粒上,降低了蚯蚓的接觸量有關。

此外,在同系列非離子表面活性劑中,當碳鏈長度相同時,EO越大,毒性越低;如TX-5、TX-7、TX-8和TX-10,以及EL-12、EL-20等毒性隨親水性增強而依次降低。這與李秀環等[28]測得的助劑對大型溞的毒性規律有一定的相似性。

乳油和可濕粉是目前我國生產和使用量較大的基本農藥劑型,乳油中含大量的芳烴類溶劑、十二烷基苯磺酸鈣及烷基酚聚氧乙烯醚類乳化劑;可濕粉中大量使用SDS等潤濕劑。此外,微乳劑在我國農藥新劑型中也占有較大比重,其配方含有大量的乳化、增溶表面活性劑及醇、酮等極性溶劑容易進入土壤及水體環境。因此,這些劑型的農藥在田間使用時,助劑對環境生物的影響不容忽視。盡管國際上農藥劑型的開發正朝著安全性強、綠色環保、價格低廉的水基性制劑和無粉塵的固體粒狀制劑方向發展,在篩選新農藥劑型配方時還是應注意選擇和使用對環境生物影響小的農藥助劑品種,同時針對老劑型,加強綠色溶劑、綠色表面活性劑的研發和推廣工作,以降低對農田生態環境的影響。

致謝:感謝山東農業大學植物保護學院慕衛副教授的幫助和支持。

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