納米二氧化鈦對水生生物的急性毒性與安全評價

呂 露，安雪花，陳麗萍，柳新菊，關(guān)文碧，吳聲敢，趙學(xué)平

(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 省部共建浙江省植物有害生物防控國家重點實驗室培育基地，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標準研究所，浙江 杭州 310021)

納米材料因具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)，以及宏觀量子隧道效應(yīng)等特點，近年來在化學(xué)產(chǎn)品、生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)及制藥等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。其中，納米二氧化鈦(nTiO2)是目前國內(nèi)產(chǎn)量最高、需求量最大、應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛的納米材料之一[3]，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和研究也引起了越來越多的關(guān)注。nTiO2既可用于植物病害防治，也可對農(nóng)藥進行光催化降解，還可應(yīng)用于農(nóng)藥劑型加工方面[4]。伴隨著nTiO2在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，尤其是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的推廣，nTiO2進入水生生態(tài)系統(tǒng)的可能性也大大提高，nTiO2對水生生態(tài)環(huán)境的影響及其生態(tài)安全性評價研究顯得尤為重要。

既有研究多集中于一種或幾種nTiO2材料對單一水生生物的毒性效應(yīng)，結(jié)果并不能真實反映nTiO2在水生環(huán)境中的毒性，缺少系統(tǒng)研究同一納米材料對不同水生生物毒性的報道。本研究以斜生柵列藻(Scenedesmusobliquus)、大型溞(D.magna)、斑馬魚(Brachydaniorerio)，以及非洲爪蟾(Xenopuslaevis)蝌蚪為試驗對象，按照GB/T 31270.12—2014、GB/T 31270.13—2014、GB/T 31270.14—2014、GB/T 31270.18—2014要求，研究nTiO2對上述水生模式生物的急性毒性，并進行安全評價，旨在為nTiO2的合理使用及其風險控制提供科學(xué)依據(jù)，也為有關(guān)法規(guī)或標準的制定提供基礎(chǔ)資料與數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 供試藥劑

1.2 試驗生物

斜生柵列藻(Scenedesmusobliquus)，藻種編號FACHB276，于2010年10月從中國科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫購入。為了使試驗藻類能夠適應(yīng)試驗條件，并保證藻類在接種至試驗液中時正處于指數(shù)生長階段，試驗開始前2～4 d，將試驗藻類接種至試驗用OECD培養(yǎng)基中，調(diào)節(jié)至試驗開始時藻類呈指數(shù)增長。試驗環(huán)境溫度為22.1～22.5 ℃，連續(xù)均勻光照，光強6 240～7 150 lx。

大型溞(DaphniamagnaStraus)，引自環(huán)境保護部南京環(huán)境科學(xué)研究所。在良好的培養(yǎng)條件下，使其處于孤雌生殖狀態(tài)，在實驗室條件下培養(yǎng)3代以上，選用出生24 h內(nèi)的健康溞進行試驗。本次試驗供試大型溞親溞馴養(yǎng)批號為C20141217。試驗體系pH值7.51～7.81，溶解氧8.41～8.57 mg·L-1，硬度(以CaCO3計)165 mg·L-1，溫度19.8～20.0 ℃，光照/黑暗時間為16 h/8 h。

斑馬魚(Brachydaniorerio)，購自杭州明紅水族，體長1.0～3.0 cm，健康無病，供試斑馬魚批次為S20140904。試驗前，在水溫21.0～25.0 ℃、光照/黑暗時間14 h/10 h、曝氣充氧的環(huán)境條件下預(yù)養(yǎng)7 d以上。預(yù)養(yǎng)時每天喂食1次，并及時清除糞便及食物殘渣，正式試驗前24 h停止喂食。正式試驗水溫23.0～23.4 ℃，pH值7.72，溶解氧6.86～8.03 mg·L-1，總硬度(以CaCO3計)78 mg·L-1，光照/黑暗時間為14 h/10 h。

非洲爪蟾(Xenopuslaevis)蝌蚪，親本購自上海茂生生物科技發(fā)展有限公司，品系為LM00456MX，引入批次為20120721。試驗用蝌蚪為本機構(gòu)繁殖，試驗前3 d對其進行馴養(yǎng)，環(huán)境條件為：水溫22.6～22.7 ℃，光照/黑暗時間14 h/10 h，曝氣充氧。馴養(yǎng)時每天喂食1次，飼料為自行孵化的豐年蝦活體，并及時清除糞便及食物殘渣。正式試驗前24 h停止喂食。正式試驗過程中，溫度22.3～22.7 ℃，pH值7.22～7.53，溶解氧78.3%～102.9%(空氣飽和值)，水質(zhì)總硬度(以CaCO3計)78 mg·L-1，光照/黑暗時間為14 h/10 h。

1.3 試驗方法

1.3.1 藻類生長抑制試驗

無菌條件下，在250 mL三角瓶中，先后加入OECD培養(yǎng)基40 mL、特定濃度的藻細胞液50 mL，以及配制好的10倍濃度的試驗藥液(空白對照為OECD培養(yǎng)基)10 mL。攪拌均勻后，用錫箔紙將各個試驗容器瓶封口，置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，每天定時人工搖動3次。各處理的起始藻細胞濃度約為9.00×103mL-1。nTiO2的試驗濃度分別為0.800、0.400、0.200、0.100、0.050 0、0.025 0 mg·L-1。每一濃度設(shè)3個平行，同時設(shè)不加藥處理的空白對照，試驗組和空白對照組同時進行。

要改變學(xué)生的動手畏懼心理，就必須從樹立信心和對失敗的認知狀態(tài)著手。從橫向的同學(xué)之間的比較引導(dǎo)到縱向的自我比較，利用大腦不斷設(shè)想演練動手實踐的過程和方法提高成功率，改變對失敗概念的認知，不外乎是消除畏懼心理的有效的方法之一。

試驗期間，每天(即24、48、72 h)取樣測定各試驗容器中藻類的生物量。測定方法：使用血球計數(shù)板在顯微鏡下直接計數(shù)，并記錄細胞的任何異常情況，如畸形等(暴露于供試品中引起的)。

試驗數(shù)據(jù)采用生物量比較法進行分析和計算。處理組藻類生物量抑制率(B)按下式計算：

(1)

式(1)中：N空白，空白對照組測定的藻細胞濃度，mL-1；N處理，處理組測定的藻細胞濃度，mL-1。

根據(jù)實測濃度的平均值，采用DPS 統(tǒng)計分析軟件計算EC50及95%置信區(qū)間。

1.3.2 溞類急性活動抑制試驗

試驗時將50 mL試驗藥液加入到100 mL燒杯中，然后用玻璃滴管加入試驗溞，每杯5只。nTiO2的試驗濃度分別為2.00、1.67、1.39、1.16、0.965、0.804 mg·L-1，同時設(shè)置空白對照組。試驗組和空白對照組均設(shè)4個平行，每杯為1個平行。

試驗采用靜態(tài)法染毒48 h。處理后，觀察大型溞的受抑制情況，記錄24 h和48 h受抑制數(shù)和癥狀。大型溞運動受抑制的判斷標準是緩慢搖動試驗容器，15 s內(nèi)受試溞不能游動，但允許附肢微弱活動。根據(jù)試驗藥液濃度和各組大型溞的受抑制數(shù)，應(yīng)用寇氏法計算EC50及95%置信區(qū)間。

1.3.3 魚類急性毒性試驗

用水配制一系列濃度的nTiO2試驗藥液(50.0、35.7、25.5、18.2、13.0、9.30 mg·L-1，其中高濃度藥液以懸濁液形式存在)，藥液體積為5.00 L，置于試驗魚缸中，同時設(shè)置只加水的空白對照組。試驗時，將斑馬魚引入試驗魚缸中，每缸15尾。各處理不設(shè)重復(fù)，只設(shè)1個平行，每缸為1個平行。試驗組和空白對照組同時進行。

試驗采用靜態(tài)法，試驗期間不更換試驗藥液，且停止喂食。處理后，觀察并記錄斑馬魚在2、6、24、48、72、96 h時的中毒癥狀和死亡情況。用玻璃棒輕觸斑馬魚尾部，無可見運動即為死亡。試驗中及時清除死亡斑馬魚。試驗結(jié)果分析采用寇氏法，分別計算24、48、72、96 h時的LC50值及95%置信區(qū)間。

1.3.4 兩棲類急性毒性試驗

用水配制6個試驗濃度的nTiO2溶液，分別為7.50、6.00、4.67、3.83、3.07、2.45 mg·L-1，分別加入到各試驗魚缸中，同時設(shè)置不加藥處理為空白對照，體積均為5.00 L。然后分裝入3個燒杯中，每個燒杯中1.50 L試驗溶液。試驗時，將試驗用蝌蚪加入到燒杯中，每杯10只。各處理設(shè)2個重復(fù)，每杯為1個重復(fù)。試驗組和空白對照組同時進行。

試驗采用靜態(tài)法，試驗期間不更換試驗藥液，且停止喂食。處理后，觀察并記錄蝌蚪在2、6、24、48、72、96 h時的中毒癥狀和6、24、48、72、96 h時的死亡情況。用玻璃棒輕觸蝌蚪，無可見運動即為死亡。試驗中及時清除死亡蝌蚪。根據(jù)蝌蚪的死亡情況，采用寇氏法分別計算24、48、72、96 h時的LC50值及95%置信區(qū)間。

2 結(jié)果與分析

試驗期間，實驗室條件正常，試驗溫度及光照、試驗溶液溶解氧及pH值等參數(shù)均滿足試驗方法的要求。試驗的空白對照組中，試驗生物溞、魚及蝌蚪的死亡率和藻的生長率符合試驗要求。

2.1 nTiO2對斜生柵列藻的急性毒性及安全評價

根據(jù)試驗藥液濃度和各組斜生柵列藻的受抑制情況(表1)，應(yīng)用DPS統(tǒng)計分析軟件將藥劑濃度對數(shù)與對應(yīng)的抑制率的機率單位作直線回歸分析，可得nTiO2對斜生柵列藻的急性毒性為0.140 mg·L-1(72 h-EC50)。根據(jù)GB/T 31270.14—2014中農(nóng)藥對藻類的毒性分級標準，nTiO2在本次試驗條件下對斜生柵列藻72 h的急性毒性為高毒級(EC50≤0.3 mg·L-1)。

2.2 nTiO2對大型溞的急性毒性及安全評價

nTiO2處理大型溞后，受試大型溞表現(xiàn)為游動少，游動緩慢，沉底。nTiO2對大型溞的急性毒性為1.26 mg·L-1(48 h-EC50)(表2)。根據(jù)GB/T 31270.13—2014中農(nóng)藥對溞類的毒性分級標準，nTiO2在本次試驗條件下對大型溞48 h的急性毒性為中毒級(1.0 mg·L-1

表1nTiO2對斜生柵列藻的生長抑制試驗結(jié)果

Table1Results ofScenedesmusobliquusgrowth inhibition test by nTiO2

試驗濃度Concentration/(mg·L-1)24h藻細胞濃度Algaconcentration/(104mL-1)抑制率Inhibitionratio/%48h藻細胞濃度Algaconcentration/(104mL-1)抑制率Inhibitionratio/%72h藻細胞濃度Algaconcentration/(104mL-1)抑制率Inhibitionratio/%08000833667333862133810040016733375069027560702001673331005863255360100167333133448383452005002500192207483310002502500192207508274EC50/(mg·L-1)—0140014095%置信區(qū)間95%CI/(mg·L-1)—0112～01750108～0182

—不適用。下同。

—， Not applicable. CI， confidence intervals. The same as below.

表2nTiO2對大型溞的急性活動抑制試驗結(jié)果

Table2Results ofDaphniamagnaacute immobilisation test by nTiO2

試驗濃度Concentration/(mg·L-1)供試溞數(shù)TestNo．24h受抑制數(shù)No．ofinhibited抑制率Inhibitionratio/%48h受抑制數(shù)No．ofinhibited抑制率Inhibitionratio/%2002018900201000167201785019950139201050012600116206300840009652000210008042000000200—0—95%置信區(qū)間95%CI/(mg·L-1)1381．29～1471261．18～134

2.3 nTiO2對斑馬魚的急性毒性及安全評價

nTiO2不同濃度藥液處理后，斑馬魚在不同時間的中毒癥狀見表3。根據(jù)試驗藥液濃度和各處理斑馬魚的死亡數(shù)(表4)，應(yīng)用寇氏法計算可得nTiO2對斑馬魚的急性毒性為22.0 mg·L-1(96 h-LC50)。根據(jù)GB/T 31270.12—2014中農(nóng)藥對魚類的毒性分級標準，nTiO2在本次試驗條件下對斑馬魚96 h的急性毒性為低毒級(LC50>10 mg·L-1)。

表3斑馬魚中毒癥狀

Table3Observed abnormal response ofBrachydaniorerio

試驗濃度Concentration/(mg·L-1)2h6h24h48h72h96h500O，I，BO，I，BPPPP357O，I，BO，I，BPPPP255O，I，BO，BI，BBAA182BBBAAA130BBAAAA930AAAAAAO(CK)AAAAAA

A，無中毒癥狀；B，游動遲緩；I，呼吸減弱；O，浮于水面；P，全部死亡。

A， Normal; B， Swimming retardation; I， Breathe weakness; O， Afloat; P， All death.

表4nTiO2對斑馬魚的急性毒性試驗結(jié)果

Table4Results ofBrachydaniorerioacute toxicity test by nTiO2

試驗濃度Concentration/(mg·L-1)供試魚數(shù)FishNo．24h死亡數(shù)No．ofdeath死亡率Mortality/%48h死亡數(shù)No．ofdeath死亡率Mortality/%72h死亡數(shù)No．ofdeath死亡率Mortality/%96h死亡數(shù)No．ofdeath死亡率Mortality/%5001515100151001510015100357151510015100151001510025515128001280012800128001821516671667166716671301516671667166716679301500000000O(CK)1500000000LC50/(mg·L-1)22022022022095%置信區(qū)間201～241201～241201～241201～24195%CI/(mg·L-1)

2.4 nTiO2對非洲爪蟾蝌蚪的急性毒性及安全評價

不同濃度nTiO2處理后，非洲爪蟾蝌蚪的中毒癥狀見表5。根據(jù)試驗溶液濃度和各處理非洲爪蟾蝌蚪的死亡數(shù)，可得nTiO2對非洲爪蟾蝌蚪的96 h-LC50為5.02 mg·L-1(表6)。根據(jù)GB/T 31270.18—2014中農(nóng)藥對天敵兩棲類的急性毒性等級劃分標準，nTiO2在本次試驗條件下對非洲爪蟾蝌蚪96 h的急性毒性為中毒級(1.0

表5非洲爪蟾蝌蚪中毒癥狀

Table5Observed abnormal response ofXenopuslaevistadpoles

試驗濃度Concentration/(mg·L-1)2h6h24h48h72h96h750B，KK，LOOOO600B，KB，K，LM，B，KBBB467B，KB，K，LM，B，KBAA383BB，K，LB，KBAA307BB，K，LBAAA245AAAAAAO(CK)AAAAAA

A，正常；B，游動遲緩；K，側(cè)翻失衡；L，竄動；M，沉底；O，全部死亡。

A， Normal; B， Swimming retardation; K， Loss of equilibrium; L， Shuttle; M， Sink to bottom; O， All death.

表6nTiO2對非洲爪蟾蝌蚪的急性毒性試驗結(jié)果

Table6Results ofXenopuslaevistadpoles acute toxicity test by nTiO2

藥液濃度Concentration/(mg·L-1)供試魚數(shù)FishNo．6h死亡數(shù)No．ofdeath死亡率Mortality/%24h死亡數(shù)No．ofdeath死亡率Mortality/%48h死亡數(shù)No．ofdeath死亡率Mortality/%72h死亡數(shù)No．ofdeath死亡率Mortality/%96h死亡數(shù)No．ofdeath死亡率Mortality/%750201470020100201002010020100600205250147001575015750157504672015006300840084008400383200015002100210021003072015001500150015001500245200000000000O(CK)200000000000LC50/(mg·L-1)—52550250250295%置信區(qū)間—489～563466～540466～540466～54095%CI/(mg·L-1)

3 討論

在自然環(huán)境中，藻、溞、魚及兩棲類生物是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，分別代表著水生生態(tài)系統(tǒng)食物鏈中的初級生產(chǎn)者和不同層次的消費者[11-12]。本研究所選擇的斜生柵列藻、大型溞、斑馬魚、非洲爪蟾蝌蚪是目前國內(nèi)外水生生物毒理學(xué)研究的標準測試生物，被廣泛應(yīng)用于水生生物毒性試驗和評價中。本研究進行上述一系列水生生物的急性毒性測試，能夠了解nTiO2在水環(huán)境中各食物鏈層次上的危害，從而對nTiO2安全性作出較全面的評價，補充和完善nTiO2對水生生物毒性效應(yīng)研究的數(shù)據(jù)庫。

本研究結(jié)果顯示，nTiO2對斜生柵列藻的急性毒性為0.140 mg·L-1(72 h-EC50)，毒性級別為高毒。前人研究也多證實nTiO2對藻類生長具有一定的毒性。朱小山等[13]研究表明，nTiO2對斜生柵列藻的 96 h-EC50為15.262 mg·L-1。Aruoja等[14]發(fā)現(xiàn)，nTiO2制劑的毒性(72 h-EC50，5.83 mg·L-1)遠大于大粒徑顆粒(72 h-EC50，35.9 mg·L-1)。Cardinale等[15]發(fā)現(xiàn)，nTiO2對四尾柵藻(Scenedesmusquadricauda)、萊茵衣藻(Chlamydomonasmoewusii)和小球藻(Chlorellavulgaris)生長均有抑制作用，但抑制機理不同。藻類作為水環(huán)境中的初級生產(chǎn)者，對水生生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定起著非常重要的作用，nTiO2對藻類的毒害作用將直接或間接地影響整個水生生態(tài)系統(tǒng)。

本研究中，nTiO2對大型溞的急性毒性試驗顯示48 h的EC50為1.26 mg·L-1，毒性級別為中毒，該結(jié)果與前人研究報道一致[13，16-17]。隨著暴露時間延長，nTiO2對大型溞的毒性提高。Zhu等[17]考查了nTiO2對大型溞的急性和慢性毒性作用，發(fā)現(xiàn)48 h時nTiO2表現(xiàn)出較低的毒性(EC50大于100 mg·L-1)，而72 h卻產(chǎn)生很高的毒性(EC50為1.62 mg·L-1)，并且在慢性試驗暴露21 d后，大型溞出現(xiàn)嚴重的生長阻滯、繁殖缺陷，以及死亡。此外，增加紫外光輻照也使得nTiO2毒性提高。Amiano等[16]的研究中，加入紫外光輻照能夠使nTiO2對大型溞的48 h-EC50由29.7～33.6 mg·L-1減小至1.2～3.4 mg·L-1。研究已發(fā)現(xiàn)，nTiO2在大型溞體內(nèi)存在生物富集的過程[18]，富集系數(shù)甚至高達1.18×105[17]。nTiO2還可沿生物鏈從低營養(yǎng)級向高營養(yǎng)級生物轉(zhuǎn)移，如從大型溞轉(zhuǎn)移到高一級生物斑馬魚中[19]。nTiO2沿食物鏈傳遞富集的現(xiàn)象，可能會導(dǎo)致高級生物的毒性效應(yīng)。

本試驗中，nTiO2對斑馬魚的毒性級別為低毒(96 h-LC50為22.0 mg·L-1)，與Xiong等[20]及Zhu等[21]的研究結(jié)果一致。Osborne等[7]證實，4、10、30、134 nm粒徑的nTiO2暴露對斑馬魚胚胎均基本無毒性效應(yīng)。劉紅云等[22]也發(fā)現(xiàn)，25、80、150 nm的nTiO2對斑馬魚胚胎96 h孵化率沒有影響。nTiO2暴露對斑馬魚的低毒效應(yīng)可能是由于nTiO2的團聚作用降低了納米效應(yīng)和作用效果。

本研究中，nTiO2對食物鏈中斜生柵列藻急性毒性為高毒，對大型溞為中毒，對斑馬魚為低毒，該毒性次序與Hall等[23]的研究結(jié)果一致。nTiO2對黑頭呆魚(Pimephalespromelas)的LC50為500 mg·L-1，對網(wǎng)紋溞(Ceriodaphniadubia)和淡水枝角水溞(Daphniapulex)的LC50分別為7.6 mg·L-1和9.2 mg·L-1，在羊角月牙藻(Pseudokirchneriellasubcapitata)的慢性毒性試驗中IC25為1～2 mg·L-1。

非洲爪蟾作為兩棲動物，其早期階段以蝌蚪形式生活于水中，故按水生生物進行毒性研究及評價。本試驗中，nTiO2對非洲爪蟾蝌蚪96 h的LC50為5.02 mg·L-1，急性毒性級別為中毒。Zhang等[24]證實3種粒徑(5、10、32 nm)的nTiO2均能夠顯著影響蝌蚪的生長。并且，納米CuO 和納米ZnO顆粒也能夠抑制非洲爪蟾蝌蚪的生長，其最小抑制濃度為10 mg·L-1[25]。

綜上，不同水生生物及不同毒性評價指標對nTiO2的敏感性是不同的，因此本研究使用不同營養(yǎng)水平的標準試驗?zāi)Ｐ蜕铮愿鏈蚀_地反映出nTiO2的毒害風險。然而，nTiO2毒性作用機理、環(huán)境行為與效應(yīng)及毒性之間的內(nèi)在聯(lián)系等仍有待于進一步研究。此外，nTiO2具有很強的吸附能力，與水生生態(tài)環(huán)境中的重金屬和有毒污染物質(zhì)等能夠組成復(fù)合污染體系[26-27]，對水生生物的作用也不容忽視。

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