硫酸銨、稀土釔對蚯蚓急性毒性研究

孫 峰，王宇姣

(1.贛州市生態文明研究中心，江西 贛州 341000;2.贛州市章貢區建設投資集團有限公司，江西 贛州 341000)

0 引 言

稀土有“工業維生素”之稱，具備特殊的物理化學性質，廣泛應用于工農業、國防、醫學及新材料等眾多領域。隨著需求量的急增，稀土礦開發過程中的浸礦劑硫酸銨以及殘留稀土元素大量進入周邊農田土壤生態系統，其生態毒理效應問題令人擔憂[1]。目前，國內外有關污染物對蚯蚓的急性毒性效應的研究，主要側重于重金屬復合污染[2-3]、農藥[4]等，本試驗通過自然土壤法[5-6]研究稀土釔及浸礦劑硫酸銨單一與復合污染對蚯蚓的急性效應，直觀確定稀土元素釔與硫酸銨濃度對蚯蚓毒性的響應關系，以期為稀土礦合理開采及浸礦劑合理使用提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

(1)試驗動物：赤子愛勝蚓(Eisenia foetide)，購自市場。試驗前蚯蚓置于實驗室未污染土壤中馴化7 d，選擇體重為300～400 mg之間、具有環帶的健康成體的蚯蚓為供試品，且蚯蚓個休大小及重量基本相同。

(2)供試土壤：選用贛南區域未受稀土礦山開采影響，且水稻長勢良好的農田土壤，采集后自然風干，過20目篩待用。試驗測定土壤理化性質見表1。

表1 供試土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

(3)主要試劑：(NH4)2SO4(硫酸銨)、無水Y(NO3)3(硝酸釔)均為分析純。

(4)儀器設備：人工氣候箱，電子天平，純水蒸餾器，電熱恒溫鼓風干燥箱，燒杯，培養皿，濾紙。

1.2 實驗方法[7]

(1)蚯蚓清腸：將直徑11 cm的濾紙鋪于1 L燒杯杯底，加少量蒸餾水，以剛浸沒濾紙為宜。挑選具有環帶的健康蚯蚓，清洗，放于燒杯中，用保鮮膜封口，解剖針扎孔。將燒杯置于溫度為(20±1)℃，濕度約75%的人工氣候箱中清腸1 d。

(2)試驗設置：參照馮秀娟[8]等采用濾紙接觸法確定的稀土釔、硫酸銨對蚯蚓的半致死率濃度，并結合預試驗數據，初步得到土壤中稀土釔、硫酸銨對蚯蚓的最大致死濃度LC100和最小致死濃度MLC，隨后確定兩種物質在土壤中梯度濃度設置，具體正交試驗設計見表2。

表2 稀土釔、硫酸銨復合處理的試驗設計Table 2 Experimental design of compound treatment of rare earth yttrium and ammonium sulfate

(3)土壤染毒：根據上述試驗設計的濃度梯度，將稀土釔及硫酸銨配制成相對應濃度的溶液，取適量的稀土釔及硫酸銨溶液與500 g供試土壤混合，調節其土壤含水率為最大持水量的60%，放入溫度為(20±1)℃，濕度為(75±7)%，光照為1 333 Lx(間歇光照，即12 h光照，12 h黑暗)的人工氣候箱中平衡48 h后轉移到1 L燒杯中。每一濃度設置3個重復，1個對照。

(4)培養：每一處理放入10條蚯蚓，并置于人工氣候箱中培養。

(5)觀察與統計：觀察時間為3、7、14 d。記錄死亡數及中毒癥狀，蚓體對針刺無反應判為死亡。14 d后結束試驗。

2 試驗數據分析

2.1 稀土釔單一脅迫對蚯蚓的急性毒性

表3 自然土壤法稀土釔對蚯蚓的急性毒性試驗結果Table 3 Results of acute toxicity test of rare earth yttrium for earthworms by the natural soil method

各處理組中蚯蚓的死亡率隨著染毒時間的延長而增加，稀土釔濃度為1 100 mg/kg時，3 d、7 d及14 d時所得蚯蚓的死亡率分別為0、3.33%、16.67%，說明該濃度下稀土釔對蚯蚓的毒性較低，并且受染毒時間影響較小；當濃度升為1 300 mg/kg時，3 d、7 d及14 d時所得蚯蚓的死亡率分別為5.33%、66.67%、96.67%，說明該濃度稀土釔對蚯蚓的毒性明顯增強，并受染毒時間影響較大，而且3 d到7 d蚯蚓死亡率從5.33%陡升至66.67%，說明稀土釔在一定量時對蚯蚓的毒性存在蓄積性；而當濃度為1 500 mg/kg時，3 d、7 d及14 d時所得蚯蚓的死亡率分別為93.33%、100%、100%，說明該濃度下蚯蚓基本喪失生命力，毒性最大，且受染毒時間影響較小，試驗前期蚯蚓就開始大面積死亡。為進一步說明稀土釔的毒性大小，且對試驗14 d后蚯蚓死亡率與稀土釔濃度關系進行線性回歸分析，如圖1所示。

圖1 自然土壤法稀土釔濃度(14 d)對蚯蚓死亡率影響的線性回歸分析Fig.1 Linear regression analysis of the rare earth yttrium concentration(14 d)on earthworm mortality by natural soil method

得到蚯蚓死亡率(y)與稀土釔濃度(x)14 d的線性擬合方程：y=0.223 3x-221.66，線性相關系數R2=0.902 9，其相關性都達到較顯著水平。

并由該方程求得自然土壤法稀土釔單一污染對蚯蚓的半致死率濃度LC50為1 216.57 mg/kg，這與試驗中當稀土釔濃度達到1 300 mg/kg后，蚯蚓表現出強烈的毒性應激反應且死亡率陡升的現象相一致。

2.2 硫酸銨單一脅迫對蚯蚓的急性毒性

硫酸銨單一脅迫對蚯蚓的急性毒性試驗結果見表4。

表4 自然土壤法硫酸銨對蚯蚓的急性毒性試驗結果Table 4 Results of acute toxicity test of ammonium sulfate for earthworms by natural soil method

各處理組中蚯蚓的死亡率隨著染毒時間的延長及硫酸銨處理濃度的增加而升高，當硫酸銨濃度為3 800～4 100 mg/kg時，3 d內蚯蚓未出現死亡現象，7 d時蚯蚓的平均死亡不到1條，14 d時蚯蚓平均死亡了不到3條，與對照組對比發現，說明該濃度組的硫酸銨對蚯蚓的毒性不明顯，甚至蚯蚓在土壤中表現活躍；當濃度為4 400 mg/kg、4 700 mg/kg時，3 d時兩處理中蚯蚓死亡率相同都為33.33%，7 d時死亡率分別為43.33%、76.67%，14 d時死亡率分別53.33%、86.67%，說明兩處理濃度對蚯蚓的毒性作用開始顯示并受染毒時間影響，且4 700 mg/kg濃度處理組相比4 400 mg/kg濃度處理組中的蚯蚓應激反應顯著變得強烈，出現逃逸行為，部分蚯蚓從土壤中爬出到表面甚至燒杯壁上，且7 d時蚯蚓死亡率突升，發生毒性蓄積反應；當濃度達到5 000 mg/kg以上時，蚯蚓一放入土壤中不久即出現死亡現象，7 d即基本全部死亡。

為進一步說明硫酸銨的毒性大小，且對試驗14 d后蚯蚓死亡率與硫酸銨濃度關系進行線性回歸分析，如圖2所示。

圖2 自然土壤法硫酸銨濃度(14 d)對蚯蚓死亡率影響的線性回歸分析Fig.2 Linear regression analysis of the ammonium sulfate concentration (14 d)and earthworm mortality by natural soil method

得到蚯蚓死亡率(y)與硫酸銨濃度(x)14 d的線性擬合方程：y=0.060 3x-208.9，線性相關系數R2=0.942 2，其相關性都達到較顯著水平。并由該方程求得自然土壤法硫酸銨單一污染對蚯蚓的半致死率濃度LC50為4 293.53 mg/kg，這與試驗中當硫酸銨濃度達到4 400 mg/kg后，蚯蚓表現出強烈的毒性應激反應且死亡率陡升，而小于4 100 mg/kg處理濃度組，蚯蚓表現正常甚至趨于活躍等現象相一致。

2.3 稀土釔、硫酸銨復合脅迫對蚯蚓的急性毒性

稀土釔、硫酸銨復合脅迫對蚯蚓的急性毒性試驗結果見表5。

圖3 自然土壤法硫酸銨影響下稀土釔14 d對蚯蚓急性毒性效果線性回歸分析Fig.3 Linear regression analysis of the acute toxicity(14 d) of rare earth yttrium for earthworms under the influence of ammonium sulfate by the natural soil method

低濃度3 800 mg/kg的硫酸銨與稀土釔復合染毒接觸蚯蚓時：14 d蚯蚓死亡率(y)與稀土釔濃度(x)的線性擬合方程為：y=0.156 7x-152.35，線性相關系數R2=0.915 9，其相關性達到較顯著水平；并由該方程求得低濃度3 800 mg/kg的硫酸銨與稀土釔復合脅迫蚯蚓情況下蚯蚓的14 d理論LC50為1 291.32 mg/kg，略大于稀土釔單一染毒14 d對蚯蚓的半致死率濃度LC501 216.57 mg/kg；說明低濃度的硫酸銨稍微降低稀土釔對蚯蚓的毒性，產生輕微的拮抗作用。

中濃度4 400 mg/kg的硫酸銨與稀土釔復合染毒接觸蚯蚓時：14 d蚯蚓死亡率(y)與稀土釔濃度(x)的線性擬合方程為：y=0.186 7x-174.69，線性相關系數R2=0.941 2，其相關性達到較顯著水平；并由該方程求得中濃度4 400 mg/kg的硫酸銨與稀土釔復合脅迫蚯蚓情況下蚯蚓的14 d理論LC50為1 203.48 mg/kg，亦略小于稀土釔單一染毒14 d的LC50。表明中濃度的硫酸銨稍微增加了稀土釔對蚯蚓的毒性，產生輕微的協同作用。

高濃度5 300 mg/kg的硫酸銨與稀土釔復合染毒接觸蚯蚓時：14 d蚯蚓死亡率(y)與稀土釔濃度(x)的線性擬合方程為：y=0.123 3x-78.995，性相關系數R2=0.917 5，其相關性達到較顯著水平；并由該方程求得高濃度5 300 mg/kg的硫酸銨與稀土釔復合脅迫蚯蚓情況下蚯蚓的14 d理論LC50為1 046.19 mg/kg，顯著小于稀土釔單一染毒14 d的LC50；表明高濃度的硫酸銨明顯增加了稀土釔對蚯蚓的毒性，產生顯著的協同作用。

3 結 論

綜上所述，稀土釔與硫酸銨對蚯蚓都存在一定毒性作用，蚯蚓的死亡率與染毒時間、2種污染物的濃度呈正比關系，且LC50隨染毒時間的延長而降低。同時，依據《化學農藥環境安全評價試驗準則》(GB/T 31270.7—2014)，通過LC50值來區分污染物毒性的大小：LC50>10 mg/kg，試驗測得稀土釔及硫酸銨單一染毒14 d對蚯蚓的LC50值分別為1 216.57 mg/kg、4 293.53 mg/kg，遠大于10 mg/kg，因此稀土釔及硫酸銨對蚯蚓都屬于低毒性。但稀土釔屬于金屬元素，位于食物鏈底端的蚯蚓對其具有富集性，可能造成食物鏈的逐級富集，從而威脅高級生物甚至人類的健康。此外，稀土釔、硫酸銨的不同濃度組合，對蚯蚓的復合毒性或產生拮抗作用或協同作用，其具體作用機制還有待進一步研究。