兩棲動物與魚類對化學物質急性毒性敏感性的比較

陳宣樾, 熊憶茗, 秦占芬,*

1. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,環(huán)境化學與生態(tài)毒理學國家重點實驗室,北京 100085

2. 中國科學院大學,北京 100049

近幾十年來,全球兩棲動物的種群數(shù)量減少引起了學術界和公眾的廣泛關注[1]。 2020年的評估數(shù)據(jù)顯示,全球有40%(約6 000 種)的兩棲動物處于瀕危狀態(tài)[2]。 有學者認為,兩棲動物的瀕危程度比其他脊椎動物更嚴重[3]。 目前一般認為,兩棲動物種群數(shù)量的減少與棲息地改變、氣候變化、真菌感染以及化學污染等因素有關[4]。 化學物質對兩棲動物的毒性作用得到了越來越多的關注,相應的毒性數(shù)據(jù)也在增加。

魚類是化學品、農藥等化學物質水生生物毒性測試的要求物種,大部分工業(yè)化學品和農藥都有魚類急性毒性的數(shù)據(jù)。 同魚類一樣,兩棲動物蝌蚪在水中生活,也面臨著水中化學物質的急性損傷,因此也有不少關于兩棲動物蝌蚪的急性毒性報道。 一些化學物質對蝌蚪和魚類的急性毒性比較也有一些早期的實驗研究。 如 Thurston 等[5]研究了10 種化學物質對牛蛙蝌蚪和魚類的96 h 半致死濃度(96-h half lethal concentration, 96 h-LC50),發(fā)現(xiàn)二者的96 h-LC50接近。 Bridges 等[6]報道 5 種化學物質對北方蟾蜍蝌蚪和虹鱒的96 h-LC50,發(fā)現(xiàn)虹鱒對甲萘威、五氯苯酚和氯菊酯的急性毒性敏感性更強,而北方蟾蜍蝌蚪對4-正壬基酚和銅的敏感性更強。 此外,還有學者利用數(shù)據(jù)庫的信息對更多種的化學品進行分析。 Vaal 等[7]從美國環(huán)境保護局(United States Environmental Protection Agency, US EPA)的資料中獲得了21 種化學物質對蝌蚪和魚類的LC50,通過主成分分析認為魚類和兩棲類的急性毒性敏感性分布接近。 此外,Aldrich[8]通過對33 種化學物質的分析,得出魚類比蝌蚪更敏感的結論。 同樣,Weltje等[9]對55 種化學物質的分析也得到相似的結論。但總體看來,關于魚類與兩棲類蝌蚪的急性毒性敏感性的問題還需要利用更多的數(shù)據(jù)進行討論。

為此,本文從常用數(shù)據(jù)庫檢索文獻報道的化學物質對魚類和兩棲動物蝌蚪的96 h-LC50,系統(tǒng)比較了2 類生物的急性毒性敏感性,以期為化學物質水生毒性測試的生物種選擇提供指導。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 文獻瀏覽和數(shù)據(jù)采集

研究方案如圖1 所示,以檢索詞匯“amphibians”、“fish”、“LC50”、“morality”在美國環(huán)境保護局ECOTOX 數(shù)據(jù)庫[10](US EPA ECOTOX)中檢索;以“兩棲動物”或“魚類”在關鍵詞中、以“急性毒性”在全文中于中國知網[11](China National Knowledge Infrastructure, CNKI)、WOS[12](Web of Science)以及PubMed[13](National Library of Medicine)中搜索2020年11月以前的文獻。 對所有檢索到的數(shù)據(jù)進行原始文獻追溯。

圖1 研究流程圖Fig.1 Flow chart of research

隨后按照如下條件進行篩選:數(shù)據(jù)是實驗研究中兩棲動物蝌蚪和魚類經過半靜態(tài)或靜態(tài)暴露96 h后得到的LC50。 其中兩棲動物包含了蝌蚪或幼體的96 h-LC50,魚類則排除了胚胎階段試驗獲得的96 h-LC50。

1.2 數(shù)據(jù)分析

同一化學物質對同類物種有多個LC50時,取幾何平均數(shù)。 將所有化學物質按照CAS 登錄號(Chemical Abstract Service Registry Number,CASRN)進行分類和匹配。 配對的96 h-LC50數(shù)值通過Box-Cox 廣義冪變換處理后,進行線性擬合(Origin,2018)和皮爾遜相關分析(Pearson’s correlation, SPSS 2013)。

化學物質的急性毒性按照《全球化學品統(tǒng)一分類和標簽制度》[14]進行分級。 此外,由于收集到的數(shù)據(jù)包含了大量農藥的96 h-LC50,因此《化學農藥環(huán)境安全評價試驗準則》(GB/T 31270.18—2014)[15]也被納入急性毒性分級中。 化學物質的急性毒性的分級標準如表1 所示。 計算蝌蚪96 h-LC50等級與魚類96 h-LC50等級的差值(D-value)并對其分布進行統(tǒng)計。 D-value=0 表明化學物質對魚類的急性毒性等級與蝌蚪相當,＞0 表明對魚類的急性毒性等級高于蝌蚪,例如毒性等級差異為“3”代表魚類的急性毒性等級比蝌蚪高了3 級。

表1 化合物急性毒性等級劃分Table 1 Cut-off value limit for toxicant magnitude class

進一步,對配對的LC50進行比值比較以分析蝌蚪和魚類的急性毒性敏感性的差異。 計算蝌蚪96 h-LC50與魚類96 h-LC50的比值(r),比值被按照不同數(shù)量級被劃分為5 類(0.01,0.1,1,10,100)進行分析。比值等于1(r=1)表明化學物質對魚類的LC50與蝌蚪的LC50的差異在1個數(shù)量級以內,兩者敏感性相當;比值超過1(r＞10)表明魚類的LC50比蝌蚪低1個數(shù)量級以上,敏感性高于蝌蚪;而比值小于1(r＜0.1)表明魚類的LC50比蝌蚪高1個數(shù)據(jù)量級以上。

2 結果(Result)

2.1 物種間96 h-LC50 的相關性

從常用數(shù)據(jù)庫中檢索到371 篇相關文獻,獲得了98 種化學物質對蝌蚪和魚類的96 h-LC50。 Box-Cox 變換后的配對數(shù)據(jù)之間存在顯著的相關性(P＜0.01),2 類生物轉換后急性毒性數(shù)據(jù)的擬合公式為y=-0.060+0.824x(Pearson’sr=0.839,圖2),其中x是Box-Cox 轉換后蝌蚪的96 h-LC50,y代表了 Box-Cox 轉換后魚類的96 h-LC50。

圖2 Box-Cox 轉換后兩棲類96 h-LC50 和魚類96 h-LC50 相關性Fig.2 Correlation between Box-Cox amphibian 96 h-LC50 and fish 96 h-LC50

2.2 急性毒性等級差異

急性毒性等級差異(D-value)的統(tǒng)計結果如圖3所示。 在 D-value 的統(tǒng)計結果中,有 58 種(59.2%)化合物對蝌蚪和魚類的急性毒性等級相同。 在急性毒性等級不同的物質中,26 種(26.5%)物質對蝌蚪的急性毒性等級低于魚類,氯化鎘和全氟辛基磺酸對蝌蚪的急性毒性等級低于魚類2 級。 僅有14 種(14.3%)物質對蝌蚪的等級高于魚類,其中阿維菌素對蝌蚪的等級高于魚類3 級,4-正壬基酚、代森錳鋅、氯化鉀、氯菊酯和納米二氧化鈦這5 種物質對蝌蚪的等級比魚類高2 級。

圖3 毒性等級D-value 的分布注:D-value 等于兩棲類96 h-LC50 急性毒性等級減去魚類的毒性等級。Fig.3 D-value distribution of magnitudeNote: D-value is equal to the magnitude of amphibian 96 h-LC50 minus that of fish.

2.3 急性毒性比值差異

如圖4 所示,71 種(72.5%)化學物質對蝌蚪和魚類LC50的差異在1個數(shù)量級以內(0.1＜r＜10),27種(27.5%)化合物對2 類生物的差異超過了1個數(shù)量級(r＜0.1,r＞10)。 其中,16 種(16.3%)物質對蝌蚪的LC50比對魚類的LC50高1個數(shù)量級以上(r＞10),六氯乙烷對蝌蚪的LC50高于魚類2個數(shù)量級(r＞100)。 僅 11 種(11.2%)物質對蝌蚪的 LC50比對魚類的LC50低1個數(shù)量級以上(r＜0.1),其中包括了5 種對蝌蚪LC50低于魚類2個數(shù)量級(r＜0.01)的物質(阿維菌素、代森錳鋅、氯菊酯、氯化鉀和4-正壬基酚)。

圖4 2個物種急性毒性比值差異注:(a) 兩物種96 h-LC50 對數(shù)轉換后的散點圖;(b) 兩物種96 h-LC50 比值(兩棲類96 h-LC50/魚類96 h-LC50)分布統(tǒng)計。Fig.4 Ratio difference of acute toxicity for amphibians and fishNote: (a) Scatter plot of amphibian 96 h-LC50 and fish 96 h-LC50; (b) Distribution of (96 h-LC50 amphibian/96 h-LC50 fish).

3 討論(Discussion)

通過分析98 種物質對于蝌蚪和魚類的96 h-LC50,發(fā)現(xiàn)蝌蚪與魚類的96 h-LC50在Box-Cox 轉換后顯著相關。 59.2%的化學物質對2 類生物的急性毒性等級相同,26.5%的物質對蝌蚪的急性毒性等級低于魚類;72.5%的化學物質對2 類生物的96 h-LC50接近,16.3%的物質對蝌蚪的96 h-LC50高于魚類。 總體來看,蝌蚪的敏感性與魚類基本相當或更低。 這與 Vaal 等[7]、Aldrich[8]和 Weltje 等[9]的研究相吻合。 所有化學物質中,僅有14 種物質(14.3%)對蝌蚪的急性毒性等級高于魚類,11 種(11.2%)物質對蝌蚪的96 h-LC50低于魚類1個數(shù)量級以上。 這可能與兩棲動物本身的特點有關[6]。 兩棲動物表皮的高滲透性[16]以及相比于其他同營養(yǎng)級更高的轉化效率[17]使兩棲動物對某些化學物質更敏感。

在我國《化學農藥環(huán)境安全評價試驗準則》[15]中,要求進行早期蝌蚪的急性毒性測試。 鑒于魚類的急性毒性數(shù)據(jù)能夠基本概括兩棲動物蝌蚪的急性毒性數(shù)據(jù),因此進行蝌蚪的急性毒性測試的必要性是有待商榷的。 然而,相對于早期蝌蚪而言,兩棲動物的變態(tài)發(fā)育期更容易受到化學物質的影響[18-21],但兩棲動物變態(tài)發(fā)育期急性毒性試驗的數(shù)據(jù)還不夠充分[21],這值得更多的研究。

總之,本研究比較了化學物質對魚類和兩棲動物蝌蚪急性毒性敏感性的差異,發(fā)現(xiàn)魚類對大部分化學物質急性毒性的敏感性與蝌蚪相當或者更高,僅對大概10%的化學物質的急性毒性敏感性比蝌蚪更低。 因此認為魚類急性毒性的數(shù)據(jù)基本可以概括對兩棲動物蝌蚪的急性毒性。 但兩棲動物特有的變態(tài)發(fā)育期也值得關注和研究。 這項研究可以為化學物質水生毒性測試的生物種選擇提供指導。