汪曉梅，李 爽

(北華大學(xué)林學(xué)院，吉林 吉林 132013)

生態(tài)毒理學(xué)的最終目的是理解和預(yù)測(cè)污染物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的壓力[1].大量生態(tài)毒理學(xué)試驗(yàn)都是時(shí)間較短的毒性試驗(yàn)，這種試驗(yàn)假設(shè)生物個(gè)體、種群特征都是靜態(tài)的，觀察到的種群反應(yīng)在預(yù)測(cè)時(shí)間內(nèi)也是相同的，這在本質(zhì)上存在一定問題：首先，自然環(huán)境下的種群會(huì)發(fā)生變化[2-4]；其次，很多污染物(例如持久性化學(xué)物)暴露時(shí)間要長(zhǎng)于毒理學(xué)試驗(yàn)時(shí)間.但很少有研究明確持久化學(xué)物(即暴露時(shí)間可以持續(xù)1代甚至幾代的化學(xué)物)對(duì)個(gè)體的作用以及這種作用對(duì)種群的影響.長(zhǎng)期污染物暴露會(huì)造成種群敏感性或耐性下降[5]或上升[6]，這兩種結(jié)果都具有非常重要的生態(tài)意義，而任何一種都不能由短期試驗(yàn)完成.

已有研究[7-13]指出了金屬暴露對(duì)大型溞生活史特征以及對(duì)新壓力耐性的影響.LEBLANC[10]指出，銅暴露大型溞的后代比非暴露大型溞的后代存活率高.MUYSSEN 和JANSSEN[11]指出，大型溞在鎘暴露3代后急性耐性增加.此外，鉻耐性的大型溞在新的鉻和鎳暴露中比非暴露過的大型溞具有更高的耐性.然而，相同鉻耐性的大型溞對(duì)鋅暴露更敏感[12].鉻適應(yīng)的大型溞在新的溫度和營(yíng)養(yǎng)條件下對(duì)鎘的敏感性增加，種群增長(zhǎng)率降低[13].這些研究表明，長(zhǎng)期暴露于污染物，特別是金重屬，會(huì)導(dǎo)致敏感性/耐性變化.然而，這一問題的相關(guān)數(shù)據(jù)仍舊匱乏，耐性變化的原因也缺乏合理的解釋.本研究的目的在于評(píng)價(jià)長(zhǎng)期多代鎘暴露對(duì)大型溞生活史特征和新污染物耐性的影響，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間多代設(shè)計(jì)，即暴露于鎘10代后進(jìn)行21 d生活史評(píng)價(jià)；在鎘脅迫消失1代后，評(píng)價(jià)生物種群對(duì)新的鎘和溫度壓力的反應(yīng)，期望確定長(zhǎng)期污染物暴露消失后，鎘毒性是否具有代際作用以及這種作用對(duì)生物種群的影響.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 大型溞和鎘

本研究使用的大型溞來自中國(guó)科學(xué)院武漢水生生物研究所，已經(jīng)在本實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)10 a以上.大型溞培養(yǎng)在不含EDTA的M7介質(zhì)中，光照比16∶8，溫度25 ℃.大型溞每天3次喂以懸浮羊角月牙藻(Pseudokirchneriellasubcapitata)，喂食率大約為2×105cells/(mL·d).

試驗(yàn)使用氯化鎘(分析純，德國(guó)默克)，0.2%的硝酸酸化，對(duì)照也同樣進(jìn)行酸化.配制1 g/L鎘儲(chǔ)備液.測(cè)試液中的鎘濃度使用火焰原子吸收光譜(M1100，美國(guó)鉑金埃爾默)分析，鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液(德國(guó)默克)體積質(zhì)量為1 g/L.試驗(yàn)稀釋水為不含EDTA的M7介質(zhì).測(cè)量濃度和標(biāo)稱濃度的偏差不大于10%.

1.2 試驗(yàn)過程

在長(zhǎng)期暴露階段，大型溞暴露于低濃度鎘(體積質(zhì)量為0.5 μg/L)和高濃度鎘(體積質(zhì)量為2.0 μg/L)10代，對(duì)照及每個(gè)濃度都設(shè)計(jì)3個(gè)重復(fù).暴露在1 L燒杯中進(jìn)行，燒杯中加0.75 L試驗(yàn)水，溫度為25 ℃.每代利用20個(gè)小于24 h的幼體.試驗(yàn)設(shè)計(jì)見圖1.

21 d慢性毒性生活史試驗(yàn)使用來自長(zhǎng)期暴露小于24 h的大型溞.幼體從每個(gè)處理的3個(gè)重復(fù)中隨機(jī)選擇.試驗(yàn)在30 mL燒杯中進(jìn)行，每杯1個(gè)幼體，25 mL試驗(yàn)水.鎘濃度與長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)相同.評(píng)價(jià)的重點(diǎn)包括存活情況、第一次生產(chǎn)時(shí)間、后代數(shù)、產(chǎn)卵窩數(shù).利用年齡模型法計(jì)算種群增長(zhǎng)率(λ).

10代暴露后，所有處理組轉(zhuǎn)移到對(duì)照狀態(tài).每個(gè)處理的20個(gè)幼體在25 mL試驗(yàn)水中暴露.暴露鎘體積質(zhì)量為6 μg/L，溫度分別為25和30 ℃.記錄7 d后的存活情況.

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)法進(jìn)行數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗(yàn)；使用Friedmann ANOVA進(jìn)行各處理間差異分析，P<0.05為差異顯著.

2 結(jié) 果

2.1 生活史評(píng)價(jià)

21 d生活史評(píng)價(jià)的終點(diǎn)為死亡率、第1次生產(chǎn)時(shí)間和后代數(shù)，結(jié)果見圖2.由圖2可知：10代后，高鎘、低鎘和對(duì)照的第1次生產(chǎn)時(shí)間分別為14.35、10.35和8.75 d(圖2 a)，總后代數(shù)分別是10、43和51個(gè)幼體(圖2 b).對(duì)比兩個(gè)終點(diǎn)，高鎘處理組明顯不同于低鎘組和對(duì)照組.為了理解長(zhǎng)期鎘暴露潛在的代際作用，將10代暴露后的大型溞再進(jìn)行鎘暴露和非鎘暴露對(duì)比.結(jié)果發(fā)現(xiàn)：兩者在第1次生產(chǎn)時(shí)間和后代數(shù)上都沒有明顯差異，表明即使在沒有壓力的情況下，長(zhǎng)期暴露也存在代際作用.

10代后，高鎘、低鎘和對(duì)照的種群增長(zhǎng)率分別是1.31、1.29和0.96(圖2 c)，高鎘和低鎘以及對(duì)照的種群增長(zhǎng)率之間差異明顯；低鎘和對(duì)照種群增長(zhǎng)率并沒有明顯不同.

2.2 高鎘、高溫暴露

高鎘、高溫暴露后各處理組死亡率見圖3.由圖3可知：不同高鎘、高溫處理組之間死亡率差異明顯.長(zhǎng)期鎘暴露大型溞對(duì)高鎘暴露比對(duì)照組敏感，這種敏感與溫度無關(guān)，25 ℃和30 ℃大型溞的死亡率都明顯升高；25L大型溞比25H大型溞對(duì)高鎘暴露更敏感，但沒有30H敏感，30L大型溞也明顯比30H大型溞對(duì)鎘挑戰(zhàn)更敏感，30L處理組的存活率與25L處理組沒有明顯差別，30C和25C之間也沒有明顯差別.簡(jiǎn)單說，對(duì)高鎘最敏感的是長(zhǎng)期低濃度暴露的大型溞，與暴露時(shí)的溫度無關(guān)；而長(zhǎng)期暴露鎘濃度相同的大型溞在高鎘暴露中，較高的溫度導(dǎo)致更高的死亡率.

3 討 論

本研究表明，大型溞連續(xù)多代暴露于亞致死濃度的鎘相比對(duì)照適應(yīng)性和耐性都降低，但兩者變化不同.適應(yīng)性隨鎘濃度的增加而降低，一直低于對(duì)照；耐性雖然也一直低于對(duì)照，但與鎘濃度之間并沒有一致性關(guān)系.在鎘處理組，高濃度鎘處理的大型溞相對(duì)于低鎘濃度處理組第1次繁殖時(shí)間長(zhǎng)、總后代數(shù)少、生產(chǎn)窩數(shù)少，但對(duì)鎘的耐性增加.

大量研究表明，繁殖能力降低是污染物暴露的結(jié)果.VILLARROEL等[14]報(bào)道了多代農(nóng)藥暴露中F1大型溞后代數(shù)量降低；BERVOETS等[15]和BALDWIN等[16]都報(bào)道了污染物暴露中第2代后代數(shù)降低.這一結(jié)果也可以用生態(tài)毒理學(xué)中的動(dòng)態(tài)能量平衡理論進(jìn)行解釋，即生物把更多的能量用于應(yīng)付壓力的作用而減少用于生長(zhǎng)和繁殖[17].

本研究中，長(zhǎng)期暴露于鎘的大型溞在鎘壓力移走后繁殖和種群增長(zhǎng)率的衰減并沒有變化，仍舊與對(duì)照之間存在差異，這一結(jié)果表明鎘暴露存在延期的代際效應(yīng).有研究表明，把發(fā)育階段的蝸牛暴露于鎘，然后放入對(duì)照環(huán)境，后代的繁殖成功率降低[18].這一類型的代際作用具有非常重要的意義，需要謹(jǐn)慎考慮生態(tài)毒理學(xué)數(shù)據(jù)和模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性.

本研究中，長(zhǎng)期暴露于低濃度鎘的溞對(duì)溫度和鎘挑戰(zhàn)更敏感，死亡率達(dá)到100%；而長(zhǎng)期暴露于高濃度鎘的溞死亡率并沒有達(dá)到100%，但死亡率較長(zhǎng)期對(duì)照組高.高鎘處理組對(duì)鎘挑戰(zhàn)的耐性比低鎘處理組更強(qiáng)，但是沒有對(duì)照強(qiáng).高暴露水平似乎使得大型溞對(duì)較高鎘濃度更耐受，這可能是由于暴露于高濃度的溞通過分配較多的能量給耐性，或者有更高水平保護(hù)分子的表達(dá)，或者發(fā)生了某些適應(yīng)[19].

本研究顯示，鎘暴露的生物后果是可以持續(xù)的.污染物長(zhǎng)期暴露后，生物對(duì)新的環(huán)境壓力的反應(yīng)并不單一.環(huán)境壓力對(duì)種群的作用應(yīng)該進(jìn)行長(zhǎng)期、多代研究，長(zhǎng)期研究和短期研究相結(jié)合會(huì)增加對(duì)污染物長(zhǎng)期暴露下生物反應(yīng)方式的理解.