顧浩天,王冬生,張?zhí)熹?滕海媛,常曉麗,袁永達

(上海市農業(yè)科學院生態(tài)環(huán)境保護研究所,上海201403)

土壤是污染物的最終受體,蓄積環(huán)境中約90%的污染物,是典型的復合污染體系[1]。農藥-重金屬是經常共存、分布廣泛的典型土壤污染物[2]。近年來,為提高作物產量,過量化學農藥被投入使用,殘留農藥通過地表徑流或淋溶等方式進入水體及土壤,直接或間接地對非靶標生物產生毒理脅迫[3]。同時,隨著工業(yè)、畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展,土壤中出現(xiàn)重金屬殘留,對土壤中生物多樣性、豐度及分布產生不利影響,對土壤生態(tài)環(huán)境造成巨大威脅[4]。

土壤中不同污染物之間相互作用、相互影響,會產生復合污染效應[5]。研究多種污染物聯(lián)合作用對準確、客觀評價土壤環(huán)境風險具有重要意義[6]。目前,常通過采集單一污染物的毒理數據,運用濃度加和(CA)及獨立作用(IA)模型來預測復合污染物的聯(lián)合作用[7-8]。但應用該方法的前提為各組分之間無相互作用,因此具有一定局限性。而復合指數(CI)等效應線圖法可以定量預測各獨立組分之間的拮抗、協(xié)同作用,結果更加準確可靠[9-10]。

蚯蚓是土壤中的主要無脊椎生物,在維持土壤理化結構、提高土壤透氣性與肥力、促進養(yǎng)分循環(huán)及有機質礦化等方面起重要作用,被稱為“生態(tài)系統(tǒng)工程師”[11]。因其與土壤污染物直接接觸且對污染物敏感,被視為毒理風險評價的關鍵指示生物[12]。近年來,學者研究了重金屬和農藥單一及復合污染對蚯蚓的生態(tài)毒理效應[2,13-17],雖因所選蚯蚓種類、測試終點、生物標志物等的不同,評價結果有所差異,但重金屬和農藥復合污染對蚯蚓的毒理效應多表現(xiàn)為協(xié)同作用[10,18],或表現(xiàn)為相加[19]或拮抗作用[20],少數則具有拮抗、協(xié)同雙重作用[4,21]。本文通過系統(tǒng)綜述農藥和重金屬單一及復合污染對蚯蚓的生態(tài)毒理效應,同時對預測復合污染物的聯(lián)合作用的模型進行評價,以期為未來相關研究提供參考和依據。

1 重金屬的毒理效應

重金屬在土壤生態(tài)系統(tǒng)中不易降解且極易富集,鋅(Zn)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、汞(Hg)、銅(Cu)暴露會對蚯蚓的生理生化、行為活動等造成影響,包括產繭量、蚓繭孵化率、生物量、生長率、性成熟、種群密度、掘穴行為、組織形態(tài)學、抗氧化酶系統(tǒng)等。Brulle等[22]研究表明,長期暴露于鎘污染土壤中的Eisenia fetida體腔細胞中金屬硫蛋白(MT)表達顯著上調。然而并非所有重金屬對蚯蚓都會產生毒害作用,Nakashima等[23]認為,鎳(Ni)長期暴露不會在蚯蚓組織內富集,但會顯著抑制其生長速率。不同種類蚯蚓因其個體大小、生理習性等方面的差異,對重金屬的敏感性和耐受性不同,如相比Lumbricus ruberus,Aporrectodea rosea對Zn污染更加敏感;相比L.ruberus和A.rosea,E.fetia對低濃度Zn污染耐受性更強[24]。Wijayawardena等[16]發(fā)現(xiàn),Zn和Pb的劑量低于規(guī)定的環(huán)境安全閾值時,兩者復合污染仍然導致E.fetia死亡率達60%以上。蚯蚓對重金屬復合污染的毒性響應遠比單一污染條件更敏感[25]。部分重金屬脅迫對不同種類蚯蚓的毒理效應見表1。

表1 重金屬脅迫對蚯蚓的毒理效應Table 1 The toxicological effects of heavy metals on different earthworm species

2 蚯蚓生物標志物對農藥脅迫的響應

生物標志物是在生物體細胞、組織或個體水平上所能檢測到的生化、生理、組織、行為的變化,這種變化可反映環(huán)境污染物和生物效應的相關信息[39]。蚯蚓生物標志物可評估農藥的環(huán)境毒理風險,對土壤污染做出早期預警,目前已廣泛應用于土壤生態(tài)毒理學研究[40]。

農藥對蚯蚓的毒理作用可能與農藥的作用機制、劑量、蚯蚓種類、環(huán)境條件等多種因素有關(表2)。農藥脅迫會誘導蚯蚓多個生理層次上的響應:在分子水平上,農藥在蚯蚓組織內富集,導致抗氧化酶活性、基因表達、DNA結構等方面的變化;在個體水平上,農藥可以影響蚯蚓的生殖力、生長速率及存活率;在種群水平上,農藥污染會影響蚯蚓的種群豐度、結構、生物量。乙酰膽堿酯酶(AChE)主要用于評價有機磷農藥和氨基甲酸酯類農藥對蚯蚓的毒性作用[41]。有機磷殺蟲劑誘導蚯蚓的基因毒性及神經毒性,即DNA損傷、乙酰膽堿酯酶活性顯著改變。高濃度除草劑暴露也會誘導DNA損傷及抗氧化酶活性的顯著變化。與兩種污染物單一作用相比,毒死蜱與氯氰菊酯復合污染對蚯蚓的生長速率及生殖力毒性效應更強,因此評價單一農藥的毒性可能會低估多種農藥殘留在環(huán)境中真實的生態(tài)風險[42]。

表2 評價農藥毒理效應的蚯蚓生物標志物Table 2 The earthworm biomarkers used to evaluate toxic effects of pesticides

3 重金屬和農藥復合污染對蚯蚓的毒理效應

研究表明,農藥與重金屬復合污染時多數表現(xiàn)為協(xié)同作用[58];但在受劑量-效應水平影響時,也可表現(xiàn)出協(xié)同、拮抗雙重作用[4,59]。Yang等[60]研究發(fā)現(xiàn),濾紙接觸法顯示毒死蜱+Cd復合污染對E.fetida的毒性表現(xiàn)協(xié)同作用,而人工土壤法顯示兩者具有拮抗、協(xié)同雙重作用。此外,污染物聯(lián)合作用也取決于農藥濃度及生物標志物的敏感性。王冰潔等[61]發(fā)現(xiàn),添加低濃度草甘膦后蚯蚓死亡率下降,而隨著草甘膦濃度增加,蚯蚓死亡率升高,且顯著高于Cu2+單一污染時的死亡率。吡蟲啉+Cd對E.fetida中活性氧(ROS)、生長抑制率及體腔細胞核DNA尾矩表現(xiàn)為協(xié)同作用,而對丙二醛(MDA)表現(xiàn)為拮抗作用[62]。

農藥和重金屬復合污染在蚯蚓體內可誘導一系列連鎖毒理效應,吡蟲啉+噻蟲嗪+呋蟲胺+Cd+Cu+Zn復合污染誘導E.fetidaDNA損傷及組織病變,進而抑制其生長發(fā)育[62]。因此,對復合污染物在蚯蚓分子、細胞、組織、個體、種群等水平上進行生態(tài)風險評估,有助于揭示其致毒機理、暴露途徑、毒理效應,基因及基因組層面的研究有助于了解蚯蚓種群對外源污染物的適應性、耐受性及解毒防御機制[63],部分重金屬與農藥復合污染的作用方式及毒理效應見表3。

4 農藥與重金屬復合污染的作用機制

復合污染是指兩種或兩種以上元素或化學品存在于同一環(huán)境介質中的污染現(xiàn)象[69]。研究表明,農藥和重金屬復合污染對死亡率、DNA損傷、生殖力、酶活等蚯蚓生物標志物表現(xiàn)為協(xié)同作用,但有時也表現(xiàn)為拮抗作用[60]。評估復合污染物的毒性時,首先要明確混合物各組分之間是否有相互作用,然后選擇合適的模型進行研究。

表3 重金屬與農藥復合污染的作用方式及毒理效應Table 3 The interactions between pesticides and metals and their combined toxic effects on earthworm endpoints

4.1 非交互作用

獨立作用方式(IA)是指兩種或兩種以上的化學污染物通過不同的作用機制所產生的生物學效應之間無相關性,且互不影響[70]。濃度加和作用方式(CA)是假定各污染物通過相似的機制作用于生物體內相同的靶點(如受體、器官等),各物質之間僅效力不同。假定每種污染物的毒性效應水平(Effective Level,ELx)在某一效應濃度(Effective Concentration,EC)下恒定,則多種污染物(1—N)混合后的綜合毒性效應(T)可表示為T=EL1+EL2+E L3+EL4+…+EL x+…+EL N,即毒性相加效應[71]。由于使用CA模型常會高估污染物聯(lián)合毒性,而使用IA模型則會低估污染物的實際毒性[72],因此Perrodin等[70]認為,CA和IA模型應當結合使用以對污染物聯(lián)合毒性進行嚴謹地評估。

4.2 交互作用

復合指數(CI)-等效線圖模型主要用于研究多種污染物之間的毒理學互作及在暴露生物中的聯(lián)合作用[9]。當混合污染物各組分間存在相互作用時,運用CA和IA模型分析其聯(lián)合作用時有偏差。此情況下混合污染物的總體毒性可能比各組分相加的毒性更小,即表現(xiàn)為拮抗作用TEL1+EL2+EL3+EL4+…+EL x+…+EL N。

4.3 聯(lián)合毒性與毒性效應

Jager等[73]提出,用毒理動力學(從污染物濃度到靶點的過程)和毒理動態(tài)學(從靶點到受試終點的過程)分析多種污染物聯(lián)合暴露誘導的亞致死效應。多種污染物的毒理動力學、毒理動態(tài)學互作會改變暴露生物的生物學過程,影響對暴露生物的毒理效應[8]。Cedergreen[58]發(fā)現(xiàn),毒物的生物有效性、生物吸收、體內轉運及生物轉化、靶標位點結合、排泄等六種生物學過程受污染物相互作用的影響。Becquer等[74]發(fā)現(xiàn),除草劑會影響蚯蚓生物膜的滲透性,促進表皮對重金屬的吸附和積累,致使聯(lián)合污染物的生物有效性提高,毒性增加。

草甘膦、草銨膦中含有的羧基、氨基、磷酸基等配位基團對重金屬陽離子和有機陽離子有很強的絡合能力,影響重金屬的生物有效性、毒性以及重金屬在生物體內的積累[75]。據報道,阿特拉津可與Cd離子(Cd2+)生成絡合物,從而降低混合物的整體毒性[20]。Pb2+可與草甘膦絡合形成穩(wěn)定的化合物,從而降低游離的Pb2+離子對蚯蚓的毒性[76]。草甘膦和Cu2+復合后形成穩(wěn)定的Cu-GPS復合體,可顯著降低蚯蚓表皮對自由態(tài)及有效態(tài)銅的吸收[77]。污染物聯(lián)合暴露的拮抗作用來源于:(1)污染物間在底物水平、吸附水平、靶標水平等的競爭;(2)污染物共同作用激活的生物體內的解毒酶[20]。

5 展望

由于污染物來源的復雜性和廣泛性、復合污染的多樣性和不確定性以及定量評估方法標準的缺乏,使得復合污染的作用類型及毒性機理研究還處于早期階段,許多方面有待探索和完善,如:(1)實驗室研究多以模式物種E.fetida為對象,而忽略評估大田條件下污染物對地理優(yōu)勢蚓種的影響;(2)對單一污染物的研究較多,而對農藥和重金屬長期復合污染的生態(tài)毒理效應關注不夠;(3)缺乏對實際環(huán)境中的各種污染物的組合的逐一研究。未來應注重闡明復合污染毒理效應及作用類型產生的機理,在現(xiàn)有基礎上建立更多的預測模型,實現(xiàn)對污染物聯(lián)合效應的定量分析,以更準確、客觀地評價土壤污染的生態(tài)環(huán)境風險。