本文關鍵詞：擬除蟲菊酯類農藥與重金屬的復合毒性對高毒沉積物毒性評價的影響及機制研究

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【摘要】：近年來,隨著我國社會經濟的快速發(fā)展,越來越多的污染物進入水環(huán)境中,對水環(huán)境造成了嚴重的污染。沉積物作為水環(huán)境的重要組成部分,有效地評價其毒性對水環(huán)境的生態(tài)風險評價和治理十分重要。前期對珠三角城市區(qū)域沉積物的研究表明該地區(qū)沉積物對底棲動物毒性很高,故而在毒性評價前需要進行全沉積物稀釋。目前常用的沉積物稀釋方式主要包括干重稀釋和有機碳含量稀釋,但兩種稀釋方式對高毒沉積物毒性評價結果的影響不清,需要進一步研究。此外,污染物的復合毒性效應是沉積物毒性評價中另一個十分重要的問題�，F(xiàn)實環(huán)境中不存在所謂“單一污染暴露”的情形,常是多種污染物共存。但是,目前大多數(shù)沉積物生態(tài)風險評價是基于單一污染物展開的。然而,污染物間的相互作用可能改變它們各自的毒性效應,若在沉積物生態(tài)風險評價中只關注單一污染物的毒性效應會影響評價結果的準確性。目前,關于有機物與重金屬間聯(lián)合毒性的研究相對缺乏,而對其聯(lián)合毒性效應產生機制的研究則更少。前期研究表明,擬除蟲菊酯類農藥和重金屬是珠三角城市區(qū)域沉積物產生高毒性的兩類主要毒性貢獻者。為了提高區(qū)域沉積物風險評估的準確性,了解這兩類污染物間的聯(lián)合毒性效應及其產生原因是非常重要的。因此,本研究分別選取該地區(qū)檢出率和檢出濃度較高的氯菊酯以及危害性較大的鎘作為擬除蟲菊酯類農藥和重金屬的代表,研究兩類污染物對底棲無脊椎動物伸展搖蚊幼蟲的聯(lián)合毒性效應,并從生物可利用性和毒代動力學過程探究其產生機制。首先,本論文使用兩種全沉積物稀釋方法(干重稀釋法和有機碳含量稀釋法)稀釋加標沉積物并用搖蚊幼蟲進行10天沉積物毒性實驗,結果表明兩種稀釋方式得到的毒性效應濃度(LC25、LC50和LC75)存在顯著性差異,且干重稀釋方式得到的氯氰菊酯半致死濃度(LC50)與文獻報道有顯著性差異,而有機碳含量稀釋方式獲得的LC50與文獻報道的相一致。然后選取珠三角地區(qū)的高毒沉積物利用兩種方式分別稀釋后,評價野外沉積物的毒性,結果與加標沉積物稀釋實驗結果類似。說明有機碳含量稀釋方式更適合高毒沉積物的毒性測試。此外,研究中同時使用聚乙烯膜測得的氯氰菊酯自由溶解態(tài)濃度作為毒性劑量指標對兩種稀釋方式處理的沉積物進行評估,該情況下,兩種稀釋方式所得毒性評價結果無顯著性差異。說明使用被動采樣技術獲得的自由溶解態(tài)濃度來表征毒性實驗結果不受稀釋方式的影響,可得到更準確的評價結果。因此,在生物毒性測試中應該更多的使用包含生物可利用性信息的劑量指標。其次,本論文設計不同混合比例和不同劑量水平的氯菊酯和鎘加標沉積物,并選用搖蚊幼蟲進行沉積物毒性測試,以致死性為毒性終點。采用藥物學中常用的中效/聯(lián)合指數(shù)-等效圖法對復合毒性實驗進行評估,結果表明氯菊酯和鎘以毒性當量1:1、3:1及1:3復合時,其復合毒性效應均表現(xiàn)為拮抗作用。相比較而言,鎘占主導作用的實驗組(氯菊酯和鎘毒性當量比為1:3)產生的拮抗作用要大于等毒性當量實驗組(1:1)和氯菊酯占主導作用的實驗組(3:1)。此外,本研究還選用了復合毒性效應研究中兩種經典的模型(濃度相加和獨立作用模型)對復合毒性效應進行評估,結果也證實氯菊酯和鎘的復合毒性效應為拮抗作用。隨后,本研究從污染物的生物可利用性和生物體酶活性兩方面對這兩類污染物產生拮抗作用的原因進行初步探討。一方面,采用被動采樣方法(固相微萃取纖維)測定了沉積物中氯菊酯的自由溶解態(tài)濃度,發(fā)現(xiàn)鎘的存在與否并不改變沉積物孔隙水中氯菊酯的自由溶解態(tài)濃度,表明鎘的存在不影響沉積物中氯菊酯的生物可利用性。也就是說,氯菊酯和鎘之間的拮抗作用并非由氯菊酯生物可利用性的改變而引起。另一方面,在不同暴露情形下分別測定了搖蚊幼蟲體內谷胱甘肽巰基轉移酶和羧酸酯酶兩種代謝酶的活性,結果表明,共暴露于氯菊酯和鎘的搖蚊幼蟲體內兩種代謝酶活性顯著高于僅暴露于氯菊酯的搖蚊幼蟲。說明鎘的加入增強了代謝酶活性,可能加快了搖蚊幼蟲體內氯菊酯的生物轉化過程,降低氯菊酯毒性,從而引起氯菊酯和鎘之間的拮抗作用。最后,為了更好的理解聯(lián)合作用產生的原因,需要從機理上解釋毒代動力學過程對這兩種化合物拮抗效應的作用。因此,本研究進一步評估了鎘對搖蚊幼蟲體內氯菊酯毒代動力學參數(shù)的影響,并從生物轉化相關的酶的活性和基因表達兩方面對相互作用進行解釋。在搖蚊幼蟲不表現(xiàn)毒性效應的情況下開展生物積累實驗,采用一級一室動力學模型對動力學參數(shù)進行模擬。氯菊酯和鎘共暴露實驗組得到的氯菊酯的生物富集因子、吸收和消除速率常數(shù)與氯菊酯單獨暴露實驗組的結果不存在顯著性差異,表明氯菊酯的這些毒代動力學參數(shù)不受亞致死水平鎘的影響。鑒于此,本研究選擇從更加敏感的酶活性和基因表達水平兩個方面探究鎘對氯菊酯毒代動力學過程的影響。相比于單獨暴露于氯菊酯的情形,鎘的加入對谷胱甘肽巰基轉移酶、羧酸酯酶、過氧化氫酶的活性和脂質過氧化水平均不產生顯著性的影響,但是與代謝相關的酶(谷胱甘肽巰基轉移酶和羧酸酯酶)活性均有增強的趨勢。另外一方面,鎘存在時搖蚊幼蟲體內與代謝相關的基因(細胞色素p450基因和谷胱甘肽巰基轉移酶基因)表達水平均顯著地上調。盡管與鎘共暴露時并未明顯改變搖蚊幼蟲體內氯菊酯的毒代動力學,但是編碼相關代謝酶的基因表達水平顯著提高,表明搖蚊幼蟲體內氯菊酯可能被更快地生物轉化為毒性更小的代謝產物。該部分結果與前面結果相吻合,從機制上進一步闡釋了氯菊酯和鎘產生拮抗作用的原因。本論文針對珠三角城市區(qū)域沉積物對底棲動物表現(xiàn)高毒性,且農藥和重金屬是主要致毒污染物的情況,探討了沉積物稀釋方式對毒性評價的影響,系統(tǒng)分析了氯菊酯和鎘的復合毒性效應及其產生機制,為有機物與重金屬間的復合毒性研究提供了有效的工具。此外,有效地評價混合污染物的復合毒性效應及其產生機制也為環(huán)境管理者制定更加有效的環(huán)境質量基準提供科學的理論依據。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(廣州地球化學研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X592;X171.5
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本文編號：1261999