不同环境条件下镉对几种水生生物的毒性研究

发布时间：2020-08-24 09:02

【摘要】：镉作为一种环境污染物,在前20种优先控制危险物质表单中排名第八位。近年来,一系列人类活动如污水处理、制浆造纸、金属处理等使得镉在水体中的浓度显著增加,这已经引起了人们的广泛关注。进入水体中的镉可以积聚在沉积物中,并在一定条件下重新释放至水中。作为一种生物非必需元素,镉可能危及水生生物包括底栖生物的生长和发育。已有大量研究表明镉对生物的毒性不仅取决于镉的浓度,还与水体化学环境有关。环境因子如硬度、盐度、pH值、可溶性有机质(DOM)、络合剂和其它有机物可通过吸收位点上的阳离子竞争作用或与自由离子发生络合反应等改变镉的形态,影响镉的生物可利用性和毒性。纳米材料还能通过吸附作用影响镉的吸收和毒性。此外,对于不同生物,镉的毒性存在差异,急性或慢性致毒浓度变化可跨越几个数量级。文献检索表明,目前关于不同环境条件下镉对水生生物的毒性研究仍然存在诸多不足和缺陷。在水质因子对镉的毒性影响方面,仅局限于较窄的pH范围,或者只限于单一物种;对于Cd和新型环境污染物[如碳纳米管(CNTs)、全氟辛烷磺酸(PFOS)]的相互作用对水生生物的毒性效应,可用信息仍然非常有限。基于此背景,本论文开展了以下几方面的研究工作,以增强对水环境中镉的毒性的了解:(1)研究了不同pH值下镉对发光菌、大型蚤和锦鲫的毒性。测定了一个相对较宽的pH范围内(pH 5.0、6.0、7.0、8.0和9.0)镉对发光菌和大型蚤的急性毒性,计算了 EC50值,发现镉在酸性条件下的毒性较小,并且与发光菌相比,大型蚤对镉的毒性更为敏感。通过测定抗氧化酶[超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)]的活性,谷胱甘肽(GSH)的水平和丙二醛(MDA)的含量,评估了0.01和0.1 mg/L的镉在三个pH值下(5.0、7.5和9.0)对锦鲫肝脏抗氧化防御系统的影响,发现暴露1天后,所有试验组的SOD、CAT、GPx、GSH和MDA都未发生明显变化;而暴露7天后,镉溶液在pH 9.0时使鱼体抗氧化酶活性明显受到抑制、GSH水平显著降低及MDA含量普遍增加。急性毒性和氧化应激效应实验结果表明镉在碱性水中对三种生物的毒害作用较酸性大。(2)基于测定主要水质参数改变时镉对发光菌的毒性变化,建立镉的发光抑制毒性预测模型。研究了包括Ca2+、Mg2+、K+、pH值、络合剂EDTA和DOM(一种商用DOM和三种自制DOM)在内的水质因子对镉对发光菌的急性毒性(15min-EC50)的影响。结果发现溶液中Ca2+和Mg2+浓度增加会导致EC50值增加,而K+浓度增加则会减小EC50值。在试验pH范围(pH5.0-9.0),观察到H+能减轻镉的毒性。EDTA及DOM能与Cd2+发生络合反应,从而减小水中镉的生物可利用性。依据测定的毒性数据,采用数理统计方法拟合得到一个模型。经合成水样和天然水样验证后,模型可用于预测较宽水质范围中镉对发光菌的毒性。(3)以大型蚤为受试生物,研究了四种不同类型的CNTs存在时镉的急性毒性(24h-EC50)变化情况。选取单壁碳纳米管(SWCNTs)、多壁碳纳米管(MWCNTs)、羟基化多壁碳纳米管(OH-MWCNTs)和羧基化多壁碳纳米管(COOH-MWCNTs)这四种CNTs,进行详细表征并用于毒性试验。发现当CNTs浓度为10 mg/L时,四种CNTs都能使镉的EC50值下降,表明它们都能增强镉对大型蚤的毒性。进行了浸出液毒性试验、纯化的碳纳米管毒性试验、吸附/解吸试验和积累/净化实验来探索毒性增强的潜在机制。结果表明,非功能化的CNTs(SWCNTs和MWCNTs)的毒性增强效应主要是来源于其中包含的金属催化剂杂质;而功能化的CNTs(OH-MWCNTs和COOH-MWCNTs)对镉有较强的吸附能力,使得更多的镉被摄入大型蚤体内,从而导致毒性增强。(4)以锦鲫为受试生物,研究了Cd和OH-MWCNTs联合作用下镉的生物积累情况以及生物的肝脏氧化应激状态。将金鱼暴露于0.1 mg/L Cd、0.5 mg/L OH-MWCNTs及其混合物溶液3和12天后,分析了鱼鳃、肝脏和肌肉中镉的浓度,并测定了肝脏抗氧化酶(SOD、CAT和GPx)活性、GSH水平和MDA含量。发现暴露期间内镉在鱼体中不断积累,并且三种组织对镉的富集能力大小顺序为:3天时为鱼鳃肝脏肌肉,12天时为肝鳃肌肉。此外,暴露12天后,Cd+OH-MWCNTs联合暴露组中金鱼肝脏中镉的浓度明显高于镉的单一暴露组。同时,混合物在锦鲫中诱发了严重的氧化应激,因为SOD、CAT和GPx活性明显受抑、GSH水平显著下降、MDA含量明显升高。OH-MWCNTs对Cd的较强吸附作用导致镉的生物可利用性增大是造成联合暴露毒性升高的主要原因。(5)以水丝蚓为受试生物,研究了 Cd和PFOS在不同pH下的联合作用所产生的急性毒性、生物富集和氧化应激效应。测定了三种pH(pH 6.2、7.0和8.0)下PFOS的加入对Cd的急性毒性(48h-LC50)的影响,发现镉的急性毒性随pH从6.2升高到8.0而增强,并且PFOS的加入可提高复合体系的整体毒性。将水丝蚓暴露于这三种pH下的Cd(0.02和0.1 mg/L)、PFOS(0.2和2.0 mg/L)和Cd+PFOS(0.02 + 0.2mg/L和0.1+2.0mg/L)溶液中2天和8天,评估其体内Cd和PFOS的生物积累情况及氧化应激状态,发现Cd和PFOS单独暴露组中水丝蚓体内的Cd和PFOS含量均随暴露介质中污染物质浓度的增加、暴露时间的延长而增大,联合暴露同时降低了生物体内积累的Cd和PFOS含量;Cd和PFOS单独暴露分别在pH 6.2和pH 8.0时对水丝蚓抗氧化防御系统的危害最小,而低浓度和高浓度联合暴露组分别在pH 8.0和pH 6.2对水丝蚓抗氧化防御系统的危害最小;在所研究的pH范围内,氧化应激联合作用主要表现为拮抗作用,这与联合暴露组生物体内的污染物质积累变化情况相一致。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X171.5
【图文】：

图１－１研究技术路线图逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｔｅｃｈｎｉｃａｌ邋ｒｏｕｔｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｐｒｅｓｅｎｔ邋ｓｔｕｄｙ．逡逑参考文献逡逑［１］韦朝阳，陈同斌．重金属超富集植物及植物修复技术研巧进展．生

本文编号：2802260