錢(qián)驍?shù)?/p>

摘要：以甲醛及4種重金屬Cd（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）為研究對(duì)象，以費(fèi)氏弧菌為受試生物，分別測(cè)定5種物質(zhì)的單一急性毒性及甲醛與重金屬二元混合體系的聯(lián)合毒性，并利用DA模型和IA模型對(duì)二元混合體系的聯(lián)合毒性進(jìn)行預(yù)測(cè)及驗(yàn)證。結(jié)果表明，依據(jù)EC50大小判定5種物質(zhì)的急性毒性大小順序?yàn)镻b（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、甲醛、Cd（Ⅱ）。DA模型和IA模型都可以較好地預(yù)測(cè)混合體系“甲醛+Cd（Ⅱ）”、“甲醛+Cu（Ⅱ）”、“甲醛+Pb（Ⅱ）”對(duì)發(fā)光細(xì)菌的聯(lián)合毒性效應(yīng)，IA模型預(yù)測(cè)效果比DA模型更好；對(duì)于混合體系“甲醛+Zn（Ⅱ）”的聯(lián)合毒性，兩種模型的預(yù)測(cè)都不準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：發(fā)光細(xì)菌；甲醛；重金屬；聯(lián)合毒性；DA模型；IA模型

中圖分類(lèi)號(hào)：X830.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）13-3034-05

The Joint Toxicities of Binary Mixtures Composed of Formaldehyde and

Heavy Metal to Vibrio fischeri

QIAN Xiao1，2，LIU Rui-zhi2，WANG Jing1，2，LI Jie1，LEI Kun2，LI Yi-hong2

（1.Institute of Environment & Municipal Engineering， Qingdao Technological University， Qingdao 266033， Shandong， China；

2.Chinese Research Academy of Environment Sciences，Beijing 100012， China）

Abstract： Formaldehyde and four heavy metals Cd， Cu， Pb， Zn were used as objects. Vibrio fischeri was used as the indication organism. The single toxicities of these five toxic materials and the joint toxicities of binary mixtures （composed of formaldehyde and heavy metal） were determined. The results showed that the order of the single toxicities to Vibrio fischeri was Pb>Zn>Cu>formaldehyde>Cd by EC50 values. The joint toxicities of formaldehyde and Cd or Cu or Pb could be predicted well by the DA model and the IA model. The results of IA model were better than that of DA model.

Key words：Vibrio fischeri； formaldehyde； heavy metals； joint toxicities； dose addition model； independent action model

聯(lián)合作用是指兩種或兩種以上化學(xué)物質(zhì)同時(shí)或先后與受試生物接觸并發(fā)生作用時(shí)，各物質(zhì)仍保留或改變各自毒性作用的現(xiàn)象，兩種或兩種以上化學(xué)物質(zhì)在聯(lián)合作用條件下測(cè)定的毒性稱(chēng)為聯(lián)合毒性[1]。對(duì)于化學(xué)物質(zhì)聯(lián)合毒性的評(píng)價(jià)工作開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，傳統(tǒng)的聯(lián)合毒性評(píng)價(jià)方法有：毒性單位法、相加指數(shù)法、混合毒性指數(shù)法、相似性參數(shù)法、等效線圖法等[2]，這些方法只是考慮了混合體系濃度空間分布的一個(gè)點(diǎn)，具有很大的局限性[3]。數(shù)學(xué)模型方法可以用來(lái)綜合分析混合體系對(duì)發(fā)光細(xì)菌的毒性作用規(guī)律，在聯(lián)合毒性的評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)方面具有廣闊的發(fā)展前景。目前普遍應(yīng)用的聯(lián)合作用預(yù)測(cè)模型有加和作用（Dose Addition，DA）模型[4]和獨(dú)立作用（Independent Action，IA）模型[5，6]。

甲醛和重金屬是環(huán)境污染中較為常見(jiàn)的兩類(lèi)污染物質(zhì)，都具有強(qiáng)烈的致癌、致畸等作用[7-10]，長(zhǎng)期接觸低劑量的甲醛與重金屬會(huì)引起各種病變，對(duì)人體的危害很大。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)重金屬及甲醛的發(fā)光細(xì)菌法毒性研究的報(bào)道很多[11-14]，但鮮有甲醛、重金屬對(duì)發(fā)光細(xì)菌聯(lián)合毒性研究的報(bào)道。本研究選擇甲醛及重金屬Cd（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定5種物質(zhì)對(duì)發(fā)光細(xì)菌的急性毒性，利用Weibull函數(shù)擬合得到各自的“劑量-效應(yīng)”曲線，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)等毒性配比法開(kāi)展甲醛與4種重金屬的聯(lián)合毒性效應(yīng)研究，并利用DA模型和IA模型對(duì)混合體系的聯(lián)合毒性進(jìn)行預(yù)測(cè)及驗(yàn)證，旨在為甲醛與重金屬混合體系的聯(lián)合作用研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為甲醛與重金屬的環(huán)境監(jiān)管與污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試藥品 甲醛（HCHO）、氯化鎘（CdCl2）、氯化銅（CuCl2）、氯化鉛（PbCl2）、氯化鋅（ZnCl2），均為分析純，試驗(yàn)用水是利用MW-20B型超純水器（北京盈安美誠(chéng)科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)）制備的。

1.1.2 發(fā)光細(xì)菌與試驗(yàn)儀器 毒性試驗(yàn)儀器使用SDI Microtox Model 500毒性檢測(cè)儀（美國(guó)AZUR環(huán)境有限公司生產(chǎn)）。發(fā)光細(xì)菌為毒性?xún)x標(biāo)配的費(fèi)氏弧菌（Vibrio fischeri）冷凍干粉，儲(chǔ)存在-25 ℃～ -20 ℃的環(huán)境中，發(fā)光細(xì)菌冷凍干粉的復(fù)蘇、活化、稀釋等操作參照SDI Microtox Model 500毒性檢測(cè)儀標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行。

1.2 方法

1.2.1 單一污染物質(zhì)對(duì)發(fā)光細(xì)菌急性毒性的測(cè)定 甲醛及4種重金屬的半數(shù)效應(yīng)濃度EC50采用毒性檢測(cè)儀的81.9% Basic Test模式進(jìn)行測(cè)定。

配制甲醛、Cd（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）初始濃度分別為200.00、200.00、20.00、2.00、20.00 mg/L的溶液。利用毒性?xún)x標(biāo)配的滲透調(diào)節(jié)液和稀釋液，等對(duì)數(shù)間距稀釋得到2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7、2-8、2-9、2-1010個(gè)稀釋度的溶液，共11個(gè)濃度梯度，每個(gè)濃度均設(shè)置3個(gè)平行試驗(yàn)，平行測(cè)定結(jié)果之間的標(biāo)準(zhǔn)差≤10%。

污染物質(zhì)對(duì)發(fā)光細(xì)菌的“劑量-效應(yīng)”曲線整體呈現(xiàn)不規(guī)則的“S”形，采用雙參數(shù)Weibull函數(shù)[4]對(duì)污染物質(zhì)的“劑量-效應(yīng)”曲線進(jìn)行非線性擬合：

Weibull函數(shù)：E=1-exp{-exp[α+β×log10（C）]}

Weibull反函數(shù)：C=10{ln[-ln（1-E）]-α}/β

式中，C為溶液中污染物質(zhì)的有效濃度（mg/L），E為該濃度時(shí)污染物質(zhì)對(duì)發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光抑制率，α、β為Weibull函數(shù)的擬合參數(shù)。

通過(guò)Weibull函數(shù)擬合，得到5種污染物質(zhì)對(duì)發(fā)光細(xì)菌的“劑量-效應(yīng)”曲線及其擬合參數(shù)，再利用Weibull反函數(shù)計(jì)算5種物質(zhì)的單一毒性EC50。

1.2.2 二元混合物對(duì)發(fā)光細(xì)菌聯(lián)合毒性的測(cè)定 污染物質(zhì)對(duì)發(fā)光細(xì)菌的聯(lián)合毒性作用比較復(fù)雜，兩種物質(zhì)之間的聯(lián)合作用類(lèi)型往往與混合體系中各組分的濃度配比有關(guān)[15]。采用等毒性配比法[16]研究甲醛與四種重金屬的聯(lián)合毒性效應(yīng)。

將“甲醛+Cd（Ⅱ）”、“甲醛+Cu（Ⅱ）”、“甲醛+Pb（Ⅱ）”、“甲醛+Zn（Ⅱ）”四個(gè)二元混合體系按照毒性比1∶1配制聯(lián)合毒性試驗(yàn)的11個(gè)濃度梯度溶液，測(cè)定各混合體系的EC50，測(cè)定方法與單一物質(zhì)相同。其中，梯度溶液的最大濃度為8EC50，1+8EC50，2（EC50，1、EC50，2分別為混合體系中兩種組分各自的單一毒性EC50），再等對(duì)數(shù)間距稀釋得到濃度分別為4EC50，1 +4EC50，2、2EC50，1+2EC50，2、EC50，1+EC50，2、2-1EC50，1+2-1EC50，2、2-2EC50，1+2-2EC50，2、2-3EC50，1+2-3EC50，2、2-4EC50，1+2-4EC50，2、2-5EC50，1+2-5EC50，2、2-6EC50，1+2-6EC50，2、2-7EC50，1+2-7EC50，2的其他10個(gè)濃度梯度溶液，每組混合體系濃度梯度設(shè)3個(gè)平行試驗(yàn)，平行測(cè)定結(jié)果之間的標(biāo)準(zhǔn)差≤10%?；旌象w系聯(lián)合毒性效應(yīng)的EC50是指產(chǎn)生半數(shù)效應(yīng)時(shí)，混合體系中的兩種污染物質(zhì)（甲醛及某種重金屬）的質(zhì)量濃度之和。

1.2.3 預(yù)測(cè)方法 應(yīng)用加和作用（Dose Addition，DA）模型和獨(dú)立作用（Independent Action，IA）模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

加和作用（DA）是指物質(zhì)單一毒性的簡(jiǎn)單加和，要求混合體系中各物質(zhì)的毒性作用機(jī)理相似，其中的一種物質(zhì)可以用另一種物質(zhì)按一定的濃度比例代替。加和作用的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

DA模型：ECxmix=■■-1

式中，ECxi表示第i組分單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生效應(yīng)x的濃度，ECxmix表示產(chǎn)生效應(yīng)x的混合體系濃度，Pi表示第i組分的濃度占混合體系濃度的比例，n表示混合體系中的組分?jǐn)?shù)。

獨(dú)立作用（IA）則適用于毒性作用機(jī)理相異的物質(zhì)，其計(jì)算公式為：

IA模型：x=1-■{1-Fi[Pi（ECxmix）]}

式中，x為給定的效應(yīng)值，ECxmix表示產(chǎn)生效應(yīng)x的混合體系濃度，Pi表示第i組分的濃度占混合體系濃度的比例，n為混合體系的組分?jǐn)?shù)，F(xiàn)i表示通過(guò)“劑量-效應(yīng)”函數(shù)計(jì)算得到第i組分的效應(yīng)值。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法 采用Microsoft Office Excel 2003和Origin 7.5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甲醛及4種重金屬對(duì)發(fā)光細(xì)菌的單一毒性

圖1為利用Weibull函數(shù)擬合得到的甲醛及4種重金屬的“劑量-效應(yīng)”曲線。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及EC50見(jiàn)表1，R、RMSE分別為擬合值與實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差，S為三次平行試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果間的標(biāo)準(zhǔn)差。表1結(jié)果表明，甲醛及重金屬Cd（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）對(duì)發(fā)光細(xì)菌單一毒性的3次平行試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果之間的標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.35%、3.09%、1.38%、2.19%、1.48%，這說(shuō)明發(fā)光細(xì)菌法測(cè)定物質(zhì)的急性毒性具有非常高的精確度和穩(wěn)定性，從而確保了毒性檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。應(yīng)用Weibull函數(shù)擬合的甲醛及4種重金屬的效應(yīng)擬合值與實(shí)驗(yàn)值之間的相關(guān)系數(shù)R≥0.989，均方根誤差RMSE≤0.058 5，表明Weibull函數(shù)可以較好地?cái)M合5種物質(zhì)對(duì)費(fèi)氏弧菌的“劑量-效應(yīng)”關(guān)系。

毒性物質(zhì)急性毒性的強(qiáng)弱是用半數(shù)效應(yīng)濃度EC50的大小來(lái)表征的，毒性物質(zhì)的半數(shù)效應(yīng)濃度越小，其急性毒性越強(qiáng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，甲醛和重金屬Cd（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）的EC50分別為7.720、11.724、1.040、0.128、0.698 mg/L，5種物質(zhì)對(duì)費(fèi)氏弧菌的急性毒性具有明顯的差異。其急性毒性的強(qiáng)弱順序?yàn)镻b（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、甲醛、Cd（Ⅱ），其中Pb（Ⅱ）對(duì)費(fèi)氏弧菌的急性毒性最強(qiáng)，Cd（Ⅱ）最弱，這與朱麗娜[17]對(duì)于重金屬單一毒性的研究結(jié)果是一致的。

2.2 甲醛與4種重金屬對(duì)發(fā)光細(xì)菌的聯(lián)合毒性

2.2.1 二元混合體系“劑量-效應(yīng)”曲線的非線性擬合 在單一物質(zhì)急性毒性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)5種物質(zhì)的EC50，按照等毒性配比開(kāi)展甲醛與重金屬混合體系對(duì)費(fèi)氏弧菌的聯(lián)合毒性作用研究，并應(yīng)用Weibull函數(shù)模型對(duì)混合體系的“劑量-效應(yīng)”數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。表2為二元混合體系的相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)及計(jì)算得到的混合體系EC50。由表2可知，二元混合體系“甲醛+Cd（Ⅱ）”、“甲醛+Cu（Ⅱ）”、“甲醛+Pb（Ⅱ）”、“甲醛+Zn（Ⅱ）”聯(lián)合毒性的3次平行試驗(yàn)結(jié)果之間的標(biāo)準(zhǔn)差均小于4.50%，表明發(fā)光細(xì)菌法測(cè)定二元混合體系的聯(lián)合毒性作用準(zhǔn)確、穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠。四個(gè)二元混合體系的聯(lián)合毒性擬合值與實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)R≥0.988，均方根誤差RMSE≤0.061 4，表明利用Weibull函數(shù)能夠擬合四個(gè)二元體系對(duì)費(fèi)氏弧菌的“劑量-效應(yīng)”關(guān)系，并反映二元混合體系的聯(lián)合毒性效應(yīng)。

研究發(fā)現(xiàn)，二元混合體系的EC50均比其對(duì)應(yīng)的重金屬單獨(dú)作用于發(fā)光細(xì)菌時(shí)的EC50大，但小于對(duì)應(yīng)的重金屬單獨(dú)作用EC50與甲醛單獨(dú)作用EC50的和。根據(jù)EC50可以判斷，四種二元混合體系對(duì)發(fā)光細(xì)菌急性毒性的大小順序?yàn)榧兹?Pb（Ⅱ）、甲醛+Cu（Ⅱ）、甲醛+Zn（Ⅱ）、甲醛+Cd（Ⅱ）。

2.2.2 二元混合體系對(duì)發(fā)光細(xì)菌的聯(lián)合毒性預(yù)測(cè)比較 根據(jù)DA模型和IA模型對(duì)等毒性配比的二元混合體系進(jìn)行聯(lián)合毒性預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖2所示。根據(jù)擬合得到的Weibull函數(shù)計(jì)算試驗(yàn)設(shè)置的11個(gè)濃度條件下四種二元混合體系對(duì)發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光抑制率，并與11個(gè)濃度條件下分別用DA模型和IA模型預(yù)測(cè)的發(fā)光抑制率進(jìn)行比較，計(jì)算其間的相關(guān)系數(shù)R和均方根誤差RMSE，結(jié)果列于表3。

理論上，不同的混合體系利用DA模型或IA模型得到的預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)擬合得到的“劑量-效應(yīng)”曲線之間的吻合程度不盡相同，兩種模型預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上會(huì)受到混合體系的聯(lián)合效應(yīng)水平、混合體系中的組分?jǐn)?shù)目、不同組分的濃度比例、單一物質(zhì)“劑量-效應(yīng)”曲線的斜率以及使用的擬合回歸函數(shù)等因素的影響[18]。

由圖2及表3可知，二元混合體系“甲醛+Cd（Ⅱ）”、“甲醛+Cu（Ⅱ）”、“甲醛+Pb（Ⅱ）”的試驗(yàn)擬合曲線與DA模型預(yù)測(cè)曲線或IA模型預(yù)測(cè)曲線都比較接近；對(duì)于這3個(gè)二元混合體系，DA模型或IA模型預(yù)測(cè)值與Weibull函數(shù)擬合值之間的相關(guān)系數(shù)R均大于0.99，均方根誤差RMSE均小于0.05，表明DA模型或IA模型都可以較好地用于這3個(gè)二元混合體系聯(lián)合毒性的預(yù)測(cè)。同時(shí)利用DA模型和IA模型來(lái)預(yù)測(cè)這3種二元混合體系其中任一種的聯(lián)合毒性效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)IA模型得到的R值均大于DA模型，得到的RMSE值均小于DA模型，表明對(duì)于這3個(gè)二元混合體系聯(lián)合毒性的預(yù)測(cè)，IA模型的預(yù)測(cè)效果一定程度上要優(yōu)于DA模型。利用DA模型預(yù)測(cè)這3個(gè)二元混合體系的EC50與Weibull函數(shù)擬合的EC50之間的相對(duì)偏差分別為19.41%、7.30%、9.85%，利用IA模型預(yù)測(cè)的3個(gè)二元混合體系的EC50與實(shí)測(cè)擬合的EC50之間的相對(duì)偏差分別為16.94%、0.08%、2.14%。

而“甲醛+Zn（Ⅱ）”混合體系的試驗(yàn)擬合曲線在DA模型預(yù)測(cè)曲線和IA模型預(yù)測(cè)曲線的下方，利用DA模型預(yù)測(cè)的“甲醛+Zn（Ⅱ）”混合體系的EC50與Weibull函數(shù)擬合的EC50之間的相對(duì)偏差為46.00%，利用IA模型預(yù)測(cè)其相對(duì)偏差則為47.33%，DA模型的預(yù)測(cè)結(jié)果比IA模型更準(zhǔn)確，但是，對(duì)某一確定濃度的“甲醛+Zn（Ⅱ）”混合體系用DA模型和IA模型預(yù)測(cè)其對(duì)費(fèi)氏弧菌的毒性（以發(fā)光抑制率表征），預(yù)測(cè)的發(fā)光抑制率都明顯大于實(shí)測(cè)的發(fā)光抑制率，預(yù)測(cè)結(jié)果偏高，預(yù)測(cè)都不夠準(zhǔn)確。

本研究只是針對(duì)甲醛和重金屬組成的二元混合體系設(shè)計(jì)了等毒性配比這一種確定濃度比例關(guān)系的梯度溶液，探究甲醛與重金屬之間的聯(lián)合毒性及作用規(guī)律。但是等毒性配比的濃度比例只是反映了混合體系濃度空間分布中的某一個(gè)方向，由于混合體系中各物質(zhì)EC50之間存在線性或非線性關(guān)系，即使測(cè)定多個(gè)濃度比例關(guān)系的混合體系聯(lián)合效應(yīng)，也只是反映了濃度空間分布幾個(gè)方向的特征，不能說(shuō)明混合體系全局濃度范圍的聯(lián)合作用規(guī)律[19]。因此，對(duì)于混合體系聯(lián)合毒性效應(yīng)的研究需要借助于更全面、更科學(xué)的數(shù)學(xué)模型或方法。

3 結(jié)論

1）基于發(fā)光細(xì)菌法測(cè)定了甲醛及重金屬Cd（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）的急性毒性效應(yīng)，應(yīng)用Weibull函數(shù)擬合并構(gòu)建了5種物質(zhì)各自的“劑量-效應(yīng)”曲線，得到了5種物質(zhì)的EC50。甲醛、Cd（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）對(duì)費(fèi)氏弧菌的EC50分別為7.720、11.724、1.040、0.128、0.698 mg/L，5種物質(zhì)對(duì)費(fèi)氏弧菌的毒性大小順序?yàn)镻b（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、甲醛、Cd（Ⅱ）。

2）DA模型和IA模型可以有效地預(yù)測(cè)二元混合體系“甲醛+Cd（Ⅱ）”、“甲醛+Cu（Ⅱ）”、“甲醛+Pb（Ⅱ）”的聯(lián)合毒性效應(yīng)，IA模型預(yù)測(cè)效果比DA模型更好；對(duì)于混合體系“甲醛+Zn（Ⅱ）”，兩種模型的預(yù)測(cè)結(jié)果都不準(zhǔn)確。

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