保瓊莉，李文華，黃益宗,*，劉仲齊

農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所重金屬生態(tài)毒理研究室，天津 300191

土壤Cd污染對(duì)跳蟲(chóng)Folsomiacandida的生態(tài)毒性

保瓊莉1，李文華1，黃益宗1,*，劉仲齊1

農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所重金屬生態(tài)毒理研究室，天津 300191

采礦及冶煉等行為造成了嚴(yán)重的土壤重金屬污染，其中Cd污染及其帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)近年來(lái)引起人們的高度重視。利用彈尾目跳蟲(chóng)開(kāi)展土壤Cd污染的生態(tài)毒理研究，對(duì)Cd污染土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有重要意義。本研究將跳蟲(chóng)Folsomia candida (F. candida)暴露在不同Cd濃度污染的人工土壤中，利用跳蟲(chóng)存活數(shù)量、繁殖數(shù)量及回避行為實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)重金屬Cd污染對(duì)跳蟲(chóng)的生態(tài)毒性。結(jié)果表明，Cd對(duì)F. candida的急性毒性LC50值為2 086.93 mg·kg-1，慢性毒性的繁殖抑制(28 d)EC50值為224.95 mg·kg-1。此外，Cd對(duì)跳蟲(chóng)回避行為影響的EC50(48 h)為721.26 mg·kg-1?？梢钥闯?，慢性毒性的EC50值與Cd對(duì)回避行為影響的EC50值近似，但遠(yuǎn)低于急性毒性LC50值。因此，跳蟲(chóng)F. candida的回避行為和繁殖率對(duì)Cd污染土壤有較高的靈敏度，可用來(lái)表征土壤中Cd的生態(tài)毒性。

人工土壤；Cd；跳蟲(chóng)；F. candida；急性毒性；慢性毒性；回避行為

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種污染物通過(guò)不同途徑進(jìn)入土壤環(huán)境，最終超過(guò)土壤自凈能力，使土壤質(zhì)量與功能發(fā)生變化，危及人類及其他生物的生存和發(fā)展，即土壤污染[1]。土壤作為一個(gè)開(kāi)放體系，與其他生態(tài)系統(tǒng)有著重要的交互作用，研究重金屬污染土壤意義重大。目前，土壤重金屬污染受到全球性的關(guān)注。土壤重金屬污染成為食品安全及人類健康的最大風(fēng)險(xiǎn)[2]。土壤重金屬除了來(lái)自土壤母質(zhì)外，其他來(lái)源都與人為活動(dòng)密切相關(guān)，包括采礦、冶煉、污水灌溉、污泥再利用及農(nóng)業(yè)化肥等[3-4]，其中采礦是最嚴(yán)重的重金屬污染源[5]。在諸多重金屬中，Cd污染及其帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越引起人們的高度關(guān)注。如Liu等[6]發(fā)現(xiàn)在尾礦覆蓋的土壤中Cd濃度達(dá)到了安全值的13倍。Li等[7]統(tǒng)計(jì)了2005—2012年間發(fā)表的有關(guān)我國(guó)重金屬污染的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)有65%的礦區(qū)中Cd的重金屬地質(zhì)累積指數(shù)Igeo超過(guò)4級(jí)(重金屬含量為背景值的100倍時(shí)，劃為第六等級(jí))，據(jù)Igeo推斷Cd污染程度最高。Zhuang等[8]的研究表明水稻土中的Cd濃度達(dá)到了我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的13倍。Cd沒(méi)有任何必需的生物學(xué)功能，在生物體內(nèi)達(dá)到一定濃度時(shí)都會(huì)損壞生物細(xì)胞膜，能與硫基基團(tuán)(-SH)結(jié)合，進(jìn)而會(huì)影響人體多種酶的活性，影響細(xì)胞內(nèi)正常的生理功能、并破壞生物體的DNA結(jié)構(gòu)[9]。

跳蟲(chóng)又名彈尾蟲(chóng)(springtails)，是彈尾綱(collembolan)生物的俗稱，是一種分布極為廣泛的土壤節(jié)肢動(dòng)物，與線蟲(chóng)、螨蟲(chóng)共同構(gòu)成三大土壤動(dòng)物，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色[10-11]。跳蟲(chóng)是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它們通常個(gè)體小，與土壤顆粒和孔隙水直接接觸，將它們暴露在污染土壤中，其毒害效應(yīng)要比其他動(dòng)物更容易被觀測(cè)到。跳蟲(chóng)因生長(zhǎng)周期短，繁殖快，易于實(shí)驗(yàn)室人工培養(yǎng)，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，被長(zhǎng)期用于土壤生態(tài)毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)，成為土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中重要的模式生物[11]。而白符跳(Folsomia candida)則是在生態(tài)毒理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)最為成熟的一種跳蟲(chóng)[12]。F. candida是目前在土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中應(yīng)用最為廣泛的一類跳蟲(chóng)，F(xiàn). candida的棲息地主要是有機(jī)質(zhì)含量比較高的地區(qū)。F. candida有非常發(fā)達(dá)的彈器，受到外界刺激會(huì)很快做出反應(yīng)并且出現(xiàn)彈跳行為。F. candida為卵生，生殖方式為孤雌生殖。

國(guó)外利用跳蟲(chóng)開(kāi)展生態(tài)毒理研究較早[12]，國(guó)內(nèi)的研究相關(guān)報(bào)道較少。有關(guān)重金屬對(duì)跳蟲(chóng)的毒理效應(yīng)研究主要集中在Hg[13]和Cu[14-15]等污染，而Cd污染的研究較少有報(bào)道。隨著ISO 11267[16]和ISO11573[17]跳蟲(chóng)毒理實(shí)驗(yàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，利用跳蟲(chóng)來(lái)評(píng)價(jià)土壤環(huán)境中重金屬污染有了指導(dǎo)規(guī)范。本研究以跳蟲(chóng)F. candida為實(shí)驗(yàn)材料，探討了不同濃度的土壤Cd污染對(duì)跳蟲(chóng)生存、繁殖和回避行為的影響，獲得相關(guān)的毒理數(shù)據(jù)，為開(kāi)展Cd污染的土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 儀器與試劑

主要儀器：人工氣候箱(三洋MLR-351H)，體視顯微鏡(奧林巴斯SZ610)，AR224CN型電子天平，YD126-KD-8089型計(jì)數(shù)器，其他儀器為實(shí)驗(yàn)室常規(guī)儀器。

主要試劑：CdCl2，分析純，購(gòu)自國(guó)藥試劑公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與培養(yǎng)條件

供試跳蟲(chóng)F. candida，孤雌生殖，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心。跳蟲(chóng)培養(yǎng)方法：跳蟲(chóng)放入90 mm×13 mm的培養(yǎng)皿中飼養(yǎng)，培養(yǎng)皿底部有一層約0.5 cm厚的石膏/活性炭基質(zhì)(熟石膏、活性炭和蒸餾水按9∶1∶7的質(zhì)量比混合而成)，加入少量干酵母作為跳蟲(chóng)的食物，每周換食并補(bǔ)充水分，清除培養(yǎng)基上的食物殘?jiān)吞x(chóng)尸體，保持培養(yǎng)基清潔濕潤(rùn)，每2個(gè)月更換一次培養(yǎng)基。培養(yǎng)皿放入人工氣候箱中，溫度為(20±1) ℃，濕度為(70% ± 5%)，12 h∶12 h的光照與黑暗循環(huán)，光照強(qiáng)度為400～800 lux[11]。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 跳蟲(chóng)同齡化

為了降低跳蟲(chóng)蟲(chóng)齡和個(gè)體大小差異對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，實(shí)驗(yàn)前跳蟲(chóng)需進(jìn)行同齡化。參考ISO 11267-1999中跳蟲(chóng)同齡化方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。從跳蟲(chóng)數(shù)量多并且活躍的培養(yǎng)皿中轉(zhuǎn)移約60只成蟲(chóng)至新的有基質(zhì)的培養(yǎng)皿中，加入干酵母，然后放入培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每天進(jìn)行觀察。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有幼蟲(chóng)孵出時(shí)移走成蟲(chóng)，此后第3天將幼蟲(chóng)轉(zhuǎn)移到新的培養(yǎng)皿中培養(yǎng)，這些幼蟲(chóng)即可認(rèn)為是同齡化的跳蟲(chóng)[11]，F(xiàn). candida幼蟲(chóng)培養(yǎng)至9～12 d即可用于實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 人工土壤配制

將10%的泥炭(無(wú)明顯植物殘?bào)w，自然風(fēng)干2 d，烘干1 d，并過(guò)2 mm篩)、20%的高嶺土(粉末狀，高嶺石含量>30%)和70%的石英砂(至少50%的顆粒粒徑范圍為0.05～0.2 mm)混合均勻，調(diào)節(jié)土壤含水量為最大持水量的45%，有機(jī)質(zhì)含量為7%，用CaCO3調(diào)節(jié)pH至6.0±0.5，密封室溫保存。由于土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量及含水量對(duì)跳蟲(chóng)的生長(zhǎng)繁殖有一定的影響，為了消除其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，我們采用了ISO 11267-1999推薦的人工土壤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[11]。石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定人工土壤的Cd含量為0.001 mg·kg-1。

1.3.3 Cd污染人工土壤的制備

參照ISO 11267-1999，溶于水的化學(xué)品，以溶液的形式噴灑入人工土壤。Cd以CdCl2形式加入，先按設(shè)定濃度稱取CdCl2試劑，然后將稱好的CdCl2溶于去離子水中，用小噴壺均勻噴灑于人工土壤中并充分混勻。土壤染毒后，再補(bǔ)充去離子水至最大持水量的50%。對(duì)照中不加Cd，調(diào)節(jié)土壤含水量至最大持水量的50%。染毒土壤及對(duì)照均在20 ℃的黑暗條件下平衡48 h。

1.3.4 急性存活實(shí)驗(yàn)

1)濾紙法急性存活實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)方法參照ISO 11267-1999)：設(shè)置8個(gè)Cd濃度處理，分別為0、200、400、800、1 600、2 400、3 200、4 000 mg·kg-1，每處理設(shè)置5個(gè)重復(fù)，對(duì)照組設(shè)6個(gè)重復(fù)；在培養(yǎng)皿中鋪墊上濾紙，加入不同濃度的Cd溶液，剛好浸透濾紙，每隔24 h加入微量蒸餾水補(bǔ)充蒸發(fā)水分，以保持濾紙濕度，各培養(yǎng)皿中加入同步化的成蟲(chóng)，在人工氣候箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)條件同跳蟲(chóng)飼養(yǎng)條件；在培養(yǎng)24 h、48 h及72 h觀察跳蟲(chóng)死亡情況，記錄死亡個(gè)數(shù)。

2)人工土壤急性存活實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)方法參照ISO 11267-1999)：設(shè)置8個(gè)Cd濃度處理，分別為0、200、400、800、1 600、2 400、3 200、4 000 mg·kg-1，每處理設(shè)置5個(gè)重復(fù)，對(duì)照組設(shè)6個(gè)重復(fù)。將30 g染毒土壤裝入100 mL燒杯中，然后每個(gè)燒杯中加入已同齡化的10只跳蟲(chóng)，用封口膜封口，在人工氣候箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)條件與跳蟲(chóng)飼養(yǎng)條件相同。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行7 d后取出燒杯，加入一定量的蒸餾水，存活的跳蟲(chóng)因體表分泌油脂會(huì)漂浮到水面上，用水懸浮法記錄存活跳蟲(chóng)的數(shù)量。

1.3.5 回避實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法參照ISO 17512-2，略有改動(dòng)。設(shè)置8個(gè)Cd濃度處理0、50、100、200、400、600、800、1 000 mg·kg-1，每處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)，用隔板將回避實(shí)驗(yàn)用的特制圓柱形玻璃杯分隔為兩部分，兩部分分別加入30 g Cd污染土壤和對(duì)照土壤，然后將隔板取出，在玻璃杯的中心位置加入已經(jīng)同齡化的20只跳蟲(chóng)，再用封口膜進(jìn)行封口，放入人工氣候箱中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)條件同跳蟲(chóng)飼養(yǎng)條件。跳蟲(chóng)培養(yǎng)48 h后取出玻璃杯，小心插入隔板，將兩部分土壤分別取出，再用水懸浮法計(jì)數(shù)跳蟲(chóng)數(shù)量?；乇苈视?jì)算方法：X=nc/N×100%(X為回避率；nc為對(duì)照土壤中跳蟲(chóng)數(shù)量；N為加入土壤中的總跳蟲(chóng)數(shù))，即空白對(duì)照土壤中的跳蟲(chóng)占總跳蟲(chóng)數(shù)的百分比。當(dāng)空白對(duì)照土壤中的跳蟲(chóng)數(shù)量占總數(shù)的70%以上時(shí)，可認(rèn)為污染物對(duì)跳蟲(chóng)的環(huán)境行為產(chǎn)生了明顯影響[17]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖1。

圖1 跳蟲(chóng)回避實(shí)驗(yàn)過(guò)程注：WHC表示田間持水量，70% h表示人工氣候箱相對(duì)濕度。Fig. 1 The avoidance behavior experiment process of F. candidaNote: WHC stands for water holding capacity, 70% h stands for relatively humidity of climatic cabinate.

圖2 跳蟲(chóng)存活率及慢性繁殖抑制實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖Fig. 2 The survival and reproduction experiment processes of F. candida

1.3.6 慢性繁殖抑制實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法參照ISO 11267-1999，略有改動(dòng)。設(shè)置Cd污染7個(gè)濃度處理0、20、80、150、300、600、1 200 mg·kg-1，每組處理設(shè)置5個(gè)重復(fù)，對(duì)照組為6個(gè)重復(fù)。將30 g Cd土壤加入100 mL的燒杯中，然后將10只同齡化跳蟲(chóng)放入裝有Cd污染土壤的燒杯中，同時(shí)加入5 mg干酵母作為跳蟲(chóng)食物，封口膜封口燒杯，然后放入人工氣候箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)條件與跳蟲(chóng)飼養(yǎng)條件相同，每周開(kāi)口通氣，清除土壤表面雜質(zhì)及腐爛食物，補(bǔ)充1 mL去離子水，補(bǔ)充少量干酵母(約2 mg)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行28 d后取出燒杯用水懸浮法分別記錄成蟲(chóng)和幼蟲(chóng)的數(shù)量。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean ± SD)表示，采用SPSS 16.0、SAS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，顯著性差異采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)，SSR法進(jìn)行平均數(shù)間的多重比較，P<0.05為差異顯著。SPSS 16.0軟件進(jìn)行Probit回歸分析計(jì)算Cd對(duì)跳蟲(chóng)的半致死濃度(LC50)和半數(shù)效應(yīng)濃度(EC50)。

2 結(jié)果與分析(Results and analysis)

2.1 濾紙法急性存活實(shí)驗(yàn)

濾紙法跳蟲(chóng)存活實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3，在Cd污染濃度低于3 200 mg·kg-1的濾紙上暴露24 h后，跳蟲(chóng)未受影響，而當(dāng)Cd污染濃度達(dá)到4 000 mg·kg-1時(shí)，存活跳蟲(chóng)數(shù)量顯著降低(存活8只)(F=5.65，P<0.01)。跳蟲(chóng)在Cd污染濃度低于1 600 mg·kg-1的濾紙上暴露48 h后，存活跳蟲(chóng)數(shù)量有下降趨勢(shì)，當(dāng)Cd污染濃度達(dá)到4 000 mg·kg-1時(shí)存活跳蟲(chóng)顯著降低(存活7只)(F=7.43，P<0.01)。跳蟲(chóng)在Cd污染濃度大于200 mg·kg-1的濾紙上暴露72 h后，存活跳蟲(chóng)數(shù)量開(kāi)始下降，當(dāng)Cd污染濃度大于800 mg·kg-1時(shí)，存活跳蟲(chóng)數(shù)量顯著下降(F=23.24，P<0.01)。表明跳蟲(chóng)在不同Cd污染濃度下暴露不同時(shí)間后，存活的跳蟲(chóng)數(shù)量不同。暴露時(shí)間越長(zhǎng)，相同Cd污染濃度對(duì)跳蟲(chóng)毒害程度越大。

圖3 跳蟲(chóng)在Cd污染濾紙中暴露不同時(shí)間后的存活數(shù)注：不同字母代表處理間達(dá)顯著性差異(P<0.05)。Fig. 3 Number of F. candida survived after exposure to Cd-contaminated filter paper for different timeNote: The different letters indicate significant difference at 5% level within different treatments.

2.2 人工土壤急性存活實(shí)驗(yàn)

人工土壤跳蟲(chóng)急性存活實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4，隨著Cd濃度的增加死亡的跳蟲(chóng)數(shù)逐漸增加，存活數(shù)減少，在Cd濃度大于400 mg·kg-1時(shí)，各個(gè)濃度處理?xiàng)l件下，跳蟲(chóng)存活數(shù)與對(duì)照中跳蟲(chóng)存活數(shù)均有顯著性差異(F=48.94，P<0.05)，當(dāng)Cd濃度達(dá)到4 000 mg·kg-1時(shí)，跳蟲(chóng)幾乎全部死亡。跳蟲(chóng)的急性存活實(shí)驗(yàn)靈敏度較低，一般作為回避實(shí)驗(yàn)和繁殖實(shí)驗(yàn)的預(yù)實(shí)驗(yàn)，以便確定后續(xù)實(shí)驗(yàn)的Cd濃度。

圖4 跳蟲(chóng)在Cd污染土壤中暴露7 d后的存活數(shù)注：不同字母代表處理間達(dá)顯著性差異(P<0.05)。Fig. 4 Number of F. candida survived after exposure to Cd-contaminated soil for 7 daysNote: The different letters indicate significant difference at 5% level within different treatments.

圖5 跳蟲(chóng)在Cd污染土壤中暴露48 h后的回避行為注：不同字母代表處理間達(dá)顯著性差異(P<0.05)。Fig. 5 Avoidance behavior of F. candida after exposure to Cd-contaminate soil for 48 hoursNote: The different letters indicate significant difference at 5% level within different treatments.

2.3 回避實(shí)驗(yàn)

如圖5所示，隨著Cd濃度的增加，跳蟲(chóng)的回避率逐漸提高，在Cd濃度為1 000 mg·kg-1時(shí)，跳蟲(chóng)回避率達(dá)82.5%。在設(shè)定的Cd濃度大于200 mg·kg-1時(shí)，跳蟲(chóng)開(kāi)始表現(xiàn)出回避行為。在Cd濃度為800 mg·kg-1時(shí)，跳蟲(chóng)回避率超過(guò)70%，跳蟲(chóng)表現(xiàn)出明顯的回避行為?？梢钥闯?，跳蟲(chóng)的急性回避實(shí)驗(yàn)周期短，比急性存活實(shí)驗(yàn)更加靈敏，能夠更靈敏地表征Cd對(duì)跳蟲(chóng)的生態(tài)毒性[18]。

2.4 慢性繁殖抑制實(shí)驗(yàn)

如圖6所示，跳蟲(chóng)成蟲(chóng)數(shù)量沒(méi)有隨Cd濃度的增加而明顯減少，僅在最高濃度1 200 mg·kg-1時(shí)有部分成蟲(chóng)死亡。跳蟲(chóng)繁殖的幼蟲(chóng)數(shù)量隨著Cd濃度的增加而減少，在Cd濃度大于80 mg·kg-1的各處理，幼蟲(chóng)數(shù)量與對(duì)照組之間均有顯著性差異(F=119.14，P<0.05)。在最高Cd濃度處理下(1 200 mg·kg-1)，跳蟲(chóng)繁殖的幼蟲(chóng)數(shù)量?jī)H為對(duì)照組的6%，表明Cd對(duì)跳蟲(chóng)的繁殖有抑制作用，產(chǎn)生了慢性毒性效應(yīng)。跳蟲(chóng)繁殖幼蟲(chóng)的數(shù)量一般同成蟲(chóng)數(shù)量保持正相關(guān)，成蟲(chóng)死亡數(shù)增加，繁殖幼蟲(chóng)數(shù)量減少，與本實(shí)驗(yàn)相符。一般隨著污染物濃度的增加，跳蟲(chóng)繁殖幼蟲(chóng)數(shù)量會(huì)不斷減少。

圖6 跳蟲(chóng)在Cd污染土壤中暴露28 d后成蟲(chóng)存活數(shù)量和繁殖幼蟲(chóng)數(shù)量注：不同字母代表處理間達(dá)顯著性差異(P<0.05)。Fig. 6 Reproduction and survival of F. candida after exposure to Cd-contaminated soil for 28 daysNote: The different letters indicate significant difference at 5% level within different treatments.

2.5 跳蟲(chóng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)比較

用半數(shù)致死濃度LC50和半數(shù)效應(yīng)濃度EC50來(lái)評(píng)價(jià)Cd對(duì)跳蟲(chóng)毒性大小(表1)。Cd對(duì)跳蟲(chóng)的半數(shù)致死濃度LC50為2 086.93 mg·kg-1；跳蟲(chóng)的回避行為半數(shù)效應(yīng)濃度EC50為721.26 mg·kg-1；Cd對(duì)跳蟲(chóng)繁殖毒性的半數(shù)效應(yīng)濃度EC50為224.95 mg·kg-1?？梢钥闯?，EC50要遠(yuǎn)小于LC50，EC50更靈敏。表明回避實(shí)驗(yàn)和慢性毒性實(shí)驗(yàn)更適合進(jìn)行Cd的生態(tài)毒性評(píng)價(jià)，且繁殖抑制對(duì)土壤Cd污染更敏感。

3 討論(Discussion)

在我國(guó)，有關(guān)Cd對(duì)F. candida的毒理效應(yīng)的基礎(chǔ)研究仍比較缺乏，利用人工土壤研究Cd對(duì)F. candida的毒性，能夠?yàn)槲覈?guó)以Cd污染自然土壤為基質(zhì)研究Cd對(duì)F. candida毒理效應(yīng)提供參考，同時(shí)為研究Cd污染土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)毒理數(shù)據(jù)。跳蟲(chóng)的4種毒性實(shí)驗(yàn)均能從不同方面表征土壤中Cd的生態(tài)毒性，其中急性毒性實(shí)驗(yàn)和回避實(shí)驗(yàn)暴露時(shí)間較短，用于評(píng)價(jià)重金屬Cd對(duì)跳蟲(chóng)的急性毒性。而繁殖實(shí)驗(yàn)暴露時(shí)間較長(zhǎng)，用于評(píng)價(jià)重金屬Cd對(duì)跳蟲(chóng)的慢性毒性。

濾紙法是一種皮膚染毒的方式，該方法便捷方便。濾紙法實(shí)驗(yàn)結(jié)果所顯示的只是通過(guò)皮膚接觸溶液所產(chǎn)生的毒性信息，較難反映重金屬對(duì)環(huán)境的真實(shí)影響，但可以用于重金屬對(duì)跳蟲(chóng)的潛在毒性的早期評(píng)估實(shí)驗(yàn)[15]。土壤暴露實(shí)驗(yàn)可能較溶液暴露實(shí)驗(yàn)更能反映實(shí)際的環(huán)境影響[19]。實(shí)際環(huán)境中重金屬對(duì)跳蟲(chóng)的毒性可能不僅取決于重金屬本身的毒性，而且可能與重金屬在土壤中的行為及在跳蟲(chóng)體內(nèi)的代謝過(guò)程相關(guān)。人工土壤法能夠盡可能模擬自然土壤環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡可能真實(shí)地反映自然界中重金屬對(duì)跳蟲(chóng)的實(shí)際影響。Krogh研究[20]表明標(biāo)準(zhǔn)土壤實(shí)驗(yàn)中Cu對(duì)彈尾目F. candida的LC50平均值為1 541 mg·kg-1，本研究中Cd對(duì)F. candida的LC50值為2 086.93 mg·kg-1，表明不同重金屬對(duì)跳蟲(chóng)的LC50值在不同的研究系統(tǒng)中有較大差異。重金屬Hg對(duì)土壤跳蟲(chóng)的毒性研究有一些報(bào)道，如近期劉傳棟等[21]研究了我國(guó)4種土壤跳蟲(chóng)對(duì)重金屬Hg的響應(yīng)，利用Bliss法測(cè)得4種跳蟲(chóng)的LC50值在35～92 mg·kg-1之間；董繼鑫等[22]研究發(fā)現(xiàn)Hg在不同類型土壤中對(duì)F. candida的LC50為0.92～1.9。這些研究結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)中Cd對(duì)F. candida的LC50有很大差異，這可能與跳蟲(chóng)自身性質(zhì)差異、重金屬類型、重金屬脅迫時(shí)間以及LC50的計(jì)算方法等有關(guān)系。

表1 Cd對(duì)跳蟲(chóng)F. candida生態(tài)毒性實(shí)驗(yàn)的LC50和EC50值(mg·kg-1)Table 1 LC50 and EC50 values of Cd to F. candida in three ecotoxicity tests (mg·kg-1)

繁殖率的降低是生物體應(yīng)對(duì)外界污染的措施，會(huì)直接影響種群的數(shù)量。因此繁殖率作為亞致死劑量水平研究的指標(biāo)，一直是土壤污染物毒性研究的一個(gè)重要指示因子。跳蟲(chóng)繁殖率的EC50具有很高的有效性。本研究的繁殖抑制實(shí)驗(yàn)中EC50值為224.95 mg·kg-1，明顯低于LC50值(2 086.93 mg·kg-1)，說(shuō)明在土壤污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面，跳蟲(chóng)的繁殖率實(shí)驗(yàn)優(yōu)于跳蟲(chóng)死亡率實(shí)驗(yàn)。早期Sandifer和Hopkin[23]研究發(fā)現(xiàn)Cd對(duì)F. candida繁殖抑制的EC50值為590 mg·kg-1，高于本研究的EC50。Crommentuijn等[24]的研究表明當(dāng)Cd濃度達(dá)到326 mg·kg-1時(shí)，F(xiàn). candida的繁殖仍未受影響，而Menta等[25]的研究得出Cd對(duì)F. candida繁殖抑制的EC50值僅為47.2 mg·kg-1。Bur等[26]利用法國(guó)西南部的耕作土壤研究Cd對(duì)F. candida繁殖抑制的EC50值為182 mg·kg-1。van Gestel和Mol[27]利用人工土壤研究Cd對(duì)F. candida的毒性效應(yīng)，其繁殖抑制半數(shù)效應(yīng)濃度為193 mg·kg-1，該值與本研究的結(jié)果較一致。表明土壤性質(zhì)對(duì)Cd的跳蟲(chóng)毒性效應(yīng)有重要影響。其他重金屬的相關(guān)研究國(guó)內(nèi)也已有報(bào)道，如近期董繼鑫等[22]研究發(fā)現(xiàn)Hg在不同土壤類型中對(duì)F. candida繁殖抑制的半數(shù)效應(yīng)濃度值在0.98～2.43的范圍，且土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)與EC50濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，指出CEC可能是導(dǎo)致不同類型土壤中Hg對(duì)F. candida的毒性差異的主要原因。Liu等[11]利用北京市郊區(qū)農(nóng)田土壤研究Hg對(duì)跳蟲(chóng)的毒性效應(yīng)，其繁殖抑制半數(shù)效應(yīng)濃度EC50為9.28 mg·kg-1，該值顯著低于本研究中Cd對(duì)F. candida繁殖抑制的EC50值，這可能與重金屬本身及研究系統(tǒng)不同有關(guān)。另外，岳蕊麗等[14]研究發(fā)現(xiàn)低濃度的Cu能促進(jìn)跳蟲(chóng)的繁殖，而本研究中低濃度的Cd處理并未促進(jìn)跳蟲(chóng)的繁殖。

研究表明，跳蟲(chóng)能夠感知土壤污染物的存在，從而發(fā)生遷移行為[28-29]，回避實(shí)驗(yàn)可以作為土壤污染的早期預(yù)警工具[30-31]。本研究中不同Cd暴露濃度下回避實(shí)驗(yàn)顯示F. candida表現(xiàn)出對(duì)Cd污染的回避行為，對(duì)于高濃度Cd污染的土壤有明顯的回避行為。回避反應(yīng)的差異性可能與人工土壤中Cd的不均勻分布有關(guān)。本研究回避實(shí)驗(yàn)中EC50值為721.26 mg·kg-1，高于慢性繁殖率實(shí)驗(yàn)的EC50值(224.95 mg·kg-1)，表明對(duì)Cd污染的敏感度較死亡率的更高，而低于繁殖率實(shí)驗(yàn)的敏感度。本研究中F. candida能夠?qū)s1/3 LC50的Cd濃度產(chǎn)生明顯回避行為。李曉勇等[15]對(duì)Cu的跳蟲(chóng)毒性研究發(fā)現(xiàn)，回避實(shí)驗(yàn)中跳蟲(chóng)對(duì)Cu污染的敏感性要高于死亡率實(shí)驗(yàn)和慢性繁殖抑制實(shí)驗(yàn)。Liu等[13]研究發(fā)現(xiàn)Hg對(duì)跳蟲(chóng)回避行為的EC50值甚至低于LC50的一半，表明F. candida對(duì)重金屬污染的敏感性與重金屬類型有關(guān)。跳蟲(chóng)在有機(jī)物污染的土壤中，其回避實(shí)驗(yàn)也表現(xiàn)出很高的敏感性。如張軒等[32]發(fā)現(xiàn)全氟辛烷磺酸鹽(POFS)以及添加型溴代阻燃劑DBE-209對(duì)F. candida回避行為的EC50值顯著低于LC50值，而高于慢性繁殖的EC50值。張偲等[33]考察2種有機(jī)磷阻燃劑鄰磷雜菲基對(duì)苯二酚(ODOPB)和高分子雙酚A四苯基雙磷酸酯(SBDP)對(duì)F. candida毒理效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)繁殖抑制的EC50遠(yuǎn)大于回避行為的EC50，表明F. candida的回避行為對(duì)不同污染物的敏感性有很大差異。本研究表明慢性繁殖抑制實(shí)驗(yàn)對(duì)Cd土壤污染最敏感，用作土壤Cd污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的早期預(yù)警工具更具有優(yōu)越性。

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◆

Toxicity of Cd to Springtails (Folsomiacandida) in Soil

Bao Qiongli1, Li Wenhua1, Huang Yizong1,*, Liu Zhongqi1

Laboratory of Heavy-metal Ecotoxicity, Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China

25 April 2016 accepted 12 September 2016

Mining and smelting behaviors caused serious soil pollution by heavy metals. The health risk of Cd pollution has drawn great attention in recent years. The study on ecotoxicology of Cd contaminated soil to collembolan springtails is of great significance for ecological risk assessment. In this study, springtail species (F. candida) were exposed to soil contaminated with Cd. Ecotoxicity of Cd was assessed using the survival and reproduction, as well as the avoidance behavior of F. candida. LC50value of Cd in acute toxicity test was 2 086.93 mg·kg-1for F. candida. EC50value in chronic reproduction toxicity test was 224.95 mg·kg-1for F. candida. EC50value in the avoidance behavior test was 721.16 mg·kg-1for F. candida. Accordingly, avoidance behavior and reproduction of F. candida were significantly influenced by the presence of Cd, which would have great potential applications for accessing the toxicity of Cd contamination in soils.

Cd; F. candida; acute toxicity; chronic toxicity; avoidance behavior

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)項(xiàng)目(2015-szjj-bql)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD05B02)

保瓊莉(1982)，女，助理研究員，研究方向?yàn)橹亟饘偕鷳B(tài)毒理學(xué)，E-mail: qionglibao1982@163.com

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: yizonghuang@126.com

10.7524/AJE.1673-5897.20160425001

2016-04-25 錄用日期：2016-09-12

1673-5897(2017)2-169-08

X171.5

A

黃益宗(1970—)，博士，研究員，主要從事重金屬在土壤和植物系統(tǒng)中的遷移和轉(zhuǎn)化、污染土壤修復(fù)、酸沉降和臭氧污染脅迫對(duì)典型農(nóng)田、森林生態(tài)系統(tǒng)影響機(jī)理等方面的研究工作。

保瓊莉, 李文華, 黃益宗, 等. 土壤Cd污染對(duì)跳蟲(chóng)Folsomia candida的生態(tài)毒性[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2017, 12(2): 169-176

Bao Q L, Li W H, Huang Y Z, et al. Toxicity of Cd to springtails (Folsomia candida) in soil [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2017, 12(2): 169-176 (in Chinese)