林祥龍, 孫在金, 陳衛(wèi)玉, 姚 娜， 趙 龍, 趙淑婷, 侯 紅*

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012 2.大同市環(huán)境監(jiān)測(cè)站， 山西 大同 037002 3.江西省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院， 江西 南昌 330039 4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)， 云南 昆明 650000

銻對(duì)土壤跳蟲(chóng)(Folsomiacandida)的毒性效應(yīng)

林祥龍1, 孫在金1, 陳衛(wèi)玉2, 姚 娜3， 趙 龍1, 趙淑婷4, 侯 紅1*

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012 2.大同市環(huán)境監(jiān)測(cè)站， 山西 大同 037002 3.江西省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院， 江西 南昌 330039 4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)， 云南 昆明 650000

為了解Sb(銻)對(duì)土壤無(wú)脊椎動(dòng)物的毒性效應(yīng)及對(duì)比不同類型土壤中Sb毒性的差異，選取死亡率、逃避率、繁殖數(shù)三組個(gè)體水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)研究了3種典型土壤(海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤、北京潮土)中外源添加Sb對(duì)模式生物——跳蟲(chóng)(Folsomiacandida)的急性毒性和慢性毒性效應(yīng). 結(jié)果表明，基于實(shí)測(cè)w(Sb總)求得的上述3種土壤中Sb影響跳蟲(chóng)逃避的2 d-EC50(EC50為半數(shù)效應(yīng)濃度)分別為298、>431〔高于土壤中最高w(Sb總)〕和132 mg/kg；影響跳蟲(chóng)死亡的7 d-LC50(LC50為半數(shù)致死濃度)分別為 3 352、4 007、2 105 mg/kg；影響跳蟲(chóng)死亡的28 d-LC50分別為 2 271、1 865、703 mg/kg，影響跳蟲(chóng)繁殖的28 d-EC50分別為 1 799、1 323、307 mg/kg. 由上述毒性閾值大小可知，跳蟲(chóng)逃避率的敏感性高于死亡率和繁殖數(shù)的敏感性，不同土壤中Sb對(duì)跳蟲(chóng)的毒性大小具有顯著差異，北京潮土中Sb對(duì)跳蟲(chóng)的毒性與海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤相比最大差別接近6倍，表明不同土壤理化性質(zhì)對(duì)Sb生態(tài)毒性效應(yīng)具有顯著影響. 但基于w(Sb水提)求得的上述3種土壤中Sb的毒性閾值差異減小，說(shuō)明水提態(tài)Sb與其毒性具有顯著相關(guān)性，可以較好地解釋不同土壤間Sb毒性的差異. 該研究結(jié)果可為建立我國(guó)土壤中Sb的毒性預(yù)測(cè)模型及制訂Sb的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值提供依據(jù).

Sb； 水提態(tài)銻； 土壤類型； 白符跳； 急性毒性； 慢性毒性； 毒性差異

Abstract： Despite growing concern about the potential adverse effects of elevated antimony concentrations in soil, hardly any toxicity data are available for terrestrial invertebrates. To explore the toxicity of antimony to soil invertebrates and compare toxicity differences among different types of soil, the acute and chronic toxicity of antimony toFolsomiacandidawere assessed in three typical soils (i.e., Hailun isohumosol, Qiyang ferrosol and Beijing primosol) using mortality, avoidance and reproduction as evaluation endpoints. The 2-day EC50(i.e., concentration causing 50% toxic effect) values expressed in measured total antimony concentrations for the avoidance ofF.candidawere 298, >400 (i.e., avoidance rate did not reach 50% at the highest concentration) and 132 mg/kg, respectively. The 7-day LC50(i.e., median lethal concentration) values for the mortality ofF.candidawere 3352, 4007 and 2105 mg/kg, respectively. The 28-day LC50values for the mortality ofF.candidawere 2271, 1865 and 703 mg/kg, respectively. The 28-day EC50values for the reproduction ofF.candidawere 1799, 1323 and 307 mg/kg, respectively. The results showed that avoidance was a more sensitive endpoint than reproduction and mortality, and the toxic effect of antimony onF.candidasignificantly varied with soil types. The toxicity of antimony in Beijing primosol was maximally nearly six times higher than that of in Hailun isohumosol and Qiyang ferrosol, indicating the distinct impact of soil physicochemical properties on the toxic effect of antimony. But the differences of LC50or EC50values expressed in water-extracted antimony concentrations among the three soils decreased, indicating that the water-extracted antimony consisted with the toxicity of antimony obviously and could explain the toxicity variations among the three soils. The study can provide the basis for establishing a prediction model of antimony toxicity as well as formulating the quality standard value of antimony in soil.

Keywords： antimony; water-extracted antimony; soil types;F.candida; acute toxicity; chronic toxicity; toxicity differences

Sb(銻)是與砷同一主族的類金屬元素，世界上Sb的產(chǎn)量要遠(yuǎn)高于砷，阻燃劑、剎車片、子彈殼等含Sb產(chǎn)品在生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用[1]. 土壤中w(Sb)通常低于1 mg/kg，世界衛(wèi)生組織(WHO)[2]建議的土壤最高w(Sb)不超過(guò)35 mg/kg，但由人類活動(dòng)(燃燒化石燃料、冶煉金屬和焚燒廢物和污泥等)所造成的土壤Sb污染已越來(lái)越嚴(yán)重. 研究[3]顯示，射擊場(chǎng)附近的表層土壤中Sb的濃度和可移動(dòng)性都要高于Pb. 作為世界上Sb產(chǎn)量最大的國(guó)家，我國(guó)一些Sb礦開(kāi)采和冶煉區(qū)域的土壤中w(Sb)最高達(dá)11.8 g/kg[4]. Sb的環(huán)境化學(xué)行為雖不同于鎘、銅、鉛、鋅等重金屬，但作為生物非必需元素對(duì)生物也有著毒害作用[5]，歐盟(EU)和美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)將Sb及Sb的化合物列為優(yōu)先控制的污染物[6].

土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和環(huán)境管理的基礎(chǔ)[7]，由于缺乏基于生態(tài)效應(yīng)的毒性閾值，我國(guó)目前制定的《農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(征求意見(jiàn)稿)》中土壤Sb的標(biāo)準(zhǔn)倍受爭(zhēng)議. 隨著對(duì)Sb污染的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外有關(guān)Sb對(duì)土壤生態(tài)受體毒性效應(yīng)的研究逐漸增多，然而主要集中在Sb對(duì)微生物和植物[8-9]的毒害效應(yīng)方面. 關(guān)于Sb對(duì)土壤無(wú)脊椎動(dòng)物毒性效應(yīng)的研究，只有Kuperman等[10-11]評(píng)價(jià)了Sb對(duì)蚯蚓(Eiseniafetida、Enchytraeuscrypticus)、跳蟲(chóng)(Folsomiacandida)的毒性，梁淑軒等[12]研究了Sb對(duì)蚯蚓體內(nèi)金屬硫蛋白的影響. 并且現(xiàn)有研究只選用了單一種類的自然土壤或人工土壤，事實(shí)上由于不同類型土壤的理化性質(zhì)(有機(jī)質(zhì)、pH、CEC、質(zhì)地、鐵錳鋁含量等)各異，重金屬的生態(tài)毒性有著顯著不同. Peggy等[13]研究發(fā)現(xiàn)，22種不同土壤中銅對(duì)跳蟲(chóng)繁殖的EC50變化范圍為45.4～2 270 mg/kg;Pauline等[14]研究表明,有機(jī)質(zhì)含量高的土壤中鋅對(duì)跳蟲(chóng)的毒性顯著降低. 此外，受試生物本身在不同土壤中生活習(xí)性和生存狀況也有差別. 因此在進(jìn)行土壤中重金屬生態(tài)毒性效應(yīng)研究和確定其毒性閾值時(shí)，需考慮土壤理化性質(zhì)的影響[15-16].

跳蟲(chóng)作為土壤無(wú)脊椎動(dòng)物群落中的優(yōu)勢(shì)物種，是土壤環(huán)境的重要指示生物，其中白符跳(Folsomiacandida)由于其具有生長(zhǎng)周期短、繁殖快、操作簡(jiǎn)便、評(píng)價(jià)指標(biāo)多等優(yōu)勢(shì)，被ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)規(guī)定為土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的模式生物[17-18]. 與其他無(wú)脊椎動(dòng)物相比，跳蟲(chóng)對(duì)污染物相對(duì)更敏感，如抑菌靈對(duì)赤子愛(ài)勝蚓的LC50>1 000 mg/kg, 而對(duì)白符跳的LC50僅為0.072 mg/kg[18]；鉛影響赤子愛(ài)勝蚓繁殖的EC10為 1 100 mg/kg，而對(duì)白符跳的EC10為520 mg/kg[19]. 跳蟲(chóng)已被廣泛應(yīng)用于重金屬的生態(tài)毒性研究，如Menta等[20]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中w(Cd)為50 mg/kg時(shí)就能使跳蟲(chóng)成蟲(chóng)存活率和幼蟲(chóng)繁殖數(shù)發(fā)生顯著性變化；Son等[21]研究結(jié)果表明，跳蟲(chóng)對(duì)重金屬鎘、汞和鉛的EC50分別為60、0.23和428 mg/kg.

該研究以跳蟲(chóng)為受試生物，參照ISO標(biāo)準(zhǔn)方法指南[22-23]，從個(gè)體水平以死亡率、繁殖數(shù)、逃避率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選用我國(guó)3種理化性質(zhì)差異明顯的土壤(海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤、北京潮土)，研究土壤外源添加Sb對(duì)跳蟲(chóng)的生態(tài)毒性，并比較Sb在不同土壤類型間的毒性差異，以期為土壤Sb質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供參考.

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)所用的3種未被Sb污染的土壤分別采自黑龍江海倫、湖南祁陽(yáng)、北京朝陽(yáng)的表層土(0～20 cm)(依次簡(jiǎn)稱海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤和北京潮土). 供試土壤使用前在室內(nèi)自然條件下風(fēng)干，剔除植物根系及石塊后，過(guò)2 mm篩，測(cè)定土壤理化性質(zhì)(見(jiàn)表1). 具體測(cè)定方法：pH采用電極法測(cè)定；w(有機(jī)質(zhì))采用重鉻酸鉀氧化法[24]測(cè)定；CEC(陽(yáng)離子交換量)采用非緩沖硫脲銀法[25]測(cè)定；土壤質(zhì)地采用激光粒度儀測(cè)定；土壤經(jīng)濕式消解法(HF-HClO4-HNO3)前處理后，采用ICP-OES(RIS Advantage)測(cè)定w(總鐵)、w(總錳)、w(總鋁)；土壤經(jīng)草酸銨和草酸緩沖溶液提取后，采用ICP-MS(Agilent 7500)測(cè)定w(非晶質(zhì)氧化鐵)、w(非晶質(zhì)氧化錳)、w(非晶質(zhì)氧化鋁)[26].

1.2 供試跳蟲(chóng)

供試跳蟲(chóng)由中國(guó)科學(xué)院南京土壤所提供，參照ISO 11267[23]，飼養(yǎng)在培養(yǎng)皿(90 mm×13 mm)中，培養(yǎng)皿底部鋪有約0.5 cm厚的培養(yǎng)基(活性炭與熟石膏質(zhì)量比為1∶9，加去離子水?dāng)嚢杈鶆颍淠坛尚魏蠓胖? d后使用). 采用干酵母作為跳蟲(chóng)的食物，使用人工氣候箱控制飼養(yǎng)條件，溫度為(20±1)℃，光照與黑暗比為16 h∶8 h(光照強(qiáng)度為400～800 lx)，空氣濕度為75%. 每3 d打開(kāi)蓋子補(bǔ)足空氣，必要時(shí)為培養(yǎng)基補(bǔ)充適量去離子水，加入適量食物，及時(shí)清除培養(yǎng)基表面的發(fā)霉的食物殘?jiān)退劳龅奶x(chóng)尸體，保持培養(yǎng)基表面清潔濕潤(rùn)，每2個(gè)月更換一次培養(yǎng)基.

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

為降低跳蟲(chóng)蟲(chóng)齡和個(gè)體大小差異對(duì)試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)前跳蟲(chóng)需進(jìn)行同齡化培養(yǎng). 參照ISO 11267[23]，將培養(yǎng)皿中150～200只成蟲(chóng)移入新制培養(yǎng)皿中，加入少量干酵母(約5 mg)，在人工氣候箱中培養(yǎng). 等到跳蟲(chóng)在培養(yǎng)基表面產(chǎn)卵并孵化出幼蟲(chóng)后，移走成蟲(chóng)，3 d后將幼蟲(chóng)轉(zhuǎn)移到新培養(yǎng)皿中培養(yǎng)，繼續(xù)培養(yǎng)7～9 d后可用于正式試驗(yàn). 同齡化期間培養(yǎng)條件與飼養(yǎng)條件相同.

1.3 土壤外源Sb添加

土壤中外源Sb以酒石酸銻鉀(C8H4K2O12Sb2·3H2O，優(yōu)級(jí)純)水溶液的方式進(jìn)行添加. 急性逃避試驗(yàn)中土壤w(Sb總)設(shè)為0、50、100、200、400 mg/kg；急性存活試驗(yàn)中土壤w(Sb總)設(shè)為0、800、1 200、1 600、2 400、4 800 mg/kg；慢性試驗(yàn)中土壤w(Sb總)設(shè)為0、100、200、400、800、1 200、1 600、2 400 mg/kg. 充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，于溫室中?duì)添加Sb的土壤進(jìn)行一周的老化，老化期間添加去離子水保持50%～55%的最大可持水量.

1.4 土壤中w(Sb水提)及w(Sb總)測(cè)定

采取土樣，風(fēng)干過(guò)2 mm篩后稱取2 g土壤樣品置于50 mL塑料離心管中，加入20 mL去離子水，在25 ℃和60 r/min條件下振蕩2 h后，于 4 000 r/min條件下離心10 min，上清液用0.45 μm的醋酸纖維濾膜過(guò)濾[27]，用ICP-MS測(cè)定濾液中Sb的含量. 同時(shí)稱取過(guò)0.25 mm篩的0.1 g土樣，加入HF-HClO4-HNO3(2∶1∶3)消解后過(guò)濾，用ICP-OES測(cè)定濾液中Sb的含量[28]. 測(cè)定過(guò)程中用國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW-07410)作為質(zhì)控.

1.5 跳蟲(chóng)毒理試驗(yàn)

1.5.1 急性毒性試驗(yàn)

急性逃避試驗(yàn)用的圓柱形玻璃杯用塑料隔板分隔為兩部分，分別加入30 g老化后濕潤(rùn)的污染土壤和清潔對(duì)照土壤，將隔板取出，在玻璃杯的中心位置加入20只10～12 d大小的跳蟲(chóng)，每濃度設(shè)4個(gè)重復(fù)，蓋上玻璃杯蓋子，在人工氣候箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)條件同跳蟲(chóng)飼養(yǎng)條件. 培養(yǎng)48 h后取出玻璃杯，加入隔板，將兩部分土壤分別取出，用水浮法(活的跳蟲(chóng)會(huì)浮在水面上)對(duì)跳蟲(chóng)數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù). 逃避率計(jì)算公式[29]：

x=nc/N×100%

式中：x為逃避率，%；nc為對(duì)照土壤中跳蟲(chóng)數(shù)量，只；N為加入土壤中的跳蟲(chóng)總數(shù)，只.

急性存活試驗(yàn)的方法為稱取30 g濕土于有機(jī)玻璃杯，加入10只10～12 d大小的跳蟲(chóng)，每濃度設(shè)4個(gè)重復(fù)，加蓋后放在人工氣候箱中培養(yǎng)7 d，培養(yǎng)過(guò)程中不添加酵母，其他培養(yǎng)條件同跳蟲(chóng)飼養(yǎng)條件. 培養(yǎng)結(jié)束后，用水浮法對(duì)存活的跳蟲(chóng)進(jìn)行計(jì)數(shù).

1.5.2 慢性毒性試驗(yàn)

稱取30 g濕土于有機(jī)玻璃杯，加入10只10～12 d 大小的跳蟲(chóng)，試驗(yàn)組處理設(shè)4個(gè)重復(fù)，對(duì)照組為6個(gè)重復(fù)，加入5 mg干酵母，蓋上蓋子后放在人工氣候箱中培養(yǎng)28 d，培養(yǎng)條件同跳蟲(chóng)飼養(yǎng)條件. 一周開(kāi)蓋通氣3次，并補(bǔ)充少量去離子水和干酵母，培養(yǎng)結(jié)束后，用水浮法對(duì)成蟲(chóng)和繁殖的幼蟲(chóng)數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù).

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Logistic方程[30]擬合土壤w(Sb)和跳蟲(chóng)毒性效應(yīng)，根據(jù)擬合曲線計(jì)算LC50和EC50. 采用SPSS 11.5 進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與比較，采用OriginPro 8.5進(jìn)行繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中實(shí)測(cè)w(Sb總)和w(Sb水提)

土壤質(zhì)控樣品中測(cè)得的w(Sb總)與參考值誤差在6%以內(nèi)，說(shuō)明測(cè)得的w(Sb總)是可信的. 如圖1所示，海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤和北京潮土中實(shí)測(cè)w(Sb總) 與理論值有著很好的一致性，回收率分別為90%～115%(平均值為103%)、93%～111%(平均值為106%)和89%～120%(平均值為112%). 該研究中毒性閾值的計(jì)算基于土壤實(shí)測(cè)w(Sb總).

3種土壤中w(Sbg加，w(Sb總)為 4 800 mg/kg時(shí)海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤和北京潮土中最大w(Sb水提)分別達(dá)到183、80、301 mg/kg. 不同土壤中各濃度Sb的水提態(tài)比例差異明顯：海倫黑土中w(Sb水提)為2.3%～3.6%(平均值為2.7%)；祁陽(yáng)紅壤中w(Sb水提)為0.3%～1.6%(平均值為0.6%)；北京潮土中w(Sb水提)為6.5%～9.6%(平均值為8.1%).

圖1 3種土壤中w(Sb總)和w(Sb水提)Fig.1 The concentrations of total antimony and water-extracted antimony in three soils

圖2 跳蟲(chóng)逃避率與土壤w(Sb總)和w(Sb水提)的劑量-效應(yīng)關(guān)系Fig.2 Dose response curves of the avoidance behavior of F. candida between soil total Sb and water-extracted Sb

2.2 Sb對(duì)跳蟲(chóng)的急性毒性效應(yīng)

急性逃避試驗(yàn)過(guò)程中在不同Sb濃度處理的土壤中未發(fā)現(xiàn)死亡和失蹤的跳蟲(chóng)個(gè)體，符合ISO規(guī)定要求(即死亡或失蹤率小于10%)[22]. 如圖2所示，在三種對(duì)照組土壤中跳蟲(chóng)分布比較均勻，雖然隨著土壤w(Sb總)提高，整體而言跳蟲(chóng)的逃避率逐漸增大，但跳蟲(chóng)在北京潮土中的最高逃避率顯著高于海倫黑土和祁陽(yáng)紅壤中的逃避率(P<0.05). 經(jīng)計(jì)算，海倫黑土、北京潮土中基于實(shí)測(cè)w(Sb總)求得的Sb對(duì)跳蟲(chóng)逃避行為的EC50(見(jiàn)表2)分別為298、132 mg/kg，基于w(Sb水提)求得的EC50分別為8.4、14.3 mg/kg，祁陽(yáng)紅壤中EC50值高于設(shè)置的最高w(Sb).

暴露7 d后對(duì)照組土壤中跳蟲(chóng)死亡率均小于20%，從而保證了試驗(yàn)的有效性. 如圖3所示，跳蟲(chóng)存活數(shù)量在3種土壤中隨著w(Sb總)或w(Sb水提)提高而減少，并且試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在高濃度土壤中其應(yīng)激性反應(yīng)明顯減弱. 海倫黑土和祁陽(yáng)紅壤中w(Sb總)范圍為800～1 600 mg/kg和w(Sb水提)范圍分別為20.1～45.8 mg/kg和6.4～24.5 mg/kg時(shí)，跳蟲(chóng)存活率均在85%以上，w(Sb總)達(dá) 2 400 mg/kg和w(Sb水提)分別達(dá)84.4和51.8 mg/kg后兩種土壤中跳蟲(chóng)存活率開(kāi)始顯著降低(P<0.05). 北京潮土中跳蟲(chóng)最高死亡率達(dá)到100%，其存活數(shù)與Sb濃度間表現(xiàn)出最明顯的劑量-效應(yīng)關(guān)系. 經(jīng)計(jì)算，海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤和北京潮土中基于實(shí)測(cè)w(Sb總)求得的Sb對(duì)跳蟲(chóng)死亡的LC50(見(jiàn)表2)分別為 3 352、4 007、2 105 mg/kg，基于w(Sb水提)求得的LC50分別為107.9、79.1、153.8 mg/kg.

表2 基于w(Sb總) 實(shí)測(cè)值和w(Sb水提)求得的Sb對(duì)跳蟲(chóng)毒性的LC50和EC50

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為95%置信區(qū)間；1)所設(shè)濃度范圍內(nèi)逃避率未達(dá)到50%.

圖3 暴露7 d后跳蟲(chóng)存活數(shù)與土壤w(Sb總)和w(Sb水提)的劑量-效應(yīng)關(guān)系Fig.3 Dose response curves of the 7 d-survival of F. candida between soil total Sb and water-extracted Sb

2.3 Sb對(duì)跳蟲(chóng)的慢性毒性效應(yīng)

28 d的暴露后對(duì)照組土壤中成蟲(chóng)存活率均高于80%，符合ISO關(guān)于試驗(yàn)有效性的標(biāo)準(zhǔn). 如圖4所示，海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤、北京潮土中w(Sb總)分別為 1 600、800、200 mg/kg和w(Sb水提)分別為45.7、6.5、18.7 mg/kg時(shí)，與對(duì)照組相比，成蟲(chóng)存活率開(kāi)始出現(xiàn)明顯降低(P<0.05). 海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤中成蟲(chóng)最高死亡率分別為87%和70%，而北京潮土中成蟲(chóng)最高死亡率接近100%. 經(jīng)計(jì)算，海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤和北京潮土中基于實(shí)測(cè)w(Sb總)求得的Sb對(duì)跳蟲(chóng)死亡的LC50(見(jiàn)表2)分別為 2 271、1 865、703 mg/kg，基于w(Sb水提)求得的LC50分別為61.1、35.5、54.9 mg/kg.

圖4 暴露28d后跳蟲(chóng)存活數(shù)與土壤w(Sb總)和w(Sb水提)的劑量-效應(yīng)關(guān)系Fig.4 Dose response curves of the 28 d-survival of F.candida between soil total Sb and water-extracted Sb

圖5 跳蟲(chóng)繁殖數(shù)與土壤w(Sb總)和w(Sb水提)的劑量-效應(yīng)關(guān)系Fig.5 Dose response curves of the juveniles of F. candida between soil total Sb and water-extracted Sb

對(duì)照組土壤中繁殖的幼蟲(chóng)數(shù)均高于100只，符合ISO關(guān)于試驗(yàn)有效性的標(biāo)準(zhǔn). 如圖5所示，幼蟲(chóng)數(shù)量與w(Sb)之間表現(xiàn)出明顯的劑量-效應(yīng)關(guān)系，并且隨著成蟲(chóng)數(shù)量的減少而降低. 海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤和北京潮土中w(Sb總)分別為800、400、200 mg/kg，w(Sb水提)分別為20.1、2.9、18.7 mg/kg時(shí)，與對(duì)照組相比，跳蟲(chóng)繁殖開(kāi)始受到明顯抑制(P<0.05). 海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤中w(Sb總)均為 2 400 mg/kg，北京潮土中w(Sb總)為800 mg/kg時(shí)，跳蟲(chóng)幾乎不再繁殖，幼蟲(chóng)數(shù)分別僅為對(duì)照組的2%、9%和5%. 經(jīng)計(jì)算，海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤和北京潮土中基于實(shí)測(cè)w(Sb總)求得的Sb對(duì)跳蟲(chóng)繁殖的EC50(見(jiàn)表2)分別為 1 799、1 323、307 mg/kg，基于w(Sb水提)求得的EC50分別為56.1、17.8、25.4 mg/kg.

3 討論

跳蟲(chóng)的急性逃避和急性存活試驗(yàn)快速而且靈敏，作為預(yù)試驗(yàn)可為慢性毒性試驗(yàn)提供依據(jù)和參考[31]. Ponge等[32]研究發(fā)現(xiàn)某些污染物雖然對(duì)跳蟲(chóng)的毒性不大，卻能引起它的逃避行為. 李曉勇等[33]研究發(fā)現(xiàn)跳蟲(chóng)總體上表現(xiàn)出對(duì)Cu污染明顯的逃避行為，并且在3 d的暴露下跳蟲(chóng)死亡率和w(Cu)顯著正相關(guān). 該研究發(fā)現(xiàn)跳蟲(chóng)對(duì)Sb具有較強(qiáng)的敏感性，能對(duì)土壤中遠(yuǎn)低于LC50的w(Sb)產(chǎn)生逃避反應(yīng)，但Sb的急性致死毒性較低，跳蟲(chóng)死亡率的靈敏度遠(yuǎn)低于逃避行為(見(jiàn)表2)，這與文獻(xiàn)[34]所研究鉛、鎘等對(duì)跳蟲(chóng)毒性的發(fā)現(xiàn)一致，原因是跳蟲(chóng)能靈敏的感知環(huán)境中的毒物脅迫并逃離至更適宜生存的地方[31]，雖然急性存活試驗(yàn)中不添加食物，跳蟲(chóng)在食用與銻絡(luò)合的有機(jī)質(zhì)后會(huì)中毒死亡，但是由于Sb較低的毒性和土壤w(Sb)較低時(shí)，會(huì)有部分跳蟲(chóng)逃避到玻璃瓶側(cè)壁上，以致7 d后仍有很多跳蟲(chóng)不會(huì)死亡，只有暴露于較高w(Sb)的土壤中跳蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)能力很快喪失或受到嚴(yán)重削弱，致使其中毒死亡.

跳蟲(chóng)慢性毒性試驗(yàn)從成蟲(chóng)存活數(shù)和幼蟲(chóng)繁殖數(shù)兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)Sb生態(tài)毒性，更符合實(shí)際情況，并且暴露周期長(zhǎng)達(dá)28 d，即使暫時(shí)逃避到玻璃瓶側(cè)壁上的成蟲(chóng)也會(huì)進(jìn)入土壤中覓食. 由毒性閾值(見(jiàn)表2)可知慢性試驗(yàn)中跳蟲(chóng)繁殖對(duì)Sb的敏感性高于成蟲(chóng)死亡的，與有關(guān)其他污染物的研究結(jié)果一致，如Pauline等[14]發(fā)現(xiàn),土壤w(Zn)達(dá)到1 600 mg/kg時(shí)，跳蟲(chóng)成蟲(chóng)存活依然未受到影響，而w(Zn)為356 mg/kg時(shí)對(duì)跳蟲(chóng)繁殖的抑制率達(dá)到50%，這可能與跳蟲(chóng)遇到脅迫時(shí)往往會(huì)通過(guò)放棄生殖繁衍來(lái)優(yōu)先適應(yīng)環(huán)境，維持自身存活的生理特征有關(guān)[35].

具有不同理化性質(zhì)的土壤中重金屬的環(huán)境行為(吸附、遷移、轉(zhuǎn)化等)不同，使其在不同土壤中的毒性差異明顯[36-37]. 該研究結(jié)果表明，無(wú)論是急性和慢性試驗(yàn)，w(Sb總)相同時(shí)，北京潮土中Sb均表現(xiàn)出對(duì)跳蟲(chóng)最強(qiáng)的毒性，在所設(shè)濃度范圍內(nèi)，祁陽(yáng)紅壤中Sb未使跳蟲(chóng)逃避率達(dá)50%，對(duì)跳蟲(chóng)急性死亡的毒性也最小. 這是因?yàn)樘x(chóng)除了經(jīng)口攝入重金屬外還主要通過(guò)接觸土壤溶液中的重金屬而產(chǎn)生暴露[38]，該研究選用的海倫黑土中較高的有機(jī)質(zhì)、祁陽(yáng)紅壤中較高的鐵鋁及黏粒成分和較低的pH使Sb極易與土壤結(jié)合[26,39-43]，降低Sb在土壤水溶液中的分配比(見(jiàn)圖1)，從而減少對(duì)跳蟲(chóng)的毒害. Kuperman等[10]得出的硫酸銻〔Sb2(SO4)3〕對(duì)跳蟲(chóng)繁殖的EC50為169 mg/kg，比北京潮土中的EC50(307 mg/kg)還要低，雖然其受試化學(xué)品本身的毒性不同于該試驗(yàn)中酒石酸銻鉀(C8H4K2O12Sb2·3H2O)，但也與其選用了對(duì)Sb吸附性差的有機(jī)質(zhì)、黏粒含量較低的土壤有關(guān). 利用Logistic曲線對(duì)土壤w(Sb水提)與跳蟲(chóng)生理指標(biāo)的毒性反應(yīng)進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)，二者存在明顯的劑量-效應(yīng)關(guān)系，而且基于w(Sb水提)求得的三種土壤中毒性閾值之間的差異減小，如北京潮土中基于w(Sb水提)求得的Sb對(duì)跳蟲(chóng)繁殖的EC50(見(jiàn)表2)與海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤中的差別僅分別為2.2和1.4倍，而基于w(Sb總)求得的EC50與上述兩種土壤中的差別分別達(dá)到5.9、4.3倍，這進(jìn)一步說(shuō)明w(Sb水提)在對(duì)跳蟲(chóng)的毒性影響上起重要作用，能表征Sb生物有效性，可以較好的解釋三種土壤中Sb毒性的差異.

雖然祁陽(yáng)紅壤水溶液中w(Sb)顯著低于海倫黑土中的(P<0.01)，但基于w(Sb總)求得的EC50值(見(jiàn)表2)卻小于海倫黑土中的(P<0.05). 這是因?yàn)樘x(chóng)適宜生存于有機(jī)質(zhì)豐富的土壤中，但pH較低和高黏性的土壤對(duì)跳蟲(chóng)生長(zhǎng)與繁殖有一定限制作用[44-45]. 該研究中祁陽(yáng)紅壤pH為4.81，接近跳蟲(chóng)適應(yīng)范圍邊緣，黏粒含量高達(dá)55.2%，影響土壤中空氣流通，并且慢性毒性試驗(yàn)中跳蟲(chóng)暴露周期長(zhǎng)達(dá)28 d，所以黏粒含量和pH可能共同導(dǎo)致了海倫黑土中跳蟲(chóng)對(duì)Sb較低的敏感性.

4 結(jié)論

a) 由海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤、北京潮土中Sb毒性閾值大小可知，跳蟲(chóng)的3種評(píng)價(jià)終點(diǎn)對(duì)Sb的敏感性由高到低分別為逃避率、死亡率、繁殖數(shù).

b) 北京潮土中Sb表現(xiàn)出對(duì)跳蟲(chóng)最強(qiáng)的毒性，與海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤中Sb毒性相比，毒性差別最大接近6倍，表明在進(jìn)行土壤Sb生態(tài)毒性效應(yīng)研究和確定其毒性閾值時(shí)需考慮理化性質(zhì)的影響.

c) 土壤水提態(tài)Sb能表征Sb生物有效性，在對(duì)跳蟲(chóng)的毒性影響上起重要作用，可以較好地解釋海倫黑土、祁陽(yáng)紅壤、北京潮土中Sb毒性的顯著差異，另外土壤性質(zhì)本身對(duì)跳蟲(chóng)生存的影響也是重要原因. 但由于該研究選取的土壤類型較少，只是定性分析得出土壤pH、有機(jī)質(zhì)、鐵錳鋁等對(duì)Sb毒性有較大影響，而要定量確定影響Sb毒性的主因子，后續(xù)研究中則需選取更多的土壤類型.

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Toxicity Effect of Antimony to Soil-Dwelling Springtail (Folsomiacandida)

LIN Xianglong1, SUN Zaijin1, CHEN Weiyu2, YAO Na3, ZHAO Long1, ZHAO Shuting4, HOU Hong1*

1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.Datong Environmental Monitoring Center, Datong 037002, China 3.Jiangxi Academy of Environmental Sciences, Nanchang 330039, China 4.Yunnan Agricultural University, Kunming 650000, China

2016-11-07

2017-02-20

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0800400)

林祥龍(1991-)，男，山東臨沂人，m15110038821@163.com.

*責(zé)任作者，侯紅(1963-)，女，山西太原人，研究員，博士，主要從事土壤重金屬生物地球化學(xué)循環(huán)和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究，houhong@craes.org.cn

X53

1001- 6929(2017)07- 1089- 09

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.12

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