＊蘇 馳

（南華大學(xué)資源環(huán)境與安全工程 湖南 421001）

隨著經(jīng)濟(jì)的日漸發(fā)展，人類活動(dòng)產(chǎn)生的大量有毒污染物，會(huì)通過(guò)各種途徑進(jìn)入水體，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)和人體健康造成嚴(yán)重威脅。Cahill and Unger[1]研究發(fā)現(xiàn)，一些水域遭受重金屬污染，并且污染程度日趨嚴(yán)重，如美國(guó)印第安納州大卡柳梅特河（Grand Calumet River）的一條支流底泥中重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)受到人們的廣泛關(guān)注。水體重金屬污染是一種常見(jiàn)的環(huán)境污染問(wèn)題，主要由工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)引起。重金屬在水體中可以長(zhǎng)期存在，對(duì)生物和人類健康構(gòu)成威脅[2]。水體中存在大量可溶解重金屬，其中無(wú)色重金屬元素污染不易被察覺(jué)，因此需要進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)才能了解水體重金屬污染情況[3]。根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)局毒物與疾病登記處的調(diào)查，列舉了20種最具危害性的污染物，其中重金屬污染（鎘、銅、鉛等）排在前列[4]。當(dāng)水體中重金屬濃度達(dá)到一定水平時(shí)，可對(duì)動(dòng)物、植物產(chǎn)生嚴(yán)重影響。并且，某些重金屬元素在水生生物體內(nèi)難降解、易累積，它可引起這些生物急性與慢性中毒，并通過(guò)食物鏈具有生物放大作用[5]。研究顯示，重金屬污染可對(duì)水生生態(tài)環(huán)境造成影響，也對(duì)人們生存環(huán)境造成危害，因此亟需評(píng)估水環(huán)境健康狀況。水環(huán)境評(píng)價(jià)最常用的方法是檢測(cè)水體中各類理化指標(biāo)，即通過(guò)這些指標(biāo)開(kāi)展相應(yīng)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。然而僅依靠理化方法評(píng)估水環(huán)境健康狀況是存在局限性的，因?yàn)槲纯紤]環(huán)境生物對(duì)污染物的生物利用度，缺少重金屬等對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境的毒性效應(yīng)評(píng)估，故開(kāi)展水體重金屬污染對(duì)水生生物生態(tài)毒性效應(yīng)評(píng)價(jià)顯得十分重要與緊迫[6]。毒性實(shí)驗(yàn)可用于評(píng)估毒物對(duì)生物體和生態(tài)系統(tǒng)的影響，是生物指標(biāo)測(cè)定和生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估的重要手段[7]。

1.重金屬元素對(duì)水生生物生態(tài)毒性效應(yīng)

大多重金屬元素對(duì)人體和水生生物均具有嚴(yán)重的危害，長(zhǎng)時(shí)間蓄積可通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移，其在水生生物體內(nèi)的半衰期可長(zhǎng)達(dá)10～35年[8]。水生生物作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其多樣性能夠客觀反映生態(tài)環(huán)境健康狀況。近年來(lái)，利用水生生物對(duì)棲息環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，讓其作為一種科學(xué)、環(huán)保且經(jīng)濟(jì)的評(píng)價(jià)方法已得到廣泛應(yīng)用。

（1）魚(yú)類對(duì)水體重金屬污染的響應(yīng)。魚(yú)類是水生態(tài)系統(tǒng)的重要指示生物，其對(duì)污染物的敏感性可以反映水質(zhì)環(huán)境的質(zhì)量。魚(yú)類與人類基因相似，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)人類健康具有一定的參考價(jià)值。此外，魚(yú)類容易飼養(yǎng)，因此被廣泛用于水質(zhì)環(huán)境檢測(cè)。汪紅軍等[9]以青鳉為受試生物，研究不同重金屬對(duì)其的生態(tài)毒性效應(yīng)，研究表明該生物對(duì)重金屬鎘、鋅、銅和汞較為敏感，其中魚(yú)類的呼吸可作為生物指示。周斯蕓等[10]以魚(yú)類為受試生物研究了化學(xué)污染物對(duì)水生生物的毒性效應(yīng)，主要以青鯔魚(yú)、斑馬魚(yú)、紅鯉魚(yú)這三種受試生物為主，研究Cd對(duì)生物的毒性效應(yīng)，考察本地魚(yú)類作為毒性評(píng)價(jià)受試生物的可行性。結(jié)果表明，三種魚(yú)類的敏感性依次為：青鯔魚(yú)＞斑馬魚(yú)＞紅鯉魚(yú)，不同屬種，敏感性不同。作為中國(guó)土生土長(zhǎng)的紅鯉魚(yú)被證明可與其它兩種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的指示生物（斑馬魚(yú)和青鯔魚(yú)）同樣可用于水生生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。

（2）藻類對(duì)水體重金屬污染的響應(yīng)。藻類是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，與其他高等植物相比，藻類的繁殖速度更快、生長(zhǎng)要求更低，因此培養(yǎng)更加方便[11]。微藻在生態(tài)毒理學(xué)研究領(lǐng)域常被用作環(huán)境污染敏感指示生物，其毒性測(cè)試的終點(diǎn)是評(píng)估化學(xué)物質(zhì)對(duì)生物的毒性程度，可以通過(guò)測(cè)量光合作用、藻類生長(zhǎng)、可溶性多糖、蛋白質(zhì)、脂類的合成及酶活性等指標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。藻類的生長(zhǎng)情況通過(guò)測(cè)定細(xì)胞數(shù)量來(lái)進(jìn)行表征，光合作用是重金屬脅迫下其最先響應(yīng)。熊邦[12]利用普通小球藻和原殼小球藻進(jìn)行生物測(cè)試,在不同濃度和暴毒周期下，Pb對(duì)兩種小球藻生理生化及光合作用相關(guān)功能基因的影響。結(jié)果表明，普通小球藻和原殼小球藻對(duì)Pb十分敏感，且Pb對(duì)小球藻具有抑制作用。Pb對(duì)兩種小球藻的三種光合作用相關(guān)功能基因表現(xiàn)出持久性毒性，暴露時(shí)間越長(zhǎng)，Pb對(duì)三種基因的毒性越大。在環(huán)境研究方面同樣具有良好的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)作用。王琳等[13]研究不同重金屬對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)及葉綠素的影響，結(jié)果表明銅與鋅對(duì)該生物具有顯著的抑制效果。

（3）介形類對(duì)水體重金屬污染的響應(yīng)。介形類屬于節(jié)肢動(dòng)物門甲殼綱，為水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。該生物是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)生物，具有體型小、分布廣、數(shù)量多、易采集、敏感性高、易培養(yǎng)等特點(diǎn)。Dos Santos Lima等[14]研究了四種金屬（銅、鎘、汞、錳）對(duì)介形類Chlamydotheca sp.攝食率和食物偏好的影響，結(jié)果顯示該生物可能在受到毒物化學(xué)脅迫后觸發(fā)了其生物防御機(jī)制，提高了能量需求，從而導(dǎo)致?lián)涫陈试黾印nandakumar等[15]研究了工業(yè)廢水對(duì)介形類Cypridopsis species多樣性的影響，發(fā)現(xiàn)物種多樣性明顯受到污染廢水影響。

國(guó)外對(duì)生態(tài)毒理學(xué)方面的研究已十分成熟，但國(guó)內(nèi)只有小眾研究者對(duì)其展開(kāi)研究。三種水生生物對(duì)重金屬都具有較好的敏感性，但相比之下介型類成本低，分布范圍廣，更適合開(kāi)展環(huán)境評(píng)價(jià)。

2.聯(lián)合毒性實(shí)驗(yàn)與模型預(yù)測(cè)

毒性實(shí)驗(yàn)可通過(guò)測(cè)定生物指標(biāo)來(lái)評(píng)估毒物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，是生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估的重要方法。將受試暴露于毒物中，觀察其死亡率等指標(biāo)的變化，以評(píng)估污染程度，是生物環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的方法之一。

單一毒性實(shí)驗(yàn)的大量研究，為污染治理和環(huán)境保護(hù)提供了科學(xué)基礎(chǔ)[15]。但重金屬元素混合污染的毒性作用往往是多種因素共同作用的結(jié)果，而不僅僅是單一重金屬的毒性作用。重金屬元素混合物對(duì)環(huán)境和人體的影響可能存在協(xié)同或拮抗等現(xiàn)象[16]。重金屬元素混合污染的毒性作用難以預(yù)測(cè)，且危害嚴(yán)重。因此，開(kāi)發(fā)新技術(shù)、構(gòu)建模型是評(píng)估混合污染物危害的重要手段，可提高評(píng)估的準(zhǔn)確性和可靠性。

(1)獨(dú)立作用模型與濃度加成模型

最初，由于技術(shù)條件的限制，混合污染物毒性評(píng)價(jià)主要采用定性方法。隨著技術(shù)的進(jìn)步，定量評(píng)價(jià)模型逐漸發(fā)展起來(lái)，為混合污染物毒性評(píng)價(jià)提供了更加科學(xué)和可靠的手段。濃度加和模型與獨(dú)立作用模型是目前聯(lián)合毒性預(yù)測(cè)的兩種主要方法[17]。

IA模型假設(shè)化學(xué)物質(zhì)通過(guò)不同作用方式影響生物體，因此它們的影響在統(tǒng)計(jì)上相互獨(dú)立[18]。

式中，cmix表示混合物中各個(gè)組分的濃度之和；ci表示混合物達(dá)到x%效應(yīng)時(shí)組分i的濃度；E(ci)表示組分i獨(dú)自作用達(dá)到x%效應(yīng)時(shí)的濃度。

CA模型假設(shè)化學(xué)物質(zhì)具有相同作用方式。該模型以濃度為基礎(chǔ)，對(duì)作用相似的化學(xué)物質(zhì)毒性進(jìn)行求和，并按比例反映它們的相對(duì)毒性。

式中，pi表示的是化合物中組分i濃度占混合物濃度的比例；ECx,i是組分i達(dá)到x效應(yīng)時(shí)的濃度；ECx,mix是多種組分達(dá)到x效應(yīng)時(shí)的濃度，當(dāng)ECx,mix等于1時(shí)，表明混合物之間的為加和作用；小于1時(shí)為協(xié)同作用；大于1時(shí)為拮抗作用。

Silva等[19]以大型蚤（Daphnia magna）為指示生物評(píng)估人為活動(dòng)導(dǎo)致的常見(jiàn)污染物對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的影響，使用標(biāo)準(zhǔn)化毒性測(cè)定分析污染物在二元和四元混合狀況下的潛在相互作用。結(jié)果顯示，聯(lián)合毒性主要表現(xiàn)為拮抗作用，但也表現(xiàn)出劑量水平和劑量比依賴性偏差，IA模型為四元混合物提供了更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，CA模型則高估了混合物毒性。

(2)聯(lián)合毒性實(shí)驗(yàn)?zāi)M拓展

①TSP預(yù)測(cè)模型

CA和IA模型在混合物的毒性預(yù)測(cè)中存在局限性，容易出現(xiàn)低估或高估的情況，TSP模型克服了這些局限性。TSP模型是用于評(píng)估混合污染物聯(lián)合毒性的模型，可用于判別相同或不同作用方式污染物組成的混合體系的聯(lián)合毒性。TSP模型的基本原理是先使用CA模型預(yù)測(cè)污染物聯(lián)合毒性，然后使用IA模型修正CA模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，以提高預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。CA和IA模型只能預(yù)測(cè)具有相同作用機(jī)制或相同作用位點(diǎn)的混合物毒性，而TSP模型則可以預(yù)測(cè)具有不同作用機(jī)制或不同作用位點(diǎn)的混合物毒性。該模型的計(jì)算公式如下：

式中：E（Cmix,i）代表混合物中組分i的聯(lián)合毒性；n表示混合體系中組分之和。

②TSP模型應(yīng)用

Altenburger等發(fā)現(xiàn)，TSP模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)混合污染物的聯(lián)合毒性。他們將TSP模型應(yīng)用于多環(huán)芳炷和甲基對(duì)硫磷等聯(lián)合毒性預(yù)測(cè)，并驗(yàn)證了這一結(jié)論。Mo等研究發(fā)現(xiàn)，TSP模型比CA模型和IA模型更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了6種酚類化合物和6種重金屬混合物對(duì)青海弧菌Q67的毒性，其預(yù)測(cè)誤差顯著低于CA模型和IA模型，表明TSP模型在預(yù)測(cè)混合污染物聯(lián)合毒性方面更準(zhǔn)確。

3.結(jié)論與展望

水生生物是水生態(tài)中重要組成部分，其對(duì)重金屬有較強(qiáng)的敏感性，利用其監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)環(huán)境具有全面性、直接性等優(yōu)勢(shì)。單一毒性研究是生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)，但它無(wú)法完全滿足生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的需求?；旌衔廴疚锸巧鷳B(tài)環(huán)境中的主要污染物，單一毒性研究結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)混合污染物的毒性效應(yīng)。因此，許多研究者將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)向聯(lián)合毒性研究，并開(kāi)發(fā)了一系列聯(lián)合毒性模型，以提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的質(zhì)量。而混合物研究的難點(diǎn)在于，環(huán)境中污染物種類多、濃度變化大、作用機(jī)理復(fù)雜，導(dǎo)致聯(lián)合毒性難以預(yù)測(cè)。因此，發(fā)展準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的新方法和新模型是未來(lái)研究方向，更好地考慮復(fù)雜體系中各組分的相互作用及其毒理學(xué)機(jī)制。