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TheEffects of Nano-Zinc Oxide on the Avoidance Behavior of Armadilidium vulgare Under Acidic Soil Conditions WANG Zhi，ZHANGYu-fei，LIUNian（ColegeofLifeSciencesandFodEngineeing，Shaanxi Xueqian NormalUniversity，Xi’an， Shaanxi 710100）

AbstractObjective]Toexploretheifluenceofnano-zincoxideontheavoidancebehaviorofAmadilidiumulgareunderacidiccondi tions.[Method]The Armadilidium vulgare and soil in natural environment were usedas experimental materials， ΔpH were set at 4-5 and gt;5-6 ，and nano-zinc oxide were kept at 250， 500，750， 1000mg/kg ， respectively. ［Result]The experimental conditions that could induce the avoidance behavior of Armadilidium vulgare were 5Ar 1 madilidium vulgare.At the same concentration of nano-zinc oxide，with the decrease of pH ，the avoidance rate of the Armadilidium vulgare was ncreasedonlusion]Bothsoilacidityandnano-zincoxidehadsignificantipactonthavoidancebehaviorofArmadilidiumulgare. The Armadilidium vulgare can serve as an indicator species for soil pollution monitoring.

KeywordsArmadillidiumvulgare;Soil monitoring;Avoidancebehavior;Nano-zincoxide;Avoidancerate;Acidiccondition

納米技術的出現(xiàn)被認為是自工業(yè)革命以來最大的工程創(chuàng)新。2001—2016年我國在納米技術方面的總投資估計超過了10億美元[1]。納米 znO 是眾多重金屬中的一種人工納米金屬氧化物，因其具有獨特的微小結構、良好的團聚性能、生物相容性等特點，已被用于化妝品（作為防曬霜中的紫外線吸收劑）油漆和涂料中[2]，并得到規(guī)?；a(chǎn)和廣泛應用，這就使得納米 ZnO 不可避免擴散到周圍環(huán)境中，而土攘是一個重要的匯集之地[3]。2014年，國家環(huán)保部和國土資源部發(fā)布的《全國土壤資源調(diào)查報告》指出 16.1% 的農(nóng)田土壤質(zhì)量超標，污染場地中包括鋅在內(nèi)的重金屬（類金屬）污染場地占 82.8%^[4] ，這說明我國的土壤污染日益嚴重，土壤資源退化和生態(tài)系統(tǒng)惡化已成為需要嚴肅對待和迫切治理的重大問題。在此背景下，污染土壤的監(jiān)測、評價和修復技術受到國內(nèi)外的廣泛關注[5-9]，對污染土壤的監(jiān)測則成為首要問題。

目前的土壤環(huán)境監(jiān)測試驗大多將赤子愛勝蚓（Eiseniafetida）作為指示物種[10]，而陸生等足目動物作為生活在地表凋落層中的一類無脊椎土壤動物，它們能最大限度地接觸土壤中的重金屬等污染物，其中的平甲鼠婦（PorcellioscaberLa-treille，18O4）和多霜臘鼠婦（PorcellionidespruinosusBrandt，1833）也已被用于評估和監(jiān)測金屬的生物利用度相關的研究項目中[1-17]。普通卷甲蟲（Armadilidium vulgare）為陸生等足目動物中的一種，屬卷甲蟲科（Armadillidiidae）卷甲蟲屬（Armadillidium），為世界廣泛分布物種，因其身體能卷成球形，體背斑紋與西瓜紋相似，又常被稱為“西瓜蟲”鼠姑[2]該動物作為陸生等足類分布最廣泛的物種之一，其易獲得、數(shù)量多等特點使其有望成為土壤環(huán)境監(jiān)測試驗的指示物種之一。回避行為是動物遇到不利環(huán)境的逃避反應，其試驗方法正逐步被標準化，它在土壤系統(tǒng)功能診斷上的意義也已得到廣泛的認可與應用，目前已被蚯蚓、等足自動物等多種動物用于評估毒性效應的反應結點[18-19]，陸生等足類的回避行為試驗也已作為污染土壤的早期篩查與毒性評價工具[0]該研究旨在探討酸性土壤條件下納米 znO 對普通卷甲蟲回避行為的影響，以期能夠模擬在酸雨和納米 z_nO 二者共同作用下對普通卷甲蟲回避行為的影響，評估普通卷甲蟲回避行為與土壤污染的相關性，并依此對被污染土壤進行生物監(jiān)測。

1材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1供試土壤及動物。該研究所用土壤取自陜西學前師范學院校園內(nèi)的自然土壤（自然土壤最初 pH 為8.1），從 0～ 15cm 土壤表層普通卷甲蟲生活區(qū)域中采集并過篩（10目），自然平衡14d，風干待用。普通卷甲蟲采集自陜西學前師范學院校園蔭蔽潮濕環(huán)境中，所選個體在大?。?10～12mm ）、體型、色澤、生活力等方面均無明顯差異，在實驗室室溫條件下以原生活區(qū)域中枯葉飼喂待用。

1.1.2儀器及試劑。 pH 計（?，攦x器儀表有限公司）；電子天平（精確度0.001，上海邦西儀器科技有限公司）；納米 znO 粉末（ 20nm） ；磷酸二氫鉀（ KH₂PO₄ ）；燒杯；量筒；藥匙。

1.2 試驗方法

1.2.1預試驗。普通卷甲蟲與多霜臘鼠婦同屬潮蟲亞目，有一定的親緣關系，地位相近。以多霜臘鼠婦的納米 znO 土壤半致死濃度 1757～3369mg/kg 為參考[20]，在正式試驗開始之前將 20nmZnO 分別在土壤1500和 2 000mg/kg 濃度下的致死情況作為預試驗。

1.2.2回避行為試驗。采用塑料方盒（長 30cm ，寬 20cm 高 10cm， 為容器，將一塊不滲水的塑料擋板插入塑料方盒內(nèi)，分成體積相等的 室兩部分。稱取前文所述過篩土壤400g ，一半（ 200g） 加入A室，一半（ 200g） 加入B室，B室添加不同濃度梯度的納米 znO （其土壤濃度設置為250、500、750.1000mg/kg， ，并添加 KH₂PO₃ 以調(diào)節(jié)土壤 ΔpH （土壤 pH 梯度設置為 4～5.gt;5～6 至預定 ΔpH 區(qū)間。 _A，B 兩室均勻噴灑蒸餾水 60mL （使土壤持水量約為 30% ），其中A組為對照組，B組為試驗組。

待 ^1h 后溶液全部滲人土壤中，在塑料方盒外壁做明顯標志標記中間位置，取掉塑料隔板，將待用的10只普通卷甲蟲放在塑料方盒標記的中間土壤表面，使其可自由移動。實驗室溫度 （22±1）^°C ，光周期 12L：12D，48h 后在標記的塑料方盒中間位置插入塑料隔板，以阻斷動物在A、B2個區(qū)室之間的正常移動。準確記錄所有方盒中A、B室中的動物個數(shù)（手動記錄，防止有動物鉆進土壤導致結果不準確），若有動物被插入的塑料擋板分為兩部分，則不管該動物殘體的兩部分長度如何，均被分別記為0.5只。每只動物只用于一次試驗，每個組合重復3次。具體試驗裝置和步驟見圖1。

圖1回避行為反應測試試驗方案[10]

Fig.1Scheme of the avoidance behaviour response test [10]

用于計算群體試驗中動物回避率的公式如下：

NR=[（C-T）/N]×100%

式中：NR為凈回避率； c 為潔凈土壤中動物的數(shù)目； T 為污染土壤中的動物數(shù)目； N 為加人土壤中的動物總數(shù)。以回避率NR=0 為界限，當NR為正數(shù)，計算回避率，當回避率大于80% ，則表明具有回避反應；當NR為負數(shù)，表明試驗動物無明顯的回避反應[2]

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計利用SPSS26.0對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，以 pH 和納米 ZnO 濃度為2個單因素，以回避率為測量指標進行方差分析。

2 結果與分析

將動物放置于試驗盒內(nèi)開始計時，人為觀察統(tǒng)計普通卷甲蟲在塑料方盒內(nèi)的行為， 48h 內(nèi)未觀察到普通卷甲蟲的逃逸現(xiàn)象，但在進行pH為4～5且土壤納米 znO 濃度為500mg/kg 的第一次試驗時，B區(qū)的一只普通卷甲蟲死亡，在其他試驗組中未發(fā)現(xiàn)死亡情況。

土壤 pH 在 4～5.gt;5～6 時普通卷甲蟲的回避率如表1所示。由表1可見，土壤 ΔpH 在 gt;5～6 時，在最低濃度的納米znO 條件下（ 250mg/kg 動物有 50% 的回避率，納米 znO 濃度為 750mg/kg 時，動物表現(xiàn)出回避反應。土壤pH在4～5時，在最低濃度的納米 znO 條件下（ 250mg/kg） ，動物的回避率為 63.33% ，高于 ΔpH 為 gt;5～6 且同濃度納米 znO 時的回避率 （50.00%） ，納米 ZnO 濃度為 500mg/kg 時動物即表現(xiàn)出回避反應?？偟膩碚f，土壤 pH 為4～5時動物的回避率明顯高于土壤 ΔpH 為 gt;5～6 時的回避率（除納米 znO 濃度為750mg/kg 時不同土壤 pH 條件下動物回避率相同外），能夠引起普通卷甲蟲回避反應的試驗條件為 pH 在 gt;5～6 且納米znO 濃度為 750mg/kg 或 ΔpH 在4～5且納米 znO 濃度為500mg/kg_o （2

表1土壤pH在 4～5，gt;5～6 時普通卷甲蟲的回避率

Table1 Avoidance rate of A.vulgare with the soil pH were 4-5 and gt; 5-6

注：不同小寫字母表示差異顯著 （Plt;0.05） 。Note：Different lowercase letters in the same column indicate significantdifference（ Plt;0.05） ：

使用雙因素方差分析檢驗土壤 ΔpH 和納米 znO 濃度對普通卷甲蟲回避率的差異，結果如表2所示，該動物在不同土壤 pH 、不同納米 znO 濃度條件下的回避率存在極顯著差異 （Plt;0.01） 。而且2種因素下動物的回避率也存在顯著的交互作用（ Plt;0.05） 。通過LSD檢驗比較納米 znO 濃度在回避率上的差異發(fā)現(xiàn)，回避率從小到大的納米 znO 濃度分別為250.500.750.1000mg/kg 。在 pH 相同時，普通卷甲蟲的回避率會隨著納米 znO 濃度的上升而增大，總體呈現(xiàn)上升趨勢。

表2主體間效應檢驗

Table2Test of between-subjects effects

3討論

該研究中，處于不同試驗條件下的普通卷甲蟲回避率明顯不同，表明普通卷甲蟲對于土壤系統(tǒng) ΔpH 以及重金屬濃度變化感知非常敏感。同時，在一定程度上，不同 ΔpH 土壤環(huán)境、不同納米 znO 濃度下的普通卷甲蟲的回避率也可為土壤污染監(jiān)測提供參考依據(jù)。土壤 pH 和納米 znO 濃度對動物回避率的影響存在交互作用，說明土壤 ΔpH 和納米 znO 濃度不僅明顯影響動物的回避行為，這2個因素的聯(lián)合作用也對動物的回避行為產(chǎn)生明顯影響。Heggelund等[22]在研究不同土壤 pH 下溶解鋅（ Zn²⁺ ）、非納米和納米 znO 對赤子愛勝蚓毒性比較時發(fā)現(xiàn)，土壤孔隙水總鋅含量與土壤pH呈負相關，pH 為4.5的低 ΔpH 土壤孔隙水鋅含量最高;Waalewijn-Kool等[23]研究 pH 對改良土壤中納米 znO 對彈尾目動物白符（Folsomiacandida）的影響時也發(fā)現(xiàn)類似趨勢，而且納米 znO 毒性隨土壤孔隙水 Z_n 濃度的增加而升高;Bian等[24]研究納米 znO 在水環(huán)境中的聚集和分解時發(fā)現(xiàn)，土壤 ΔpH 為6～9時，土壤孔隙水 Z_n 濃度最低，即納米 znO 溶解度最低。這些研究結果可以解釋土壤 ΔpH 和納米 znO 濃度對普通卷甲蟲回避率的影響中起主要作用的是土壤 pH ，簡而言之就是由于土壤pH變化影響納米 z_nO 的表面電荷，進而影響其在土壤中的溶解度，而納米 znO 的毒性與其溶解釋放的 Zn²⁺ 濃度有關[25]，動物通過攝入土壤顆粒中溶解的 Zn²⁺ （吸入或口服）染毒[23，26]，從而影響動物的回避行為，但具體原因可能更復雜，還需考慮其他因素如土壤性質(zhì)等。

由于各種物質(zhì)對土壤的污染程度各不相同，它們會通過各種媒介進行遷移、累積，從而對人類的身體產(chǎn)生危害，在社會不斷發(fā)展的今天，人們越來越關注土壤污染的監(jiān)測和防治，這是今后的一個主要工作。生物監(jiān)測具有一定的靈敏度和可靠性，特別是對一些初步被輕度污染的土壤系統(tǒng)，生物監(jiān)測有助于人們及時采取措施避免深度污染。利用生物反應對土壤環(huán)境污染狀況進行有效監(jiān)測，不僅可有效實現(xiàn)土壤監(jiān)測的全面性、高效性，同時還可降低監(jiān)測成本，提高監(jiān)測效率與監(jiān)測質(zhì)量等，可為土壤污染狀況監(jiān)測提供有效依據(jù)。

4結論

該研究結果表明，土壤的 pH 和納米 znO 濃度均影響普通卷甲蟲的回避行為，在同一 pH 條件下，后者濃度越高，動物的回避率越高;同一納米 znO 濃度下，土壤pH越低，動物的回避率越高。若只考慮土壤的 pH 和納米 ZnO 濃度2個因素，引發(fā)普通卷甲蟲發(fā)生回避反應的最低試驗條件為 ΔpH 在gt;5～6 且納米 znO 濃度為 750mg/kg 或 ΔpH 在4～5且納米znO 濃度為 500mg/kg 。

總的來說，如果能夠改善或優(yōu)化此次試驗中未曾考慮到的潛在影響因素，普通卷甲蟲的回避行為試驗對土壤酸化和土壤重金屬污染的生態(tài)監(jiān)測是一個重要的補充試驗，普通卷甲蟲也可成為土壤系統(tǒng)的指示物種之一。

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