原生動物生態(tài)毒理實驗的研究現(xiàn)狀

王 慧，王 鑫

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，全世界每年有數(shù)以千計新合成的化學(xué)物質(zhì)被投放到地球上，而人們對其可能存在的毒性認識遠比不上它們生成的速度.這些化學(xué)物質(zhì)進入環(huán)境后，與各種生物和非生物因子接觸，對生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和人類自身健康造成了現(xiàn)實和潛在的危害.因此，正確評價各種化學(xué)品的生態(tài)毒理效應(yīng)、監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量是保護生態(tài)環(huán)境、拯救生態(tài)危機的重要前提之一.

人們逐漸認識到單一地依賴理化監(jiān)測難以反映出污染物對生物體及生態(tài)系統(tǒng)的影響的綜合效應(yīng)，不能對污染作出綜合評價和治理.有效利用原生動物對環(huán)境污染進行監(jiān)測與凈化，從不同層次上分析污染危害程度，預(yù)報污染和改善生態(tài)環(huán)境，受到越來越多的關(guān)注.

1 原生動物的生態(tài)學(xué)地位

原生動物在自然界中分布極為廣泛，是組成自然水域的重要生態(tài)類群，它們所形成的復(fù)雜的種類聚合體組成了水生生態(tài)系統(tǒng)中完整的生態(tài)單元，體現(xiàn)了整個水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的許多特征，如群落的穩(wěn)定性及對環(huán)境變化的反應(yīng)等等.由于原生動物種類多、數(shù)量大并因理化環(huán)境與食物等生態(tài)因子和營養(yǎng)類型的差異而占據(jù)有不同的生態(tài)位，因而它們?nèi)郝涞拿黠@改變在很大程度上可以影響到食物網(wǎng)的組成，因此直接或間接地影響其他較低和較高生物類群的分布和豐度［1］.在水生生態(tài)系統(tǒng)中，作為捕食者(或初級消費者)和被捕食者的原生動物在物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程中扮演了十分重要的角色.一方面，它們通過對有機顆粒物、細菌和藻類的攝食和吸收，直接將能量進行轉(zhuǎn)化，使較復(fù)雜的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成較簡單的成分并得以在水環(huán)境中再循環(huán).同時，通過它們的攝食作用，刺激了藻類和細菌的生長，促進了有機物的分解，加速了水體中物質(zhì)循環(huán)與能量轉(zhuǎn)換.另一方面，從種類的多樣性、結(jié)構(gòu)上的特殊性及分布特點來看，原生動物可作為污染評價理想的指示生物［2］.

2 原生動物作為毒理評價試驗的優(yōu)勢

一般來講，一種生物的結(jié)構(gòu)越簡單、個體越小、相對的表面積越大、對周圍介質(zhì)的化學(xué)作用的體表保護性就越不完善，對環(huán)境變化就越敏感.與較高等生物比較，單細胞的原生動物更密切地與它們所生存的環(huán)境直接接觸，因而對環(huán)境變化(如水體污染)具有更短、更迅速的反應(yīng)時間.

在污染物毒性的實驗室生物測試(Bioassay)和在野外水污染生物監(jiān)測研究中，魚類、大型底棲無脊椎動物，大型浮游動物、藻類等被作為主要試驗材料和指示生物，原生動物在污染評價中的作用而往往受到忽視.比較而言，較高等動物不論在實驗室的設(shè)備選擇，還是在野外采集樣品都有很大的局限性.從種類的多樣性，結(jié)構(gòu)上的特殊性及分布特點來看，原生動物可作為污染評價理想的指示生物.

由于原生動物生長繁殖速度快，能夠在較短的時間里測試出毒物對其在幾個世代水平上生長、繁殖、代謝及其他生理生化特性的影響，而這種結(jié)果對高等試驗動物來講則需數(shù)天、數(shù)月甚至數(shù)年以上的時間才能獲得，而且后者在實驗設(shè)備和采樣工具及步驟比前者復(fù)雜昂貴得多.

另外，絕大多數(shù)原生動物種類為世界性分布，不受季節(jié)和地區(qū)差異的限制.作者在英國Lough Neagh湖鑒定的108種和在德國Stechlin湖記錄的128種原生動物在我國的淡水環(huán)境中均可發(fā)現(xiàn).這些相同的種類作為生態(tài)毒性評價的指示生物，使數(shù)據(jù)的可靠性和可比性程度大大提高，因此是很理想的指示生物.

原生動物和其他微型生物一起組成了許多水生系統(tǒng)生物量的主要部分.按照單位面積或體積計數(shù)種類和計算其重量，原生動物和其他微型生物在水生生態(tài)系統(tǒng)中處于優(yōu)勢地位，所以魚類及其他高等生物不論在實驗室還是在自然狀況下對污染的忍受限度與反應(yīng)方式不可能代表整個水生群落的忍受與反應(yīng)水平［4-5］.

總之，由于原生動物結(jié)構(gòu)簡單，生命周期短，對污染反應(yīng)迅速，水體環(huán)境的突然變化能及時從原生動物群落的變化上反映出來.因此在監(jiān)測評價水質(zhì)的瞬時變化(如瞬時排污)和長期內(nèi)的連續(xù)變化(長期效應(yīng))方面，原生動物作為理想的監(jiān)測生物具有不可替代的作用.

3 原生動物在生態(tài)毒理實驗中的研究現(xiàn)狀

原生動物作為指示生物已被廣泛應(yīng)用于水體環(huán)境以及土壤環(huán)境如河流、湖泊的污染指示與監(jiān)測，同時對化學(xué)物質(zhì)毒性評價、土壤環(huán)境污染也有一定的研究，這些評價與監(jiān)測主要通過研究原生動物個體數(shù)量變化、群落結(jié)構(gòu)變化、細胞分子水平變化來進行.

3.1 原生動物在重金屬毒理實驗中的研究現(xiàn)狀

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人口的增加，各種工業(yè)廢水和生活廢水越來越嚴重地污染著水資源與土地資源，特別是重金屬污染已引起國內(nèi)外的極大關(guān)注，重金屬進入土壤后對動物、植物、微生物形成永久性潛在危害，污染脅迫作用使敏感種或個體消亡，加速了資源危機，因而污染程度的及早監(jiān)測及污染治理效果的評價顯得尤為重要.目前水體中的原生動物作為淡水生態(tài)系統(tǒng)受污染程度的指示生物和早期預(yù)報系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用，且比較完善并被標(biāo)準化.重金屬污染可以導(dǎo)致原生動物群落組成、結(jié)構(gòu)和物種多樣性發(fā)生變化.

馬正學(xué)等［6］發(fā)現(xiàn)，鉛鋅礦采礦廢物污染土壤中，原生動物群落物種多樣性顯著下降，在鑒定到的66種原生動物中，對照土壤中有65種，而污染土壤中只有4種.理論上污染土壤與對照土壤中原生動物種類、組成應(yīng)相似，但由于鉛鋅礦采礦廢物污染，導(dǎo)致群落中大量不耐污種類消亡，只留下少數(shù)耐鉛鋅污染的種類.腐生波豆蟲(Bodoputrinus)和梅氏扁豆蟲(Phacodiniummetchnicoffi)被認為是鉛鋅類污染土壤的指示種.

Campbell等［7］用齒脊腎形蟲做的毒性實驗的結(jié)果表明:重金屬的毒性為Cu＞Ni＞Zn，與Madoai等用活性污泥中的纖毛蟲做毒性實驗得出的結(jié)果Cu＞Hg＞Cd＞Zn一致.

景體淞等［8］研究鎘(Cd2+)、鉛(Pb2+)、銅(Cu2+)對梨形四膜蟲的毒性作用，結(jié)果表明Cd2+、Pb2+、Cu2+對梨形四膜蟲的種群生長具有明顯的抑制作用，梨形四膜蟲對Cd2+反應(yīng)最敏感.

徐忠東等［8］采用單細胞凝膠電泳技術(shù)(SCGE)，研究重金屬 Cd2+在不同濃度(5 μm、10 μm、20 μm、30 μm)條件下對四膜蟲核 DNA損傷作用.以拖尾率、細胞損傷率及專用單位為指標(biāo)，探討DNA損傷級別與處理濃度間的相關(guān)性.結(jié)果顯示，隨著濃度濃度的增加，拖尾率、細胞損傷率及專用單位均呈上升趨勢，表明重金屬Cd2+對四膜蟲核DNA損傷具有明顯的濃度效應(yīng)(r=0.976，p=0.002).

牛世全等［9］研究了甘肅省白銀市重金屬復(fù)合污染土壤及對照土壤中原生動物的群落特征.結(jié)果表明，污染導(dǎo)致原生動物物種減少，群落多樣性下降，污染土壤中原生動物群落結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)簡單化和不穩(wěn)定化，群落演替呈次生演替趨勢.跳側(cè)滴蟲(Pleuromonasjaculans)為污染土壤中的優(yōu)勢種類，對土壤環(huán)境受重金屬銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、汞(Hg)復(fù)合污染有指示作用.

3.2 原生動物在農(nóng)藥毒理實驗中的研究現(xiàn)狀

人類生存的環(huán)境中有著大量的農(nóng)藥殘留，對環(huán)境和生物的破壞是多方面的，農(nóng)藥在日常使用過程中，只有大約1%作用于靶生物，其余的或殘留于土壤中，或通過徑流進入水域，影響土壤和水體中的生物.

目前，中國是第二大農(nóng)藥生產(chǎn)國.全國現(xiàn)有農(nóng)藥品種約200個，農(nóng)藥企業(yè)約2000家，加工制劑約600種，每年生產(chǎn)(有效成分)25萬噸農(nóng)藥.主要農(nóng)藥種類有有機磷類、除蟲菊酯類、除草劑和殺菌劑農(nóng)藥.田間使用農(nóng)藥量的約80%直接進入土壤環(huán)境，隨后其中大部分又經(jīng)農(nóng)作物的澆灌和雨水作用而匯集到水體中，對水生生態(tài)系統(tǒng)造成很大影響.農(nóng)藥對非靶性生物的安全性是評價農(nóng)藥對環(huán)境影響的重要指標(biāo)，所以水生生態(tài)系統(tǒng)中重要組成類群如藻類、原生生物、輪蟲、蝦和魚等成為評價農(nóng)藥安全的主要研究對象.農(nóng)藥對水生生物的影響可以表現(xiàn)在分子、組織、器官、個體以及種群、群落水平.原生動物處于水生生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的基層，對有毒物質(zhì)高度敏感，長期以來一直作為生態(tài)毒理學(xué)研究的重要實驗動物.

MaCrae等［10］研究了殺蟲劑林丹和DDT對土壤原生動物的影響.他們發(fā)現(xiàn)，5～50 mg·L-1的林丹和DDT對土壤原生動物都產(chǎn)生抑制效應(yīng)，不同的是DDT的長期毒性作用比林丹更明顯.研究結(jié)果說明，施用DDT的土壤3個月后對原生動物的抑制效應(yīng)仍然明顯，而施用林丹的土壤2個月后抑制效應(yīng)消失.

Ekelund等［11］研究了殺真菌劑——葑丙嗎琳對農(nóng)田土壤原生動物——尾滴蟲(Cercomonassp.)、腎形蟲(Colpoda sp.)、星棘變形蟲(Acanthamoeba sp.)的毒性效應(yīng).結(jié)果表明，對于這幾種原生動物，葑丙嗎琳比兩種殺蟲劑——抗蚜威和樂果的毒性更強.而尾滴蟲比腎形蟲和星棘變形蟲對葑丙嗎琳更敏感.

Petz等［12］研究了殺真菌劑— —代森錳鋅(抗馬鈴薯晚疫病農(nóng)藥)和高丙體六六六對云杉林土壤生物區(qū)系的影響.實驗用了兩個濃度組:0.096 g/m2和6 g/m2，結(jié)果表明，代森錳鋅不會對土壤原生動物產(chǎn)生急性致毒效應(yīng)，也不會對其絕對數(shù)量產(chǎn)生長期影響，只有土壤纖毛蟲的群落結(jié)構(gòu)在施藥90 d后與空白對照組相比有所不同.而高丙體六六六對土壤纖毛蟲有著急性致毒效應(yīng)，纖毛蟲的數(shù)量和種群結(jié)構(gòu)在施藥90 d后仍難以恢復(fù).此研究還發(fā)現(xiàn)有殼肉足蟲比纖毛蟲對殺蟲劑的抗性更強.

嚴東文等［13］研究了我國自主研發(fā)的一種新型除草劑單嘧磺酯對原生動物群落的毒性，結(jié)果表明，原生動物群落急性中毒的最大無致死量為0.25 g·L-1，隨著單嘧磺酯質(zhì)量濃度的增加，原生動物種類越來越少，肉足類的變形蟲耐受力最差，其次是鞭毛類，其中以固著型纖毛蟲和后生動物的耐受力最好，且單嘧磺酯質(zhì)量濃度越大，其耐受優(yōu)勢越明顯.

王莉霞等［14］以PFU采集的原生動物群落為受試對象，研究了氰戊菊酯48 h的急性毒性，得出半數(shù)致死濃度LC50為15.83 mg·L-1，安全濃度LC10為2.09 mg·L-1，加入氰戊菊酯后，原生動物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，各個功能類群均受到不同程度的損傷較高的耐受性，隨著氰戊菊酯濃度的增加，其在群落中的優(yōu)勢度更加明顯.氰戊菊酯的加入致使原生動物群落結(jié)構(gòu)簡單化，對生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動產(chǎn)生較大影響.

3.3 原生動物在有機化合物毒理實驗中的研究現(xiàn)狀

世界上相繼發(fā)生的化學(xué)品添加劑污染所造成的公害事件，已經(jīng)使成千上萬的人畜蒙難受害.在有毒有害物質(zhì)迅速增加和中毒病不斷暴發(fā)的事實面前，世界許多國家的政府和毒理學(xué)工作者由被動的受害轉(zhuǎn)入積極的防御.一方面為防止化學(xué)品的污染而制定法律和法規(guī)，禁止使用一些有毒或有害的合成化合物，特別是那些在環(huán)境中持久殘留的物質(zhì)以及致畸、致癌、致突變物或可疑物，加強對新化學(xué)品的安全性毒理學(xué)評價，并嚴格管理有毒有害產(chǎn)品;另一方面積極開展對中毒病(包括動物中毒病)的病因、中毒機理、診斷和防治措施等廣泛深入的科學(xué)研究.黃衛(wèi)紅等［15］以原生動物嗜熱四膜蟲為靶生物，在PPYS培養(yǎng)基和無機鹽培養(yǎng)基中，研究了生長穩(wěn)定期間的四膜蟲暴露于 50 μg·L-1、250 μg·L-1和1000 μg·L-1的六氯苯(HCB)的中短期生物毒性.研究結(jié)果表明，培養(yǎng)體系中營養(yǎng)物質(zhì)的存在可以降低和緩解HCB對四膜蟲的生物毒性.

星炯浩等［16］應(yīng)用HyperChem7.0計算與鹵代苯酚對四膜蟲毒性相關(guān)的量化參數(shù)以及自己設(shè)計的結(jié)構(gòu)編碼參數(shù)，對31種鹵代酚的毒性做了定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)研究.陳旭等［17］為探討苯酚的毒性，選用蛋白核小球藻及原生動物群落進行了種群及群落水平的毒性測試.結(jié)果表明，苯酚對蛋白核小球藻的LC50為338 mg/L，對原生動物群落的 EC50為 85.95 mg/L，EC20為9.76 mg/L，EC5為 3.29 mg/L.

王正方等［18］人用三聚氰胺對纖毛類原生動物梨形四膜蟲進行細胞毒性研究，結(jié)果顯示，三聚氰胺對梨形四膜蟲的生長速率具有抑制作用，并且這種抑制作用與三聚氰胺濃度成正相關(guān)性，其IC50值為0.78 g·L-1.細胞同時發(fā)生形變.

夏柳蔭［19］用五氯苯酚對原生動物群落進行毒性研究，結(jié)果表明，此原生動物群落急性中毒的最大無致死和最小全致死濃度范圍是0.4～40 mg·L-1，半數(shù)致死濃度為2.40 mg·L-1.在PCP染毒條件下，原生動物群落結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出簡單化趨勢，隨著PCP濃度的增加，原生動物種類越來越少.肉足類原生動物對PCP耐受能力最差，鞭毛類稍強，纖毛類耐受能力最好，且PCP濃度越大，其耐受優(yōu)勢越明顯.

4 目前存在的問題

原生動物毒性實驗在評價河流、湖泊甚至近海水域方面得到了廣泛應(yīng)用，在污水處理方面尤其在活性污泥技術(shù)方面得到了良好的效果.毒性試驗的模式生物主要是四膜蟲，其他類型研究不多.在現(xiàn)實環(huán)境中，污染物常是多來源、多種類的復(fù)合污染，他們之間可能存在拮抗、疊加或協(xié)同作用，同時可能受到自然條件、理化性質(zhì)的影響.生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性使人們較難精確地測出化學(xué)毒物對環(huán)境的危害.因此，眾多污染物的聯(lián)合毒性監(jiān)測也有待進一步展開.原生動物在土壤環(huán)境監(jiān)測中也有它的不足之處，表現(xiàn)為:一是種類多，鑒定困難.只能粗略地估計原生動物的數(shù)量，無法把采樣時活動的和形成包囊的數(shù)量區(qū)分開來;不同的培養(yǎng)基誘導(dǎo)出來的土壤原生動物數(shù)量和種類往往不同，這樣就會影響可比度.二是數(shù)量大，計數(shù)費時，常會過高或過低地估計原生動物的個體豐度.目前研究的土壤原生動物僅占實際種類的20% ～30%，大部分土壤原生動物只是悄無聲息地生活在我們的腳下，卻不為人們所知.因此，分類學(xué)上的欠缺也是阻礙土壤原生動物作為監(jiān)測生物的瓶頸.

5 展望

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境污染問題更加嚴峻，加大環(huán)境保護投入，提高公民環(huán)境保護意識，加強環(huán)境監(jiān)測尤為重要.充分認識原生動物在生態(tài)系統(tǒng)中重要性，不斷改進、完善原生動物監(jiān)測研究方法，特別是加強土壤原生動物的分類研究，改進細胞水平毒性試驗研究，與理化檢測相互補充、修正，對試驗參數(shù)，應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)分析和計算機處理，建立數(shù)學(xué)模型，以充分發(fā)揮原生動物在環(huán)境監(jiān)測中的作用.為評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、保護生態(tài)環(huán)境、恢復(fù)重建生態(tài)、合理利用自然資源提供依據(jù).

［1］ Beaver J R，Crisman T L.The role of ciliated protozoa in pelagic freshwater ecosystem.Microbial Ecology，1989，17:111-136.

［2］ Shen Y F，Zhang Z S.Modern biomonitoring techniques using freshwater protozoa.China Architecture ＆Building Press，Beijing，1990.

［3］ Shen Y F，Zhang Z S.Modern biomonitoring techniques using freshwater protozoa.China Architecture ＆Building Press，Beijing，1990.

［4］ Cairns J Jr，Dahlberg M L，Dickson K L，et al.The relationship of freshwater protozoan communities to the MacArthur-Wilson equilibrium model.Amer Nat，1969，103:439-454.

［5］ Cairns J Jr.Are single species toxicity tests alone adequate for estimating environmental hazard?Hydrobiologia，1983，100:47-57.

［6］ 馬正學(xué)，龔大潔，寧應(yīng)之，等.鉛鋅礦采礦廢物污染對土壤原生動物的影響［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報，2002，14(3):44-49.

［7］ Campbell C D，Warren A，Cameron CM，et al.Direct toxicity assessment of two soils amended with sewage sludge contaminated with heavy metals using a protozoan(Colpodo steinii)bioassay.Chemosphere，1997，34，501-514.

［8］ 徐忠東，陶瑞松，耿明，等.Cd2+對四膜蟲DNA損傷的作用［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35(34):10943-10968.

［9］ 牛世全，寧應(yīng)之，馬正學(xué)，等.重金屬復(fù)合污染土壤中原生動物的群落特征［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報，2002，14(3):44-48.

［10］ Macrae IC，Vinckx E.Effect of lindane and DDT on populations of portozoa in a garden soil.Soil Biol Biochem，1973，5(2):245-247.

［11］ Ekelund F.The impact of fungicide fenpropirnorph(Corbel)on bacterivorous and fungivorous portozoa in soil［J］.Journal of Applied Ecology，1999，36:233-243.

［12］ Petz W，F(xiàn)oissner W The effects of mancozeb and lindane on the soil microfauna of a spruce forest:a field study using a completely randomized black design ［J］.Biol Fertil Soils，1989，7:225-231.

［13］嚴東文，田慶玲，鄭占英，等.單嘧磺酯對原生動物群落的毒性［J］.農(nóng)藥，2008，47(1):61-64.

［14］王莉霞，梁宇，劉國光，等.氰戊菊酯對原生動物群落的毒性［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2005，11(1):49-51.

［15］黃衛(wèi)紅，趙天珍，趙柳青，等.六氯苯對原生動物四膜蟲的生物毒性實驗室研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006，29(12):11-13.

［16］星炯浩，張運陶，等.鹵代酚對水生梨形四膜蟲急銳毒性的QSAR 研究［J］.計算機與應(yīng)用化學(xué)，2007，24(1):87-91.

［17］陳旭，等.苯酚對蛋白核小球藻及原生動物群落的毒性效應(yīng)［J］.工業(yè)衛(wèi)生與職業(yè)病，2002，30(1):35-36.

［18］王正方，齊小花，鄒明強，等.三聚氰胺對纖毛類原生動物梨形四膜蟲的細胞毒性［J］.生態(tài)毒理學(xué)報，2009，4(1):35-39.

［19］夏柳蔭，孫永利，李鑫鋼，等.五氯苯酚對原生動物群落的毒性研究［J］.生態(tài)毒理學(xué)報，2006，1(3):221-227.