硫酸銨、稀土釔對(duì)蚯蚓急性毒性研究

孫 峰，王宇姣

(1.贛州市生態(tài)文明研究中心，江西 贛州 341000;2.贛州市章貢區(qū)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，江西 贛州 341000)

0 引 言

稀土有“工業(yè)維生素”之稱，具備特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、國(guó)防、醫(yī)學(xué)及新材料等眾多領(lǐng)域。隨著需求量的急增，稀土礦開(kāi)發(fā)過(guò)程中的浸礦劑硫酸銨以及殘留稀土元素大量進(jìn)入周邊農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)毒理效應(yīng)問(wèn)題令人擔(dān)憂[1]。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)污染物對(duì)蚯蚓的急性毒性效應(yīng)的研究，主要側(cè)重于重金屬?gòu)?fù)合污染[2-3]、農(nóng)藥[4]等，本試驗(yàn)通過(guò)自然土壤法[5-6]研究稀土釔及浸礦劑硫酸銨單一與復(fù)合污染對(duì)蚯蚓的急性效應(yīng)，直觀確定稀土元素釔與硫酸銨濃度對(duì)蚯蚓毒性的響應(yīng)關(guān)系，以期為稀土礦合理開(kāi)采及浸礦劑合理使用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

(1)試驗(yàn)動(dòng)物：赤子愛(ài)勝蚓(Eisenia foetide)，購(gòu)自市場(chǎng)。試驗(yàn)前蚯蚓置于實(shí)驗(yàn)室未污染土壤中馴化7 d，選擇體重為300～400 mg之間、具有環(huán)帶的健康成體的蚯蚓為供試品，且蚯蚓個(gè)休大小及重量基本相同。

(2)供試土壤：選用贛南區(qū)域未受稀土礦山開(kāi)采影響，且水稻長(zhǎng)勢(shì)良好的農(nóng)田土壤，采集后自然風(fēng)干，過(guò)20目篩待用。試驗(yàn)測(cè)定土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

(3)主要試劑：(NH4)2SO4(硫酸銨)、無(wú)水Y(NO3)3(硝酸釔)均為分析純。

(4)儀器設(shè)備：人工氣候箱，電子天平，純水蒸餾器，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，燒杯，培養(yǎng)皿，濾紙。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法[7]

(1)蚯蚓清腸：將直徑11 cm的濾紙鋪于1 L燒杯杯底，加少量蒸餾水，以剛浸沒(méi)濾紙為宜。挑選具有環(huán)帶的健康蚯蚓，清洗，放于燒杯中，用保鮮膜封口，解剖針扎孔。將燒杯置于溫度為(20±1)℃，濕度約75%的人工氣候箱中清腸1 d。

(2)試驗(yàn)設(shè)置：參照馮秀娟[8]等采用濾紙接觸法確定的稀土釔、硫酸銨對(duì)蚯蚓的半致死率濃度，并結(jié)合預(yù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步得到土壤中稀土釔、硫酸銨對(duì)蚯蚓的最大致死濃度LC100和最小致死濃度MLC，隨后確定兩種物質(zhì)在土壤中梯度濃度設(shè)置，具體正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 稀土釔、硫酸銨復(fù)合處理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experimental design of compound treatment of rare earth yttrium and ammonium sulfate

(3)土壤染毒：根據(jù)上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)的濃度梯度，將稀土釔及硫酸銨配制成相對(duì)應(yīng)濃度的溶液，取適量的稀土釔及硫酸銨溶液與500 g供試土壤混合，調(diào)節(jié)其土壤含水率為最大持水量的60%，放入溫度為(20±1)℃，濕度為(75±7)%，光照為1 333 Lx(間歇光照，即12 h光照，12 h黑暗)的人工氣候箱中平衡48 h后轉(zhuǎn)移到1 L燒杯中。每一濃度設(shè)置3個(gè)重復(fù)，1個(gè)對(duì)照。

(4)培養(yǎng)：每一處理放入10條蚯蚓，并置于人工氣候箱中培養(yǎng)。

(5)觀察與統(tǒng)計(jì)：觀察時(shí)間為3、7、14 d。記錄死亡數(shù)及中毒癥狀，蚓體對(duì)針刺無(wú)反應(yīng)判為死亡。14 d后結(jié)束試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 稀土釔單一脅迫對(duì)蚯蚓的急性毒性

表3 自然土壤法稀土釔對(duì)蚯蚓的急性毒性試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of acute toxicity test of rare earth yttrium for earthworms by the natural soil method

各處理組中蚯蚓的死亡率隨著染毒時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，稀土釔濃度為1 100 mg/kg時(shí)，3 d、7 d及14 d時(shí)所得蚯蚓的死亡率分別為0、3.33%、16.67%，說(shuō)明該濃度下稀土釔對(duì)蚯蚓的毒性較低，并且受染毒時(shí)間影響較??；當(dāng)濃度升為1 300 mg/kg時(shí)，3 d、7 d及14 d時(shí)所得蚯蚓的死亡率分別為5.33%、66.67%、96.67%，說(shuō)明該濃度稀土釔對(duì)蚯蚓的毒性明顯增強(qiáng)，并受染毒時(shí)間影響較大，而且3 d到7 d蚯蚓死亡率從5.33%陡升至66.67%，說(shuō)明稀土釔在一定量時(shí)對(duì)蚯蚓的毒性存在蓄積性；而當(dāng)濃度為1 500 mg/kg時(shí)，3 d、7 d及14 d時(shí)所得蚯蚓的死亡率分別為93.33%、100%、100%，說(shuō)明該濃度下蚯蚓基本喪失生命力，毒性最大，且受染毒時(shí)間影響較小，試驗(yàn)前期蚯蚓就開(kāi)始大面積死亡。為進(jìn)一步說(shuō)明稀土釔的毒性大小，且對(duì)試驗(yàn)14 d后蚯蚓死亡率與稀土釔濃度關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析，如圖1所示。

圖1 自然土壤法稀土釔濃度(14 d)對(duì)蚯蚓死亡率影響的線性回歸分析Fig.1 Linear regression analysis of the rare earth yttrium concentration(14 d)on earthworm mortality by natural soil method

得到蚯蚓死亡率(y)與稀土釔濃度(x)14 d的線性擬合方程：y=0.223 3x-221.66，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.902 9，其相關(guān)性都達(dá)到較顯著水平。

并由該方程求得自然土壤法稀土釔單一污染對(duì)蚯蚓的半致死率濃度LC50為1 216.57 mg/kg，這與試驗(yàn)中當(dāng)稀土釔濃度達(dá)到1 300 mg/kg后，蚯蚓表現(xiàn)出強(qiáng)烈的毒性應(yīng)激反應(yīng)且死亡率陡升的現(xiàn)象相一致。

2.2 硫酸銨單一脅迫對(duì)蚯蚓的急性毒性

硫酸銨單一脅迫對(duì)蚯蚓的急性毒性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 自然土壤法硫酸銨對(duì)蚯蚓的急性毒性試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of acute toxicity test of ammonium sulfate for earthworms by natural soil method

各處理組中蚯蚓的死亡率隨著染毒時(shí)間的延長(zhǎng)及硫酸銨處理濃度的增加而升高，當(dāng)硫酸銨濃度為3 800～4 100 mg/kg時(shí)，3 d內(nèi)蚯蚓未出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，7 d時(shí)蚯蚓的平均死亡不到1條，14 d時(shí)蚯蚓平均死亡了不到3條，與對(duì)照組對(duì)比發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明該濃度組的硫酸銨對(duì)蚯蚓的毒性不明顯，甚至蚯蚓在土壤中表現(xiàn)活躍；當(dāng)濃度為4 400 mg/kg、4 700 mg/kg時(shí)，3 d時(shí)兩處理中蚯蚓死亡率相同都為33.33%，7 d時(shí)死亡率分別為43.33%、76.67%，14 d時(shí)死亡率分別53.33%、86.67%，說(shuō)明兩處理濃度對(duì)蚯蚓的毒性作用開(kāi)始顯示并受染毒時(shí)間影響，且4 700 mg/kg濃度處理組相比4 400 mg/kg濃度處理組中的蚯蚓應(yīng)激反應(yīng)顯著變得強(qiáng)烈，出現(xiàn)逃逸行為，部分蚯蚓從土壤中爬出到表面甚至燒杯壁上，且7 d時(shí)蚯蚓死亡率突升，發(fā)生毒性蓄積反應(yīng)；當(dāng)濃度達(dá)到5 000 mg/kg以上時(shí)，蚯蚓一放入土壤中不久即出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，7 d即基本全部死亡。

為進(jìn)一步說(shuō)明硫酸銨的毒性大小，且對(duì)試驗(yàn)14 d后蚯蚓死亡率與硫酸銨濃度關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析，如圖2所示。

圖2 自然土壤法硫酸銨濃度(14 d)對(duì)蚯蚓死亡率影響的線性回歸分析Fig.2 Linear regression analysis of the ammonium sulfate concentration (14 d)and earthworm mortality by natural soil method

得到蚯蚓死亡率(y)與硫酸銨濃度(x)14 d的線性擬合方程：y=0.060 3x-208.9，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.942 2，其相關(guān)性都達(dá)到較顯著水平。并由該方程求得自然土壤法硫酸銨單一污染對(duì)蚯蚓的半致死率濃度LC50為4 293.53 mg/kg，這與試驗(yàn)中當(dāng)硫酸銨濃度達(dá)到4 400 mg/kg后，蚯蚓表現(xiàn)出強(qiáng)烈的毒性應(yīng)激反應(yīng)且死亡率陡升，而小于4 100 mg/kg處理濃度組，蚯蚓表現(xiàn)正常甚至趨于活躍等現(xiàn)象相一致。

2.3 稀土釔、硫酸銨復(fù)合脅迫對(duì)蚯蚓的急性毒性

稀土釔、硫酸銨復(fù)合脅迫對(duì)蚯蚓的急性毒性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

圖3 自然土壤法硫酸銨影響下稀土釔14 d對(duì)蚯蚓急性毒性效果線性回歸分析Fig.3 Linear regression analysis of the acute toxicity(14 d) of rare earth yttrium for earthworms under the influence of ammonium sulfate by the natural soil method

低濃度3 800 mg/kg的硫酸銨與稀土釔復(fù)合染毒接觸蚯蚓時(shí)：14 d蚯蚓死亡率(y)與稀土釔濃度(x)的線性擬合方程為：y=0.156 7x-152.35，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.915 9，其相關(guān)性達(dá)到較顯著水平；并由該方程求得低濃度3 800 mg/kg的硫酸銨與稀土釔復(fù)合脅迫蚯蚓情況下蚯蚓的14 d理論LC50為1 291.32 mg/kg，略大于稀土釔單一染毒14 d對(duì)蚯蚓的半致死率濃度LC501 216.57 mg/kg；說(shuō)明低濃度的硫酸銨稍微降低稀土釔對(duì)蚯蚓的毒性，產(chǎn)生輕微的拮抗作用。

中濃度4 400 mg/kg的硫酸銨與稀土釔復(fù)合染毒接觸蚯蚓時(shí)：14 d蚯蚓死亡率(y)與稀土釔濃度(x)的線性擬合方程為：y=0.186 7x-174.69，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.941 2，其相關(guān)性達(dá)到較顯著水平；并由該方程求得中濃度4 400 mg/kg的硫酸銨與稀土釔復(fù)合脅迫蚯蚓情況下蚯蚓的14 d理論LC50為1 203.48 mg/kg，亦略小于稀土釔單一染毒14 d的LC50。表明中濃度的硫酸銨稍微增加了稀土釔對(duì)蚯蚓的毒性，產(chǎn)生輕微的協(xié)同作用。

高濃度5 300 mg/kg的硫酸銨與稀土釔復(fù)合染毒接觸蚯蚓時(shí)：14 d蚯蚓死亡率(y)與稀土釔濃度(x)的線性擬合方程為：y=0.123 3x-78.995，性相關(guān)系數(shù)R2=0.917 5，其相關(guān)性達(dá)到較顯著水平；并由該方程求得高濃度5 300 mg/kg的硫酸銨與稀土釔復(fù)合脅迫蚯蚓情況下蚯蚓的14 d理論LC50為1 046.19 mg/kg，顯著小于稀土釔單一染毒14 d的LC50；表明高濃度的硫酸銨明顯增加了稀土釔對(duì)蚯蚓的毒性，產(chǎn)生顯著的協(xié)同作用。

3 結(jié) 論

綜上所述，稀土釔與硫酸銨對(duì)蚯蚓都存在一定毒性作用，蚯蚓的死亡率與染毒時(shí)間、2種污染物的濃度呈正比關(guān)系，且LC50隨染毒時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。同時(shí)，依據(jù)《化學(xué)農(nóng)藥環(huán)境安全評(píng)價(jià)試驗(yàn)準(zhǔn)則》(GB/T 31270.7—2014)，通過(guò)LC50值來(lái)區(qū)分污染物毒性的大?。篖C50>10 mg/kg，試驗(yàn)測(cè)得稀土釔及硫酸銨單一染毒14 d對(duì)蚯蚓的LC50值分別為1 216.57 mg/kg、4 293.53 mg/kg，遠(yuǎn)大于10 mg/kg，因此稀土釔及硫酸銨對(duì)蚯蚓都屬于低毒性。但稀土釔屬于金屬元素，位于食物鏈底端的蚯蚓對(duì)其具有富集性，可能造成食物鏈的逐級(jí)富集，從而威脅高級(jí)生物甚至人類的健康。此外，稀土釔、硫酸銨的不同濃度組合，對(duì)蚯蚓的復(fù)合毒性或產(chǎn)生拮抗作用或協(xié)同作用，其具體作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。