天然水體對(duì)有機(jī)氯污染物藻類毒性的影響

屠興坤 張帥 唐世坤 方潤(rùn) 李子寒 劉安蓉

摘要 用去離子水和天然水體分別配制不同濃度的阿特拉津和PCB-77，研究2種有機(jī)氯污染物對(duì)蛋白核小球藻的毒性效應(yīng)。通過(guò)觀察藻的生長(zhǎng)，計(jì)算出不同水體條件下有機(jī)氯污染物對(duì)小球藻生長(zhǎng)抑制的96 h-IC50。結(jié)果表明，不同水體條件下阿特拉津和PCB-77對(duì)蛋白核小球藻的生長(zhǎng)抑制作用存在差異，觀山湖水體顯著減小了阿特拉津和PCB-77的96 h-IC50值;天河潭水體顯著減小了阿特拉津的96 h-IC50值，增大了PCB-77的96 h-IC50值，表明天然水體會(huì)影響有機(jī)氯污染物對(duì)藻類的毒性效應(yīng)。

關(guān)鍵詞 天然水體;有機(jī)氯污染物;毒性影響;藻類;阿特拉津;PCB-77

中圖分類號(hào) X 171.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2022）12-0060-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.12.016

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Effects of Natural Water on Algae Toxicity of Organochlorine Pollutants

TU Xing-kun1，2，ZHANG Shuai1，2，TANG Shi-kun1，2 et al

（1.College of Geography and Environmental Science，Guizhou Normal University，Guiyang，Guizhou 550025; 2.State Key Laboratory Breeding Base for Karst Mountain Eco-environment of Guizhou Province，Guiyang，Guizhou 550025）

Abstract Different concentrations of atrazine and PCB-77 were prepared with deionized water and natural water respectively，and the toxic effects of the two organochlorine pollutants on Chlorella pyrenoidosa were studied.By observing the growth of algae，the 96 h-IC50 of the inhibition of organic chlorine pollutants on algae under different water conditions was calculated.The results showed that the inhibitory effects of atrazine and PCB-77 on algae were different under different water conditions，the water body of Guanshan Lake significantly decreased the 96 h-IC50 values of atrazine and PCB-77;the Tianhetan water body significantly decreased the 96 h-IC50 value of atrazine and increased the 96 h-IC50 value of PCB-77，indicating that natural water would affect the toxic effects of organochlorine pollutants on algae.

Key words Natural water; Organochlorine pollutants;Toxic effect;Algae;Atrazine;PCB-77

由于現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的工業(yè)廢棄物和殘留農(nóng)藥等污染物通過(guò)各種途徑進(jìn)入環(huán)境中，其中包括有機(jī)氯農(nóng)藥和多氯聯(lián)苯等有機(jī)氯污染物[1]。有機(jī)氯污染物是一種典型的持久性污染物，在環(huán)境中可以通過(guò)多種介質(zhì)進(jìn)行遷移，并通過(guò)食物鏈在生物體內(nèi)富集，從而對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生危害[2]。聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）已將持久性有機(jī)污染物看作世界面臨的最大環(huán)境挑戰(zhàn)之一，有機(jī)氯污染物也因其具有難降解性、生物積累性和致癌性等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[3-4]。

據(jù)水環(huán)境研究顯示，我國(guó)水體中有機(jī)氯污染物殘留水平非常高，特別是南方地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)水體有機(jī)氯含量超標(biāo)現(xiàn)象[3，5]。水體中的有機(jī)氯污染物能夠被細(xì)小生物攝取，并通過(guò)食物鏈傳遞到高等生物體內(nèi)[6]。藻類是水環(huán)境中的初級(jí)生產(chǎn)者，對(duì)環(huán)境因子極其敏感，當(dāng)其暴露于有害物質(zhì)時(shí)，毒理效應(yīng)將會(huì)對(duì)整個(gè)水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[7-8]。同時(shí)，由于藻類具有對(duì)毒物敏感、易獲得、個(gè)體小、繁殖快等特點(diǎn)，能夠在較短時(shí)間內(nèi)得到污染物對(duì)藻類世代及種群水平的影響評(píng)價(jià)，因此常被作為毒性測(cè)試的模式生物[1]。如曾莎莎等[9]在96 h的急性暴露下研究了5種有機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)蛋白核小球藻的毒性相互作用。

當(dāng)前對(duì)于有機(jī)氯污染物藻類毒性影響的研究主要集中在有機(jī)氯污染物的暴露濃度，對(duì)于其他環(huán)境因子與藻類毒理效應(yīng)的研究較少[1]。開展天然水體對(duì)有機(jī)氯污染物藻類毒性影響的研究有利于進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)水環(huán)境生態(tài)保護(hù)具有十分重要的意義。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)有機(jī)氯污染物的環(huán)境毒理效應(yīng)，該研究以蛋白核小球藻為模式生物，研究不同天然水體環(huán)境下阿特拉津、3，3′，4，4′-四氯聯(lián)苯（3，3′，4，4′-Tetrachlorobiphenyl，PCB-77）2種典型有機(jī)氯污染物的毒理效應(yīng)，以期為水環(huán)境生態(tài)保護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試材

阿特拉津，純度97%，購(gòu)買自百威林公司;PCB-77，純度99%，購(gòu)買于Accustandard公司。試驗(yàn)所用蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）購(gòu)買自中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫(kù)。試驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 樣品采集 試驗(yàn)所用天然水體采集于貴陽(yáng)市觀山湖公園（106°64′E，26°64′N）和天河潭風(fēng)景區(qū)（106°58′E，26°44′N），采集時(shí)間為2021年8月5日。采集時(shí)利用便攜式水質(zhì)采樣器采樣，每個(gè)采樣地分5個(gè)采樣點(diǎn)采取混合水樣，采集后避光運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室，利用0.45 μm微孔濾膜抽濾后于4 ℃條件下冷藏保存直至試驗(yàn)時(shí)使用。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 藻的培養(yǎng)。試驗(yàn)所用器皿均經(jīng)過(guò)121 ℃高壓蒸汽滅菌30 min，所用藻種利用BG-11培養(yǎng)液培養(yǎng)，培養(yǎng)至對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期備用。培養(yǎng)時(shí)放入智能光照培養(yǎng)箱，設(shè)置培養(yǎng)溫度為（25.0±0.5）℃，光照度為3級(jí)，光暗比為14 h∶10 h，每天定時(shí)晃動(dòng)3次。

BG-11培養(yǎng)基主要由超純水和以下組分組成：NaNO3、K2HPO4、MgSO4·7H2O、Na2CO3、檸檬酸、檸檬酸鐵銨、EDTANa2、CaCl2·2H2O、A5溶液[H3BO3、MnCl2·4H2O、ZnSO4·7H2O、CuSO4·5H2O、Na2MoO4·2H2O、Co（NO3）2·6H2O]，均為分析純[10]，詳細(xì)配方如表1。

1.3.2 總有機(jī)碳的測(cè)定。

總有機(jī)碳（total organic carbon，TOC）的測(cè)定采用燃燒氧化-非分散紅外吸收法，水樣直接用TOC-L CPH總有機(jī)碳分析儀（島津，日本）測(cè)定總碳和無(wú)機(jī)碳，用差減法算出TOC[11]。

1.3.3 有機(jī)氯污染物對(duì)藻類毒性影響效應(yīng)試驗(yàn)。用90 mL去離子水和天然水體分別與10 mL培養(yǎng)好的蛋白核小球濃縮藻液混合，置于250 mL錐形瓶中進(jìn)行培養(yǎng)，初始藻細(xì)胞密度約為2.5×106 cells/mL。同時(shí)向錐形瓶中添加溶解于助溶劑丙酮中

的不同濃度梯度阿特拉津和PCB-77母液，根據(jù)有機(jī)氯污染物毒性和溶解度設(shè)定阿特拉津的初始濃度梯度為0、80、160、320 μg/L，PCB-77的初始濃度梯度為0、2、6、8 μg/L。其中0梯度為空白對(duì)照，每個(gè)濃度點(diǎn)試驗(yàn)都設(shè)置3個(gè)平行組。其中，助溶劑丙酮的添加濃度低于1 μL/mL，經(jīng)前期預(yù)試驗(yàn)測(cè)定，此濃度以下的丙酮溶液對(duì)蛋白核小球藻沒(méi)有毒性。

樣品瓶用滅菌濾紙封口后統(tǒng)一放在（25.0±0.5）℃室內(nèi)靜置培養(yǎng)96 h，光照周期為14 h∶10 h，每天定時(shí)人工搖藻5次，每24 h對(duì)消耗的阿特拉津和PCB-77進(jìn)行補(bǔ)充。

1.3.4 半抑制濃度測(cè)定。藻細(xì)胞采用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板在顯微鏡下進(jìn)行觀察計(jì)數(shù)，并通過(guò)以下公式計(jì)算：

I= （1-Nt/N0） ×100%（1）

式中，I為藻的生長(zhǎng)抑制率，Nt和N0 分別代表試驗(yàn)組和空白組的蛋白核小球藻的細(xì)胞密度。依托有機(jī)氯污染物濃度與小球藻96 h生長(zhǎng)抑制率變化繪制劑量-效應(yīng)關(guān)系曲線，根據(jù)所得劑量-效應(yīng)關(guān)系曲線，使用SPSS 25.0軟件，選用Four-Parameter logistic方程進(jìn)行非線性回歸計(jì)算出阿特拉津和PCB-77的96 h后令小球藻相對(duì)抑制率為50%時(shí)的污染物濃度（96 h-IC50）。

1.4 數(shù)據(jù)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Excel 作圖分析，并用SPSS 25.0軟件進(jìn)行方差分析。數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)測(cè)定值的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水體對(duì)有機(jī)氯污染物藻類毒性效應(yīng)的影響

不同有機(jī)氯污染物對(duì)藻類有不同的毒性效應(yīng)，按照“1.3.3”試驗(yàn)方法，96 h后取樣測(cè)定藻細(xì)胞密度。根據(jù)公式（1）計(jì)算出不同水體條件下阿特拉津和PCB-77對(duì)蛋白核小球藻的生長(zhǎng)抑制率，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，阿特拉津?qū)π∏蛟宓亩拘孕?yīng)在3種水體（觀山湖水體、天河潭水體、去離子水體）中總體呈隨濃度增加抑制作用增長(zhǎng)速率先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，且在受試濃度范圍內(nèi)3種水體中對(duì)小球藻的最高抑制率都超過(guò)50%。PCB-77對(duì)小球藻的毒性效應(yīng)在觀山湖水體和去離子水體中總體同樣呈隨濃度增加抑制作用增長(zhǎng)速率先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，最高抑制率大于50%;但在天河潭水體中，PCB-77對(duì)小球藻的生長(zhǎng)在濃度低于2 μg/L時(shí)無(wú)顯著影響，在濃度為8 μg/L時(shí)對(duì)小球藻的抑制率未達(dá)到50%。與去離子水相比，觀山湖水體顯著增強(qiáng)了2種有機(jī)氯污染物的毒性，天河潭水體明顯增強(qiáng)了阿特拉津毒性，削弱了PCB-77毒性。

2.2 不同水體條件下阿特拉津和PCB-77對(duì)小球藻的96 h- IC50值

根據(jù)阿特拉津和PCB-77對(duì)小球藻的生長(zhǎng)抑制劑量-效應(yīng)關(guān)系曲線計(jì)算出3種水體（觀山湖水體、天河潭水體、去離子水體）條件下有機(jī)氯污染物對(duì)小球藻生長(zhǎng)抑制的96 h-IC50，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在去離子水體中阿特拉津和PCB-77的96 h-IC50值分別為269.271和6.871 μg/L，觀山湖水體明顯減小了阿特拉津和PCB-77的96 h-IC50值，分別減小了24.5%和72.4%;相比去離子水體，天河潭水體明顯減小了阿特拉津的96 h-IC50值，減小了36.9%，增大了PCB-77的96 h-IC50值，增大了45.6%。

上述結(jié)果表明，不同水體條件下阿特拉津和PCB-77對(duì)蛋白核小球藻的生長(zhǎng)抑制作用存在差異，且不同濃度對(duì)小球藻的生長(zhǎng)毒性效應(yīng)也不同。同時(shí)天然水體能夠增強(qiáng)或削弱阿特拉津和PCB-77對(duì)小球藻的毒性。

3 討論

天然水體中天然有機(jī)質(zhì)（NOM）廣泛存在，因此在研究有機(jī)污染物在天然水環(huán)境中的環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)時(shí)還需要考慮天然有機(jī)質(zhì)的影響。天然有機(jī)質(zhì)主要由腐殖質(zhì)和非腐殖質(zhì)組成，其中非腐殖質(zhì)占20%～40%的總有機(jī)碳含量;腐殖質(zhì)占60%～80%的總有機(jī)碳含量，在天然有機(jī)質(zhì)中占主要地位。有研究指出，天然有機(jī)質(zhì)能夠與有機(jī)污染物相互作用，從而影響有機(jī)污染物的遷移、轉(zhuǎn)換、降解和生物可利用性等環(huán)境行為[12]。天然有機(jī)質(zhì)對(duì)有機(jī)污染物特別是疏水性有機(jī)物的水生生物有效性和毒性存在以下幾種影響作用：①增溶作用，增加疏水性有機(jī)物在水中的溶解度;②對(duì)降解性的影響，影響疏水性有機(jī)物的光降解速率，從而影響生物毒性;③減小有效濃度，與疏水性有機(jī)物結(jié)合，降低水體中疏水性有機(jī)物的游離態(tài)濃度，減小其的生物可利用度;④形成保護(hù)膜，減少生物體與污染物的接觸，從而減小污染物毒性[13]。同時(shí)，疏水性有機(jī)物大多在水中的溶解度較低，天然有機(jī)質(zhì)主要通過(guò)增大疏水性有機(jī)物在水中溶解度的方式影響其在水體中的環(huán)境行為[14]。

該試驗(yàn)所采用的阿特拉津和PCB-77這2種有機(jī)氯污染物具有較高的辛醇-水分配系數(shù)，有著一定的親油疏水性，屬于疏水性有機(jī)物。采集的天然水體經(jīng)過(guò)總有機(jī)碳分析儀測(cè)定，天河潭水體和觀山湖水體的總有機(jī)碳（TOC）濃度分別為13.28、8.21 mg/L。天然水體因天然有機(jī)質(zhì)的存在能夠影響阿特拉津和PCB-77對(duì)小球藻的毒性作用。推測(cè)可能的機(jī)理為：觀山湖中的天然有機(jī)質(zhì)的結(jié)合效應(yīng)使阿特拉津和PCB-77更易與藻細(xì)胞接觸，從而增加了阿特拉津和PCB-77進(jìn)入藻細(xì)胞的機(jī)會(huì)，使2種污染物的毒性高于去離子水;天河潭水體中的天然有機(jī)質(zhì)增加了阿特拉津與藻細(xì)胞的接觸，反而減小了PCB-77的有效濃度，因此使阿特拉津的毒性高于去離子水中的毒性，而PCB-77的毒性小于去離子水毒性。造成這種現(xiàn)象的原因可能是PCB-77的疏水性比阿特拉津大很多，因?yàn)樘旌犹端邢鄬?duì)較高的總有機(jī)碳濃度，說(shuō)明天河潭中天然有機(jī)質(zhì)的含量較高，致使PCB-77與水體中更多的天然有機(jī)質(zhì)相結(jié)合，且天河潭水體中有機(jī)質(zhì)中疏水親脂的基團(tuán)可能更多，使其與PCB-77的結(jié)合更緊密，難以解離，從而減小了游離態(tài)的PCB-77濃度，使得其毒性削弱。張帥[13]研究的天然有機(jī)質(zhì)對(duì)氯苯小球藻毒性的影響也顯示，富集在小球藻細(xì)胞表面的高氯取代氯苯與天然有機(jī)質(zhì)結(jié)合牢固，很難被藻細(xì)胞吸收，從而減小了氯苯的毒性效應(yīng)。這也說(shuō)明不同的天然有機(jī)質(zhì)對(duì)不同的污染物作用有所不同，主要依賴于天然有機(jī)質(zhì)和污染物的性質(zhì)，致毒的機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。

當(dāng)前我國(guó)在《斯德哥爾摩公約》履行方面的工作取得了很大成效，有機(jī)氯污染物的使用也得到了有效的控制[15]，但是據(jù)報(bào)道，我國(guó)水體、沉積物、大氣、土壤中都已遭受到有機(jī)氯污染物的污染[16]?，F(xiàn)在關(guān)于有機(jī)氯污染物對(duì)藻類和植物的毒害效應(yīng)研究多關(guān)注暴露濃度，很少考慮天然有機(jī)質(zhì)的影響，從實(shí)際應(yīng)用環(huán)境來(lái)看，天然水體中有機(jī)氯污染物的毒性往往與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室毒性試驗(yàn)存在一定差異，因此室內(nèi)配制的有機(jī)氯污染物的毒性效應(yīng)濃度很有可能會(huì)被低估。從該試驗(yàn)所測(cè)得的天然水體中阿特拉津和PCB-77對(duì)藻類的毒性效應(yīng)可看出，與去離子水體中有機(jī)氯污染物毒性相比，天然水體中有機(jī)氯污染物毒性增強(qiáng)現(xiàn)象多于毒性削弱現(xiàn)象。這一結(jié)果提示應(yīng)當(dāng)注意天然水體中有機(jī)氯污染物對(duì)水生動(dòng)植物毒性以及水環(huán)境的影響。

4 結(jié)論

（1）不同水體條件下阿特拉津和PCB-77對(duì)蛋白核小球藻的生長(zhǎng)抑制作用存在差異，總體呈隨濃度增加抑制作用增長(zhǎng)速率先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。

（2）天然水體對(duì)有機(jī)氯污染物藻類毒性存在影響，觀山湖水體顯著減小了阿特拉津和PCB-77的96 h-IC50值，即增強(qiáng)了2種有機(jī)氯污染物的毒性效應(yīng);天河潭水體顯著減小了阿特拉津的96 h-IC50值，增大了PCB-77的96 h-IC50值，即增強(qiáng)了阿特拉津毒性效應(yīng)，削弱了PCB-77毒性效應(yīng)。

（3）不同的天然有機(jī)質(zhì)對(duì)不同的污染物作用有所不同，作用效果主要依賴于天然有機(jī)質(zhì)和污染物的性質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1]

沈宏，周培疆.環(huán)境有機(jī)污染物對(duì)藻類生長(zhǎng)作用的研究進(jìn)展[J].水生生物學(xué)報(bào)，2002，26（5）：529-535.

[2] 張嘉雯，魏健，呂一凡，等.衡水湖沉積物中典型持久性有機(jī)污染物污染特征與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].環(huán)境科學(xué)，2020，41（3）：1357-1367.

[3] 劉莎.水中持久性有機(jī)污染物的監(jiān)測(cè)與治理[J].中國(guó)資源綜合利用，2019，37（6）：159-161.

[4] 葉凱，孫玉川，賈亞男，等.巖溶地下水水體中有機(jī)氯農(nóng)藥和多氯聯(lián)苯的殘留特征及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)，2020，41（12）：5448-5457.

[5] 段志剛.持久性有機(jī)污染物在中國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2018，26（23）：111.

[6] 王靜.有機(jī)氯農(nóng)藥殘留的危害及改善措施[J].湖南農(nóng)業(yè)，2020（8）：36.

[7] DELORENZO M E，LAUTH J，PENNINGTON P L，et al.Atrazine effects on the microbial food web in tidal creek mesocosms[J].Aquatic toxicology，1999，46（3/4）：241-251.

[8] 劉暢，吳文娟，李建宏，等.不同光強(qiáng)對(duì)阿特拉津和百草枯藻類毒性的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（5）：1339-1343.

[9] 曾莎莎，梁延鵬，覃禮堂，等.有機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)蛋白核小球藻的毒性相互作用研究[J].生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2019，14（4）：121-129.

[10] BHARTE S，DESAI K.The enhanced lipid productivity of Chlorella minutissima and Chlorella pyrenoidosa by carbon coupling nitrogen manipulation for biodiesel production[J].Environmental science and pollution research，2019，26（4）：3492-3500.

[11] 環(huán)境保護(hù)部.水質(zhì) 總有機(jī)碳的測(cè)定 燃燒氧化—非分散紅外吸收法：HJ 501—2009[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2009.

[12] KUBICKI J D，APITZ S E.Models of natural organic matter and interactions with organic contaminants[J].Organic geochemistry，1999，30（8）：911-927.

[13] 張帥.NOM 和 TiO2納米顆粒對(duì)有機(jī)氯污染物藻類毒性與富集的影響[D].南京：河海大學(xué)，2016.

[14] YU H，HUANG G H，WEI J，et al.Solubilization of mixed polycyclic aromatic hydrocarbons through a rhamnolipid biosurfactant[J].Journal of environmental quality，2011，40（2）：477-483.

[15] 余剛，周隆超，黃俊，等.持久性有機(jī)污染物和《斯德哥爾摩公約》履約[J].環(huán)境保護(hù)，2010，38（23）：13-15.

[16] 王佩華，趙大偉，聶春紅，等.持久性有機(jī)污染物的污染現(xiàn)狀與控制對(duì)策[J].應(yīng)用化工，2010，39（11）：1761-1765.