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3种新型污染物对发光菌的毒性作用研究

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2018年第l3卷 生 态 毒 理 学 报 Asian Journal of Ecotoxicology V_01.13.2018 NO.4 179.184 第4期,179—184 DoI:l0.7524 LJE.1673—5897.20180513001 汪皓琦,董玉瑛,汪灵伟.3种新型污染物对发光菌的毒性作用研究[J]_生态毒理学报,2018,l3(4):179—184 Wang H Q,Dong Y Wang L W.Study on the toxicity of three emerging pollutants to Photobacterium phosphoreum[J].Asin Jouranal of Ecotoxicology,2018,13(4):179—184(in Chinese) 3种新型污染物对发光菌的毒性作用研究 汪皓琦,董玉瑛 ,汪灵伟 大连民族大学环境与资源学院.大连116605 收稿日期:2018.05—13 录用日期:2018.05.29 摘要:分析了3种常见的代表性新型污染物对发光菌的单一毒性和等毒性比例下的联合毒性,基于毒性单位法(333)、相加指 数法(AI)和混合毒性指数法(MTI)评价混合体系联合毒性作用类型。三氯生、五氯酚、双酚A对发光菌的半数效应浓度(EC ) 分别为:0.045、0.035、0.74 mg·L~。不同的评价方法对3种新型污染物的联合效应评价结果具有较好的一致性。多元混合体系 呈现为不同程度的拮抗作用,结合分子结构特征和不同取代基的相互作用,初步分析了联合毒性机理.进一步毒性作用机制 还需要通过对生物生理生化响应等进行深入研究。新型污染物混合体系对发光菌的联合作用呈现以拮抗作用为主.表明此 类污染物环境残留可导致相关化学品功效降低,引发微生物耐药性的产生和传播的风险。 关键词:新型污染物;发光菌;毒性分析;风险评价 文章编号:1673 5897(2018)4—179—06 中图分类号:X503.2 文献标识码:A Study on the Toxicity of Three Emerging Pollutants to Photobacterium phosphoreum Wang Haoqi,Dong Yuying ,Wang Lingwei College of Environment&Resources,Dalian Minzu University,Dalian 1 1 6605,China Received 13 May 2018 accepted 29 May 2018 Abstract:The single toxicity and joint toxiciy tto Photosbacterium phosphoreum under the same toxiciy rattio of three emerging pollutants were studied.The action types of joint toxiciy were evaltuated by toxiciyt unit(TU), addiitve index(AI)and mixtures toxicity index(MTI).The acute toxiciy tEC50 of triclosan,pentachlorophenol and bisphenol A to Photosbacterium phosphoreum were 0.045.0.035 and 0.74 mg·L—respectively.A consistent action mode was obtained by different evaluating methods.Anmgonism action of various extents existed among the multi- pie composite systems.Mechanisms of joint toxiciy were preltiminarily analyzed combining wiht characteristics of emerging pollutants molecular structure and interaction of diferent substiuentts.The further mechanisms of toxiciy taction need further understanding on physiological and biochemical responses of organisms.The facts that emer- ging pollutants mixture systems showed almost antagonism could indicate that environmental residue may reduce the eficifency of related chemicals and evolve the risk of icrobe resistance amnd its spread. Keywords:emerging pollutants;Photobacterium phosphoreum;toxiciy atnalysis;isrk assessment 基金项目:国家自然科学基金项目(21477001);高校基本科研业务费专项资金资助项目(DCPY2018067) 作者简介:汪皓琦(1994一),女,硕士研究生,研究方向为环境化学,E-mail:787802120@qq.tom 通讯作者(Corresponding author),E—aiml:dongyuying@163.com _180 生 态 毒 理 学 报 第13卷 新型污染物是一种以低微浓度就能影响生物生 存或抑制生物机能的化学物质.这类污染物来源广、 排放量大,造成其在环境中长期存在。随着新型污 染物的大量使用,收纳水体已检出它们的活性成分. 且检出浓度有逐年增大的趋势。其环境残留可对土 壤微生物、水生生物、植物生长发育等方面产生明显 的危害或潜在的负面影响[1_3】。环境中典型的新型 污染物包括药品及个人护理品、内分泌干扰物、有机 氯农药等,选取其代表作为研究对象(三氯生、五氯 酚、双酚A)探究其对发光菌的毒性作用。三氯生是 一种广泛使用的抗菌剂和杀菌剂.主要添加于各种 护理品等各类消费产品中。在各种环境介质和生物 体内都检测到其存在,因其具有亲脂性、持久性、生 物累积性和毒性,故对生态环境和人类健康造成了 潜在危害[4]。五氯酚是一种常见的易电离、难溶于 水的氯代芳香族有机污染物。自20世纪30年代以 来,五氯酚及其钠盐在全球范围内被广泛用作杀菌 剂、除草剂、杀虫剂和木材防腐剂 ]。双酚A会扰乱 人体内的代谢过程,被认定具有雌激素活性的化学 品。工业上常被用来合成聚碳酸酯、环氧树脂等材 料。随着塑料制品行业的迅猛发展以及塑料制品的 广泛使用。大量消耗的双酚A进入环境可造成严重 的环境污染『6] 新型有机污染物在环境中有低剂量混合以及持 久性存在的特点,其产生的联合毒性对生物产生了 潜在的风险。单一污染物的生物学效应显然不能满 足现实中水体的特点,进行联合毒性的研究迫在眉 睫。国际上关于新型污染物的研究主要集中于其在 环境中的迁移转化,对其毒性作用的研究文献较少, 国内的研究尚属刚刚起步。因此研究新型污染物的 生态毒性机理以及其他环境污染物的联合毒性效应 值得重视 】 结合生物发光细菌应用范围广、使用简便、灵敏 度高、相关性好、反应速度快等优点,本实验将发光 菌(Pbotobacterium phosphoreum)作为指示物,通过测 定发光菌的发光强度,计算发光抑制率.并对浓度 和发光抑制率作图,确定3种新型污染物单独作用 时的半数效应浓度(EC )和混合体系中混合物的 EC 。。进一步采用毒性单位法(TU)、相加指数法 (AI)、混合毒性指数法(MTI)等联合毒性评价方法对 联合毒性作用类型进行评价,判断其联合作用机制, 并结合发光菌的发光原理,对联合毒性作用机理进 行初步讨论 1 材料与方法(Materials and methods) 1.1仪器与材料 DXY22型生物毒性测试仪(中国科学院南京土 壤研究所制造);8522型恒温磁力搅拌器(上海司乐 仪器厂);THZ282型气浴恒温振荡器(江苏金坛仪器 厂);DHP29082型电热恒温培养箱(上海一恒科技有 限公司):LDZX240CI型立式自动电热压力蒸汽灭 菌锅(上海申安医疗器械厂);不同量程的精密移液 器(Thermo公司);SJH型洁净工作台(沈阳市净化仪 器厂二分厂)。 1.2试剂材料 1.2.1主要试剂 双酚A、三氯生、五氯酚皆为国药集体化学有限 公司提供。纯度>99%,其他实验试剂皆为国产分 析纯。 1.2.2菌种的培养 工作菌液的制备:吸取一定量培养好的摇瓶菌 液于3%NaC1溶液中,充分搅拌,稀释程度以控制空 白(由2 mL的3%NaCI溶液和0.1 mL的工作菌液 组成)发光强度在300~800为宜。明亮发光杆菌 (Photobacterium phosphoreum)冻干粉购自中国科学 院南京土壤研究所微生物室。有关发光菌冻干粉的 复苏、斜面菌种的培养、摇瓶菌液的培养、工作菌液 的制备等操作方法见文献[10】。 1.3急性毒性EC 的测定 发光细菌毒性测试经毒性预试验、单一和联合 毒性分析等步骤实施实验设计 。 1.3.1预实验 选定浓度梯度进行试验,观察15 min发光菌的 发光抑制率,找出试验的正确浓度范围。 1.3.2单一毒性EC 的测定 在预实验的基础上,将待测化合物配成适当的 6个浓度梯度,各取不同梯度的溶液2 mL加入具塞 磨口比色管( l5 cm,高6 cm)中,以2 mL 3%NaC1 溶液作空白对照,取O.2 mL工作菌液于各比色管 中,加塞上下振荡均匀,去塞,暴露15 min,测定发光 强度。每个浓度梯度设3组平行,保证标准偏差低 于10%。 1.3.3联合毒性EC 的测定 根据单一毒性的测试结果,绘制每种医药品对 发光菌作用的效应.剂量曲线,以获得单一毒性 EC 。,并将待测物三氯生、双酚A、五氯酚按等毒性 比例配制二元及多元混合体系。每组浓度设置3个 第4期 汪皓琦等:3种新型污染物对发光菌的毒性作用研究 181 平行,以3%NaC1为空白对照,根据预实验结果设6 2),随着新型污染物浓度的升高,发光菌的发光强度 个浓度梯度(半数抑制率附近),测定混合体系对发 呈下降趋势,且污染物浓度和死亡率之间的相关系 光菌的联合毒性EC 。值。确保3组平行实验的标 数,均大于O.95。相对发光强度与3种新型污染物 准偏差低于10%。 在一定的浓度范围内具有良好的线性关系。 1.4数据处理 3种新型污染物对发光菌有不同程度的抑制作 鉴于污染物浓度与其对应发光抑制率的关系在 用,对发光菌的半数效应浓度(EC )值分别为: EC 。附近呈良好的线性分布,故本实验采用Excel 0.045、0.74、0.037 mg·L~.其毒性作用强弱为:五氯 绘图,将化合物浓度(曲和发光抑制率( 进行回归分 酚>三氯生>双酚A,即五氯酚的生物毒性最大,以 析,求得回归方程:.y(发光抑制率)=ax(化合物浓度) 下依次是三氯生、双酚A。3种新型污染物的分子 +6。根据线性方程求出发光抑制率为50%时所对 结构如图1,从结构上看,3种污染物母环相同,各自 应的化合物浓度,即为化合物单独作用时EC 化 的取代基的种类和数量皆不同,即母体相同的化合 合物浓度和死亡率之间的相关系数,,经显著水平 物,不同的取代官能团对其毒性效应影响较显著。 检验,置信区间范围大于95%。 翟丽华[】 选取17个部分取代苯化合物对发光菌进 发光抑制率=型璺垄 盖 × oo% 行急性毒性研究,得到取代基对发光菌的毒性贡献 1.5联合毒性评价方法 大dx Jl ̄序为:.NO > C1>.CH >.NH >.OH。这与本 多种污染物与生物体的联合毒性作用,可以分 研究结果一致,可推断3种新型污染物抑制发光菌 为、相加、协同和拮抗4种作用类型,采用毒性 的差别,来源于不同取代基影响作用于微生物靶点 单位法(TU)、相加指数法(AI)、混合毒性指数法 的效应程度。若获得各取代基对发光菌的毒性贡 (MTI)等方法可对这些类型进行定量判别和分 献,则需要进一步分子相互作用机制的相关理论和 析[11-12】。表1为联合毒性作用类型量化评价依据。 研究支持。 2.2二元及三元混合体系的联合毒性评价 2结果与讨论(Results and discussion) 二元及三元混合体系的EC 。值和联合毒性评 2.1单一毒性作用测试分析 价结果见表2。混合体系中多个EC 。值,分别与表 综合分析3种新型污染物(三氯生、双酚A、五 格左侧污染物顺序相对应。等毒性比例混合下,三 氯酚)对发光细菌的急性毒性测试结果可以看出(表 氯生+双酚A、三氯生+五氯酚、双酚A+五氯酚3组 表1不同评价指数的联合作用类型判断标准 1Iable 1 The joint toxicity types and standards of diferent evaluating methods 182 生 态 毒 理 学 报 第l3卷 ()H 0H Cl 三氯生 Triclosan 双酚A Bisphenol A 五氯酚 Pentachlorophenol 图1 3种新型污染物结构式 Fig.1 Structural formula of three emerging pollutants 二元混合体系的 值均大于 值;AI均小于0; MTI均小于0。因此,3组二元混合体系均表现出拮 抗作用。AI值越接近于0,越靠近相加作用,而MTI 值越接近于0.越靠近作用.根据3组二元混合 研究典型抗生素与群体感应抑制剂对费氏弧菌的三 元慢性联合毒性,证明了两元混合体系的拮抗作用 是三元体系为拮抗作用的根本原因。任皓等 在盐 酸吉他霉素与金霉素、盐霉素、黄霉素对发光细菌联 合毒性作用实验的研究结果中发现:在多个混合体 中,拮抗作用表现较强的分子混合体系起主导作用。 由此可见,污染物在环境中经过各途径混合后,其相 互作用可能导致毒性减弱。 在现实环境的污染评价中,不能将各污染物毒 体系的MTI和AI值大小的不同,可判断其拈抗作 用的强度有所不同,由此获得不同体系拮抗作用的 排序为:双酚A+五氯酚>三氯生十五氯酚>三氯生 +双酚A。 等毒性比例混合下,三元混合体系的M值大于 Mo值;AI小于0;MTI小于0。三元联合毒性作用 表现为拮抗效应。由于二元混合体系联合毒性均表 现为拮抗作用,由此猜测3种新型污染物分子间的 性通过简单叠加来判断其综合毒性【l 。实验获得联 合毒性类型为拮抗作用。与前人研究结果相一致。 丛永平等 研究发现,四环素类抗生素和氯霉素类 抗生素对发光菌(Photobacteritnn phosphoreura)的联 相互作用可导致体系联合毒性降低,多个二元拮抗 体系累加,各分子间相互作用增强可导致多元混合 体系呈现拮抗作用。因此,多元混合体系联合作用 类型在多数情况下呈现为拮抗作用。实验结果与假 合急性毒性亦均表现出拮抗作用。翟丽华f” 选取5 种有机化合物苯、苯酚、苯胺、硝基苯、对氯酚采用等 比毒性进行联合毒性研究,其中联合作用类型以拮 抗为主,上述研究同时表明。拮抗作用在同类化合物 发生的概率较高。 设相符,证实猜测:多元混合体系联合毒性表现为拮 抗的原因是多种拮抗体系累加的结果。方章顺等 表3二元和三元混合体系的EC 值和联合毒性评价参数及作用类型 Table 3 Joint toxicity evaluating parameters and types for different binary and ternary systems 第4期 汪皓琦等:3种新型污染物对发光菌的毒性作用研究 183 2.3联合毒性机制初步讨论 综合分析二元、三元混合体系联合毒性,同为拮 抗效应,对于呈现的联合作用效应,可从3种新型污 染物不同取代基的特性及其相互作用、发光菌发光 原理进行初步的联合毒性机理分析。大部分发光细 菌发光机制是基本相同的,都必须有细菌荧光素酶 (LE)、还原性的黄素单核苷酸(FMNH:)、氧气(O:)、长 链脂肪醛(RCHO)的参与,大体发光反应过程 如下[17-19】: FMNH2+02+RCHO—+FMN+PRCOOH+H2O+光 (1ight) 此反应中,黄素单核苷酸是重要的辅酶,它的还 原形式(FMNH,)与氧化形式(FMN)之间的转化起到 了传递氢的作用。研究的化合物可与FMNH,分子 以氢键结合,阻碍了FMNH,对氢的传递作用,从而 干扰了正常的发光反应,致使发光菌的发光受到 抑制。 结合本实验3种新型污染物的联合毒性作用类 型,拮抗作用可由竞争位点理论来解释【 。3种新 型污染物均属于芳香族化合物,假设这类物质进人 机体后首先形成离子活性形式,然后与生物大分子 的电荷中心发生结合。以三元混合体系的联合作用 为例,当五氯酚和三氯生与双酚A共同作用时.由 于双酚A在等毒性溶液中的物质浓度较高。且分子 量小,更容易进入细胞膜,大量双酚A活性离子占 据有限结合位点,从而降低了五氯酚和三氯生活性 离子的结合机会,而双酚A的毒性远小于五氯酚和 三氯生,导致混合毒性降低,联合毒性作用表现为拮 抗作用。 新型污染物混合体系对发光菌的联合作用呈现 以拮抗作用为主,表明此类污染物环境残留可导致 相关化学品功效降低。引发微生物耐药性的产生和 传播的风险。若进一步分析引起拮抗作用的原因。 还需要对毒物联合作用机制以及对发光菌生理生化 反应等进行深入研究,实现对混合毒性和作用机制 的定量预测.为该类污染物全生命周期影响评价奠 定基础。 通讯作者简介:董玉瑛(1968一),女,环境科学博士,教授,主 要研究方向为有机污染化学,发表学术论文100余篇。 参考文献(References): [I】Pal A,Gin K Lin A et a1.Impacts of emerging or- ganic contaminants on freshwater resources:Review of recent occurrences,sources,fate and effects【J】.Science of the Total Environment,2010,408(24):6062·6069 [2]Sorensen J P R,Lapworth D J,Nkhuwa D C w,et a1.E- merging contaminants in urban groundwater sources in Africa[J].Water Research,2015,72:51-63 [3]Arpin-Pont L,Bueno M J M,Gomez E,et a1.Occurrence ofPPCPs in hte marine environment:A review[J].Envi· ronmental Science&Pollution Research,2016,23(6): 4978—4991 [4】周世兵,周雪飞,张亚雷,等.三氯生在水环境中的存 在行为及迁移转化规律研究进展[J】.环境污染与防治, 2008,30(10):71-74 Zhou 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