利用拓展生物配体模型预测Mg影响下Cu-Ni、Zn-Ni对小麦的联合毒性

通过水培实验,研究了不同Mg2+浓度下Cu、Zn、Ni单独及Cu-Ni、Zn-Ni复合对小麦根的毒性并分别建立了3个元素的BLM.利用Cu、Zn、Ni单一毒性数据,计算了复合金属离子与生物配体结合数量指数(fmix),由此建立了用于预测Cu-Ni、Zn-Ni联合毒性的BLM-fmix模型.结果表明,溶液中Mg2+浓度增加,能够减弱单一Cu、Zn、Ni和Cu-Ni、Zn-Ni复合对小麦根的毒性.在复合体系中,Cu-Ni复合的TU50(对小麦根长产生50%抑制作用时的毒性单位值)分别为1.18、1.33、1.31,略大于1,表现为弱拮抗作用;而Zn-Ni复合的TU50分别为4.22、2.26、2.16,表现为强拮抗作用.BLM-fmix模型能够准确预测Cu-Ni、Zn-Ni联合作用下小麦根长,预测和实测值的相关系数及标准误差分别为0.94、8.87(Cu-Ni复合)和0.92、10.14(Zn-Ni复合),该结果为重金属复合污染土壤的评价和修复提供理论依据.     

应用BLM模型预测我国主要河流中Cu的生物毒性

应用BLM模型对我国5条主要河流15个国控断面中铜的生物毒性进行预测,同时以虹鳟鱼为实验动物进行了实际水样的加标实验,得到实测生物毒性结果.结果表明,珠江、长江、淮河、松花江12个点位BLM模型预测LC50为0.13～0.46mg·L-1,利用虹鳟鱼进行的生物毒性测试结果为0.11～0.47mg·L-1,二者具有较好的一致性.对于黄河流域的3个点位,预测结果为0.42～1.00mg·L-1,实测结果为0.21～0.33mg·L-1,二者差距较大.根据预测结果与测试结果得到的水效应比(WER)范围分别为3.3～11.8与3.3～11.5(黄河流域,WERs值范围分别为10.5～25.0与5.3～8.3),均大于1.该研究提示,中国主要河流水系由于水化学条件不同,即使在相同的总Cu浓度下,所表现的毒性亦有很大差别;利用BLM模型和河流主要水质参数,则可以预测Cu的毒性.根据BLM模型获得的Cu的WERs值,将是制订中国流域水质标准的重要依据.     

基于中性盐提取的土壤重金属固液分配与自由态金属离子浓度测定

采用0.01mol·L-1CaCl2、0.002mol·L-1Ca(NO3)2和纯水(UPW)3种常用提取剂对我国南方两种典型农田重金属污染土壤进行提取试验.同时,应用土壤重金属固液分配多表面模型来预测提取液中重金属含量,结合道南膜技术(DMT)测定Ca(NO3)2提取液中自由态金属离子浓度,并与ECOSAT模型计算值进行比较.结果表明,提取剂中Ca2+浓度增加能显著提高土壤重金属溶出率,而提取液pH、溶解态有机碳(DOC)浓度却随溶液Ca2+浓度增加而降低.多表面模型(Multi-Surface Model)对大部分提取液金属浓度有较好的预测效果,部分土样提取液Cu、Pb、Zn浓度的预测效果较差.DMT测定的Ca(NO3)2提取液自由态重金属浓度与模型计算值较为一致,能够较准确地测定土壤溶液自由态重金属离子浓度.     

铜对大麦(Hordeum vulgare)的急性毒性预测模型——生物配体模型

采用水堵的方法研究了Ca2 、Mg2 、K2 、Na2 和pH对大麦铜急性毒性的影响程度,并建立了一种用于预测铜对大麦急性毒性的生物配体模型(BLM).结果表明,高活度Mg2 (1.21 mmol·L-1和1.65 mmol·L-1)显著增加了大麦根伸长的半抑制浓度EC50(Cu2 )(以自由Cu2 活度表示),而Ca2 、K2 、Na2 对EC50(Cu2 )的影响没有达到显著水平.培养液中铜的形态分析和相关分析表明,pH值通过改变羟基铜(CuOH )的含量而影响铜的毒性.根据生物配体模型理论,估计了Cu2 、Mg2 、CuOH 和生物配体的络合平衡常数,分别为LogKCuBL=6.57,logKCuOHBL=7.03,logKHgBL=3.00.在此基础上通过计算得出,当50%的大麦根伸长被抑制时需络合66%的生物配体位点,利用上述参数建立的生物配体模型预测的EC50在实测值的2倍范围之内,远远低于仅考虑自由Cu2 毒性的12倍预测范围.结果说明,考虑了Mg2 竞争和CuOH 毒性建立的生物配体模型能够准确地预测铜对大麦的急性毒性.     

Cd-Zn对草鱼(Ctenopharyngodon idellus)的联合毒性及对肝脏超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

以草鱼(Ctenopharyngodon idellus)为实验材料,研究并比较了重金属镉(Cd)与锌(Zn)对草鱼的单一与联合毒性.在此基础上,根据水生毒理联合效应指数相加法原理,利用生物测定计数型机值分析得到毒性单位浓度LC50值进行判断.结果表明,Cd对草鱼的毒性大于Zn.Cd、Zn对草鱼96h的半致死浓度分别为26.87和33.14mg·L-1;Cd与Zn对草鱼的联合毒性在48h为拮抗作用,在96h表现为协同作用.以草鱼肝脏组织超氧化物歧化酶(SOD)活性影响为指标,Cd与Zn的联合作用与Cd、Zn的暴露剂量和暴露时间都有密切关系:草鱼肝脏SOD活性应激反应对低浓度Zn(0.4TU)暴露较敏感,对高浓度Cd(0.8TU)的暴露较敏感,SOD活性能迅速产生应激性升高;48h时Cd与Zn的联合毒性显示为拮抗作用,96h时Cd与Zn的联合毒性显示为协同作用.     

土壤溶液中Ca2+降低Cd2+对赤子爱胜蚓的毒性

基于生物配体模型(BLM),在模拟土壤溶液中研究了Cd2 在不同Ca2 浓度下对赤子爱胜蚓(E.fetida)的毒性.结果表明,随着Ca2 浓度的变化,Cd半致死浓度(LC5o)也发生相应变化.当Ca2 浓度从0.2mmol/L增加到1.0mmol/L时,由于Ca2 与Cd2 竞争相同的生物配体点位(BL),导致48h后Cd2 对赤子爱胜蚓毒性显著降低.定量分析表明,蚯蚓半致死浓度LC50{Cd2 }activity(以自由镉离子活度表示)与{Ca2 }ivity(自由钙离子活度)间存在良好的相关性,Ca2 对Cd2 毒性的影响可通过相关方程预测.研究还表明,Cd2 的LC50随时间呈指数形式逐渐下降.     

土壤溶液性质对Zn的形态变化及其微生物毒性的影响

采集了我国具有代表性的12种不同性质土壤,利用基础诱导硝化(SIN)方法测定了不同土壤中锌的微生物毒性阈值,同时利用850离子色谱仪与WHAM6.0模型,测定了溶液不同阴离子组成及自由Zn2+含量,建立了基于不同土壤性质与溶液离子的土壤中Zn毒性预测模型.结果表明,基于SIN测定的不同土壤Zn微生物毒性阈值在不同土壤间有显著差异,其中EC50从196mg/kg至1310mg/kg;EC10值从48mg/kg增加至682mg/kg,不同土壤EC50与EC10的最大值与最小值的比例分别达到了6.68及14.3倍,表明土壤性质对Zn的微生物毒性有非常显著的影响;基于SIN的Zn的毒性阈值ECx(x=10,50)与溶液自由Zn2+浓度的负对数p(Zn2+)间呈正相关关系,表明随着土壤溶液中自由Zn2+值的升高,Zn的毒性逐渐增加.土壤pH值、OC、CEC、F-、Cl-、Ca2+及Mg2+与Zn的毒性阈值ECx(x=10,50)及p(Zn2+)呈正相关关系,其中土壤pH值为最重要的影响因子,偏相关系数均达到极显著水平(P<0.01),其次为OC、CEC及F-,ECx与溶液中NO3-, SO42-呈负相关关系.基于不同主控因子的土壤中Zn毒性阈值(ECx)及P(Zn2+)的预测模型表明,pH值、OC、CEC、F- 四个变量因子分别解释了log(EC50)、log(EC10)及p(Zn2+)预测模型变异的89.9%、81.2%和92.3%.     

应用生物配体模型（BLM）研究辽河与太湖水体中铜对大型溞的急性毒性

应用生物配体模型(BLM)预测我国辽河与太湖的丰水期和枯水期4个点位铜对大型溞的急性毒性(48 h-LC50),与实际水样的毒性试验结果进行比较.结果表明,在辽河红庙子、太湖平台山和拖山这3个点位中的BLM预测48 h-LC50值为232.75~411.49μg·L-1,实测48 h-LC50值为134.55~350.00μg·L-1,两者具有较好的一致性,而辽河通江口点位,丰水期和枯水期BLM预测48 h-LC50值与实测值相差较大.BLM预测结果与实测结果得到的水效应比(WER)范围分别为2.18~5.79与1.88~11.15,均大于1.各点位的枯水期Cu对大型溞的急性毒性均大于丰水期,可能是Cu与溶解性有机质(DOC)络合降低了其毒性.     

不同形态P对Cu、Zn、Cd联合生物毒性效应的影响

运用水潘趋光行为的抑制试验研究了水体中不同磷形态和重金属(Cu、Zn、Cd)共同存在时的联合生物毒性效应.结果表明,水体中重金属的生物毒性不仅取决于它们的种类和浓度,也与溶液中共存的P形态有关.重金属对水溞的生物毒性由强至弱依次为Cu2 ＞Zn2 ＞Cd2 ;当溶液中存在不同形态的P时,重金属的生物毒性发生了改变.中等P营养水平(TP为0.05mg·L-1)时,不同形态P的存在可显著降低Cu、Zn、Cd的生物毒性,在某种程度上减轻重金属对生物的伤害.不同形态P对重金属生物毒性的拮抗作用顺序为H2PO-4≈HPO24-＞PO34-.因此,重金属污染与富营养化双重胁迫水体的生物毒性,将可能因水体中P形态的不同而产生差异.     

植物毒性评价终点的生物配体模型比较研究

生物配体模型(BLM)是一个理论的、潜在的机理方法,用来评估金属离子在水体及土壤体系的生物有效性。BLM概念中,毒性与生物配体位点被占据的比例有直接关系,而被占据的比例又受溶液组成成分的影响。该研究综述了当前水培体系以及土壤溶液体系中不同植物品种的BLM概况,通过对其特征性常数及毒性阈值的比较发现,重金属离子的毒性与条件结合常数(logK)呈显著正相关,即金属毒性越强,logK值越大。不同重金属元素对植物的毒性强弱总体符合以下规律,即Cu、Ag、Cd、Cr(Ⅲ)CoNiZn。不同植物测试终点对重金属毒性的敏感程度大致为:莴苣根长西红柿茎叶≥大麦根长、小麦根长葡萄根长豌豆根长。水培体系中影响金属毒性的主要竞争离子为H、Mg、Ca、K,且竞争能力呈依次递减的顺序。除自由金属离子形态之外,其他碱性复合形态离子如MCO_3~(x+)、MOH~(x+)、MHCO_3~(x+)同样具有生物有效性/毒性,然而毒性贡献的归属是根据金属元素的不同与体系pH的不同而变化。真实的土壤溶液相对于水培体系的BLM更加复杂,导致陆地系统的生物配体模型(t-BLM)研究存在很多不确定性。总之,BLM的研究和发展为重金属元素在水体及土壤体系的风险评价提供了切实可依的重要手段。     

取代联苯的定量结构活性相关及联合毒性研究

测定了18种取代联苯对大型蚤(Daphnia magna)24h的单一毒性(24h-EC₅₀)及其混合物联合毒性.对单一毒性进行了定量结构活性相关(QSAR)分析,建立了辛醇-水分配系数(lgK_ow)模型,理论线性溶剂化能相关(TLSER)模型及量子化学参数模型,表明量子化学参数模型能很好地预测取代联苯的单一毒性.混合物联合毒性研究表明,取代联苯的联合毒性机制为浓度相加效应,并且根据浓度相加预测了混合物半数抑制浓度(EC_50mix),预测值与实验值非常吻合.     

离子液体与废水对青海弧菌Q67的混合毒性研究

以1-苄基—3-甲基咪唑四氟硼酸(IL1)和1-已基—3-甲基咪唑双(三氟甲基磺基)亚胺(IL2)及废水为混合物组分,以Vibrio qinghaiensis sp.-Q67为指示生物,采用均匀设计射线法设计不同浓度配比的IL1-IL2混合物体系及IL1-IL2-废水的混合物体系,应用微板毒性分析法系统测定这些混合物体系的浓度-效应数据,并以浓度加和与独立作用模型为加和参考模型分析毒性相互作用.结果表明:IL1-IL2的混合物体系具有拮抗或加和作用,且混合物毒性(pEC50值)与其中IL1的浓度比具有良好的线性关系;IL1-IL2-废水的混合物体系具有明显的协同或加和作用,且混合物pEC50值与其中废水的浓度比具有良好的线性关系.     

臭氧化芳香族化合物中生物毒性的演变规律研究

臭氧工艺越来越广泛地应用于难降解废水的处理,但由于臭氧的部分氧化特性,可能会导致高毒性中间产物的生成.为了揭示臭氧工艺的生态安全性,研究了不同工艺条件下,臭氧化苯酚、邻甲酚、对甲酚、间甲酚、苯胺和对氯苯胺时急性生物毒性的变化.结果表明,尽管母体污染物与总有机碳（TOC）的浓度在臭氧化过程中持续下降,但生物毒性随着反应时间的延长而明显增加,达到最大值后下降.当初始污染物浓度增大时,臭氧化6种芳香族化合物中毒性单位最大值（TU_max）也随之增大;当臭氧剂量增大,臭氧化苯酚、间甲酚和对氯苯胺的TU_max呈下降的趋势,臭氧化邻甲酚和苯胺的TU_max呈升高的趋势,臭氧化对甲酚的TU_max变化较小;当pH从3上升到7,臭氧化4种酚类化合物时,TU_max呈下降的趋势,而当pH增大到10时,苯酚和间甲酚的TU_max又出现了升高的现象;臭氧化2种胺类化合物时,pH对TU_max的影响较小.进一步研究发现,高毒性中间产物主要是由芳香族化合物与臭氧分子反应生成的,且具有氧化性.本研究能够为臭氧工艺的安全运行提供基础数据,并有助于后续生物毒性控制工艺的开发.     

基于成组生物毒性测试的PM2.5毒性

为了准确评估PM_(2.5)的综合生物毒性,采用发光细菌急性毒性、斑马鱼胚胎急性毒性和体外人肺腺癌细胞(A549)毒性试验对常州市冬季雾-霾天、冬季正常天和夏季这3个时间段的PM_(2.5)进行生物毒性评价,并结合大气理化指标进行分析.结果表明,3个时间段的PM_(2.5)均表现出急性毒性或发育毒性.冬季雾-霾天、冬季正常天和夏季PM_(2.5)对发光细菌的毒性单位(toxicity unit,TU)值分别为1. 74(有毒)、1. 19(有毒)和0. 92(微毒);对斑马鱼胚胎的TU值从大到小排列为:冬季正常天(TU=1. 14,有毒)、冬季雾-霾天(TU=0. 79,微毒)和夏季(TU=0,无毒);对A549的TU值为:冬季雾-霾天(TU=0. 61,微毒)夏季(TU=0. 38,微毒)冬季正常天(TU=0. 31,微毒).在发育毒性方面,除夏季PM_(2.5)样品,其余2个时间段的PM_(2.5)均对斑马鱼胚胎发育有影响,主要表现出心包囊肿、脊椎弯曲和尾部畸形.平均毒性(average toxicity,Av Tx)、毒性指数(toxic print,Tx Pr)和最敏感测试(most sensitive test,MST)综合毒性评价方法表明冬季雾-霾天和冬季正常天PM_(2.5)均表现出有毒,夏季则表现出微毒,以冬季雾-霾天PM_(2.5)样品的综合毒性最高.此外,3种测试生物对PM_(2.5)污染物的敏感度排序为发光细菌斑马鱼胚胎 A549.理化指标和生物毒性的相关性分析结果表明,PM_(2.5)中所含的污染物对生物毒性效应产生影响,可为PM_(2.5)生物毒性综合评价和人体健康风险评估提供依据.     

Evaluation of joint toxicity of heavy metals and herbicide mixtures in soils to earthworms (Eisenia fetida)

It is widely acknowledged that a simplified and robust approach to evaluating thecombined effects of chemical mixtures is critical for ecological risk assessment (ERA) of contaminated soil. The earthworm (Eisenia fetida) was used as a model to study the combined effects of polymetallic contamination and the herbicide siduron in field soil using a microcosm experiment. The responses of multiple biomarkers, including the activities of catalase (CAT), superoxide dismutase (SOD), glutathione reductase (GR) and acetylcholine esterase (AChE), the concentrations of glycogen, soluble protein (SP), malonaldehyde (MDA), and metallothionein (MT), and the neutral red uptake test (NRU), were investigated. Multivariate analysis, Principal Component Analysis (PCA) and Spearman's Rank Correlations analysis (BVSTEP) revealed that the activities of AChE and CAT and the NRU content were the prognostic biomarkers capturing the minimum data set of all the variables. Internal Cd (tissue Cd) in earthworms was closely related to the health status of worms under combined contamination of heavy metals and siduron. The integrated effect (E_mix) calculated based on the activities of AChE and CAT and NRU content using the stress index method had significantly linear regression with internal Cd (p<0.01). E_mix(10), E_mix(20), and E_mix(50) were then calculated, at 1.27, 1.63 and 2.71 mg/kg dry weight, respectively. It could be concluded that a bioassay-based approach incorporating multivariate analysis and internal dose was pragmatic and applicable to evaluating combined effects of chemical mixtures in soils under the guidance of the top-down evaluation concept of combined toxicity.     

Modeling of acute cadmium toxicity in solution to barley root elongation using biotic ligand model theory

Protons（H⁺）as well as different major and trace elements may inhibit cadmium（Cd）uptake in aquatic organisms and thus alleviate Cd toxicity.However,little is known about such interactions in soil organisms.In this study,the independent effects of the cations calcium(Ca²⁺),magnesium(Mg²⁺),potassium（K⁺）,H+and zinc(Zn²⁺)on Cd toxicity were investigated with 5-day long barley root elongation tests in nutrient solutions.The tested concentrations of selected cations and trace metal ions were based on the ranges that occur naturally in soil pore water.The toxicity of Cd decreased with increasing activity of Ca²⁺,Mg²⁺,H⁺and Zn²⁺,but not K⁺.Accordingly,conditional binding constants were obtained for the binding of Cd²⁺,Ca²⁺,Mg²⁺,H⁺,and Zn²⁺ with the binding ligand:log K_CdBL5.19,logK_CaBL2.87,logK_MgBL2.98,logK_HBL5.13 and logK_ZnBL5.42,respectively.Furthermore,it was calculated that on average 29% of the biotic ligand sites needed to be occupied by Cd to induce a 50% decrease in root elongation.Using the estimated constants,a biotic ligand model was successfully developed to predict the Cd toxicity to barley root elongation as a function of solution characteristics.The feasibility and accuracy of its application for predicting Cd toxicity in soils were discussed.     

镉与S-异丙甲草胺对斜生栅藻的联合毒性作用

采用毒性标准实验方法研究了Cd2+与S-异丙甲草胺单独及联合作用对斜生栅藻急性毒性、总可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性和细胞膜通透性的影响.结果表明Cd2+与S-异丙甲草胺单独作用时EC50均随时间的延长而减小,且S-异丙甲草胺的急性毒性大于Cd2+;Cd2+、S-异丙甲草胺的EC50-24h分别为0.27 mg·L-1、0.24 mg·L-1,EC50-96h分别为0.16mg·L-1、0.13 mg·L-1.Cd2+与S-异丙甲草胺联合作用时低浓度表现为协同作用,高浓度表现为拮抗作用.暴露96 h后,Cd2+与S-异丙甲草胺单独及联合作用下,随有毒物质浓度升高,斜生栅藻总可溶性蛋白含量降低,SOD酶活性先激活后抑制,细胞膜通透性逐渐增大.     

Modelling sulphate-enhanced cadmium uptake by Zea mays from nutrient solution under conditions of constant free Cd2+ ion activity

A controlled hydroponic experiment was undertaken to investigate Cd uptake in relation to the activity of Cd species in solution other than the free ion (Cd²⁺) by maintaining a constant Cd²⁺ activity under variable SO₄₂⁻ and Cl⁻ concentrations exposed to maize (Zea mays var. Cameron) plants. The objectives of these experiments were: (1) to distinguish and quantify the different uptake rates of free and inorganic-complexed Cd from nutrient solution, and (2) to model the uptake of Cd by maize with a Biotic Ligand Model (BLM) in a system which facilitates the close examination of root characteristics. Results of the current experiments suggest that, in addition to the free ion, CdSO₄⁰ complexes are important factors in determining Cd uptake in nutrient solution by maize plants. Higher nominal SO₄²⁻ concentrations in solution generally resulted in a greater Cd accumulation by maize plants than predicted by the Cd²⁺ activity. A better integration of the complete dataset for the 3 harvest times (6, 9 and 11 days after treatment) was achieved by including consideration of both the duration of Cd exposure and especially the root surface area to express Cd uptake. Similarly, the fit of the BLM was also improved when taking into account exposure time and expressing uptake in terms of root morphological parameters.