水务看点 | 斑马鱼在两种重金属联合胁迫下的规避行为变化
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斑马鱼,水质安全的报警员
斑马鱼,因在水族箱内成群游动时犹如奔驰于非洲草原的斑马群,故此得斑马鱼之美称。斑马鱼对水环境变化十分敏感,其呼吸运动、神经行为等都是水质毒性检测的重要指标。通过对斑马鱼的实时连续监测行为反映水质变化,用于水质污染物的监测。
在20世纪70年代末,国外就已经开始将斑马鱼应用于急性毒性、遗传学、环境危险评价的研究中,国际标准化组织还将斑马鱼标定为生态毒性测试的标准用鱼。杜娟娟等研究表明,苯类、酚类有机污染物对斑马鱼成鱼及胚胎单一毒性、联合毒性指标都可以作为水环境监测的重要指标,检测水环境中有机毒物的综合毒性。
高小辉,杨峰峰,何圣兵,等.水质的生物毒性检测方法[J].净水技术,2012,31(4):49-54.
杜娟娟,李梅,逯南南,等. 苯类和酚类有机物对斑马鱼急性毒性效应的研究综述[J]. 2015, 34(6):14-17.
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两种重金属联合胁迫下
斑马鱼的规避行为变化
以2种重金属(Zn2+、Cd2+)联合胁迫下斑马鱼的规避行为变化为基础,考察2种重金属联合胁迫下对斑马鱼游动速度与距中心对角线距离的影响。
采用 60 min 流水暴露试验,测定斑马鱼在不同毒性浓度氯化镉、氯化锌中的行为毒性响应。在流水试验中,污染物的配置浓度以 24 h 的半致死剂量为一个毒性单位,即 1 TU。试验分别在不同污染物浓度(毒性单位)不同比例(10 ∶0、3 ∶7、5 ∶5、7 ∶3、0 ∶10)下进行,其中,氯化镉、氯化锌的 LC50-24 h 分别为6. 69、40. 8 mg / L。试验分别记录在 0. 1、0. 5、1、2TU 浓度下斑马鱼的游动行为变化,记录每分钟的平均值。该试验进行时长为 1 h,前30 min 为无污染物暴露下的空白试验,后 30 min 为污染物暴露下的对照试验。
试验过程中,为了明确斑马鱼规避行为的变化,采用距中心对角线距离与游动速度来反映其行为变化,试验装置设计图及实物如图 1、图 2 所示,距中心对角线距离分析如图 3 所示。
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图 1 装置设计图
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图 2 装置实物图
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图 3 距中心对角线距离分析图
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结果
在对照组中,其游动速度与距中心对角线的距离波动不大,游动速度相对稳定,距中心对角线距离基本稳定在 10 ~ 15 cm。在试验组中,游动速度呈现先上升后下降的趋势,距中心对角线距离呈现逐渐增大而后稳定的趋势,最终稳定在 21 cm 左右,可视为基本进入胁迫逃离区。
联合暴露下游动速度的变化分析
在 0. 1、0. 5、1、2 TU 的浓度暴露下,其游动速度出现变化的时间,基本稳定在(12±1. 0)、(8. 4 ± 1. 1)、(4. 6 ± 0. 89)、(1. 6 ± 0. 54) min。斑马鱼在接触污染物后,其游动速度均呈现先上升后下降的趋势。相同比例条件下,在 0. 1 ~ 2 TU 的浓度暴露下,游动速度比值呈现先增大后降低的趋势;在0. 1 ~ 1 TU 的浓度暴露下,游动速度最终稳定在对照组平均水平。斑马鱼逐渐调整行为机制,适应污染环境,通过调节机体的代谢和生理机能而逐步适应,使鱼体达到一个新的平衡状态。在 2 TU 暴露下,游动速度在对照组平均水平停留短暂时间后继续下降,可能是因为在高浓度毒性暴露下,斑马鱼的行为机制受损,无法适应高浓度暴露环境,只能通过降低其行为活动和新陈代谢来减少与污染物的接触 。
通过 SPSS20. 0 软件对试验组与对照组的 30 个游动速度数据进行差异性分析,结果表明:在 0. 1 ~ 1 TU 的浓度暴露下,试验组与对照组的差异显著性随浓度的升高而增大;在 0. 1 TU 暴露下,对照组与试验组呈现显著性差异( p<0. 05),其中,Zn2+:Cd2+ = 3 ∶7时达到极显著性差异(p<0. 01); 在 1 TU 和 2 TU 暴露下,对照组与试验组则已呈现十分显著的差异(p<0. 001)。
在相同毒性浓度不同比例下,对照组与试验组的游动速度比值也存在着差异。在0. 1 ~ 1 TU 暴露、两种重金属联合作用条件下,其游动速度的比值明显高于单一重金属作用,其中,当Zn2+:Cd2+ = 3 ∶7时,比值分别为 0. 20、0. 27、0. 33,明显高于同一毒性浓度下其他比例;在 2 TU 暴露下,游动速度的比值低于单一重金属作用, 其中, 当Zn2+:Cd2+ = 3 ∶7时,比值为 0. 14,明显低于同一浓度下其他比例比值。结果表明,锌、镉离子的联合毒性作用对斑马鱼的刺激大于单一重金属作用,其中,当Zn2+:Cd2+ = 3 ∶7时,其对斑马鱼的毒性作用大于其他比例。
联合暴露下距中心对角线距离的变化分析
在 0. 1、0. 5、1、2 TU 的浓度暴露下,距中心对角线距离出现变化的时间( T2)基本稳定在( 13. 8 ± 0. 84)、 ( 11 ± 0. 71)、 ( 6. 8 ± 0. 84)、 ( 3 ±0. 71)min。斑马鱼在接触污染物后,距中心对角线距离逐渐增大,表明斑马鱼逐渐远离中心污染物扩散管,开始向低毒性浓度的区域靠近;随着暴露时间的延长,斑马鱼距中心污染物扩散管的距离越大,最后全部进入胁迫逃离区,稳定在 20 ~ 24 cm,表明鱼群完全进入避险逃离区。随着暴露浓度的上升,斑马鱼进入胁迫逃离区的时间越短。黄毅等 的研究表明,鱼群在感知到污染物存在后,会自动逃离至污染程度较低或无污染的区域。在鱼类的回避阶段,鱼的机体本身并未受到损伤,而仅仅是一种“有目的性逃跑” 行为,这一过程可持续几秒到几个小时,回避反应是多数水生生物体应对水环境污染刺激的第一反应。
通过 SPSS20. 0 软件对试验组与对照组的 30 个距中心对角线距离数据进行差异性分析,结果表明:在 0. 1 ~ 1 TU 的浓度暴露下,试验组与对照组的差异显著性随毒性浓度的升高而增大;其中,在 0. 1、0. 5 TU 的浓度暴露下,当 Zn2+:Cd2+ =3 ∶7时,其差异显著性要高于同毒性浓度下的其他比例;在 1、2 TU 的浓度暴露下,对照组与试验组则已呈现十分显著的差异(p<0. 001)。
锌、镉离子联合作用下对斑马鱼规避行为的刺激大于单一重金属作用。其中,当Zn2+:Cd2+ = 3 ∶ 7时,其规避行为效应要大于其他比例。
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结论
(1)在两种重金属联合胁迫下斑马鱼的行为变化试验中,由斑马鱼游动速度的变化可知:低浓度毒性作用下,斑马鱼经历行为刺激、行为调整、行为适应;高浓度毒性作用下,斑马鱼除了经历这 3 种作用,还会经历行为强度降低。
(2)在两种重金属联合胁迫下斑马鱼的行为变化试验中,随着与污染物接触时间的延长,斑马鱼逐渐远离中心污染物扩散管,最后基本完全进入胁迫逃离区。斑马鱼逃离中心污染物扩散管的行为趋势强度与浓度呈正相关,浓度越高,其逃离趋势越明显,进入胁迫逃离区的时间越短。结果表明,斑马鱼在接触污染物后,会自动逃离至污染物或污染程度较低的区域,且浓度越高,逃离趋势越明显,该行为验证了规避行为试验装置设计的可靠性。
(3)相同毒性浓度不同比例暴露,在锌离子与镉离子联合暴露下,对斑马鱼的刺激作用要强于单一重金属暴露。对试验组与对照组距中心对角线距离的比值进行回归性分析,表明重金属联合作用下规避趋势较单一污染物作用更加明显,锌、镉离子联合作用表现为毒性增大的协同作用。当 24 h 半致死浓度较高的污染物占据主导地位时,其联合毒性作用更强。
李秀麟,赵志伟,李星权,等. 两种重金属联合胁迫下斑马鱼的规避行为变化[J]. 净水技术,2020,39(8):89-96.
LI X L,ZHAO Z W,LI X Q,et al. Changes of circumvention behavior of zebrafish under combined stress of two heavy metals[J]. Water Purification Technology, 2020, 39(8):89-96.
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