POPs藻类生态毒理

随着人们对海洋生态系统保护意识的增强,很多学者对造成海洋污染的成因、机理、污染物对海洋生物的生态毒理进行了深入的研究[1-5]。近年来,持久性有机污染物(persistentorganicpollutants,POPs)对海洋生物生理和生化过程的影响已成为该领域的研究热点。

1POPs的发现及新型POPs记录

1964年,Jensen用气-液相色谱法从野生生物样品中分离有机氯农药,发现了一个未知峰[6],1966年这些未知峰被确定为多氯联苯(PCBs)。此后,陆续有学者发现PCBs及其他有机化合物在全世界的海洋底泥、无脊椎动物、鱼及其他生物体内也有残留,至今已无处不在[7]。这类持久性有机污染物具有持久性、生物富集性、半挥发性和毒性,能在大气环境中远距离迁移并沉积,对人类健康和环境造成严重危害[8]。为控制POPs对环境继续造成污染,2001年5月,中国签署了《斯德哥尔摩持久性有机污染物公约》,对12种POPs的生产和使用加以限制。然而,随着环境污染日趋严重及各国学者对POPs污染的研究深入,人们发现对环境安全造成威胁的POPs远不止这12种,如PBDE(polybrominatedbiphenylether,多溴联苯醚)、BDE(polybrominatedbiphenylethers,多溴二苯醚)、PFOS(peifluorooctanesulfonate,全氟辛烷磺酰基化合物)、PFOA(perfluorooctanoicacid,全氟辛酸)、2,4-DCP(2,4-dichlorophenol,2,4-二氯酚)等新型POPs陆续为文献报道。这些POPs是设计用来替代那些被禁用或过时的POPs,或者是一些已经使用多年但近期才发现可以在生态系统中富集、危害可能性增大的环境污染物;新型POPs还有另一个可能的来源是存在于环境中的有机化学物质通过物理或生物降解成为毒性更大、更容易被生物富集的形式如PFO(烷基酚和全氟辛烷磺酰基化合物)[9]。

2POPs在海洋中的广泛性和危害性

随着被认知的POPs种类的不断增加,人们发现POPs污染问题越来越严重。通过陆源排放和大气沉降等途径,释放于各种环境中的POPs最终进入海洋,使得海洋成为POPs的重要聚集地,海洋生态系统的稳定性也因此受到严重威胁,这一情况已引起全球学者对海洋污染物来源研究的重视。以硫丹污染为例,来自美国、澳大利亚和印度刚果河流域[10-13]的调查数据显示,径流从土壤中带来的硫丹可使其在这三个地区水域中的浓度分别升高到13.4,45μg/L和66.5μg/L,这些浓度已远高于对水生生物产生急性和慢性毒害作用的浓度0.22μg/L和0.05μg/L[14]。很多种类的POPs都被证明具有生物富集效应和生物放大效应[15-20]。POPs在海洋生态系统中随着食物链的延伸而迁移,最终将对食物链的最高营养级——人类的健康造成严重威胁。因此,国内外对于可供食用的海洋动物体内POPs浓度水平的研究较多[21-22],而POPs对藻类生态毒理研究部分则相对较薄弱。

3POPs藻类生态毒理研究

藻类是整个生态系统物质循环和能量流动的重要基础,其本身的生长和代谢会直接受到POPs污染的影响,进而影响到初级消费者及高级消费者的正常生长和生理过程。藻类对于许多毒物比鱼类、甲壳类更为敏感,而且藻类具有周期短、易于培养、可以直接观察细胞水平上的毒性症状等特点[23]。利用藻类的这些生物学特点进行生态毒理学研究,有助于我们客观了解和准确评估POPs对整个海洋生态系统造成的威胁,为阻断POPs在食物链中的传递,降低和避免对人类健康造成的危害,为解决中国海洋环境POPs污染问题提供科学依据。

3.1POPs对藻类生长的毒性效应

许多研究结果表明,在POPs暴露和胁迫下,藻类生长受到明显的影响。Delorenzo等[24]在研究中发现,绿藻(Pseudokirchneriellasubcapitatum)在硫丹中暴露的EC50浓度为427.8μg/L。在室内试验中,当PFOS的浓度高于50mg/L时,羊角月牙藻(Selenastrumcapricornutum)和小球藻(Chlorellavul-garis)的生长会被显著抑制[25]。但有些种类的藻在一定浓度范围内的某种POPs中还能正常生长。小球藻(Chl.fuscavar.vacuolata)和项圈藻(Anabaenavari-alilis)在有5~40nmol/L浓度DNP存在的条件下能够正常生长并表现出较高的富集DNP的能力[26];小球藻(C.vulgaris)和Coenochlorispyrenoidosa在24h光照培养下,5d内在50mg/L的p-chlorophenol和p-nitrophenol环境中能对两种有机污染物进行富集[27];扁藻(Tetraselmismarina)还能通过与葡萄糖共转移的方式将2,4-DCP类化合物富集,从而降低其对藻体产生的毒性[28]。

3.2藻类抗氧化酶防御系统对POPs的响应

许多毒性物质的致毒机理在于能够诱导细胞产生大量活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)而对机体产生各种损害,诱发细胞抗氧化酶系统活性增强,加快ROS清除过程。抗氧化酶系统涉及的抗氧化酶包括抗坏血酸过氧化物酶(APX)、超氧化物岐化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽还原酶(GR)等。由于抗氧化防御系统对污染物胁迫相当敏感,因此在指示污染物胁迫的早期预警中发挥巨大的作用[29]。不同的POPs对同一种生物的抗氧化防御系统产生的影响不同,不同种类的抗氧化酶对POPs胁迫的响应也不尽相同。当金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)暴露于10mg/L的1,2-DCP和10mg/L的1,4-DCP中时,GST活性显著增高;当二者的浓度达到5mg/L的时候,POD和GR的活性就显著增强[30]。乙氧氟草醚(oxyfluorfen)和敌草隆(diuron)对斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)的单独以及联合作用24h后的研究结果显示:CAT、APX、GR和s-GST在乙氧氟草醚的刺激下活性增强,而敌草隆未对3种酶活性有显著影响。乙氧氟草醚和敌草隆对S.obliquus的抗氧化反应具有拮抗作用,但在酶水平上,只能观察到对CAT酶的拮抗表现[31]。通过对暴露于不同浓度的硫丹环境中水聚藻(Myriophyllumquitense)体内CAT、GR、s-GSTs和m-GSTs活性变化的研究结果表明,硫丹浓度为0.02μg/L(淡水中最大安全浓度)时未能引起M.quitense体内抗氧化压力升高,但在试验中设计浓度0.5μg/L和5μg/L时抗氧化酶系活性都应激升高。藻类抗氧化酶防御系统对POPs与其他有毒物质的响应类似[32]。

3.3POPs对藻类的毒性机制