用于水质评价的本土环节动物与水生昆虫筛选,水污染论文

　　作为水生生态系统的重要组成部分，底栖动物是水生态系统中重要的定居动物代表类群之一，对维持水生态系统功能完整性有着至关重要的作用．大型无脊椎底栖动物常被用作水质监测指示生物、构建水体水质生物评价方法体系．水生环节动物和水生昆虫是水体大型底栖动物的主要组成部分，在各种水质评价体系中，环节动物和水生昆虫都是参与体系构建不可或缺的一部分．水生环节动物多数是以沉积物中的细颗粒有机物为食的穴食者，是水生食物链的重要一环;同时，其也可作为鱼类或其他捕食动物的饵料．环节动物不同种属生境相差较大，如:仙女虫科指示清洁或轻污染水质;尾鳃蚓指示水体中等程度的有机污染;颤蚓的极高丰度并伴有水丝蚓出现指示水体重度有机污染;而霍普水丝蚓大量出现一般指示水体严重有机污染或农药污染．由于环节动物在水质评价中的指示作用，寡毛纲或蛭纲种类早已用来指示水质．水生昆虫是指一类某个或几个发育阶段必须在水中或与水体有关的环境中完成的昆虫，其仅占昆虫纲种类的 10%，是底栖无脊椎动物的主要组成部分．水生昆虫不仅是水生食物链重要的环节，其在环境保护及维持生态平衡方面也具有重要作用．水生昆虫种类繁多、丰度大，具有肉眼可见、分布广泛和生活习性单一等特点，对生境有特定的要求，即当生境和营养条件发生改变，其种类和数量也会发生相应变化．综上，水生昆虫群落结构变化反映着水质变化，并可对水体污染做出灵敏反应，因此，可以作为水环境质量的指示生物类群．环节动物和水生昆虫不仅在水质评价与生物监测中有重要作用，在水质基准推算中也是必需物种．US EPA(美国国家环境保护局)在其水质基准中提出至少选择 3 门 8 科生物的最少毒性数据需求，并明确提出其必须包含 1 ～ 2 种水生昆虫的毒性数据，可选一种环节动物．刘征涛等对我国基准最少毒性数据需求的研究中，也提出须包含昆虫与环节动物．我国环节动物和水生昆虫种类较多，物种分布区域差别较大，对污染物敏感性差异显著，选用合适的物种对推导我国水质基准具有重要意义．该研究选择我国本土代表性环节动物及水生昆虫，从中筛选对环节动物和水生昆虫毒性最大的污染物，分析各污染物的物种敏感度分布，在此基础上，提出本土环节动物与水生昆虫的基准受试生物名单，以期为我国水质基准研究提供支持．

　　1、材料与方法。

　　1. 1 本土代表性环节动物和水生昆虫筛选

　　我国环节动物和水生昆虫种类众多，为此，该研究仅选择具有本土代表性的环节动物和水生昆虫种类．筛选原则:我国本土生物或在我国自然水域有分布的外来物种;对污染物较敏感、毒性数据较多的物种;在我国分布较为广泛;在经济或者生态学上具有重要的价值等．根据《中国动物图谱环节动物》、《中国经济昆虫志》、《中国昆虫生态大图鉴》、中国生物物种名录 2012 ( http:data．sp2000. cn2011 _ cnnode _ cinfo _ checklist． php) 和CNKI 数据库筛选本土代表性环节动物和水生昆虫．

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　　1. 2 生物毒性数据筛选与分析

　　参考美国水生生物基准技术指南的数据筛选原则，搜集筛选本土代表性环节动物和水生昆虫的急性毒性数据，数据来源主要为 ECOTOX 毒性数据库(http:cfpub． epa． govecotox) 及公开发表的文献．数据筛选原则:摇蚊幼虫和溞类的急性毒性试验指标为 48 h LC50，其他物种为 96 h LC50;优先选择流水式试验结果及对试验溶液浓度有监控的毒性数据;同种污染物的急性毒性数据如果差异过大，应被判断为有疑点的数据而谨慎使用;一些有问题或有疑点的数据(如没有设立对照组等试验设计不科学的、试验生物曾经暴露于污染物中的)均不能采用;所有毒性数据都要求有明确的测试终点、测试时间及对测试阶段或指标的详细描述;对于同一个物种或同一个终点有多个毒性值可用时，使用其几何平均值．对筛选得到的合格急性毒性数据进行整理和排序: 求得同种污染物的 SMAV(species mean acutevalues，种平均急性毒性值)，对同一物种的不同污染物的 SMAV 从小到大进行排序，获得对目标生物毒性最大的污染物类别．

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　　1. 3 污染物毒性数据筛选与分析

　　对目标生物毒性最大的污染物，参考数据筛选原则，重新筛选各污染物的急性毒性数据，将筛选得到的合格急性毒性数据进行排序，计算累积概率，分析目标生物对污染物的物种敏感性，确定对污染物特异性敏感的环节动物和水生昆虫物种，提出基准受试生物名单．

　　2、结果与讨论

　　2. 1 我国环节动物和水生昆虫分布范围

　　该研究主要讨论营淡水生活的寡毛纲环节动物．寡毛纲分为带丝蚓目 ( Lumbriculida)、颤蚓目(Tubificida)和单向蚓目(Haplotaxida)3 目．带丝蚓目仅带丝蚓科 1 科;颤蚓目分为颤蚓科、水丝蚓科、仙女虫科及白丝蚓科等 4 科;单向蚓目除单项蚓科外其他均生活在陆地上．寡毛纲生物在我国分布广泛，但主要分布于长江流域．我国水生环节动物主要分布如表 1 所示．水生昆虫分为全水生和半水生两大类．全水生昆虫是指成虫或幼虫在水体中生活的一类水生昆虫，主要类群有蜉蝣目、襀翅目、蜻蜓目、毛翅目、广翅目的全部种类，部分双翅目、部分鞘翅目、水生膜翅目、部分半翅目、部分鳞翅目等．以长江为界，水生昆虫主要分布于长江流域及长江以南地区，物种较为丰富，长江以北地区种类相对较少．我国水生昆虫主要分布如表 2 所示．

　　根据物种筛选原则，筛选出在我国分布较为广泛的代表性环节动物及水生昆虫，如表 3 所示． 5 种环节动物为正颤蚓 ( Tubifex tubifex)、霍普水丝蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)、苏氏尾鳃蚓( Branchiurasowerbyi)、仙女虫(Nais sp.、尾盘虫(Dero sp．)，其中前3 种均为颤蚓科，尾盘虫与仙女虫属于仙女虫科． 5种水生昆虫为四节蜉 ( Baetis rhodani )、扁蜉(Heptagenia sulphurea)、羽摇蚊(Chironomus plumosus)、长跗摇蚊(Tanytarsus dissimilis)、黄翅蜻(Brachythemiscontaminata)，其中前 2 种属于蜉蝣目，中间 2 种属于双翅目，黄翅蜻属于蜻蜓目．

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　　2. 2 对环节动物毒性最大的污染物

　　对 5 种环节动物的急性毒性数据筛选排序，毒性最大的 3 种污染物如表 4 所示．筛选得到的 12 种污染物主要为有机锡化合物、表面活性剂、重金属和农药 4 类．对尾盘虫属毒性最大的 3 种污染物均为表面活性剂;对仙女虫毒性最大的 3 种污染物为 2 种重金属和 1 种有机氯农药;对正颤蚓毒性最大的 3 种污染物中有 2 种为有机锡化合物;对霍普水丝蚓毒性最大的 3 种污染物有 2 种农药和 1 种重金属;对苏氏尾鳃蚓毒性最大的 3 种污染物为 2 种重金属和 1 种有机磷农药．从毒性值来看，正颤蚓和苏氏尾鳃蚓对污染物耐受能力较小，而霍甫水丝蚓及尾盘虫对污染物的耐受能力相对较强．

　　2. 3 对水生昆虫毒性最大的污染物

　　对5种水生昆虫生物毒性最大的3种污染物如表 5 所示．由表 5 可知，筛选得到的 15 种污染物均为农药类化合物，分别为有机氯类、有机磷类、氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯、酰胺类、氯代烟碱类杀虫剂和三唑类杀菌剂等 7 类农药．氨基甲酸酯类农药对黄翅蜻表现为剧毒，农药类化合物对扁蜉和羽摇蚊的毒性较小，多表现为中毒或低毒．

　　2. 4 环节动物及水生昆虫对污染物的敏感度

　　对 26 种污染物的物种敏感性分析，结果如表 6、7 所示．目前关于物种敏感性数值的分级研究少见，但指出当水生态系统中 30% 的生物受到危害时，将会给生态系统带来明显风险，因此将累积概率 30%作为物种敏感性分界点．颤蚓是对铜最敏感的生物，同时其对三丁基氧化锡的敏感性也较高．尾盘虫属对 2 种表面活性剂敏感性较差;并且其对十六烷基三甲基氯化铵和 C14-15 链烷醇聚醚-7 的累积概率均大于 50%，属不敏感物种．仙女虫对铜较敏感，对氯化汞耐受力较强，对五氯酚钠较敏感．苏氏尾鳃蚓对高锰酸钾和硫酸锌较敏感．对于环节动物，霍普水丝蚓为耐污种，颤蚓则可作为有机锡化合物和铜、苏氏尾鳃蚓可作为重金属高锰酸钾和硫酸锌的基准研究受试物种，尾盘虫和仙女虫对表面活性剂和重金属整体而言不甚敏感，但仙女虫属可作为有机氯农药五氯酚钠、尾盘虫属可作为表面活性剂直链烷基苯磺酸的基准研究受试物种．由表 7 可知，2 种摇蚊幼虫对其毒性最大的 3 种污染物均不敏感，显示出较强的耐污能力;长跗摇蚊对于有机磷和拟除虫菊酯类农药较敏感．这表明摇蚊科生物对农药耐受能力相对较强．除摇蚊科生物外，筛选得到的其他水生昆虫对农药总体较敏感，其中对黄翅蜻毒性最大的 3 种农药毒性数据中，黄翅蜻均为最敏感物种．水生昆虫对除有机氯农药外的其他农药均较敏感．

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　　2. 5 讨论

　　由于国内环节动物与水生昆虫毒性研究文献有限，筛选物种时初步选择急性毒性数据多且广泛分布的物种作为目标生物．颤蚓科生物在我国分布广泛、种类众多，在水质评价中多作为耐污种指示环境污染状况．本土盘虫和仙女虫属种类较多，分布范围均较广，常被用作水体清洁或者轻度污染指示生物．四节蜉科与扁蜉科为我国蜉蝣目中种类最多的 2 个科，蜉蝣目在水体中一般为清洁种，在水质评价中具有重要地位．摇蚊科是最常见的底栖动物之一，不同种类的摇蚊科昆虫对生活环境要求不同．这些种属在我国分布广泛且在水质评价中有重要作用，但是有些物种毒性数据较少，只能在属的水平上进行污染物数据筛选．对 5 种环节动物毒性最大的污染物分别为有机锡化合物、表面活性剂、重金属及农药．对颤蚓毒性最大的 3 种污染物中有 2 种为三丁基有机锡污染物．颤蚓通常为耐污种，在水体中多用来指示重污染．但笔者研究结果显示，2 种有机锡化合物和重金属铜对颤蚓的毒性值均较小，表明颤蚓耐受力较差．有机锡化合物主要用作塑料工业生产的稳定剂和催化剂以及防污涂料生产中，使用范围广泛，作为一种毒性较强的内分泌干扰物，其污染已经引起国际重视，许多发达国家都将有机锡化合物列为优先控制的有毒污染物．我国有机锡行业发展较晚，目前还没有相关行业标准．由于有机锡化合物多用于船舶防污涂料，因此其对海洋污染较为严重，对其的毒性研究也多集中于海水生物，淡水生物毒性数据较少．但是近年来江桂斌等在我国多处内陆水域均检测出较高浓度的三丁基锡，因此有机锡化合物对淡水生物的毒性研究亟需加强，相关水质基准与标准也有迫切需求．而笔者的研究结果显示，颤蚓对有机锡化合物敏感性较高，其可作为有机锡污染的指示生物及基准受试生物．我国 2005 年表面活性剂的消耗量位居世界第 2位，大量表面活性剂进入水环境中，影响水生生物生长，导致水生物种数量和群落结构发生改变，破坏了生态系统的平衡．目前对表面活性剂的水生毒性研究多集中于微生物、藻类、鱼类和甲壳类等水生生物，对环节动物等底栖动物的研究较少．对尾盘虫毒性最大的 3 种污染物为 3 种不同类型的表面活性剂，虽然除直链烷基苯磺酸外尾盘虫不是另 2 种表面活性剂的敏感物种，但其可在一定程度上指示水体中表面活性剂的中度或重度污染．仙女虫科一般用于指示清洁或轻污染水体，在该研究中表面活性剂对尾盘虫毒性均较小，显示较耐污，这可能与数据丰度不高有关;此外，仙女虫属虽对 3 种污染物耐受力较差，但却只对五氯酚钠较敏感．苏氏尾鳃蚓对重金属高锰酸钾与硫酸锌较敏感．高锰酸钾一般作为水产药物加入水体，以消除鱼体内的原生动物和寄生虫，对鱼类毒性较小．王凡等研究表明，高锰酸钾对金鱼的 96 h LC50为 2. 31 mgL，安全浓度为 0. 231 mgL，远大于其对苏氏尾鳃蚓的96 h LC50(0. 03 mgL)．

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　　因此，高锰酸钾在作为水产药物使用时，极易危害水体中一些较为敏感的生物．苏氏尾鳃蚓可作为高锰酸钾的敏感物种，可指示水体中高锰酸钾污染程度;此外，苏氏尾鳃蚓对硫酸锌也较敏感．霍普水丝蚓作为水体中的耐污物种，可用于指示水体的严重有机物污染．我国对霍普水丝蚓的毒性研究多集中在农药和重金属污染方面．一些苯系物对霍普水丝蚓表现为中毒或者低毒，且霍普水丝蚓对重金属的耐受力也较强，故一般多用其指示水体污染状态．对 5 种水生昆虫毒性最大的污染物均为农药类．有机氯、有机磷、氨基甲酸酯类和拟除虫菊酯类农药为市场上农药的主要组成部分．当今农业的生产发展离不开各类农药的广泛使用．然而农药在创造农业经济价值外，也因其较高的毒性及难降解性等特点，对环境造成了严重破坏． 20 世纪90 年代后期，我国农药使用量达 5 ×105～ 6 × 105t，其中近 80% 经过各种途径进入环境中，大部分农药最后汇集进入水体，造成水体污染． 20 世纪 90 年代，对我国 10. 97 ×104km 河流评价的结果表明，有 70. 6% 的河流被农药所污染．我国目前少见农药水质基准研究，选择较为敏感的生物物种指示水体中农药污染水平以及研究相关农药水质基准已成为迫切需求．该研究表明，除扁蜉及羽摇蚊外，农药对其他 3 种水生昆虫的毒性均较大，根据农药分级标准，其毒性均属剧毒或者高毒．除羽摇蚊和长跗摇蚊外，另 3 种水生昆虫对农药均有较高的敏感性．因此可利用这些水生昆虫作为该类农药污染的指示生物及基准研究受试生物．摇蚊幼虫常用作水体污染的指示生物，摇蚊属耐受有机物污染，可为劣质水体的指示物种;而长跗摇蚊对污染物较敏感，这与该研究结果较为吻合．但是 2 种摇蚊相较于其他几种水生昆虫，其对于农药的敏感性较差．由于部分物种和污染物毒性数据的缺乏，难以对我国大量的本土水生环节动物和昆虫进行分析评价，无法获得更加丰富的受试生物名单;同时也使得该研究结果存在一定的不确定性．为配合我国水质基准研究，筛选到更加准确的结果以确定水质基准研究受试生物，不断积累水生环节动物和昆虫的毒性数据、增加不同污染物对环节动物及水生昆虫的毒性研究是极其必要的．

　　3、结论

　　a) 通过对本土代表性环节动物和水生昆虫的物种敏感性分析，筛选出 2 科 3 属 4 种环节动物和 3 属(3 种)水生昆虫作为相关污染物水质基准研究的受试生物．b) 环节动物中，颤蚓属( 正颤蚓) 可作为有机锡化合物和重金属铜的基准研究受试生物;尾鳃蚓属(苏氏尾鳃蚓)可作为重金属的基准研究受试生物．尾盘虫属对表面活性剂有一定的敏感性，可作为其基准研究受试生物．仙女虫属对有机氯农药五氯酚钠较敏感，可作为其基准研究受试生物．c) 水生昆虫对农药敏感，可作为其基准研究受试生物．其中，黄翅蜻属(黄翅蜻)对氨基甲酸酯类农药很敏感，可作为该类农药的基准研究受试生物;四节蜉属可作为拟除虫菊酯、有机磷和氯代烟碱类农药的基准研究受试生物;扁蜉属可作为三唑类杀菌剂和有机磷类农药的基准研究受试生物．

　　参考文献:
　　［1］戴纪翠，倪晋仁．底栖动物在水生生态系统健康评价中的作用分析［J］．生态环境，2008，17(6):2107-2111.