沉积相硒对夹杂带丝蚓的生物累积及效应研究_李丹.pdf

华南师范大学学报(自然科学版)Journal of South China Normal University(Natural Science Edition)2022，54(6):5158doi:106054/jjscnun2022085收稿日期:20220220华南师范大学学报(自然科学版)网址:http:journalnscnueducn基金项目:国家自然科学基金项目(42107292，42177256，42177257);科技部重点专项子课题(2018YFC1801200);广东省基础与应用基础研究基金项目(2019A1515110789)*通信作者:李丹，Email:ldanltm 163com沉积相硒对夹杂带丝蚓的生物累积及效应研究李丹1，2，3*，杨纪琛2，3，孙炜钧2，3，李潇2，3，雷浩俊2，3，韦新蓉2，3，陈红星2，3，谢凌天2，3(1 上海应用技术大学，上海 201418;2 华南师范大学环境研究院/广东省化学品污染与环境安全重点实验室/华南师范大学环境理论化学教育部重点实验室，广州 510006;3 华南师范大学环境学院，广州 510006)摘要:以底栖模式生物夹杂带丝蚓(Lumbriculus variegatus)为研究对象，在环境相关浓度的沉积相 Se()中暴露21 d后，通过 ICPMS 定性定量硒在带丝蚓体内的含量及形态。硒在环境相关浓度下可以有效地在夹杂带丝蚓体内累积，形态主要以 SeMet 和 SeCys 为主。此外，沉积相中硒可以促进夹杂带丝蚓体内氧化应激反应、降低 Na+/K+ATP 酶活性以及消化系统相关酶活性，从而抑制夹杂带丝蚓的肥满度增长以及对沉积物中硒的生物富集能力。结果表明:环境相关浓度的沉积相 Se()可能影响硒在底栖生物中的累积及其形态的分布，并形成生物效应。研究结果为阐明沉积物中硒对底栖生物的生物累积及效应提供了重要的理论依据和数据支撑。关键词:硒;底栖生物;硒的形态;生物累积;生物效应中图分类号:TQ033文献标志码:A文章编号:10005463(2022)06005108The Biological Accumulation and Effects of Selenium in Sediments on theOligochaete，Lumbriculus VariegatusLI Dan1，2，3*，YANG Jichen2，3，SUN Weijun2，3，LI Xiao2，3，LEI Haojun2，3，WEI Xinrong2，3，CHEN Hongxing2，3，XIE Lingtian2，3(1 Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China;2 SCNU Environmental esearch Institute，South China Normal University/Guangdong Provincial Key Laboratory of Chemical Pollution and Environmental Safety/MOE Key Laboratory of Theoretical Chemistry ofEnvironment，Guangzhou 510006，China;3 School of Environment，South China Normal University，Guangzhou 510006，China)Abstract:In the L variegatus，SeMet and SeCys were the main Se species The benthic model organism，Lum-briculus variegatus，was used to quantify the content and morphology of selenium in the Lumbriculus by ICPMSafter 21 d exposure to environmentally relevant concentrations of the sedimentary phase Se()The results showedthat selenium could effectively accumulate in the Lumbriculus at environmentally relevant concentrations，and themorphology was mainly dominated by SeMet and SeCys In addition，Se at environmental related concentrationsin the sediment increased the oxidative stress，inhibited the activities of Na+/K+ATP enzyme and digestive en-zymes of L variegatus，inducing the decrease of condition factors and bioaccumulation The results shed a light onthe Se species，biological accumulation and effect of Se()in sediments in the benthos，and provide theoreticalbasis and fundamental data for the bioaccumulation and effects of selenium in sedimentsKeywords:selenium;benthos;selenium speciation;bioaccumulation;biological effects硒是人体生理必需的 14 种微量元素之一，在维持免疫、刺激生长和繁殖等各种功能上具有重要作用12。硒在地壳中含量很低且分布不均3，但工农业活动(如废弃物排放、矿业开采、冶炼、加工运输、施肥及灌溉等)可能导致硒被大量排放到受纳水体中，主要以高可溶性无机硒(即亚硒酸盐(Se()和硒酸盐(Se()和有机硒(硒代蛋氨酸(SeMet)、硒代半胱氨酸(SeCys)和其他有机硫化合物的硒取代类似物)形态存在45。硒被排放到水环境后，容易吸附在沉积矿物质和有机物的表面上6，使沉积物成为硒的主要源和汇7。天然沉积物中硒的质量分数在 00839 g/g范围，其平均值约 10 g/g811，而美国 Belews 湖和 Kesterson 水库沉积物中硒的质量分数分别高达100 g/g 和 210 g/g，主 要 以 Se()形 态 存在8，12。硒在沉积物中可以通过底栖生物的摄食行为进入食物链，在更高营养级的水生生物体内累积并造成毒性效应，包括致畸性13、神经毒性14、氧化应激15 和异常行为16 等。前期研究表明底栖无脊椎动物具有富集硒的能力，某些类群最高硒积累可达370 g/g dw8，从而使水体中其他摄食底栖生物的高营养级生物受到硒的危害。但目前对于沉积物中硒在底栖生物中的富集及对其产生毒性效应的机制研究较少。本文主要研究:(1)沉积物中最常见的无机硒形态 Se()在环境相关浓度下对底栖模式生物夹杂带丝蚓(Lumbriculus variegatus)的生物有效性;(2)沉积物中 Se()的暴露对夹杂带丝蚓体内硒形态分布的影响;(3)沉积物中 Se()的暴露对夹杂带丝蚓的 Na+/K+ATP 酶、氧化应激反应以及消化系统的影响。本研究结果可为底栖环境中硒污染的预防和检测提供参考依据。1材料与方法11试验材料亚硒酸钠(Se()，纯度99%)购买自沈阳瑞丰精细化工有限公司，其他所有试剂均购自广州化学试剂厂。所有玻璃器皿均用 50%硝酸清洗、去离子水漂洗 3 次，70 下烘干后使用。夹杂带丝蚓由华南师范大学水生毒理学实验室传代培养得到，每天饲喂 1 次约 100 mg 的孔雀鱼饲料(硒的背景值见表 1)。在实验开始之前，随机选择大约 300 条大小相近(湿质量(4005)mg，体长(22020)mm)的夹杂带丝蚓成体，在光照 14 h 与黑暗 10 h 的光暗循环和(261)的温度下，将夹杂带丝蚓(Lumbriculus variegatus，硒的背景值见表1)培养在放有沉积物(深度约 2 cm)和经过碳过滤的脱氯自来水(体积为12 L)的玻璃容器(容积为18L)中，在没有食物和曝气的情况下驯化 7 d。表 1曝气水、沉积物、鱼饲料和夹杂带丝蚓中不同形态硒的背景值Table 1The background concentrations of different Se species in the exposure medium，sediments，fish food and L variegatus参数Se()Se()SeMetSeCys总硒曝气水中 Se 质量浓度/(gL1)NDNDNDNDND沉积物中 Se 质量分数/(gg1)017001002001007003ND021001鱼饲料中 Se 质量分数/(gg1)171032005001133024ND343087夹杂带丝蚓中 Se 质量分数/(gg1)010002ND32101708501243602412硒沉积物暴露沉积物取自黑龙江省松花江上游(458oN，1265oE)，在20 下储存数周以上，以消除所有不可见的底栖生物。在加标前，去除上覆水，在室温(25)下解冻后对沉积物进行湿筛(500 m)17。沉积物的有机物质量分数为(6201)%，粉砂/粘土质量分数为(76813)%，砂质量分数为(15407)%，水分质量分数为(51702)%(平均值SE，n=3)。实验前，通过电感耦合等离子体质谱法(ICPMS)对松花江沉积物中总硒的背景值进行了定量(表 1)。沉积物中不同 Se 形态的背景值通过高效液相色谱(HPLC)结合 ICPMS 进行鉴定(表 1)。将 100 g 烘干过筛后的沉积物分配到酸洗过的玻璃烧杯中(容积为 500 mL)，根据硒在沉积物中的环境相关浓度(质量分数，全文同)，分别设置低浓度组、中浓度组、高浓度组(即 3 个处理组)，为了表述方便，称其为低、中、高浓度组。Se 的质量分数分别为 3、10、30 g/g，在搅拌下将 Se()添加到每个容器中，加入约 150 mL 的曝气水作为上覆水，放置24 h 达到平衡。每个质量分数设置 3 个重复实验，每个重复实验加入 25 条夹杂带丝蚓，在加入到沉积中物之前对 25 条带丝蚓统一称其质量并记录。实验期间监测温度、氧饱和度、pH 以及总氨质量浓度。在加入硒的第 1、2、3、4、5、6、7、14、21 d 从 4 个容器中取出 3 份沉积物(每份沉积物 40 mg)和上覆水(每份上覆水样品 2 mL)样品，测定沉积物和上覆水中的硒在 20 d 内的形态和总量的变化。实验结束后，将实验生物从沉积物中筛选出，称其质量并记录数量，其他所有样品在80 冷冻保存，用于后续相关生化分析。13总硒及硒形态的检测上覆水样品用微孔聚偏二氟乙烯(PVDF)膜(孔径 022 m，ANPEL，上海)过滤，并使用微波消解仪(型号 MAS6 240/50，CEM 公司，美国北卡罗25华 南 师 范 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 54 卷来纳州)在 HNO3中 165 下消解 30 min。将沉积物样品冻干约 24 h 至恒定质量，然后加入 10 mL 混合酸(5 mL HF、3 mL HNO3和 2 mL HCl)中消解，在微波消解仪中 190 下消解 40 min。解冻的夹杂带丝蚓样品(无干燥过程)加入 8 mL HNO3后在微波消解仪中消化，190 下消解 40 min。消化物用超纯水进一步稀释至最终体积为 50 mL，用微