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

近年来，水环境污染问题日益严峻,水污染事故频发引起了国内外对水质安全的高度重视。其中，重金属是目前水体中最常见的污染物之一，具有危害高、治理难等特点。因此，如何快速、准确监测水体重金属污染并对其进行科学评价，成为当今环境科学关心的热点问题。

目前，鱼类生物常常被用于水质污染物的监测,其试验结果大多数情况也适用于人类。目前，鱼类生物监测与预警系统主要有深圳RTB、德国 BBE、中国科学院的 BEWs，均是通过高清摄像头对鱼类的游动行为进行捕捉,通过轨迹分析软件对其运动行为指标(游动速度、加速度等)与群体行为指标(分散度、平均距离等)进行量化分析，其结果受外界非毒性因素(噪声、光照)影响较大，且耗时较长。鱼类的规避行为是鱼类的自发性行为反应，当受到污染物刺激后，会自动前往无污染或污染程度较低的区域，其受外界因素影响较低。

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。

拓展阅读：

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.

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。

图 1 装置设计图

图 2 装置实物图

图 3 距中心对角线距离分析图

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。

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。

拓展阅读：

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.

编辑：李佳佳

排版、校对：黎翔

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