黃圣彪 王子健*
（中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境水化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085）

1 前言

　　金屬與生物有效性和毒性之間的關(guān)系，是制定金屬水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)^[1]。隨著對(duì)金屬形態(tài)及其生物有效性和毒性關(guān)系研究的深入，產(chǎn)生了很多的機(jī)理描述模型，如FIAM，GSIM和BLM模型^[2-4]。這些模型分別從多種角度解釋了環(huán)境因素對(duì)形態(tài)分布及其生物有效性和毒性的影響，各模型在一定程度上可給出重金屬的生物有效性和毒性信息，但都存在缺陷，不能完全替代毒性實(shí)驗(yàn)。因此，建立合理的金屬生物有效性和毒性預(yù)測模型，為建立新的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)，是國際環(huán)境界研究的熱點(diǎn)。本論文通過在不同配體存在條件下，利用二步酸化陽極溶出伏安法（DAM-DPASV）和斜生柵藻生物毒性實(shí)驗(yàn)研究了銅形態(tài)和毒性之間的關(guān)系，提出了“生物活性態(tài)銅”的概念來描述水環(huán)境中生物有效態(tài)銅，并在官廳水庫天然水樣中得到驗(yàn)證。

2 研究方法

2.1 樣品采集: 在北京市官廳水庫共設(shè)7個(gè)采樣點(diǎn)，過0.45μm的微孔濾膜過濾，在每個(gè)水樣中加入銅濃縮液，確保每個(gè)水樣中銅的濃度成一個(gè)濃度系列（以2×10^-6mol/L的間隔從0到 14×10^-5mol/L）。同時(shí)采取底泥提取腐植酸(FA)。
2.2 DAM-DPASV分析: 在毒性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，采用兩步酸化DPASV(DAM-DPASV)方法來測定水溶液中電極有效態(tài)銅含量 ^[5]，溶出伏安法在M263恒電位儀和303A SMDE電極(EG&G)上進(jìn)行，整套系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制(M270軟件)。
2.3 斜生柵藻毒性實(shí)驗(yàn): 在模擬水樣中加入不同濃度的分析純NaHCO3, NaCl, EDTA和由官廳水庫底泥提取的FA作為配體。OD 值被測定在分光光度計(jì)UV-120-02 (Shimadzu) 上。
2.4 計(jì)算和統(tǒng)計(jì)：實(shí)驗(yàn)三組平行，EC50值計(jì)算按照Trmmed Spearman-Karber 方法^[6]. 樣品溶液中銅的形態(tài)分布用MINTEQ A2模型計(jì)算。聚類分析采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 10.0版本。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同配體存在條件下，銅對(duì)斜生柵藻的毒性作用
　　在模擬水中加入HCO₃^2-, Cl^- 和不同濃度的EDTA與FA，都能不同程度的降低銅對(duì)斜生柵藻的毒性， 這表明HCO₃^2-, Cl^-，EDTA和FA能夠不同程度的減少水溶液中銅離子濃度以及斜生柵藻對(duì)銅的吸收，同時(shí)也表明它們與銅所形成的絡(luò)合態(tài)不具有生物有效性。EC50值與模擬水中HCO₃^2-, Cl^-，EDTA和FA濃度之間的關(guān)系見表1，在這里FA的濃度轉(zhuǎn)換成可溶性碳（DOC）的含量。

Table.1 Variation in Cu toxicity indicated by the total copper to S.oblignus as a function of ligand concentration: HCO₃^2-, Cl^-，EDTA和FA. Equation Ligands Regression Relationship 1 HCO₃^2- Y=0.89 x1 + 2.85 R²=0.9937,n=7 2 Cl^- Y=0.78 x1 + 0.89 R²=0.9760,n=6 3 EDTA Y=0.74 x3 + 2.83 R²=0.9683,n=6 4 FA Y=1.82 x4 + 2.12 R²=0.9430,n=5 5 HCO₃^2-,Cl^-，F(xiàn)A Y=3.92+0.17x1+0.08x2+3.52x4 R²=0.8741,n=15

　　其中：x1-HCO₃^2-,10-4mol/L ；x2-Cl^-,10-4mol/L；x3-EDTA,10-4mol/L；x4-DOC,mg/L

　　公式5顯示在HCO₃^2-, Cl^- 和FA同時(shí)存在時(shí)，EC50值隨配體濃度的變化，F(xiàn)A是影響銅對(duì)斜生柵藻毒性的主要因素，分別是HCO₃^2-和Cl^-的44倍和24倍。
　　通過MINTEQA2 軟件計(jì)算不同配體存在條件下模擬水中銅的存在形態(tài)，用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法將不同銅形態(tài)和毒性（EC50）進(jìn)行因子歸類分析，發(fā)現(xiàn)所有形態(tài)可以聚為兩類，CuCO₃aq；CuHCO₃⁺；CuCln-(n-2),Cu-EDTA, Cu-DOM為一類，Cu2+；CuOH+；Cu(OH)2aq和毒性（TP）為另一類型。因此可以假定相對(duì)于Cu2+；CuOH+；Cu(OH)2aq而言，CuCO₃aq；CuHCO₃⁺；CuCln-(n-2),Cu-EDTA, Cu-DOM沒有或較少毒性特征。根據(jù)上述結(jié)果，我們提出了一種生物有效態(tài)銅濃度“[Cu^*]”： 　　　　[Cu^*]=[Culabile]-[ CuCO₃aq]-[ CuHCO₃⁺]-[ CuCln-(n-2)]　　　公式6
　　分別由[Cu2+], [Cu^*]表示的EC50值是一個(gè)常數(shù)，不隨著HCO₃^2-, Cl^- ，EDTA和FA濃度的變化而變化。事實(shí)上，水溶液中有機(jī)成分的存在并不影響銅的無機(jī)形態(tài)的分配。^[Cu*]與銅對(duì)斜生柵藻的毒性（TP）之間呈線形關(guān)系:
　　TP=1.2 log[Cu^*]+4.73 (R2=0.6428,n=34)　　　公式7
　　這一關(guān)系式能被用于預(yù)測水溶液中銅的毒性。為了進(jìn)一步確定這一關(guān)系式在預(yù)測水環(huán)境中銅毒性的可行性，我們通過銅的加標(biāo)實(shí)驗(yàn)對(duì)這一關(guān)系式在官廳水庫水樣中加以驗(yàn)證。
3.2 銅在天然水體中的毒性預(yù)測
　　對(duì)官廳水庫水樣進(jìn)行銅加標(biāo)實(shí)驗(yàn)，在半有效濃度時(shí)，銅各種形態(tài)的濃度以及此時(shí)對(duì)斜生柵藻的預(yù)測抑制率見表3。^[Cu*]在1.58-1.80×10-6mol/L之間，比^[Culabile]小的多。通過公式7由^[Cu*]計(jì)算的EC50值在1.67×10-6mol/L之間，小于^[Cut]表示的EC50值，進(jìn)一步證明，由總銅濃度為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)環(huán)境起到一種過保護(hù)作用。通過公式7由^[Cu*]得到的預(yù)測抑制率與生物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了很好的一致性，在銅的半有效濃度時(shí)，由公式7預(yù)測的對(duì)斜生柵藻的抑制率在47.2%-55.0%之間。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析證明，預(yù)測抑制率和實(shí)驗(yàn)測定抑制率之間的偏差（小于10%）是不明顯的。因此對(duì)于描述天然水體中銅的生物有效性，^[Cu*]提供了一個(gè)可行的參數(shù)。

Table 2. Concentrations of different Cu species and predicted/measured toxicity to S. oblignus in Cu spiked natural waters Sampling sites EC50 ¹ [Culablie] ² [Cu^*] ³ Predicted toxicity (%) ⁴ A01 3.64 ± 1.23 2.44 ± 0.52 1.58 47.2 A02 4.19 ± 0.89 2.97 ± 1.01 1.75 53.7 A03 3.72 ± 0.72 3.00 ± 0.79 1.62 48.7 A04 4.08 ± 1.62 2.72 ± 1.11 1.53 45.1 A05 3.27 ± 0.84 2.98 ± 0.88 1.80 55.0 A06 4.24 ± 2.21 2.84 ± 1.57 1.67 50.7 A08 3.56 ± 0.97 2.43 ± 0.72 1.70 51.6

4 結(jié)論

　　借助DAM-DPASV測定和銅形態(tài)計(jì)算得到的[Cu^*]能夠替代FIAM 模型中的Cu2+來預(yù)測天然水體中銅的毒性，同時(shí)排除了碳酸銅絡(luò)合態(tài)和氯化銅絡(luò)合態(tài)對(duì)銅毒性的影響。

參考文獻(xiàn)
1 Hall. J.C, W.T. Hall C.T. Simmons. Water Quality Criteria for Copper. 1997, 9: 45-49.
2 Morel, F.M.M. Principles of Aquatic Chemistry, Wiley-Inter-Science. New York, 1983,p301.
3 Pagenkopf, G.K. Gill Surface Interaction Model for Trace-Metal Toxicity to Fishes: Role of Complexation, pH and Water Hardness. 1983,17:342-347.
4 DiToro, M. D., Allen, E.H., Bergman, L.H. et al. The Biotic Lignad Model, A Computational Approach for Assessing the Ecological Effects of Copper and Other Metals in Aquatic Systems. International Copper Association, Ltd, 2000.

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