环境科学学报  2021, Vol. 41 Issue (6): 2457-2465
不同类型植物凋落物参与下炼锌废渣对斑马鱼抗氧化酶和神经毒性的影响    [PDF全文]
杨开智1, 吴永贵1,2,3, 王晓睿1, 谢荣1, 王铁运1    
1. 贵州大学资源与环境工程学院, 贵阳 550025;
2. 贵州大学应用生态研究所, 贵阳 550025;
3. 贵州喀斯特环境生态系统教育部野外科学观测研究站, 贵阳 550025
摘要:为评价矿山生态修复过程中植物凋落物参与下炼锌废渣体系浸出液对水生生物抗氧化酶和神经毒性的影响,通过模拟添加不同类型代表性修复植物(三叶草、刺槐、构树和法国梧桐)凋落物处理黔西北土法炼锌废渣,检测在不同处理废渣浸出液中暴露28 d斑马鱼(Danio rerio)组织中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、丙二醛(MDA)和乙酰胆碱酯酶(AChE)的变化,以及红细胞DNA的损伤情况.结果表明,无凋落物组在28 d时SOD和CAT活性受到显著抑制,而添加凋落物组抗氧化酶活性在实验期间无明显规律,基本维持在正常水平;在实验期间,无凋落物组MDA含量显著升高,并在28 d时含量最高,凋落物组MDA含量并无明显升高,仅刺槐组在暴露后期(28 d)时显著高于空白组.随暴露时间延长,各处理组对斑马鱼脑AChE活性表现为先诱导后抑制的作用,并在28 d时受抑制程度明显加强.无凋落物组在28 d时DNA发生明显偏移,而添加凋落物处理后,Olive尾矩(OTM)明显缩短.综上,添加凋落物可明显降低废渣浸出液对斑马鱼抗氧化系统损伤和遗传毒性,其中阔叶高蛋白乔木构树凋落物可以显著降低炼锌废渣生态风险,可作为废渣污染控制的有机改良剂.因此,在开展金属冶炼废渣堆场生态修复过程中选取合适的植物种类及其凋落物对加速冶炼废渣生态修复进程及有效降低废渣污染物的生态风险具有重要意义.
关键词土法炼锌废渣    植物凋落物    斑马鱼    抗氧化酶    神经毒性    DNA损伤    
Effects of leachate from plant litters amended zinc smelting waste slag on antioxidant enzymatic activity and neurotoxicity in Zebrafish (Danio rerio)
YANG Kaizhi1, WU Yonggui1,2,3, WANG Xiaorui1, XIE Rong1, WANG Tieyun1    
1. School of Resources and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025;
2. Institute of Applied Ecology, Guizhou University, Guiyang 550025;
3. Guizhou Karst Environmental Ecosystem Observation and Research Station, Ministry of Education, Guiyang 550025
Received 20 August 2020; received in revised from 16 October 2020; accepted 16 October 2020
Abstract: The influece of zinc smelting waste slag system leachate on the antioxidant enzymatic activity and neurotoxicity of aquatic organisms was evaluated. The indigenous zinc smelting waste slag, treated with different types of representative restoration plant litters (Trifolium repens, Robinia pseudoacacia, Broussonetia papyrifera, and Platanus orientalis) during the ecological restoration of the mine, were collected from northwestern Guizhou. Changes in superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), malondialdehyde (MDA), and acetylcholinesterase (AChE) in zebrafish (Danio rerio) tissues and DNA damage of red blood cells were determined after the zebrafish exposed to the leachate of different waste slag treatments for 28 days. The results showed that SOD and CAT activities of zebrafish in the treatments by zinc waste without plant litter were significantly inhibited. However, the antioxidant enzyme activity in the treatments by zinc waste with plant litter had no obvious rule and basically maintained at the normal level during the experiment. The MDA content in the treatments without plant litter significantly increased and reached the highest level at the 28th day. While the MDA content in the treatments with plant litter did not significantly increase, and only the Robinia pseudoacacia treatments were significantly higher than that in the blank treatments at the late exposure stage (28 d). With the extension of exposure time, the AChE activity of zebrafish brain in each treatment increased firstly and then decreased and the significant inhibitory effects occurred on the 28th day. The DNA in the treatments without plant litter were significantly offset at 28th d. While the Olive tail moment (OTM) was significantly shortened in the treatments with plant litter. In summary, the addition of plant litters significantly reduced the damage of waste slag leachate to the antioxidant system and genetic toxicity of zebrafish. The litters of Broussonetia papyrifera, a broad-leaved high-protein tree, significantly reduced the ecological risk of zinc smelting waste slag. It can be used as an organic amendment for controlling the waste slag pollution. Therefore, it is of great significance to select suitable plant species and its litters to accelerate the ecological restoration process of smelting waste slag and effectively reduce the ecological risk of waste slag pollutants.
Keywords: zinc smelting waste slag    plant litters    zebrafish    antioxidant enzyme    neurotoxicity    DNA damage    
1 引言(Introduction)

金属冶炼活动中产生的有毒金属及其化合物会引发严重的生态环境问题(Maryam et al., 2017Cortada et al., 2018Potysz et al., 2019).贵州黔西北等地在铅锌冶炼过程中遗留下大量富含重金属的废渣, 由于废渣中有机质含量低、物理结构差、微生物活性低、重金属含量高(Cu、Pb、Zn和Cd 4种重金属元素含量最高达到2367、31631、57178和311.5 mg·kg-1), 严重限制了植物的自然生长和其它生物活动(吴攀等, 2002Luo et al., 2019).炼锌废渣堆场位于黔中水利枢纽上游干流(三岔河), 废渣中重金属颗粒会以降雨冲刷、风吹扬尘、地表径流等形式逐渐转移、释放到周边的土壤及水体等各类环境介质中, 可能威胁周边及下游水环境和生态的安全, 进而危害人体健康(Luo et al., 2020).已有学者在土法炼锌废渣堆场进行植被重建, 以此改善废渣生境, 抑制重金属活化与迁移(林文杰等, 2013Luo et al., 2020).有研究表明, 植物凋落物的回归和参与可有效改善废渣堆场的理化性质, 增加颗粒态有机质(POM)含量, 促进金属螯合物的生成, 进而降低重金属流失风险, 但也有研究发现凋落物分解的有机质矿化会加速重金属流失(Asam et al., 2014Yuan et al., 2016Potysz et al., 2017).目前, 相关研究主要集中在植物凋落物参与对废渣中重金属释放量的影响, 而不同类型植物凋落物参与下炼锌废渣是否存在生态风险的研究报道较为缺乏.废渣中重金属向水体迁移, 除表现在对生物致死作用外, 生物体内生理生化指标也会发生改变, 由于斑马鱼(Danio rerio)对水环境变化十分敏感, 并且与人类基因组有70%以上的同源基因, 因此是作为生态毒理学研究的理想生物(Sarkar et al., 2017滕晓强等, 2020).

为评价矿山生态修复过程中地上部凋落物中蛋白质及营养成分含量较高的豆科草本植物(三叶草)、豆科木本植物(刺槐)、非豆科高蛋白阔叶乔木(构树)及对照非豆科低蛋白阔叶乔木(法国梧桐)等不同类型代表性植物凋落物参与下对炼锌废渣生物毒性及生态风险的影响, 以位于黔中水利枢纽上游三岔河流域的贵州省威宁县大量露天堆存的土法炼锌废渣为研究对象, 通过在炼锌废渣中添加不同类型代表性修复植物凋落物, 测定在凋落物参与下炼锌废渣体系浸出液对斑马鱼肝脏和肌肉组织中超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、丙二醛(MDA)含量和脑乙酰胆碱酯酶(AChE)活性的变化, 探讨炼锌废渣堆场在植物凋落物长期参与下体系浸出液对斑马鱼生理生化指标的影响, 以期为金属冶炼废渣堆场的生态修复植物种类的选择和堆场修复后对周边水环境生态风险评价等提供理论依据.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 实验材料

研究区域为贵州省黔西北威宁县猴场镇群发村内历史遗留土法炼锌废渣堆场(北纬26°41′14″, 东经104°43′45″), 面积为5000 m2, 平均海拔为2200 m, 年均气温为10 ℃, 无霜期为180 d, 年均日照时间为1800 h, 年均降水量为890 mm.土法炼锌废渣堆场采样深度为20~30 cm, 自然风干, 研磨过2 mm筛备用.

从贵阳花溪区采集无污染的三叶草(Trifolium repens, 豆科三叶草属, 多年生草本植物)、刺槐(Robinia pseudoacacia, 豆科刺槐属, 落叶乔木)、构树(Broussonetia papyrifera, 桑科楮属, 阔叶落叶乔木)和法国梧桐(Platanus orientalis, 悬铃木科悬铃木属, 阔叶落叶乔木)未开始分解凋落物, 待自然风干后分别装入分解袋(尼龙网, 孔径1 mm×1 mm)中, 每袋封装约10 g凋落物.其中三叶草、刺槐和构树已在土法炼锌废渣堆场成功建植并成活多年, 可作为多年生豆科草本植物、豆科乔木和非豆科高蛋白阔叶乔木的代表, 而低蛋白阔叶乔木的法国梧桐叶片以纤维素为主, 其营养成分含量较低, 与以上3种植物凋落物成分有明显区别.

SOD、CAT、MDA、AChE和DNA损伤试剂盒均购自南京建成生物工程研究所.受试生物选用斑马鱼, 购自网上, 雌雄各半, 选取体长3~4 cm, 平均质量为(0.2673 ± 0.023) g, 在经24 h曝气脱氯自来水驯养7 d以上选取活泼健康的斑马鱼用于后续实验, 驯养期间死亡率 < 5%.

2.2 实验设计与测定方法

在聚乙烯塑料瓶中加入约200 g废渣, 将装有凋落物分解袋平铺于瓶中, 并使用少量废渣压实分解袋, 每种处理3个平行, 并设置1组只装有废渣的处理, 在20 ℃条件下存放100 d, 期间不定期称重补充去离子水以维持分解袋及废渣的持水量为50%.收集处理后的样品, 均匀混合用于浸出毒性实验.根据《固体废物浸出毒性浸出方法—水平振荡法》(HJ 557-2010)规定的标准方法, 称取40 g经上述处理的混合样品置于500 mL锥形瓶中, 按照固液比1∶10(kg·L-1)的比例加入400 mL蒸馏水, 于水平振荡8 h后静置16 h过滤所得浸出液.实验共设置5个处理组, 分别为无凋落物组(fz)、三叶草组(sy)、刺槐组(ch)、构树组(gs)和法国梧桐组(wt), 另设一空白对照组(ck), 每组放入20尾斑马鱼进行暴露实验.每周更换一次溶液, 每次更换一半体积溶液, 实验期间早晚定时定量投食各一次, 饲料选择为市售丰年虫.

在实验第7、14和28 d从相应各组随机取3尾斑马鱼, 解剖, 取其肝脏、肌肉和脑, 准确称取组织重量后, 放入玻璃匀浆器中, 按照质量体积比1∶9的比例加入预冷的生理盐水, 在冰水浴中组织匀浆, 将匀浆充分的组织液离心10 min, 取上清液用于酶活性测定.

酶活性测定方法:SOD采用黄嘌呤氧化酶法测定, CAT采用可见光法测定, MDA采用硫代巴比妥酸法测定, AChE采用TNB比色法, 蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定, 斑马鱼DNA损伤采用彗星电泳法, 电泳后经碘化丙啶染色, 通过荧光显微镜观察、拍照.重金属(Zn、Mn、Cd、Cu、As、Pb)测定采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES, 美国赛默飞).

2.3 数据处理

数据统计以平均值±标准差(mean ± SD, n =3)的形式表示, 使用Origin 2018软件进行绘图, 使用SPSS 25.0统计分析软件对数据进行差异显著性检验(LSD法, p < 0.05有显著差异), 使用CASP图像分析软件(CASP 1.2.3)对彗星照片进行分析, 以受损细胞的DNA彗星Olive尾矩(OTM)评价DNA的损伤程度.

3 结果(Results) 3.1 植物凋落物参与下对废渣浸出液主要重金属释放的影响

不同类型植物凋落物处理对炼锌废渣浸出液中主要的重金属释放的影响如表 1所示, 未添加植物凋落物时, 土法炼锌废渣浸出液中主要的重金属Zn、Mn、Cd、Cu和Pb含量较高, 其中属于第一类环境污染物的Cd及属于第二类环境污染物的Zn浓度均超出地表水(GB 3838-2002)Ⅲ类水体标准.在土法炼锌废渣中添加不同类型植物凋落物后, 4种不同类型植物凋落物的参与对炼锌废渣中Zn、Mn、Cd、Cu和Pb的释放具有显著的抑制作用(p < 0.05), 但对炼锌废渣中As的释放有明显的促进作用.不同类型的植物凋落物表现出较大的差异, 其中, 作为阔叶落叶乔木且凋落物中蛋白质氨基酸等含量较高的构树(孔凡林等, 2020)凋落物的添加对炼锌废渣中Zn、Mn、Cd、Cu和Pb释放的抑制作用较为显著;但值得注意的是, 植物凋落物的添加也显著促进炼锌废渣中As的释放(p < 0.05).综上, 植物凋落物的参与能显著降低炼锌废渣中除As以外多种主要重金属的释放, 可以有效降低炼锌废渣的环境污染、生物毒性及其对周边环境的生态风险.

表 1 不同植物凋落物参与下废渣体系浸出液中重金属的浓度 Table 1 The concentrations of heavy metals from plant litters amended waste slag leachate solution
3.2 植物凋落物参与下废渣浸出液对斑马鱼肝脏和肌肉SOD活性的影响

图 1a可知, 无凋落物组中斑马鱼肝脏SOD活性在实验期间持续受到显著性抑制(p < 0.05).暴露7 d后, 除法国梧桐组外各组SOD活性均低于空白组;在14 d时添加凋落物组SOD活性均高于空白组, 而无凋落物组活性受到显著性抑制(p < 0.05);在28 d时, 无凋落物组SOD活性位于各时间点最低值, 受到显著性抑制(p < 0.05), 是空白组的70.9%, 凋落物组则基本维持在空白水平.

图 1 凋落物参与下废渣浸出液对斑马鱼肝脏(a)和肌肉(b) SOD活性的影响 (同一时间点不同处理间没有相同小写字母表示差异显著(p < 0.05), 下同) Fig. 1 Effects of leachate from plant litter treated waste slag on SOD activity in liver (a) and muscle (b) of zebrafish

图 1b可知, 凋落物组斑马鱼肌肉SOD活性在各时间点呈现诱导-抑制交替状态.暴露7 d后, 各组与空白组之间无显著性差异(p>0.05);14 d时除无凋落物和三叶草组SOD活性受到抑制, 其它各组SOD活性上升, 其中刺槐组SOD活性显著上升(p < 0.05), 是空白组的1.19倍;在28 d时, 各组SOD活性总体受到抑制, 无凋落物组SOD活性显著降低(p < 0.05), 是空白组的81.3%, 加入凋落物各组SOD活性则基本维持在空白水平.

3.3 植物凋落物参与下废渣浸出液对斑马鱼肝脏和肌肉CAT活性的影响

图 2a可知, 无凋落物组斑马鱼肝脏CAT活性在实验期间波动幅度最大, 而构树和法国梧桐组基本维持在空白水平.暴露7 d后, 各组CAT活性与空白组无显著性差异(p>0.05);各组CAT活性14 d时并无明显变化;28 d时, 各组CAT活性受到抑制, 均低于空白组, 其中无凋落物、三叶草和刺槐组活性显著降低(p < 0.05).

图 2 凋落物参与下废渣浸出液对斑马鱼肝脏(a)和肌肉(b)CAT活性的影响 Fig. 2 Effects of leachate from plant litter treated waste slag on CAT activity in liver (a) and muscle (b) of zebrafish

图 2b可知, 法国梧桐组中斑马鱼肌肉CAT活性在实验期间波动较小, 与空白组无显著差异(p>0.05).暴露7 d后, 各组CAT活性均有升高, 但与空白对照组无显著差异(p>0.05);在暴露14 d后, 三叶草和构树组CAT活性显著增加(p < 0.05), 分别是空白组的1.29倍和1.25倍;在28 d后, 各组CAT活性均受到抑制, 无凋落物组CAT活性显著降低(p < 0.05), 是空白组的65.8%, 凋落物组CAT活性则基本维持在空白水平.

3.4 植物凋落物参与下废渣浸出液对斑马鱼肝脏和肌肉MDA含量的影响

图 3a可知, 无凋落物组斑马鱼肝脏MDA含量在实验期间逐步上升, 高于其它各组.暴露7 d后, 无凋落物和三叶草组MDA含量呈现显著升高趋势(p < 0.05), 分别是空白组的1.27倍和1.24倍;无凋落物组MDA含量在14 d显著高于空白组(p < 0.05), 三叶草组MDA含量显著降低(p < 0.05), 其它组的MDA含量维持在空白水平(p>0.05);在28 d时, 无凋落物和刺槐组MDA含量进一步增大, 差异性显著(p < 0.05), 分别是空白组的1.59倍和1.24倍.

图 3 凋落物参与下废渣浸出液对斑马鱼肝脏(a)和肌肉(b)MDA含量的影响 Fig. 3 Effects of leachate from plant litter treated waste slag on MDA content in liver (a) and muscle (b) of zebrafish

图 3b可知, 无凋落物组斑马鱼肌肉MDA含量在28 d时明显升高.暴露7 d后, 各组MDA含量高于空白组, 其中无凋落物组MDA含量显著高于空白对照组(p < 0.05);各组MDA含量在14 d基本与空白组无显著性差异(p>0.05);在28 d时, 无凋落物组MDA含量显著高于其它各组(p < 0.05), 是空白组的1.58倍, 而凋落物组在此期间基本维持在空白水平(p>0.05).

3.5 植物凋落物参与下废渣浸出液对斑马鱼脑AChE活性的影响

图 4可知, 各组鱼脑AChE活性随暴露时间延长呈下降趋势.暴露7 d后, 刺槐组AChE活性显著高于空白组(p < 0.05), 是空白组的1.32倍;14 d时各组AChE活性与空白组无显著性差异(p>0.05);在28 d时, 各组AChE活性与空白组相比明显降低, 其中无凋落物组AChE活性受到显著抑制(p < 0.05), 是空白组的41.9%, 表明在长期暴露下会对生物造成神经损伤.

图 4 凋落物参与下废渣浸出液对斑马鱼脑AChE活性的影响 Fig. 4 Effects of leachate from plant litter treated waste slag on AChE activity in brain of zebrafish
3.6 植物凋落物参与下废渣浸出液对斑马鱼红细胞DNA损伤的影响

在长期暴露过程中, 不同类型的凋落物参与下废渣体系浸出液对斑马鱼血液红细胞造成不同程度的DNA损伤.通过对比图 5 a~5e, 可以发现无凋落物组与空白对照组相比, 细胞产生了明显的彗星状拖尾, 而添加凋落物组彗星拖尾现象并不明显.由图 6可知, 在长期暴露过程中, 各组均出现少量DNA迁移, 其中构树组OTM维持在空白水平, 而三叶草、刺槐和法国梧桐组OTM显著升高(p < 0.05), 无凋落物组DNA损伤最为严重.由此可知在凋落物参与下, 废渣体系浸出液对斑马鱼DNA损伤相比无凋落物组明显降低, 其中添加构树凋落物对降低废渣生态毒性效果最佳.

图 5 凋落物参与下废渣浸出液对斑马鱼红细胞DNA损伤的彗星图(a. ck, b.fz, c.sy, d. ch, e. gs, f. wt) Fig. 5 The comet image of DNA damage in peripheral blood red cells of zebrafish after the exposure of leachate from plant litter treated waste slag

图 6 凋落物参与下废渣浸出液对斑马鱼红细胞DNA损伤的彗星OTM的影响 Fig. 6 Effects of leachate from plant litter treated waste slag on OTM of DNA damage in blood red cells of zebrafish
4 讨论(Discussion)

本研究表明4种不同类型植物凋落物的参与可有效抑制炼锌废渣中Zn、Mn、Cd、Cu和Pb的释放, 但也明显促进了废渣中As的释放.Flemming等(2007)研究发现, 植物凋落物分解产生的有机物会促进异养微生物的生长, 而微生物代谢产生的胞外聚合物(EPS)和凋落物分解产物(POM)会通过螯合作用吸附重金属, 从而抑制废渣中重金属的释放.刺槐凋落物相较于其它凋落物对废渣中污染物控制效果较差, 可能是其分解产生的腐殖质对重金属形态影响较大, 不利于降低废渣中重金属的有效性(Park et al., 2011).pH是影响砷形态和有效性的关键理化性质之一, 凋落物的分解会一定程度升高炼锌废渣pH值(钟松雄等, 2017), 从而促进As的溶出.

部分重金属对维持机体良好运转发挥着重要的作用, 但浓度过高会胁迫机体产生过量的氧自由基, 导致氧化还原系统失衡, 进而造成细胞和组织损伤(Marins et al., 2019).鱼类具有良好的抗氧化防御系统, 能抵御重金属和其它有毒物质引发的氧化应激反应, 其中SOD在清除氧自由基的过程中最早发挥作用, 催化O2·-转化为H2O2, 达到为机体解毒的目的(尹飞等, 2011Zhang et al., 2016).在本研究中, 7 d后斑马鱼肝脏中SOD活性受到抑制, 表明金属离子胁迫机体产生的氧自由基消耗了抗氧化酶类物质, 导致斑马鱼体内SOD活性下降(王艳等, 2014).其中无凋落物组SOD活性受抑制最明显, 这是因为无凋落物组重金属浓度偏高, 胁迫机体产生的氧自由基增加, 抑制了机体SOD活性, 而凋落物组SOD活性较空白对照组无显著差异.与此类似, 魏爱泓等(2018)研究HgCl2对毛蚶(Scapharca subcrenata)的暴露实验发现, 40 μg·L-1下SOD活性在第4 d和8 d时较空白组显著降低, 而低浓度组(10、20 μg·L-1)未出现显著抑制.这说明生物的抗氧化酶防御系统能在一定程度上抵御外源污染物产生的消极影响.随暴露时间延长, 斑马鱼受外源污染物胁迫产生的氧自由基增加, 其中无凋落物组肌肉SOD活性逐渐受到抑制, 但相对肝脏时间滞后, 可能是肌肉对进入机体的污染物响应较慢(杨静东等, 2009).在暴露28 d时, 无凋落物组SOD活性受到抑制且无法恢复正常水平, 而凋落物组机体在实验期间处于氧化-抗氧化的动态平衡, 说明加入凋落物有助于保护生物抗氧化防御系统.肝脏是鱼类重要的能量代谢中心和解毒器官, 同时也是最易富集污染物的靶器官, 对重金属的氧化应激反应较肌肉更敏感(Bao et al., 2020), 与本研究结果一致.

CAT能催化经SOD歧化后产生的H2O2分解为O2和H2O, 防止H2O2与Fe2+发生芬顿反应产生活性更高的OH·, 保护细胞免受自由基的进一步毒害作用(Mnkandla et al., 2019).在本研究中, 不同处理组CAT活性在实验期间变化并无统一的规律性, 无凋落物组CAT活性逐渐受到抑制, 并在28 d时显著低于空白对照组, 而凋落物组CAT活性在实验期间呈现诱导-抑制交替变化.通常来说, CAT活性升高预示机体中存在大量氧自由基有待清除(张家禹等, 2016).三叶草组在14 d时CAT活性显著升高, 对比图 1a发现此时肝脏SOD活性明显升高, 反映出SOD与CAT活性的变化一致性.曾艳艺等(2014)研究也发现类似规律, 铜、镉联合暴露对广东鲂幼鱼(Megalobrama terminalis)的氧化应激结果显示, CAT与SOD通常互相协作, 同步响应.所有凋落物处理组中, 构树组CAT活性波动最小, 说明其添加可有效抵御氧自由基对机体的损伤, 而无凋落物组CAT活性在长期暴露过程中持续受到抑制, 可能最终会导致斑马鱼组织畸变甚至死亡.

过氧化脂质(LPO)通常会随体内氧自由基的增加而升高, 可反映组织氧化损伤程度(Wu et al., 2015).丙二醛(MDA)则是LPO的最终代谢产物之一, MDA含量常作为评价脂质过氧化水平的参考指标(刘伟成等, 2006Wu et al., 2019).在正常生理状态下, 生物体内MDA含量较低, 在外源污染物胁迫下产生的氧自由基, 体内抗氧化防御系统清除不及时, 会导致机体MDA含量明显升高.在本研究中, 7 d时各处理组MDA含量较空白组升高, 主要是实验初期抗氧化酶活性受到抑制, 在氧自由基诱导下, 机体不饱和脂肪酸氧化的增加, 导致机体脂质过氧化(Devan et al., 2020).随着暴露时间延长, 凋落物组MDA含量降低, 是因为机体抗氧化酶活性升高, 分解了过量的氧自由基(马京津等, 2012).在长期暴露过程中, 由于重金属在生物体内富集, 诱导体内产生更多的氧自由基, 加剧机体的氧化损伤, 导致其体内MDA含量持续升高, 而抗氧化酶活性逐渐降低.与此类似, 宋超等(2017)研究了氟乐灵长期暴露下对斑马鱼氧化应激状况的影响, 结果显示无降解组在实验期间MDA含量逐渐升高, 而SOD活性却呈现相反的变化趋势.在本研究中, 无凋落物组在长期暴露中, 机体抗氧化酶活性受到抑制, 脂质化损伤显著加重, 而加入凋落物有利于维持机体氧化-抗氧化系统的平衡, 使MDA含量维持在正常水平.

动物模型中乙酰胆碱酯酶(AChE)是评估有毒物质(如重金属)对神经的损伤程度, AChE活性受到抑制可能导致多动、瘫痪和其它行为(Zhang et al., 2017).在暴露7 d时, 无凋落物组AChE活性降低, 表明多种金属与鱼脑含巯基的组织相互作用, 导致AChE活性受到抑制(Carvalho et al., 2020).随暴露时间进一步延长, 无凋落物组AChE活性显著降低, 斑马鱼脑神经毒性极大增强, 主要是由于机体产生的大量的氧自由基, 以及重金属在机体的富集, 进而影响了细胞正常产生AChE以及免疫酶(武焕阳等, 2011Sen et al., 2017).而构树和法国梧桐组AChE活性抑制作用不明显, 其中法国梧桐组酶活性受到抑制率最低, 相比空白降低了10.5%, 表明添加凋落物可以降低废渣对鱼脑神经损伤.

DNA损伤是评价环境毒物遗传毒性的重要参数之一(冉茂良等, 2013).本实验结果表明, 在长期暴露后(28 d)废渣浸出液可造成斑马鱼红细胞DNA损伤, 而在废渣中添加凋落物后, 斑马鱼红细胞也并未发生明显的彗星拖尾现象.相关研究发现, 水生生物在重金属胁迫下产生的氧自由基, 能够引起机体氧化损伤, 并导致DNA链断裂及位点突变(白丽雯等, 2017).在本研究中, 无凋落物组浸出液中重金属浓度较高, 导致斑马鱼红细胞DNA出现明显的彗星拖尾, 而在凋落物参与下, 废渣浸出液中重金属浓度较低, 机体氧自由基量并无明显变化, 红细胞DNA损伤程度较轻.与此类似, 平令文等(2018)研究发现蚯蚓DNA受损伤程度与邻苯二甲酸二乙酯DEP含量存在明显的“剂量-效应”关系.由此可知添加凋落物处理废渣后, 体系浸出液对斑马鱼DNA损伤相比无凋落物组明显降低, 其中构树凋落物组OTM基本维持在空白水平.

5 结论(Conclusions)

1) 炼锌废渣浸出液中Cd和Zn浓度超出地表水(GB 3838-2002)Ⅲ类水体标准, 而植物凋落物的添加可有效抑制废渣中重金属(Zn、Mn、Cd、Cu和Pb)的释放, 但也同时促进废渣中As的释放.不同类型植物凋落物对炼锌废渣中重金属释放产生了不同的影响, 其中含高蛋白的构树凋落物对炼锌废渣中重金属的控制效果最佳.

2) 植物凋落物的参与可有效降低炼锌废渣浸出液对斑马鱼组织中抗氧化酶的损伤和神经系统的毒性, 有助于维持机体氧化-抗氧化系统的平衡, 构树凋落物组在实验期间抗氧化酶波动较小, 且MDA含量维持在正常水平, 是作为处理炼锌废渣理想的有机改良剂, 而刺槐凋落物对废渣处理效果较差, 机体抗氧化酶活性波动较大, 且肝脏MDA含量在28 d时显著升高.随暴露时间延长, 各处理组AChE活性均受到不同程度的抑制, 法国梧桐凋落物组斑马鱼神经损伤较轻.

3) 在长期暴露过程中, 炼锌废渣浸出液会诱发斑马鱼红细胞产生DNA损伤, 而添加植物凋落物后可有效降低废渣浸出液对斑马鱼的遗传毒性, 其红细胞并未出现明显的彗星拖尾, 其中以构树凋落物组的OTM值最低.

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