水蚤(water flea)是指水生枝角类和挠足类两大类浮游动物, 属于节肢动物门、甲壳纲、鳃足亚纲。枝角类生活在淡水中, 而挠足类则构成海洋浮游生物的大部分。他们不仅是许多经济鱼类的开口食物, 还可以调节控制轮虫、原生动物、藻类等水生浮游生物种群的发生、发展, 并且能够通过孤雌生殖获得纯品。水蚤具有生命周期短、个体小、身体透明、对污染物敏感等特点, 是一种较理想的毒性实验生物材料^[1-3]。目前, 水蚤中的蚤状溞已完成全部基因组的测序^[6], 被美国国家卫生研究院(NIH)批准为用于环境科学和其他生物学领域研究的一种重要的模式生物, 在研究遗传发育、免疫疾病、细胞功能、生物大分子结构与功能等领域有重要价值。国内生态毒理学研究也将蚤类毒性检测列为监测水体污染的基本方法, 国家环境保护总局亦把蚤类列入标准受试生物。目前国内外常用作毒性实验材料的水蚤种类有:大型蚤(daphnia magna)、多刺裸腹蚤(moina macrocopa)、蚤状溞(daphnia plex)、火腿许水蚤(schmackeria poplescia)、指状许水蚤(schmackeria inopinus)、中华哲水蚤(calanus sinicus)、隆线溞(daphnia.carinata)、安氏伪镖水蚤(pseudodiaptomus annandalei)等。虽然蚤类的急性毒性试验具有周期短, 操作简单, 易于观察等优点, 但自然界中存在的污染物通常都是低浓度的, 不会对生物造成急性的、大规模的致死效应。所以研究低浓度污染物长期作用的生态效应比仅测定短期内的致死效应更具有生态学意义^[4]。本文就近年来以蚤类作为环境监测指示生物时常用的亚致死状态下的评价指标做一综述, 为这一领域的后续研究提供参考资料。

1 生殖毒性

环境污染物引起的水蚤个体发育和生殖参数的改变是其生殖毒理的重要表现, 检测污染物对水蚤生殖参数的影响, 是评价有毒物质生态效应的重要手段, 这些生殖参数, 包括变态率、抱卵率、产卵率、孵化率等。如火腿许水蚤的幼体, 特别是无节幼虫对三丁基氧化锡(TBTO)非常敏感, 当长期暴露在TBTO环境中时, 5 ng TBTO l-1(接近1% 96 h-LC₅₀)的污染浓度就能导致其存活率的显著下降和变态的推迟^[5]。周媛等^[7]研究发现, 15×10⁴ cell/mL的赤潮异湾藻能够显著延迟指状许水蚤的抱卵时间并导致抱卵率降低, 使其发育所需时间和抱卵间隔时间明显延长。产较多内醛类物质的中肋骨条藻亦能显著降低中华哲水蚤雌体存活率、产卵率和孵化率^[8]。3.5、35和350 ng/L的滴滴涕(DDT)均引起火腿伪镖水蚤幼体变态率的降低; 在350 ng/L条件下, 火腿伪镖水蚤的存活率、产卵率和抱卵雌体比率均比对照组显著降低^[9]。

另外, 重金属也对水蚤的生殖产生一定影响, 如0.032 mg/L的镉对不同种类水蚤影响作用不同, 对隆线溞和方形网纹溞每胎产溞数有促进作用, 但对大型蚤却起抑制作用; 0.1 mg/L的镉能明显降低隆线溞、方形网纹溞和大型溞每胎的产溞数^[10]。而Cu²⁺活度在10^-8.60~10^-8.13, Zn²⁺活度在10^-7.04~10^-6.82mol/L时能明显促进西藏拟溞种群的增长、发育和生殖^[11]。当然, 以这些生殖参数的变化作为检测环境污染指标, 时间周期较长, 可能不如其它指标更直接、简便, 但仍是评价有毒物质生态效应的一种重要手段。

2 摄食率和生长率

摄食活动是动物的基本行为, 只有足够的摄食强度才能满足个体生长发育和繁殖所需要的营养。污染物能影响水蚤神经系统的功能, 使其协同能力下降或麻痹, 从而使摄食能力下降。如在重金属(Cu、Zn、Cd)的急性毒性条件下, 安氏伪镖水蚤的摄食能力降低至正常水平的1/3左右, 受到了明显的抑制, 并且雌性受到的影响明显高于雄性^[12]。在低磷条件下, 安氏伪镖水蚤无节幼体、桡足幼体和成体三个阶段个体的摄食率都有所降低, 且随着磷限制(即低磷)的增加, 降低程度明显^[13]。再者不同碳链长度(碳原子数分别为4、6、8、10、12) 的离子液体都能显著降低大型溞的摄食率, 其最大浓度处理组分别比对照降低60%~84%^[14]。唐超智等^[15]研究发现, 微囊藻毒素(microcystin, MC)处理可显著降低大型溞母代和子代的滤水率及摄食率, 且降低程度与MC质量浓度呈正相关, MC对子代摄食强度的抑制大于母代, 恢复条件下大型溞子代的摄食强度有所回升, 但与正常组相比仍明显偏低。

除了摄食率, 体长的变化也是水蚤作为环境监测生物的一项评价指标。因为水蚤个体小, 生长迅速, 在亚致死情况下, 生长状况较易受到外界环境干扰。如用未经处理的化工厂污水养殖裸腹溞, 裸腹溞体长表现出先升高后降低的趋势, 在污水浓度为2%时, 体长在24 h和48 h两个时间段内均达到最大值, 即"毒性兴奋效应"^[16]。又如安氏伪镖水蚤, 低磷条件下(C/P=197或375) 喂养的无节幼体和桡足幼体对比高磷条件下(C/P=78) 喂养的个体, 生长速率降低了60%~70%, 说明低磷条件可导致安氏伪镖水蚤无节幼体晚期和桡足幼体早期的体长偏短^[16]。值的注意的是, 目前并无实验证实这种生长率的降低是否由摄食率下降引起, 二者相关性如何, 有待进一步研究。

3 行为变化

重金属、农药等污染物都可导致水生生物的代谢及神经毒性, 这种亚致死剂量下生化水平的变化将直接影响生物体的正常行为, 如鱼类的趋避、水溞的跳跃及趋光^[17]。在重金属污染的水体中, 大型溞的趋光指数下降0.2~0.4, 且随着水体中毒物浓度的增加而直线降低, 0.036~0.05 mg/L Cu²⁺就可以显著降低他们的趋光指数^[18]。另外, 隆线溞的趋光行为抑制率能较好地反映水体中铬的污染程度, 趋光指数与Cr⁶⁺的浓度呈极显著负相关, 利用趋光指数可检测的Cr⁶⁺浓度下限为0.056 mg/L, 远低于LC₅₀和EC₅₀^[19]。因此, 利用水溞趋光行为的改变可以更灵敏, 更快速地监测及检测到水中的有毒物质的污染状况。

4 抗氧化酶活性

抗氧化酶系统主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽硫转移酶(GST), 他们广泛存在于生物体各种组织中。当生物体受到重金属、农药等污染胁迫时, SOD能催化超氧阴离子自由基(O₂^-·)发生歧化反应, 从而与过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)一起达到清除O₂^-·、H₂O₂和·OH等活性氧的作用, 使机体免受氧化伤害。已有研究发现, 抗氧化酶系统在受到轻微胁迫时会被激活, 以清除生物体产生的活性氧自由基, 降低损伤; 但是严重的环境胁迫会降低抗氧化酶活性, 引起生物体的氧化应激和氧化损伤, 进而对生物体造成伤害^[20-22]。因此抗氧化酶活性变化可反映生物体在亚致死情况下受到的环境影响, 近年来在水生动物生态毒理学研究中受到重视。关于水蚤在各种污染环境下抗氧化酶活性的变化亦有较多研究^{[16, 23-25]}。这些研究表明, 蚤类的抗氧化酶活性指标可较灵敏地反映出生物所受逆境的胁迫程度。

5 小结

作为浮游生物, 当污染物进入水体环境后, 水蚤首当其冲受到危害, 因此对于水体污染所造成的人体危害可以起到预报、预测作用。相对于其它底栖生活的指示生物(淡水寡毛类、软体动物等), 水蚤作为监测水质的标准实验生物具有即时性、灵敏性和快速简便等优点。尤其是利用水蚤的趋光性监测水体及环境中的重金属及农药等的污染, 方法简单容易测定, 比传统的生物学方法及毒性测定方法具有更多优越性, 可以准确、灵敏地对水环境中的轻度污染进行早期预测。如与计算机技术相结合, 则可以实现污染的连续自动化监测, 此方法具有广阔的应用前景。

由于对生物毒性的研究越来越趋于微观, 更多学者试图从分子水平基因调控的层面上去阐明毒物的作用机理。目前水蚤中的蚤状溞全部基因组已经测序完成, 为进一步研究蚤类的生长发育及毒理学机理提供了分子基础。蚤状溞由此成为研究环境与基因互相作用的关键物种, 在生态基因组学研究中具有重要的作用。