水环境典型污染物间协同与拮抗作用动态多效应定量表征

Pollutants coexist in the real environment in various concentrations and forms, which construct various complex mixtures. The toxicity interaction (synergism or antagonism) of mixtures may pose potential hazards and risks to the environment and human health. Quantitative characterization is the key solution to the potential hazards and risks of mixture pollutants. The articles published show that some pollutants are of time-dependent toxicity. However, very few studies explore into the the changing laws of mixtures’ synergism or antagonism with time and quantitative characterization of them on the whole concentration-response curves (CRCs) of mixtures at different exposure times. Therefore, the direct equipartition ray design and uniform design ray methods are used to design various representative binary mixtures and multi-component ones of typical pollutants, respectively. The high-accuracy time-dependent toxicity microplate analysis (t-MTA) method is used to systematacially test the time-concentration-resoponse data of various mixtures. Nonlinear fitting technology is used to fit CRCs. A suitable additive reference model is selected to screen the mixtures with synegism or antagonism. Several multi-effect indexes are proposed and applied to quantitatively characterize the toxicity interaction on the whole CRCs at different exposure times. All the obtained results will provide new methods and basic data for the analysis of the toxicity-interaction mechanism and scientific valuation on the environmental risks of mixture contaminants.

污染物在环境中以各种形式和浓度共存，形成各种复杂的混合污染物。混合污染物产生的累积毒性与相互作用(协同或拮抗作用)具有潜在的环境与健康风险，定量评价其风险是关键。已有研究表明，部分污染物的毒性具有时间依赖性，而目前混合物毒性相互作用随时间的动态变化规律及其在不同暴露时间的整个浓度-效应曲线(CRC)上的定量表征研究较少。本项目应用直接均分射线法和均匀设计射线法分别设计典型污染物的各种代表性二元混合物和复杂的多元混合物，应用高精度时间毒性微板分析法测试各种类型混合物对不同受试生物的时间-浓度-毒性数据，并进行非线性拟合；选择合适的加和参考模型筛选出具有协同或拮抗作用的混合物；提出与建立多种多效应方法，定量表征协同与拮抗作用强度，揭示混合物在不同暴露时间的整个CRC上毒性相互作用变化规律，为揭示混合物毒性相互作用机制与科学评价实际环境中混合物可能产生的风险提供方法技术和积累基础数据。

针对目前关于混合物毒性相互作用随时间的动态变化规律及其在不同暴露时间的整个浓度-效应曲线上的定量表征研究较少，本项目开展了水环境中典型污染物如重金属、抗生素和农药等及其代表性二元和多元混合污染物对发光菌青海弧菌和绿藻蛋白核小球藻的毒性动态变化规律，污染物联合毒性相互作用动态变化规律、定性定量动态表征，应用荧光光谱、电镜扫描等细胞分析技术分析可能的毒性作用机理等方面的研究工作，并取得了一系列成果：浓度加和(CA)模型能较好地定性评估污染物在不同暴露时间的联合毒性相互作用，且和独立作用(IA)模型评估结果基本一致；抗生素、重金属、农药等典型污染物间具有明显的协同或拮抗作用，且与暴露时间、混合物浓度、组成以及浓度比等有关；氨基甲酸酯类农药对发光菌的五元混合物具有组分浓度比依赖性拮抗作用，但其二元和五元混合物对绿藻具有时间依赖刺激作用，即低浓度刺激作用，高浓度抑制作用(拮抗作用)，三元和四元混合物呈时间依赖性协同作用；拓展二维和三维等效线图法能直观地定性表征两元和三元混合物毒性相互作用；传统方法拟合归零法(RTZ)、效应残差比法(ERR)以及绝对效应偏差法(dCA)均能定量表征在不同暴露时间的污染物间联合毒性相互作用；新方法面积-浓度比(ACR)法能直观地定量表征污染间联合毒性相互作用，且克服了CA和拓展等效线图法不能准确定量以及传统方法在低浓度存在误差较大等的不足；污染物对绿藻的毒性作用主要是通过破坏细胞结构，且毒性越大破坏越严重，进而影响光合作用和蛋白质合成；对发光菌的毒性作用，有的是通过对细胞的破坏，有的不破坏细胞，通过影响细菌的活性，干扰蛋白质合成，进而影响发光菌的发光能力；建立了基于大肠杆菌的时间毒性微板分析法，并成功地测定了抗生素和中药的联合毒性。项目成果发表论文30篇，其中SCI收录10篇，EI收录1篇， CSCD收录(国内中文核心)12篇；获实用新型专利2项；参与生态毒理学教材编写一本；已毕业硕士6人，在读硕士11人。