粒径分布对沉积物中拟除虫菊酯类农药的生物可利用性和毒性的影响机制

The massive usage of pesticides in China has caused severe contamination in sediment, while the commonly used total sediment concentration always overestimated the toxicity of sediment-associated pesticides. Therefore, it is urgent to develop bioavailability-based methods to effectively evaluate sediment toxicity, and it will serve as scientific basis for regional risk assessment and management of pesticides. Based on the previous studies on sediment toxicity assessment, the proposed project plans to investigate the influence of grain size distribution of sediment on the toxicity of highly toxic pesticides to aquatic invertebrates and develop a multiple regression model for evaluating sediment toxicity. Cypemethrin (a pyrethroid insecticide) which was identified as one of the main toxicity contributors to benthic organisms in the Pearl River Delta, will be used as the example pesticide. First, the influence of grain size distribution on the desorption of cypermethrin from sediment particles will be studied by the use of bioaccumulation testing and two biomimetic techniques, namely Tenax extraction and solid phase microextraction. Second, the influence of grain size distribution of sediment on the selective feeding behavior and corresponding toxicity by ingesting different sizes of sediment particles will be investigated. Three benthic invertebrates with different feeding behaviors will be chosen as test species. Last, a multiple regression model between bioavailable concentrations of cypermethrin and sediment characteristics will be established, and bioavailable concentrations will be derived from both bioassays and biomimetic techniques. The model will be applied to evaluate sediment toxicity of cypermethrin in field sediments collected from the Pearl River Delta.

我国农药的大量使用导致水体沉积物被严重污染，而常用的污染物总浓度往往高估生物毒性，因此迫切需要建立以生物可利用性为基础的沉积物毒性评价方法，为区域农药生态风险评价和管理提供科学依据。本项目拟在前期沉积物毒性评价的基础上，选择珠三角水体沉积物对底栖动物的主要致毒因子氯氰菊酯（拟除虫菊酯类农药）为代表，探讨沉积物粒径分布影响对水生动物具有高毒性的农药的生物毒性机制，并建立多元回归模型进行毒性评价。首先，结合生物累积实验和仿生萃取技术（Tenax萃取和固相微萃取），研究沉积物粒径分布对其中氯氰菊酯解吸行为的影响；其次，选择具有不同进食习性的底栖无脊椎动物，剖析粒径分布通过影响生物选择性进食沉积物颗粒，进而影响沉积物中污染物毒性的机制；最后，建立生物可利用浓度和沉积物性质之间的多元回归模型，并利用该模型对珠三角水体沉积物中氯氰菊酯的生物毒性进行评价。

疏水性有机污染物进入水环境后倾向于吸附在颗粒物上，经迁移/沉降蓄积在沉积物。不同材质/大小的颗粒物迁移距离和沉降速度有差异，形成流域水环境中不同粒径分布的沉积物，影响其中污染物的毒性风险。本项目以对底栖动物具有高毒性的杀虫剂氯氰菊酯为目标污染物，探究沉积物粒径分布对污染物生物可用性和生物毒性的影响。采集野外空白沉积物，通过湿筛法获得五个粒径，即<20、20-63、63-180、180-500和>500 μm。粒径越小，吸附能力越强。结合生物累积和两种仿生模拟萃取技术（Tenax萃取和固相微萃取），发现细粒径沉积物中氯氰菊酯的快解吸部分及速率均比粗粒径高。固相微萃取和生物体测定的不同粒径沉积物中氯氰菊酯的解吸速率趋势一致，说明固相微萃取能较好地预测通过被动吸收进入生物体的量。不同粒径沉积物中氯氰菊酯的生物累积能力没有显著差异，说明解吸行为和化学活性的差异并未影响其在夹杂带丝蚓体内的累积，生物选择性进食细颗粒物可能是原因。构建了不同粒径沉积物中氯氰菊酯对两种底栖动物摇蚊幼虫和钩虾的剂量-效应曲线，获得基于沉积物总浓度、生物可给/生物可利用浓度和生物体内浓度的急性致死性毒性阈值。各种毒性阈值趋势一致，即粒径越小，沉积物中氯氰菊酯的毒性越强。基于生物可给浓度、可利用浓度和生物体内浓度的毒性阈值并不能消除或减少粒径不同导致的毒性差异，进一步说明选择性进食沉积物颗粒可能是这三种底栖动物的主要暴露途径。而且，摇蚊幼虫和钩虾选择性进食粒径范围不同，前者是<180 μm，而后者是<20 μm。本项目探究了粒径分布对沉积物中氯氰菊酯生物可利用性和毒性的影响，并获得不同粒径沉积物中氯氰菊酯对摇蚊幼虫和钩虾的多种毒性阈值，完成了项目原定计划。通过本项目的实施，取得了一系列的成果，共发表标注本项目号的国际SCI期刊论文9篇、中文核心期刊论文2篇，且项目参与人员（包括研究生）多次在国际国内会议中以报告/墙报形式交流研究成果。参与项目研究的人员中，1名硕士研究生毕业。