基于鱼类呼吸毒性效应的水环境早期预警生物标志物研究

Increasingly deteriorating sudden water pollution accidents, especially the pollution of heavy metals, pose grave threats to the water supply safety in the water source region. Possessing characteristics of timeliness and comprehensiveness, etc., on-line biological early warning has aroused great attention and become a research hotspot. However, most of the current early warning mechanisms based on the response of fish poisoning effect are in the qualitative and semi-quantitative status, with poor sensitivities and high false alarm rates. The project screens our local sensitive sensing fish on the basis of the quantitative study on early warning monitoring theory, screens out the sensitive respiratory factors as sensitive biomarks of the early warning of heavy metal for the first time in China, and studies the combined poisoning effect between the poison and poison as well as the poison and non-poison. It establishes the response model and the quantitative structure-activity relationship exposed by the ventilation behavior of fish and the typical heavy metal pollutants to determine the toxic pollutants sensitivity threshold of ventilation parameters and improve the system sensitivity by using multiple lineal regression analysis, autocorrelation analysis between parameters and time series, on the basis of which a series of experiments are designed to identify toxic factors and non-toxic factors and control the false alarm rate. The study then could provide theoretic support for the biological early warning of heavy metal pollution in the water source region. And its achievement has a broad application prospect in the guarantee of water supply safety, the revision of water quality standard, the preventive measures of protecting water environment and other aspects.

日益严重的突发性水污染事故特别是重金属污染，对水源地供水安全构成极大威胁，在线生物早期预警因其具有时效性和综合性等特点备受关注成为研究热点，但目前基于鱼类毒性效应的响应预警机制大多处于定性及半定量状况，且敏感性差、误警率高。本项目将围绕预警监测理论的定量化研究，进行我国本土敏感传感鱼类筛选；在国内首次筛选敏感呼吸因子作为预警重金属的敏感生物标志物，研究毒物与毒物以及毒物与非毒物的复合毒性效应；运用多元线性回归分析、参数间的自相关分析及时间序列分析建立响应模型，建立鱼类呼吸行为与典型重金属污染物暴露的定量响应构效关系，确定呼吸参数的有毒污染物敏感性阈值，提高系统敏感性；在此基础上设计系列实验，进行毒性因子和非毒性因子的识别，控制误警率。本项研究可为水源地重金属污染的生物早期预警提供理论支撑，其成果在保障供水安全，水质标准的修订，保护水环境的预防性措施等方面具有广阔的应用前景。

本项目应用毒理学实验方法，筛选了适合我国水体的敏感传感鱼类稀有鮈鲫、青鳉鱼、草鱼幼鱼、斑马鱼等，进行了几种典型重金属离子对几种敏感鱼类的毒性效应研究，筛选敏感呼吸指标作为预警生物标志物。运用多元线性回归分析、时间序列分析方法，建立鱼类呼吸行为与典型重金属污染物暴露的定量响应关系，确定呼吸参数的敏感性阈值，开展了典型鱼类对重金属暴露的呼吸反应类型研究，进行系统敏感性分析。为水体重金属污染的生物早期预警提供基础支撑。研究结果如下：.（1）Hg、Cu、Cd、Zn等典型重金属污染物暴露对鱼类呼吸行为反应敏感，不同暴露条件对不同鱼类的敏感阈值各异，反应（效应）时间集中在2h-3h之间，高剂量暴露反应时间则在1h以内，能为突发污染事故的快速预警提供基础。.（2）在敏感阈值（TEC）判定看，Hg对稀有鮈鲫最敏感，达到国外其他研究人员筛选的传感鱼水平。Cu对四种传感鱼敏感阈值水平相当；Cd对鱼类呼吸反应绝对阈值相对较高，青鳉鱼敏感性最强；锌对鱼类呼吸反应阈值最高，同样青鳉鱼敏感性最强。重金属暴露条件下的鱼类呼吸响应具有不同的剂量-效应关系和时间效应关系。重金属的联合毒性结果表明，急性致死效应与呼吸反应基本同步，呼吸反应时间缩短100-200倍，呼吸为首要反应指标的假设被进一步证实，联合毒性暴露的呼吸协同、拮抗反应基础数据为定量预警研究提供基础数据。.（3）重金属对鱼类呼吸节律的破坏显著，咳嗽率（CA）的升高是最稳定的污染入侵生理反应标志物，Hg和Cd的暴露对鱼类呼吸频率（VF）、呼吸强度（VA）变化以“倒U”型为主导，Cu暴露则为VF、VA显著升高，Zn则一直抑制鳃的呼吸。.（4）水温、溶解氧等非毒性因子的变化对鱼类呼吸反应具有显著相关性，在最适宜因子区域，鱼类VF、VA和CA均具有稳定性特点；在耐受区域外，VF、 VA不同程度变化，CA均升高，系统报警，可以以此判断非毒性因子引起呼吸节律变化导致的报警反应，从而区分生物预警的“假阳性”。