金属与类金属混合物对大型溞的急性毒性相互作用：从二元到三元组合的生态毒理学评估

《Chemosphere》：Evaluating the acute toxicity of binary and ternary mixtures of Cu, Zn, As and Se to Daphnia magna: a component-based approach using isobologram analyses and ternary diagrams

本研究针对采矿和冶金废水中常见的铜(Cu)、锌(Zn)、砷(As)和硒(Se)等金属/类金属混合物，评估了其对模式生物大型溞(D. magna)的急性毒性相互作用。研究人员通过剂量-反应曲线、等效应线图、MIXTOX和MixModel等多种模型分析，揭示了Cu-Zn和Zn-Se混合物存在显著的协同效应，而As-Zn和Cu-Se组合则主要表现为相加作用。研究结果强调了在环境风险评估中考虑污染物混合物相互作用的重要性，而非仅关注单一物质的毒性阈值，为制定更精准的废水排放标准提供了科学依据。

　　

在采矿、冶金和工业生产过程中，铜(Cu)、锌(Zn)、砷(As)和硒(Se)等金属和类金属元素常常共同排放到水环境中，形成复杂的混合物。这些污染物即使以较低浓度存在，也可能通过相互作用对水生生物产生远超预期的毒性效应，即所谓的“鸡尾酒效应”。然而，传统的环境风险评估和监管标准大多基于单一污染物的毒性数据，往往低估了实际环境中多种污染物共存时的生态风险。因此，深入探究这些金属/类金属混合物对水生模式生物的联合毒性效应，对于准确评估其生态风险和保护水生态系统健康具有至关重要的意义。

为了系统揭示Cu、Zn、As、Se二元及三元混合物对水生生物的毒性相互作用模式，一项发表在《Chemosphere》上的研究以大型溞(Daphnia magna)为受试生物，开展了一系列严谨的急性毒性实验。研究人员采用标准化的实验方法，测定了四种物质单独作用时的半效应浓度(EC₅₀)，并在此基础上设计了不同配比的二元(Cu-Zn, Cu-As, Cu-Se, As-Zn, As-Se, Zn-Se)和三元(As-Cu-Zn, As-Zn-Se, Cu-Zn-Se, As-Cu-Se)混合物体系。通过运用浓度相加(CA)和独立作用(IA)两种参考模型，结合等效应线图、Hewlett模型、MIXTOX和MixModel等多种统计分析工具，深入解析了混合物毒性是表现为简单的毒性叠加（相加作用），还是存在增强（协同作用）或减弱（拮抗作用）的相互作用。

本研究的关键技术方法主要包括：遵循经济合作与发展组织(OECD)指南的标准化大型溞急性活动抑制实验；利用剂量-反应曲线拟合确定单一污染物的EC₅₀；应用等效应线图法可视化评估二元混合物的相互作用；采用MIXTOX模型框架定量分析混合物偏离相加模型（CA或IA）的程度；运用MixModel（一种基于多项式回归的统计模型）解析三元混合物中各组分的主效应、二元及三元交互作用；并利用PHREEQC软件进行化学形态模拟，预测各金属/类金属在测试条件下的优势形态。

3.1. 单一暴露毒性结果

研究人员首先测定了Cu、Zn、As、Se对大型溞的单一毒性。结果显示，Cu的毒性最强，其48小时EC₅₀仅为13 μg/L，其次是As (16 μg/L)，而Zn (620 μg/L)和Se (710 μg/L)的毒性相对较低。这些数据为后续评估混合物相互作用提供了重要的基线参考。

3.2. 二元混合物的毒性

对二元混合物的分析揭示了复杂的相互作用模式。Cu-Zn混合物表现出明显的协同效应，特别是在Cu比例较高(如75:25和50:50)的配比下，其毒性显著高于根据浓度相加模型的预测值。Zn-Se混合物在等比例(50:50)时也表现出协同作用。相反，As-Zn和As-Se混合物的毒性则基本符合相加模型，表明这些元素之间的相互作用较弱。Cu-Se混合物的效应则更符合独立作用模型，提示其可能通过不同的机制发挥作用。As-Cu混合物的相互作用模式则呈现出剂量依赖性，在低剂量下略有协同趋势，而在高剂量下则趋于相加甚至轻微拮抗。

3.3. 三元混合物的毒性

三元混合物的评估进一步凸显了相互作用的复杂性。As-Cu-Zn混合物的毒性主要可由各组分的主效应和Cu-Zn之间的二元协同效应来解释，未检测到显著的三元相互作用。而Cu-Zn-Se混合物则表现出显著的三元交互作用，表明当三种物质共存时，产生了无法由简单二元相互作用推演的额外毒性效应。As-Cu-Se混合物的分析结果显示，所有二元相互作用（As-Cu, As-Se, Cu-Se）均呈拮抗性，但三元相互作用项却显著为正，暗示在特定比例下，三种物质的共存可能抵消部分二元拮抗，导致整体毒性响应发生变化。

3.4. 形态计算

化学形态模拟结果表明，在测试条件下，As主要以砷酸盐(HAsO₄^2-)形态存在，Zn和Cu主要以自由离子(Zn²⁺, Cu²⁺)形式存在，但Cu也部分形成Cu(OH)₂。Se的形态则受氧化还原条件影响，在较低pe值下以亚硒酸(HSeO₃^-)为主，较高pe值下以硒酸(SeO₄^2-)为主。这些形态信息有助于理解各物质的生物有效性和潜在的毒性机制。

3.5. 环境相关性与生态风险

本研究使用的浓度范围参考了加拿大采矿废水法规中的报告值，因此研究结果具有直接的环境相关性。发现的协同效应，特别是Cu-Zn和Zn-Se之间的协同作用，表明现行基于单一物质的水质标准可能不足以保护水生生物免受混合物暴露的风险。在环境监测和风险评估中，亟需考虑这些常见的金属/类金属组合可能带来的联合毒性。

3.6. 研究局限与展望

本研究也存在一些局限性，例如使用的是合成废水，未考虑真实环境水体中溶解性有机质、颗粒物等对污染物形态和生物有效性的影响；测试终点为急性毒性，未能反映慢性暴露或亚致死效应。未来的研究可拓展至真实环境水样、慢性暴露实验、包含更多污染物的复杂体系，并结合组学技术深入揭示毒性作用机制。

综上所述，该研究系统地评估了Cu、Zn、As、Se二元及三元混合物对大型溞的急性毒性相互作用，揭示了从相加、协同到拮抗的多种作用模式，并强调了Cu在驱动混合物毒性中的关键作用。研究成果凸显了在生态风险评估中超越单一污染物视角、充分考虑混合物相互作用的重要性，为修订和完善水质标准、制定更有效的废水管理策略提供了重要的科学依据。随着工业活动的持续和新兴污染物的出现，发展能够准确预测复杂混合物环境行为的模型和方法，将是未来生态毒理学研究的重要方向。