水中226Ra暴露对鱼类早期生命阶段的慢性毒性阈值

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Chronic toxicity thresholds for fish early life stages exposed to 226Ra in water

　　

2021年，研究人员达成共识，旨在生成水中²²⁶Ra的毒性数据，以制定水质基准（water quality guideline），从而有效使政策制定者设定保护水生生态系统的²²⁶Ra排放限值。在本研究中，用于基准推导的鱼类早期生命阶段（early life stage, ELS）毒性数据包括三种鱼类，即白亚口鱼（*Catostomus commersonii*）、虹鳟（*Oncorhynchus mykiss*）和黑头呆鱼（*Pimephales promelas*）。为评估ELS毒性，所有鱼类的胚胎在受精时（*O. mykiss*, *C. commersonii*）或受精后4小时（*P. promelas*）暴露于一系列环境相关活度（名义浓度0–62.5?Bq/L ²²⁶Ra）中，水质为非常软水（10–13?mg/L CaCO₃；*O. mykiss* 和 *C. commersonii*）或硬水（160–180?mg/L CaCO₃；*P. promelas*）的重组水。在游泳期（swim-up）时评估了死亡率、发育（至眼点期、孵化、游泳期的时间）、形态测量（体长、干重、条件因子）和畸形等毒性阈值。在所有鱼类中，传统统计方法对所有终点均得出无观察效应浓度（no observed effect concentration, NOEC）>62.5?Bq/L，表明当前排放限值（0.37?Bq/L）按照加拿大金属和钻石开采废水条例（MDMER）设定是具有保护性的。相反，一种非传统的混合模型方法，将游泳期的时间（以度日表示）作为生物终点，得出的最低观察效应浓度（lowest observed effect concentration, LOEC）对于*O. mykiss* 和 *P. promelas* 的体长分别为0.1和2.5?Bq/L。这些数据表明，当前的排放限值可能无法保护所有淡水鱼类。

**研究背景与目的**
加拿大石油和矿业是经济增长的重要驱动力，但也是环境污染的主要来源，其中放射性核素²²⁶Ra（镭-226，天然放射性同位素之一）因其放射-金属特性、化学行为及环境持久性而备受关注。²²⁶Ra可发射α粒子，具有致突变性和致癌性；作为钙（Ca²⁺）类似物，它易在骨骼中累积，半衰期约1600年，且在地球化学上具有迁移性。当前加拿大金属和钻石开采废水条例（MDMER）设定的月排放限值为0.37?Bq/L，但该限值并非基于水生生物保护水质基准（WQG-PAL）的推导标准。为制定基于物种敏感度分布（SSD）的慢性A类淡水水质基准，研究人员选取了三种具有商业、生态和文化意义的加拿大鱼类——黑头呆鱼（*Pimephales promelas*）、虹鳟（*Oncorhynchus mykiss*）和白亚口鱼（*Catostomus commersonii*）——开展鱼类早期生命阶段（ELS）毒性研究。研究旨在评估²²⁶Ra对脊椎动物的慢性毒性，生成用于基准推导的毒性数据，并检验传统与非传统统计方法在毒性阈值评估中的适用性。该论文发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上。

**主要技术方法**
研究采用静态更新暴露设计，将虹鳟和白亚口鱼胚胎在受精时、黑头呆鱼胚胎在受精后4小时暴露于名义活度0–62.5?Bq/L的²²⁶Ra中，水质分别为非常软水（10–13?mg/L CaCO₃，用于虹鳟和白亚口鱼）和硬水（160–180?mg/L CaCO₃，用于黑头呆鱼）。关键技术包括：使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）定量水样和组织中的²²⁶Ra活度，微波等离子体原子发射光谱（MP-AES）测定钙浓度，非色散红外吸收法（TOC分析仪）测定总有机碳。统计方法上，采用传统方差分析（ANOVA）及非参数Kruskal-Wallis检验，并引入非传统线性混合模型（通过lme4和afex包实现），将累积时间（度日）作为连续固定效应，实验单元作为随机效应。此外，利用基准剂量软件（BMDS）计算EC10/EC50。样本来源：虹鳟配子购自Lyndon Fish Hatcheries（加拿大安大略省），黑头呆鱼胚胎来自萨斯喀彻温大学毒理学中心（ATRF）的繁殖群体，白亚口鱼配子于2024年5月25日野外采集自加拿大萨斯喀彻温省Blackstrap Lake（许可证号#23AR005fp NEW-2023）。

**研究结果**
- **水质量**：所有ELS实验中，溶解氧、温度、pH、硬度、碱度等参数在各处理组间一致，符合淡水半静态暴露设计标准。
- **总溶解²²⁶Ra**：通过ICP-MS测量，名义与实测活度差异较小（虹鳟：99.5%–100.7%；白亚口鱼：106.1%–108.0%；黑头呆鱼：92.8%–96.8%），水中²²⁶Ra呈浓度依赖性增加。
- **生物富集因子（BCF）**：虹鳟和白亚口鱼体内²²⁶Ra活度呈浓度依赖性，BCF显示低至中等富集潜力（虹鳟泳期仔鱼：56.4–258.4；白亚口鱼：18.9–33.6），黑头呆鱼因质量低未检出。
- **发育（度日计数）**：采用ANOVA，所有鱼类到达眼点期、孵化、游泳期的时间均未受²²⁶Ra显著影响，NOEC>62.5?Bq/L，无法计算EC10。
- **形态测量（ANOVA）**：体长、干重、条件因子（SMI）在各处理组间无显著差异，NOEC>62.5?Bq/L，无剂量-反应关系。
- **形态测量（混合模型）**：总长度受累积时间（度日）与²²⁶Ra活度的交互作用显著影响（虹鳟和黑头呆鱼，p<0.05）。简单斜率分析显示，虹鳟在0.1和0.5?Bq/L下体长与时间显著正相关，黑头呆鱼在0和2.5?Bq/L下显著正相关。虹鳟体长LOEC为0.1?Bq/L（NOEC=0?Bq/L），黑头呆鱼LOEC为2.5?Bq/L（NOEC=0.5?Bq/L），白亚口鱼无显著交互作用（NOEC>62.5?Bq/L）。干重和条件因子（SMI）均无显著交互作用，NOEC>62.5?Bq/L。
- **致畸性**：畸形频率和分级严重性指数在各处理组间无显著差异，NOEC>62.5?Bq/L，无法计算EC10。
- **死亡率**：用Abbott公式校正后，各处理组死亡率与对照组无显著差异，NOEC>62.5?Bq/L，无剂量-反应关系，无法计算EC10。

**讨论与结论**
讨论部分指出，传统ANOVA方法未检测到²²⁶Ra的毒性，所有终点NOEC>62.5?Bq/L，这支持当前MDMER排放限值（0.37?Bq/L）对水中溶解态²²⁶Ra具有保护性。然而，非传统混合模型揭示了总长度在低活度（0.1–2.5?Bq/L）下呈现刺激效应（ hormesis），高活度（12.5和62.5?Bq/L）下抑制作用，这与ERICA工具预测的风险一致。混合模型更敏感，能纳入生物变量（累积度日）并解决伪重复问题，因此建议在制定水质基准时采用其结果。研究还指出，当前限值可能无法保护所有淡水鱼类，更安全的限值应低于0.1?Bq/L，接近加拿大背景值（0.0041–0.0137?Bq/L）。局限性包括：暴露仅持续至游泳期，未评估后续效应；沉积物中²²⁶Ra的毒性需单独研究。

**研究结论（翻译）**
研究假设被拒绝，因为²²⁶Ra未产生剂量-反应曲线，且游泳期体长在低活度下的效应比高活度更显著。传统监管毒理学统计方法未检测到鱼类早期生命阶段暴露于环境相关活度²²⁶Ra的毒理学效应。所有ELS毒性测试（发育、形态测量、致畸性、死亡率）得出的NOEC均>62.5?Bq/L。然而，为增加ELS测试的灵敏度和统计功效，研究人员采用了混合模型。与传统方法相反，非传统混合模型方法识别了毒理学效应，并指出²²⁶Ra在某些情况下在低活度（0.1, 0.5, 2.5?Bq/L）下具有刺激作用，而在高活度（12.5和62.5?Bq/L）下具有抑制作用。混合模型对总长度的分析显示，虹鳟在非常软水中的LOEC为0.1?Bq/L、NOEC为0?Bq/L，黑头呆鱼在硬水中的LOEC为2.5?Bq/L、NOEC为0.5?Bq/L。这些混合模型结果表明，当前加拿大排放限值（0.37?Bq/L）和萨斯喀彻温省水质基准（0.11?Bq/L）可能无法保护所有鱼类物种，应将其纳入加拿大淡水生态系统水质基准的制定以及矿区持续进行的生态风险评估中。尽管本研究采用了标准化实验室方案来估计鱼类早期生命阶段毒性，未来研究应聚焦于自然淡水生态系统中的原位暴露实验。