杀虫剂炔咪菊酯与微塑料单独及联合暴露对枝角类种群统计学的生态风险

《Aquatic Ecology》：Ecological risk of the pesticide imiprothrin and microplastics separately and combined on demography of cladocerans (Cladocera)

　　

研究人员测试了不同浓度的合成拟除虫菊酯（炔咪菊酯，IP）和微塑料（MPs）（单独及联合）对两种枝角类物种（Ceriodaphnia dubia 和 Simocephalus vetulus）的种群统计学及种群增长的影响。对于 C. dubia，IP的两个测试浓度为0.0248和0.0496 mg/L，而对于 S. vetulus，这两个浓度分别为0.0307和0.0614 mg/L。研究人员使用了单一浓度的微塑料（MPs）（C. dubia 为20 mg/L，S. vetulus 为40 mg/L）。来自生命表种群统计学实验的数据显示，当暴露于较高浓度的IP + MPs时，与对照组相比，C. dubia 和 S. vetulus 的平均寿命减少了超过40%。当这两种枝角类物种暴露于污染物混合物时，其繁殖变量（总生殖率、净生殖率和每日种群增长率）均显著低于对照组。从 C. dubia 的种群增长研究中，研究人员记录到在较低浓度（0.0248 mg/L）的农药下，峰值丰度显著升高。对于 S. vetulus，两种浓度的IP均导致峰值密度降低。对于枝角类物种，农药 + MPs的联合处理对种群增长的负面影响（降低53–65%）远大于单独处理。

一、研究背景

枝角类浮游动物是水生食物网中的关键营养环节，多种鱼类在其幼体阶段依赖枝角类为食，一些观赏鱼甚至终生依赖它们。由于枝角类对人为污染物高度敏感、生命周期短、生长速率快且对应激源敏感，因此被认为是可靠的淡水生态系统生物指示剂，并常被用作标准生物测定生物。然而，随着农业活动的增加，含有营养物和农药的废水排放日益增多，对水生生物构成严重威胁。全球农药消耗量估计约为每年2,540,117吨，且仍在上升。合成拟除虫菊酯类农药，如新一代的炔咪菊酯（IP），广泛用于控制蚊虫和农业害虫，但其对非靶标水生生物（包括浮游动物）具有不利影响。此外，微塑料（MPs）作为常见的新兴污染物，也对淡水生物产生不良影响。实验室研究表明，超过80%的污染物（包括重金属和农药）可在两小时内吸附到微塑料上，从而加剧其对暴露生物的负面影响。然而，关于微塑料单独及其与炔咪菊酯联合对枝角类的慢性毒性研究仍相对有限。因此，本研究旨在利用两种常见枝角类物种——Ceriodaphnia dubia 和 Simocephalus vetulus 的生命表种群统计学和种群动态，评估微塑料和炔咪菊酯单独及联合暴露的慢性毒性。

二、研究方法

研究人员采用了两种主要的实验方法：生命表种群统计学实验和种群增长实验。在生命表实验中，针对每种枝角类物种设置了五个处理组和一个对照组，处理组包括两种亚致死浓度的IP（C. dubia：0.0248和0.0496 mg/L；S. vetulus：0.0307和0.0614 mg/L）、单一浓度的MPs（C. dubia：20 mg/L；S. vetulus：40 mg/L）以及两者的组合。每组设置5个重复，每个重复引入6只新生（<24小时龄）个体，每天记录存活个体数和新生幼体数，直至初始个体全部死亡，据此计算年龄特异性存活率（l_x）、繁殖力（m_x）、平均寿命（ALS）、出生时预期寿命（E₀）、总生殖率（GRR）、净生殖率（R_o）、世代时间（T）和种群增长率（r）。种群增长实验设计与生命表实验类似，但每天计数所有个体后转移至新鲜培养基，C. dubia 和 S. vetulus 的实验分别在25天和35天后终止，据此计算种群增长率（r）。此外，研究人员还通过计算风险商值（RQ）进行了生态风险评估。

三、研究结果

生命表种群统计学：

C. dubia 的年龄特异性存活曲线显示，对照组在第一周内死亡率很低，而暴露于毒物的处理组成活率下降。在20天的暴露后，无论是单独暴露于0.0248或0.0496 mg/L的IP，还是20 mg/L的MPs，C. dubia 均未存活，而对照组成活至26天。混合污染物（0.0248或0.0496 mg/L IP + 20 mg/L MPs）暴露下，C. dubia 的存活率比单一污染物暴露降低了约20%。相比之下，S. vetulus 在所有处理中存活时间更长（>30天）。S. dubia 在混合污染物处理下的存活率比单一污染物处理降低了27%（Kaplan-Meier检验）。

年龄特异性繁殖力曲线显示，对照组中 C. dubia 的产仔高峰大约每七天出现一次，而 S. vetulus 的产仔则分布在整个生命周期中。污染物处理组的产仔高峰次数减少。

生命表参数数据显示，混合污染物处理显著降低了两种枝角类的平均寿命（ALS）和出生时预期寿命（E₀）。例如，高浓度IP + MPs暴露使 C. dubia 和 S. vetulus 的平均寿命较对照组降低超过40%。两种枝角类在混合污染物暴露下，其繁殖变量（总生殖率、净生殖率和日最大种群增长率 r_max）也显著低于对照组。但在某些情况下观察到刺激效应，例如 C. dubia 在0.0496 mg/L IP单独暴露下，其世代时间显著高于对照组约12%。

种群增长：

C. dubia 的种群增长曲线显示，在0.0248 mg/L IP暴露下，其峰值丰度显著高于对照组，表现出刺激效应。而在更高浓度（0.0496 mg/L）IP下，峰值密度与对照组无显著差异。在混合IP + MPs处理下，种群数量较对照组显著下降。对于 S. vetulus，低浓度和高浓度IP均导致峰值丰度显著低于对照组。无论哪种枝角类，农药与MPs联合处理的负面影响（53–65%）远大于对照组或农药单独处理。

C. dubia 的种群增长率（r）范围为0.13至0.28/天，S. vetulus 的对应范围为0.11至0.32/天。统计分析表明，C. dubia 对照组的 r 值显著高于所有含污染物的处理组。对于 S. vetulus，对照组的 r 值与MPs处理组无显著差异，但在其他所有处理中，r 均受到农药、微塑料或其组合的负面影响。

四、讨论与结论

讨论部分指出，本研究所用的IP亚致死浓度基于前期工作的LC₅₀值，而MPs的LC₅₀无法获得，因此选用了引起较低死亡率（<40%）的浓度。研究强调了进行长期实验的重要性，因为短期实验可能低估重要指标（如最大寿命、生殖率）。生命表参数表明，污染物导致了更高的死亡率，这在净生殖率的降低上尤为明显。两种枝角类中，C. dubia 对污染物更为敏感，尤其在混合污染物处理下，后代产量下降近60%，种群增长率降低50%。微塑料可吸附各种有毒物质，其联合效应往往是协同的，这与本研究观察到的结果一致。虽然美国环保署（USEPA）认为IP对水生生物并非极度危险，但本研究提供了更多毒性数据，表明需重新考虑其对水生生物（尤其是浮游动物）的潜在不利影响。研究人员还计算了风险商值（RQ），结果显示IP的RQ值接近零，属于可忽略风险，而MPs的RQ值约为0.38，属于中等风险。

结论部分翻译：研究人员认为有必要量化水生生态系统中的农药水平，因为一些报告指出，即使低浓度农药对浮游动物群落的暴露，也未能在评估中考虑种群动态随时间的变化。此外，之前关于IP的研究主要报道了当暴露浓度接近被测物种LC₅₀的1%时，对轮虫和枝角类等浮游动物分类群的不利影响。鉴于环境中存在多种人为应激源，许多自然生境中的枝角类可能面临持续威胁，尤其是在污染物的联合效应下。因此，必须通过大量浮游动物采集和/或中宇宙实验来验证微塑料和炔咪菊酯联合效应对浮游动物生存和繁殖的影响。同时，多代实验室测试有助于阐明污染物对后续世代的负面影响或可能的适应过程。