七星瓢虫 (Coccinella septempunctata L.)在单一和联合金属暴露条件下积累铜、镍和锌的时间-响应关系外文翻译资料

七星瓢虫 (Coccinella septempunctata L.)在单一和联合金属暴露条件下积累铜、镍和锌的时间-响应关系

重点：

· 铜、镍和锌最初是由七星瓢虫 (Coccinella septempunctata L.)有效积累的。

· 有机制作用于防止铜和镍在短时间内进一步积累。

· 用一种金属处理对另两种金属的积累没有影响。

· 同时进行的金属处理改变了时间-反应关系。

· 改变增强了所有三种金属在15天后的积累。

摘要

无脊椎动物中微量金属的积累和毒性可能受到不同金属元素之间潜在的相互作用的影响。然而，关于陆地系统中这种相互作用的性质和影响的数据很少。本文报道了铜（Cu）、镍（Ni）、锌（Zn）在七星瓢虫(Coccinella septempunctata L.)体内积累过程中的相互作用。分别以500 mg kg^-1各金属单独处理和联合处理被试动物达15天。单一金属处理对其他两种金属的基线浓度没有影响。一种金属处理后Cu和Ni的时间响应关系呈曲线性，表明金属最初是在积累的，但经过8天调控机制逐渐生效。这导致尽管都处于持续的金属处理中，试验动物中金属浓度却在减少。相反，Zn的时间-响应关系是线性的。金属联合处理显著改变了三种金属的时间响应关系，三种金属的时间响应关系均呈线性趋势，锌的时间响应关系的斜率显著增大。经过15天的处理后，与金属单独处理的动物相比，经联合处理的动物的金属浓度增加，Cu浓度增加了144%达到38.3 mg kg^-1，Ni浓度增加了141%达27.5 mg kg^-1，Zn浓度增加了55%达311 mg kg^-1。各处理间的差异均有统计学意义，说明元素间的相互作用可以提高七星瓢虫C. septempunctata体内微量金属的浓度。

1. 介绍

微量金属污染生态系统的现象十分普遍，这是因为金属矿开采、冶炼等频繁活动，以及某些农业材料（如化肥、污水污泥）的过度应用，随之而来的还有来自这些活动的排放物的大气迁移。生活在微量金属污染的生态系统中的无脊椎动物所承受的逆境胁迫可以转化为个体生长和繁殖的减少(Santorufo et al., 2012)，社群结构的变化(Nahmani and Lavelle, 2002)和改变营养水平之间的生态相互作用 (Butler and Trumble, 2008)。因而，预测微量金属污染何时达到造成不良生态后果的水平，对于保护生物多样性和生态系统功能/服务至关重要。无脊椎动物中积累的微量金属是污染对生态影响的重要决定因素。首先，微量金属的积累是毒性诱发过程的基础。当无脊椎动物中微量金属的积累超过临界浓度时，会对其产生不利影响(Hopkin, 1990)。其次，因为无脊椎动物在较低的营养级上占主导地位，这些生物积累的微量金属直接影响污染物向较高的营养级传递并引起其继发性中毒。然而，无脊椎动物物种对微量金属含量增加的反应的多样性使污染预测的命运和结果变得复杂，反应随着微量金属元素、无脊椎动物物种和时间而改变 (Green et al., 2006, 2010; Mourier et al., 2011; Santorufo et al., 2012)。迄今为止，大多数研究数据都是针对具有土壤生境的物种的，因此，对地面上生境物种中的微量金属活动了解有限。另一个复杂因素是，当生物体同时暴露于多种元素时，可能会产生交互式毒性效应 (Norwood et al., 2003)。这种相互作用可能是由于微量金属的吸收和积累发生变化，从而改变了毒性效应和其在食物链中的流动性。

现在已经有许多研究是关于暴露于水污染的水生无脊椎动物中的微量金属的相互作用，但对通过食物接触微量金属的陆生无脊椎动物的研究很少。这项工作主要集中在元素镉和锌之间的相互作用，因为它们具有相似的生化性质。与对水生无脊椎动物的研究一样 (Norwood et al., 2003)，这项工作没有显示出一致的相互作用。例如，在弹尾目中，锌对镉吸收的拮抗作用被发现在长角长虫兆Orchesella cincta中(Sterenborg et al., 2003)，但对于白符虫兆Folsomia candida没有发现任何交互作用(van Gestel and Hensbergen, 1997)。陆地系统中其他微量金属元素的研究非常有限，但Cu和Ni在等足目潮虫属栉水虱Oniscus asellus中存在相互作用，体现在Ni对Cu的积累有抑制作用，Cu对Ni的积累有促进作用 (Alikhan and Storch, 1990)。目前关于昆虫中微量金属的积累及相互作用的信息的缺失需要得到填补，因为昆虫这类物种是生态系统功能的重要贡献者，是能量和污染物转移到更高营养等级的通道(Price et al., 1974)。目前有课题通过研究当七星瓢虫Coccinella septempunctata L.（有七个斑点的瓢虫）单独和组合地暴露在元素中时，Cu、Ni和Zn的积累之间的不同来应对这一问题。七星瓢虫是蚜虫（谷类作物的主要害虫）的主要捕食者，因此是综合虫害治理的一个重要贡献者。然而，蚜虫可以生物放大微量金属 (Crawford et al., 1995; Merrington et al., 1997; Green et al., 2006)，可以使七星瓢虫暴露于污染环境中达到有害浓度的微量金属。

本研究的具体目的是：

1. 确定提高一种金属的浓度是否对另两种金属在七星瓢虫中的基础浓度有影响。
2. 确定每种元素单独处理时七星瓢虫体内金属积累的时间-响应关系以及是否可通过与所有三种金属同时处理来改变每种金属元素的时间响应关系。
3. 材料和方法
   1. 喂养试验

七星瓢虫Coccinella septempunctata L.是从英国多塞特海岸一块生长在田地里的异株荨麻Urtica dioica L.的一片碎叶上采集的。这一地点远离任何工业活动，并受到最小的微量金属污染。共收集了122个个体，属于过量采集，这是因为经预计，样品的最大寿命为27天 (Xia et al., 1999)，但是许多个体由于被捕时的寿命限制，其接下来的生存时间远远少于27天。因此，在实验期间，需要收集过多样品来计算死亡率。收集的样品被送回实验室，每个被放置在一个装有潮湿滤纸的培养皿 (Oslash; – 90 mm)中。然后，这些被放置在一个受控环境柜中，设置为白昼16小时，24℃；夜间8小时，24℃。其后的适应期为24小时，在此期间没有提供食物。在开始喂食之前，随机取样4个七星瓢虫，以提供实验开始时微量金属浓度的估计值。剩下的瓢虫被分成5个处理组，然后分别被分配5种喂食处理中的一种。所有处理组均使用一种专有的瓢虫饲料 (Wildlife World Ltd., Chavenage, UK)。通过添加蒸馏水、含有CuSO4、NiSO4或ZnSO4的单一金属溶液或三种金属盐的混合溶液，干饲料的含水量达到33%。硫酸盐被用来使阴离子的浓度最小化和改变饲料的渗透压。通过计算饲料中金属的含量，饲料中的金属浓度增加500 mg kg^-1（干重）。对照食品中Cu、Ni和Zn的测量浓度分别为25、0.25和30mg kg^-1，结果表明，添加食品中的标称浓度分别为525、500.25和530mg kg^-1。

在喂食开始后的第3、7、11和15天，从每个处理组中随机取样4只七星瓢虫，并更换剩余瓢虫的饲料。对照组在第3-6天之间意外经历了一次高死亡率的发生，因此在第11天没有对这种处理组进行取样，以便在第15天进行取样。唯一的Cu处理组在第14天经历了一次高死亡率的发生，在第15天只剩下一只幸存的七星瓢虫。取样的瓢虫进行饥饿处理48小时，以便在测定金属浓度之前清除肠道内容物。

• 1. 化学分析

用5mL 69%硝酸加热2h至90℃洗涤和消化七星瓢虫C.Seponempunctata个体。然后，样品被冷却，并加入5mL的15%过氧化氢。再加热2小时，使样品在130°C加热至干燥。饲料的亚样品（~ 0.25g），在10毫升69%硝酸中加热到90℃并保持2小时使其消化，然后在130°C加热到干燥。在轴向ICP-OES测定金属浓度之前，将干燥样品重新悬浮在10%硝酸（动物5mL，饲料25mL）中 (Varian Vista Pro)。通过对工艺空白和经认证的参考物质（NRC-CNRC TORT-2型龙虾肝胰腺；平均回收率Cu 91%、Ni 93%和Zn 95%）的分析，验证了分析精度。

• 1. 数据分析

通过t检验或单向方差分析评估不同处理组之间的差异。使用Ryan、Einot、Gabriel和Welch Q程序 (alpha;= 0.05)进行多重检验。线性和二次模型都被拟合到数据中，以确定金属积累的时间-响应关系的性质。产生数据最佳描述的模型最初是根据调整后的最高r²值选择的，如果平方项的系数是显著的 (P lt; 0.05)，建议采用二次模型，拒绝采用线性模型。在对数据进行Shapiro-Wilk和Brown-Forsythe测试或观察残差散布图和正态概率图(适用于测试)之后，可以确保这些统计测试的假设得到遵守。通过卡方检验确定不同处理方法的死亡率差异，预期计数gt;5。统计学分析采用 SPSS vs.16(SPSS Inc.)。

1. 结果
   1. 对体重和死亡率的影响

在进行任何处理的实验过程中，动物的体重没有明显变化（未展示数据）。实验开始和结束时动物死亡率最高，1-3天和12-15天死亡率分别为6.9%和6.7%，第4-7天和第8-11天的死亡率分别为3.8%和2.2%。在实验过程中，Cu处理的死亡率最高（57%），但对照组的死亡率也很高（48%）。接下来死亡率依次下降为Zn处理（35%）、复合金属（29%）和Ni（26%）。各种处理的死亡率差异不大。(chi;² = 6.9, P = 0.14)。

表 1

七星瓢虫C.septempunctata饲喂对照饲料和暴露于含有500 mg kg^-1 Cu、Ni或Zn的饲料 中7天的动物体内的Cu、Ni和Zn浓度（平均值plusmn;1se）。所有浓度均以干重表示。

• 1. 暴露于高含量金属的时间-反应关系

仅在饲料中提高一种金属的浓度对动物体内其他两种金属的浓度影响不大（如表1所示）。尽管平均镍的浓度在喂高锌的瓢虫中一直是最高的，喂高镍的瓢虫一直是较低的锌浓度，单因素方差分析显示，在任何取样时间内，金属暴露瓢虫和对照瓢虫之间的非相关金属浓度没有显著性差异。在喂食对照饲料的七星瓢虫中，所有三种金属的浓度都没有显示出任何随时间变化的模式，这三种金属中的任何一种都不能产生显著的回归模型。相比之下，喂养高金属浓度的饲料的七星瓢虫Coccinella septempunctata L.会产生显著的回归模型。在Cu和Ni的情况下，发现了一个二次时间响应，这表明瓢虫体内的这种浓度最初是随着接触金属量的增加而增加的，但随着时间的推移，当瓢虫体内的浓度开始下降时，即到了一个临界点（图1）。对于Cu，这就导致了暴露与金属8.25天后出现的金属浓度峰值，而峰值Ni的积累稍晚在8.5天后。实验结束时Cu的浓度与对照组相似，但Ni浓度仍然较高。Zn与其它两种金属形成对比，因为对于Zn存在线性时间响应关系，因此实验过程中未观察到浓度下降。

图 1. 铜、镍、锌作为单一金属或全部三种金属对七星瓢虫摄食时间与微量金属浓度（平均值plusmn;1se）的关系（■对照组，◆单一金属处理，▲联合金属处理）。所有浓度均以干重表示。

• 1. 暴露于复合金属的时间-反应关系

与单一金属接触相比，喂养高含量三种金属的饲料组合会导致明显不同的时间-反应关系。对于Cu和Ni，积累的二次时间-响应关系改变为线性关系。因此，在实验的后期，动物体内的金属浓度没有下降（图1）。Zn的积累也呈线性趋势，但回归模型的斜率明显大于动物暴露于高含量单一Zn元素时的斜率 (t = - 2.51, P = 0.017)。尽管在对照组中，单一Cu处理和联合金属处理在时间响应关系上表现出差异，但单因素方差分析显示Cu的浓度仅在第15天显示明显差异 (F = 37.6, P lt; 0.001)。在这一点上，没有足够的重复试验以确定单一金属处理和联合金属处理之间的Cu浓度差异是否显著。对于Ni来说，从开始到第7天，处理间的Ni浓度有显著差异 (F = 6.73, P = 0.016)，且在第15天时也有明显差异(F = 24.1, P lt; 0.001)。从第11天起进行的事后比较和t检验（此时没有对对照组取样）表明单金属和混合金属处理在第7天与

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