环境毒理学_钨的种类与毒性_英文文献的翻译.doc

钨类物质及其毒性：单一态和复合态钨酸盐对鱼的急性毒性摘要：钨是一种广泛应用的过渡金属，但有关其环境影响和毒性作用的研究并不多，特别是缺少复合态钨对环境影响的研究。钨阴离子会在水体和土壤中聚合，这取决于其浓度、pH和水体地球化学性质。至今为止，在所有可溶钨酸盐类中，有关单一态钨酸盐类的毒性研究较多。本次实验旨在对单钨酸盐类（Na2WO4）和聚合钨酸类（3Na2WO49WO3）的急性毒性进行比较和评估。实验遵守经济合作和发展组织(OECD)协议中203和204条规定计算出14天的LD50值。结果显示偏钨酸钠对鱼的毒性比钨酸钠的毒性强。根据LD50为0.863.88 gL-1或 4.6721.110-3mol Na2WO4 L-1可知，钨酸钠对鱼的毒性较低。而当偏钨酸钠的含量比钨酸钠含量（molL-1）低55-80倍时，也可以造成相同的鱼死亡率。偏钨酸钠的LD50值从0.13到0.85WL-1或者5.69到38.7110-5mol 3Na2WO49WO3L-1。根据以上这些值可知，偏钨酸钠对鱼产生中度毒性。引言钨是一种具有独特物理化学性质的过渡金属，其硬度较高、密度较大，在所有金属中熔点最高，从而被广泛应用于工业实践中。环境中的钨来源于自然界以及人类活动，主要通过含钨矿石如钨锰铁矿、白铁矿和钨铁矿的转变和传输途径。尽管钨被广泛使用，但是有关其在环境中的去向，传输和生态毒理机制的研究仍较少。在美国，除了职业暴露空气污染指数（难溶钨类为5mgm-3，可溶钨类为1mgm-3）外，没有针对钨的其他规定。钨污染指标在苏联首先建立起来，包括最大允许浓度(环境污染的一个定量指标)。MAC被定义在整个生命周期中某种化学物质影响人类健康的最低浓度。饮用水和渔业水库中钨的MAC值分别为0.05和0.0008mgL-1。起初，1966年的饮用水MAC值被定为0.1mgL-1。后来，当有研究发现在更低浓度的钨和钼共同作用下会对老鼠产生胚胎毒性时，MAC值被改为如今的0.05mgL-1。最新研究表明金属钨粒的溶解会对环境产生负面影响，包括土壤酸化、对植物、土壤微生物和无脊椎动物产生直接或间接的毒性。生理学研究表示在老鼠肠系膜动脉中，钨丝表面的氧化作用使Ca2+和乙酰胆碱引发的松弛反应。由于钨类物质和水体化学性质的复杂性，至今还未能确定哪类钨类物质造成了这些毒性影响。钨类物质在水体和土壤中以单一和大量聚合态形式存在，例如聚合氧络钨酸盐类。众所周知，酸性条件下易发生聚合反应，从而导致大量稳定聚合态物质的产生；与此同时，分解作用很慢。这就导致在碱性和酸性水溶液中存在可溶性聚合态钨化物。当pH值在4到9之间时，一些不稳定的聚合态和至少3种稳定的聚合态钨酸盐共存：仲钨酸盐A、仲钨酸盐B以及最易溶解的偏钨酸盐。不同的技术支持会产生不同的结论，因而对聚合阴离子物质的性质研究会产生分歧。Bukoski等人在用钨丝进行生理实验时，在其表面发现了聚合钨酸盐。土壤和水体中的钨合金侵蚀伴随着金属钨粒上的酸化反应，有利于钨的聚合反应。最近，Bednar已经发现了在被金属钨污染的古老土层里含有大量的不同种类聚合钨酸盐。目前的生态毒性实验很少是以可溶性钨类物质为研究对象，而主要是单一态钨酸钠。在所有已知的可溶性钨类物质中，单一钨酸盐(主要是Na2WO4和少量的K2WO4)一直以来都是作为可溶性聚合钨酸盐的替代物而用于生物医学研究中。但是，可溶性聚合态钨酸盐的生态毒性很少有人了解。Kinard和Van De Erve早期研究过向人类日常饮食中添加氧化钨、钨酸钠和仲钨酸氨的毒性影响。更多有关聚合氧络钨酸盐毒理性质的研究则认为这些物质可以作抗过滤性病原体、抗癌和抗菌剂。但是，这些化合物中的一些是由化学合成而来并且从未在自然界中发现。Tijima比较了环境系统中的单一态和简单聚氧络态钨酸盐的生物效应，结果显示聚氧络钨酸盐引发了Esherichia coli菌株内的osmY和clpB的基因修饰，而单体化合物(Na2WO4)没有引起这些变化。根据美国军队工程研究和发展中心的最新研究可知，在钨污染的古老土壤中，单一态和聚合态钨酸盐对向日葵产生不同的生物有效性。这些研究均表明土壤中的钨类物质可能与观察到的植物生长和微生物群体上反作用有关。纵观上下，现今人类对钨的生态毒性了解还不充分，有关钨类物质和可能的生态毒性影响报道还不多。所有已知的数据主要集中在单一态钨酸盐。但是，由于自然界中金属钨的溶解和含钨矿物的降解过程往往伴随着酸化反应，因而聚合钨酸盐是可溶钨化合物的主要形式。此次研究目的是比较单一态和聚合态钨酸盐（Na2WO4和偏钨酸钠）对鱼类的急性毒性影响。采用两种标准急性测试，鱼类急性毒性测试（OECD协议203条）和鱼类长期毒性测试（OECD协议204条）。2 材料与方法2.1 化学物质所有的化学物质均来自于渔业科技有限公司。用于鱼类消解的酸性物质，包括硝酸、盐酸和磷酸等，都是痕量金属级。2.2 水质的控制实验过程中调控的水质参数包括水温、pH（使用渔业科技有限公司提供的Accumet AR25 pH计）、溶解氧（使用YSI公司提供的溶氧仪)、导电率（(使用Hanna公司提供的 HI 9033）和氧化还原能力。硝酸盐和亚硝酸盐由IC（(IC25,Dionex Inc.)调控，并且氨的浓度由一个氨离子选择器。2.3 鱼的储存从城市自然环境中获得孔雀鱼。为减少实验偏差，挑选过程中注意选择健康且差异不大的个体。鱼被保存在恒温231的50L鱼缸中4周左右，以此来评估它们是否可以用于实验并且提前适应当地的自来水。整个实验过程中使用相同的自来水。每缸中的鱼不超过70条。水质包括氨，硝酸盐和亚硝酸盐浓度、溶解氧、pH和氧化还原电位稳定并且处于正常范围内。本实验遵循国际动物福利保护制度（实验动物护理和使用指南，生命科学委员会，国家研究所，华盛顿，1966）。从至少连续7天都没有死亡记录的鱼缸中挑选用来进行检测的样品。挑选时应注意选相同大小、比较活跃且没有任何怀孕迹象。实验中不使用过小或过大、怀孕、表现出任何异常行为或有身体缺陷的鱼。2.4 实验设计本实验旨在确定LD50值（半数致死量），即导致所检测鱼总数一半死亡的钨酸盐浓度。实验开始前，钨酸盐钠和偏酸盐钠的毒性范围是未知的。预实验中使用了每小组2-6条鱼来估算其毒性范围。由于这些结果没有显著性差异所以未进行报道。毒性范围确定后进行了大规模的实验。已有的研究中是将动物暴露于7种不同的钨酸盐钠和偏钨酸盐钠中（9，7.5，5，3.75，2.5，0.75g(Na2WO4 2H2O)L-1和1.5，1，0.75，0.5，0.25，0.125，0.0625g(3Na2WO4 9WO3 xH2O)L-1）。相同浓度下有10条鱼并设置2个独立的重复。此次实验使用4种系列，随机挑选的化学物质和浓度。每个系列设置一个空白组。每个实验系列包括8个塑料容器，每个容器中有8L水和10条鱼，每条鱼储量为0.37gL-1。实验中使用的自来水放置于20L的塑料容器中3天左右并且在实验开始前充气的24h。实验中作为空白的容器装满了水和鱼，并且随机加入需检测的化学物质。每个实验组包括了一个没有任何污染物的空白实验。首先进行96小时的急性实验（OECD，203），紧接着是用96h后存活下来的鱼进行14天的长期毒性（OECD，204）。前4天不喂食，之后一天两次用TeraMin碎片喂鱼。每隔4天将鱼移到充入新鲜空气的相同浓度钨溶液中。为了避免水中和沉淀物中有机物和含氮物质的积累，所有水都需置换；因为这种条件会潜在地降低水中钨类物质含量并且影响鱼健康。如果观察到鱼不动弹也没有呼吸，则认为鱼已经死了，应及时将其移出容器。2.5 鱼组织中钨的含量 用去离子水冲洗鱼，称重并且在80的烘箱中干燥12h。干燥后的鱼称重，剪碎并且在50mL消解液中消解。消解液包括5mLHNO3，1mLHCl，0.5mLH3PO4和3mLH2O2。试样放在加热Block上于180敞口加热2h；消解过程中，加入3mLH2O2以补充蒸发损失。最后，将样品进行冷却，通过Whatman 42孔滤纸过滤并且用DI去离子水稀释到50mL。最终样品中的钨含量依据美国职业安全和健康联合会检测钨溶液的方法ID-213，即用原子发射光谱仪检测。2.6 数据分析使用环境规划署Probit分析项目中的分析方法分别计算每个暴露时期的LD50值和置信区间。采用ANOVA法和一次Dunnetts检测计算NOEC和LOEC值 。本实验进行5%数据显著性分析。3 结论3.1 含钨物质的浓度本实验的化学物质含量由三种方法表示：(1)化学浓度（mgL-1); (2) 钨的质量浓度（gWL-1);3)分子浓度（molL-1）。第二种和第三种能更方便地比较物质的毒性特性。钨酸钠粉末由Na2WO42H20提供，但是提供偏钨酸钠的3Na2WO49WO3xH2O中的结晶水末知。为了确定此x值，将偏钨酸钠盐粉末溶解于去离子水中；准备一系列的稀释液，由ICP-OES检测钨含量。下面的线性回归函数描述了钨含量与溶解偏钨酸粉末的关系。钨含量（mgL-1）=0.7011偏钨酸盐粉末（mgL-1）(r2=0.9994，n=10)根据原子标准质量,大量元素包括(W183.84,O15.9994,Na22.98977,H1.00794), x=10（准确是9.91）。钨酸钠的形式确定为Na2WO4 2H2O(r2=0.999）。3.2 含钨物质对水质的影响在所有的重复中，水温保持在23.50.3，氨浓度低于最低检测限（0.01mgL-1）。对照组和实验组间硝酸盐和亚硝酸盐类含量没有显著差别，并且浓度分别不高于5和0.1mgL-1。其他参数在预期范围内变化：溶解氧范围为3.7到5.49mgL-1，氧化还原电位范围为265和291mv，水导电率范围为0.399-5.29mScm-1，pH变化范围为7.43到8.1。钨酸盐化合物的存在会影响水质，最显著的变化是水电导率的增加。自来水的导电率变化范围为0.399-0.402mScm-1，并且与钨酸盐或偏钨酸盐含量成正比关系。下面的线性回归模式适合于所需测的浓度范围内：y=0.005x+0.4(r2=0.99)(0-4810-5molL-1)；y=0.185x+0.4(r2=0.99)去水钨酸钠（02710-3molL-1 ），其中X是盐的浓度（molL-1），Y是电导率(mScm-1)。0-2710-3molL-1浓度范围的Na2WO4会引发水化学性质的变化。大部分(除电导率外)均没有达到致鱼的死亡的显著变化。特别地，Na2WO4会使水的pH从7.4增加到8.02，使氧化还原能力由295降到265mv，并且溶解氧降到3.7mgL-1。这些变化符合水的化学理论和过去的研究，并且都不足以导致鱼的死亡。x=0-4810-5浓度范围时，偏钨酸钠盐的浓度仅发生了较小的变化，数据上无显著差异。水的pH值从7.6降到7.2，溶解氧浓度仅仅发生中度变化，从5.7到4.2mgL-1，没有观察到氧化还原能力的变化。3.3 钨类物质的毒性 在有钨类物质的实验组中，鱼的行为发生了类似地改变。与对照相比，钨酸盐胁迫下的鱼类行动普遍较缓慢，且倾向于在容器底部运动；而对照组的鱼表现活跃，在整个容器内运动。此行为反应是在小剂量钨酸盐胁迫的前期实验中观测得到。钨酸钠和偏钨酸钠显示出类似的剂量-效应关系（如图1），但是他们的影响浓度范围相差很大。根据前期每组2-6条鱼的实验，此次偏钨酸盐钠的浓度范围是210-5-4810-5molL-1，钨酸盐钠的浓度范围是210-3-2710-3molL-1。 因为在前期实验中，低于上述最低浓度时，无法观测到鱼的死亡。特别是每组5条鱼时，在6610-5和6610-6molL-1浓度下处理40天时，没有观测到鱼的死亡。此次实验主要是用来确定LD50值，不包括NOEC和LOEC的确切值。但是除了这些参数外，实验14天后采用Durrett的方法以确定NOEC（无可见影响浓度）和LOEC(最低可见影响浓度)。这个方法显示了使用最小剂量（如0.044gL-1）的偏钨酸盐的致死量与对照组并没有显著差异。但是在其他浓度偏钨酸钠处理中鱼的死亡率与对照组间存在显著性差异。所以，根据已得的数据，NOEC=0.044gL-1，LOEC=0.088gL-1。与此同时，不同浓度钨酸盐钠处理下的死亡率与对照组间有显著差异，所以没有得出NOEC值，LOEC值可以近似等于最低钨酸盐钠使用量0.42gL-1。表1和表2总结了LD50值以及他们的置信区间。在钨酸盐钠处理7天后，无法使用概率单位模型计算出LD50值的置信区间，并且在钨酸盐钠处理3和4天后LD50值太大，以致于表格卡方值超出了卡方值的异质性。这样的问题出现在具有相同致死率的不同钨酸盐物质浓度组中。与此同时，两种化学物质的LD50值显示了随时间变化递减的类似形式，遵循下面的暴露模式：Y=A+Bexp(-t/C)，其中A为LD50的偏移量，B是LD50的最大值，C是递减常数。如果时间接近无限时，偏钨酸盐和钨酸盐的LD50偏移量为渐近线，即A=limtLD50。这个参数的可能的生物意义和用途将在讨论中进行讨论。钨酸钠的递减常数（3.500.34/天）比偏钨酸盐（2.050.14/天）的递减常数高。用对照组中的4条鱼和钨胁迫下的6条鱼共10条鱼来测定含钨物质的吸收量。当分别暴露在1.5gL-1偏钨酸盐和7.5gL-1钨酸盐溶液24h后，原来受钨胁迫的6条鱼全部死亡。偏钨酸钠组、钨酸盐钠组和空白组中鱼的钨酸盐平均含量分别为540260,1230390和 302 mg Wkg-1。钨类物质的生物积累因子（BCF）为鱼组织中钨与水中钨含量的比值（用mg Wkg-1鲜重或干重）。偏钨酸盐钠的BCF分别为0.510.24和2.741.32 Lkg-1，其中前一个因子是用鱼的鲜重计算，第二个因子是用鱼的干重进行计算。类似地，钨酸盐钠的BCF分别为 0.290.94和 1.570.5Lkg-1。4 讨论此次实验主要的研究发现是钨酸钠的急性毒性显著低于偏钨酸钠的急性毒性。在高浓度860-3880mgW L-1钨酸盐溶液下显示出对鱼的急性毒性，而此影响在自然水生系统中这种毒性很可能观测不到。因此，钨酸钠可以被划分为低毒性化学物质。这个结果与早期的报道一致。Birge曾经对煤炭和含钨飞灰中22种痕量元素的生物毒性进行了评价。在这个研究中，进行了胚胎幼虫生物测定，鱼和两栖动物的卵暴露在煤的各种痕量元素中。据报道，钨的毒性低于所有的22种煤痕量煤元素。在窄嘴蛤蟆、虹鳟鱼和金鱼的胚胎幼虫中钨酸钠的LD50值分别为2.90mgL-1，15.61mgL-1和120mgL-1。Khangarot和Ray已经评估了23种金属离子毒性，包括钨。在对大型蚤进行研究时发现钨酸钠胁迫48h的LD50值为89.39mgL-1，因而钨被认为是毒性较低元素。另有研究指出添加到营养基中30mgL-1钨酸盐钠会抑制普通小球藻和C.pyrenoidosa的生长。在用Eisenia fetida对土壤蚯蚓的急性实验中，LD50值为6250mg WKg-1土壤。最新的研究以及生物医学研究均表明钨酸钠毒性较低。但是，与前期研究的结果相比，不同钨酸盐阴离子的毒性不尽相同。我们的研究结果显示偏钨酸钠对鱼有中度的急性毒性，并且在现实环境下钨被释放到水生环境中时会造成鱼的死亡（LD50的范围人130到850mg WL-1不等）。这样的研究已经在藻类、水蚤和redworms的毒性实验中得到证实。特别地，根据OECD协议201的水蚤实验导致24小时钨酸盐钠和偏钨酸盐钠的LD50值分别为3.4gL-1和0.7gL-1。所以了解钨酸盐对环境毒性和风险评估很重要。钨酸盐易于聚合，特别是在低pH环境下，但相反过程的分离过程很缓慢。分配在土壤和水生体系下的钨溶解会降低水的pH值，从而引起聚合反应。在水生和土壤体系中聚合钨酸盐广泛存在，而金属钨和钨合金微粒会释放大量的溶解态钨酸化合物。尽管控制可溶性钨化合物形成中变化是一个可行的工作，最近的研究趋向于确认水生和土壤体系中聚合态钨酸盐的丰富度。Bednar等已经显示可溶性聚合钨酸盐在曾经被金属钨微粒污染的环境中广泛存在。钨酸盐钠和偏钨酸盐钠急性毒性的机制仍未知。高浓度的钨酸盐钠会显著改变水体性质，例如导电性，这也可以解释鱼的死亡率。与此同时，偏钨酸盐钠并没有显著影响水的性质；所以间接的毒性机制很可能不是造成鱼死亡的机制。偏钨酸盐的一个直接影响机制可能与它的化学性质有关，例如Keggin polyanion。这些化合物往往有较强的氧化性和酸化特性。本次实验中这两种钨化合物毒性的区别可能与鱼对相关聚合和单一钨酸盐物质的吸收不同有关。偏钨酸盐的生物积累性几乎是单一钨酸盐物质的2倍。这两种钨类物质LD50值的动力学符合一级递减模式。此模式的准确性表明在短期急性实验中只有一个机制。当时间趋向于无穷时A=limtLD50可以作为急性毒性实验LD50值最低限。正数A的存在表明这样的机制由一些生理过程而保持平衡（否则A会趋于0，并且在前期低浓度含钨物质胁迫下没有长期生存的鱼）。最常见的重金属对鱼的急性毒性机制是鳃中的参与氧运输的病理学变化，从而因窒息而死亡。可以推断钨化合物的急性毒性中可能存在这样的机制，特别是具有氧化性的偏钨酸盐。理论上，这样的机制解释了A=limtLD50的存在。在个体水平上，可能包括两个不同的过程；第一个过程是含钨物质对鳃细胞的影响，并且第二个过程是鳃组织的修复。当钨物质的浓度超过了A值，鱼将由于鳃被损害而死亡。相反地，当钨物质的浓度低于A时，修复过程可以补偿鳃的损失率，进而鱼可以存活下来并且适应环境条件。当然地，鳃组织不断受到扰乱会影响鱼生活的质量。最终的结论与“结果”部分的观测一致，当鱼生活在有钨胁迫的环境下会改变自己的行为。获得的LD50值可以被用来比较钨酸钠和偏钨酸盐钠的毒性性质（表3 图3）。图3显示了相关的毒性函数yrt(t)=y1(t)/y2(t)，y1(t)是有关钨酸钠的函数，y2(t)是有关偏钨酸盐的函数。由于这个函数显示了LD50值随时间的变化，所以可以用来比较这些物质的急性毒性。图3表明了这个函数增长到最大，然后降到饱和态。这个饱和态被认为是由实验数据的归纳而得到的limtyrt(t)，并且值与A1/A2相等，其中A1，A2分别是钨酸盐和偏钨酸盐的A值。相互间的毒性作用能迅速接近饱和态。饱和值不随时间而变化，而是自然地选择A1/A2作为参数来比较这些物质的毒性。在这篇论文中，我们认为有三种方式来表示水中钨盐的浓度：水合盐的质量浓度(g L-1)，钨的质量浓度（g L-1），钨化合物的摩尔浓度(molL-1)。yrt(t)函数的形状不取决于用于表示含钨物质浓度的方式。实验结果清晰地表明偏钨酸钠对鱼的急性毒性更大。其相对毒性分别是分子的5580(A1/A2=71.93)，钨原子的46(A1/A2=5.99)，和盐浓度的69(A1/A2=7.54)。这个实验的结果对实验室的工作安全和危险物质的监控有实践指导意义，并且提出了一些易混淆的概念。特别地，目前官方物质安全数据文件中还没有钨酸钠和偏钨酸钠的毒理信息，例如毒理实验中常见的LD50值。偏钨酸盐钠被广泛用于实验中作为进行重水分离的媒介。1989年代开始使用偏钨酸钠进行密度分级分离，并且已经在不同研究领域找到了大量的用途。它被用于海洋学沉积物中软体动物和甲藻孢囊的分离，