高砷煤矿区沉积物的污染特性及生物毒性效应研究毕业论文.docx

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高砷煤矿区沉积物的污染特性及生物毒性效应研究毕业论文

目录

摘要III

关键词III

AbstractIV

KeywordsIV

1前言5

1.1国内外研究进展及发展趋势5

1.2砷的环境化学化学特征5

1.3煤矿区的污染特性6

1.3.1单一毒性研究7

1.3.2联合生物毒性研究7

1.4生物毒理实验的研究8

1.4.1鱼类毒理实验的研究8

1.4.2斑马鱼测试技术的研究进展9

1.5论文研究目标与内容10

1.5.1论文研究目标及意义10

1.5.2论文研究内容11

1.6论文研究解决的关键问题及思路11

2材料与方法12

2.1试验条件12

2.1.1试验药品及试剂12

2.1.2试验生物及其培养12

2.1.3试验用水12

2.2试验方法13

2.3试验设计13

2.3.1砷的单一毒性试验设计13

2.3.2钙离子与砷的联合生物毒性试验设计14

2.3.3镁离子与砷的联合生物毒性试验设计14

2.4数据统计与处理15

2.4.1半致死浓度LC50的测定15

2.4.2数据统计处理与分析15

3结果与分析16

3.1砷对隆线溞的单一毒性效应分析16

3.2不同钙离子浓度对砷的联合毒性效应影响分析17

3.3不同镁离子浓度对砷的联合毒性效应影响分析19

4结论与展望21

4.1结论21

4.2展望21

参考文献23

致谢25

附录26

高砷煤矿区沉积物的污染特性及生物毒性效应研究

摘要

砷和含砷矿物的开采、冶炼，用砷或砷化合物作原料的玻璃、颜料、原药、纸张的生产以及煤的燃烧等过程，可产生含砷废水、废气和废渣，对环境造成污染。

砷和砷化物一般可通过水、大气和食物等途径进入人体，造成危害。

贵州属于喀斯特地区，拥有大量的石灰盐岩，水体中富含Ca2+、Mg2+。

为探明不同浓度的Ca2+、Mg2+分别与砷混合后对水生生物的致死效应，分析砷的单一毒性和在添加Ca2+、Mg2+后砷的毒性，以及它们对砷的拮抗作用的范围。

选取隆线溞为实验生物，根据2008年乌江流域水样调查来设定添加Ca2+、Mg2+的浓度范围，在一定的试验条件下，记录不同浓度试验溶液中隆线溞的死亡情况，试验结果如下：

1）砷单独作用于隆线溞时，其对隆线溞的24h、48h、72h、96h半致死浓度为3.3716mg/L、2.8000mg/L、2.2606mg/L、1.6941mg/L。

2）添加一定浓度的Ca2+对砷的毒性具有拮抗作用，并随着Ca2+浓度的升高，对砷的拮抗作用有先逐渐增强然后逐渐变弱的趋势，添加20mg/L、60mg/L、100mg/LCa2+后砷的24hLC50为10.4127mg/L－10.5236mg/L，48hLC50为8.8341mg/L－7.7623mg/L，72hLC50为5.9935mg/L－5.8854mg/L，96hLC50为2.6250mg/L－2.4583mg/L。

其联合毒性比单一毒性降低了两倍多。

因此，在贵州喀斯特地区不同地域之间Ca2+对毒物具有一定的解毒能力。

3）添加一定浓度的镁离子对砷的毒性表现为拮抗作用。

当Mg2+浓度为5mg/L、10mg/L、15mg/L时，其对砷的拮抗作用逐渐减弱，此时砷的24hLC50为11.4745mg/L－10.1845mg/L，48hLC50为9.5200mg/L－8.1275mg/L，72hLC50为6.5358mg/L－4.9318mg/L，96hLC50为2.6250mg/L－2.4583mg/L。

并且镁离子的拮抗作用大于钙离子。

但镁离子拮抗作用增强的浓度范围不及钙离子。

在自然氧化作用下，高砷煤矿中的As及其他重金属元素从含矿物中释放出来，经一系列复杂的物理化学过程，然后进入矿区周围的土壤表土和沉积物中，从而对周围环境造成污染。

砷、砷化物、重金属及其化合物一般可通过水、大气和食物等途径进入人体，从而对人体造成危害。

根据对煤矿区沉积物的研究，分析高砷煤矿区的污染特性。

并选取斑马鱼胚胎为实验生物，（实验过程）对高砷煤矿区的生物毒性进行研究。

关键词：

高砷；煤矿区；沉积物；斑马鱼胚胎；生物毒性；

EffectofCombinedToxicityofCalciumandMagnesiumIonsonArsenic

Abstract

ArsenicandArsenicmineralsmining,smelting,witharseniccompoundsasrawmaterialsordeepglass,paint,theoriginaldrug,paperproductionandcoalcombustionprocess,canproducearsenicwastewater,wastegasandwaste,environmentalpollution.Arsenicandarsenicgenerallythroughwater,airandfoodinthehumanbody,causingharm.Guizhoubelongstothekarstarea,hasthemassivelimesaltcrag,inthewaterbodycontainsCa2+,Mg2+richly.InordertoinvestigatedifferentconcentrationsofCa2+,Mg2+weremixedwithArsenicafterthelethaleffectsofaquatic,analysisofArsenictoxicityandtheArsenictoxicityafteraddingCa2+,Mg2+,andtheirantagonisticeffectontheextentofarsenic.SelectDaphniaasexperimentalbiology.Accordingtothe2008surveyWujiangRiverwatertosettheaddedCa2+,Mg2+concentrationrange.Undercertainexperimentalconditions,recordedindifferentconcentrationsoftestarticlesolutionofDaphniadeath.StatisticalanalysispackageusingDPS2000analysisoftestdata.Theresultsshowthat:

1）ArsenicaloneinDaphnia,itsonDaphniaof24h,48h,72h,96hmedianlethalconcentrationsare3.3716mg/L,2.8000mg/L,2.2606mg/L,1.6941mg/L.

2）AcertainconcentrationofCa2+hasantagonisticeffectonthetoxicityofarsenic.AndalongwithCa2+density'selevation,tothearsenicthetendencywhichoppressestheanti-functiontohavestrengthensgraduallyfirstthenweakensgradually.Afterincreasing20mg/L,60mg/L,100mg/LCa2+,arsenic24hLC50is10.4127mg/L-10.5236mg/L,48hLC50is8.8341mg/L-7.7623mg/L,72hLC50is5.9935mg/L-5.8854mg/L,96hLC50is2.6250mg/L-2.4583mg/L.Itscombinetoxicityreducedmorethantwotimescomparedtothesoletoxicity.Therefore,Ca2+hascertaindisintoxicatingabilitybetweentheGuizhoukarstareadifferentregiontothepoison.

3）AcertainconcentrationofMg2+hasantagonisticeffectonthetoxicityofarsenic.WhentheMg2+densityis5mg/L,10mg/L,15mg/L,itoppressestheanti-functiontothearsenictoweakengradually.Thistimearsenic24hLC50is11.4745mg/L-10.1845mg/L,48hLC50is9.5200mg/L-8.1275mg/L,72hLC50is6.5358mg/L-4.9318mg/L,96hLC50is2.6250mg/L-2.4583mg/L.Andthemagnesiumionoppressestheanti-functiontobebiggerthanthecalciumion.Butthemagnesiumionoppressesthedensityscopewhichtheanti-functionstrengthenstobeinferiortothecalciumion.

Keywords:

arsenic;calcium;magnesiumions;Daphnia;biologicaltoxicity.

1前言

1.1国内外研究进展及发展趋势

随着煤矿区的不断开采，工业废水大量排放，特别是矿山工业废水排放，相应水域的重金属污染也日趋严重，重金属对水体中的浮游植物、原生动物和水生生物都会造成不同程度的影响，水资源面临严重的环境隐患，重金属以多种化学形态存在于不同环境介质中，仅根据重金属总量已不能对其生物有效性和毒性进行良好预测和评估，在自然界中，被有毒物质污染的水体，通常存在两种或两种以上的污染物质，有多种废水汇合的水体，其污染情况更为复杂，水体污染后，污染物质对水生生物产生危害，而这种危害往往不是单一有毒物质造成的，而是多种物质联合作用的结果。

随着煤矿区的不断开采，煤矿区周围环境的污染相继越发严重。

相应沉积物中存在许多物质具有发育毒性和致畸作用。

斑马鱼胚胎作为一种模式生物，具有很多其他模式生物所不具备的优点。

已被广泛应用于生物学各领域，具有十分广阔的发展前景。

并且经济合作发展组织（OECD）将斑马鱼列为健康毒性和环境毒性检测标准。

斑马鱼胚胎毒性技术是各国际标准组织认可的标准毒性测定方法之一,属于致畸效应检验.该项技术成本低、易操作、灵敏度高,特别是具有可记录多项毒性指标的特点,并可以此判断污染物的致毒机理.斑马鱼胚胎发育过程受重金属影响较大,其中Cu的毒性最强,Hg次之,Cr最弱;有机农药中三苯基锡类（TPTA）的毒性最强,林丹次之;有机试剂中含卤素取代基和苯胺类毒性最大.这与其它毒性测定方法的结果完全一致,并表现出较高的灵敏度,特别是选用非致死性的指标.可以初步认定这对测定复合污染物毒性并分析毒物的致畸效应方面有很好的发展前景.

近年来由于砷中毒事件的频繁发生，研究资料表明，砷是已肯定的生殖毒物之一，并且其生殖发育毒性较强[1-4]。

砷是煤矿中的重要微量元素，以多种形态存在于水体中，因此砷污染在我国煤矿开采，含砷矿石的开采冶炼，以及铜，锌等矿物的精炼中成为制约因素。

砷对于生物的毒性效应目前也做了大量的研究，研究了砷对植物、动物以及光合细菌等生物的毒性效应[5-6]。

目前国内外在重金属对水生生物毒性研究方面已经进行了广泛的研究，如急性、慢性、生物酶等[7-9]，现在对于重金属的毒性研究还处于初级阶段，对某些重金属的毒性作用机理尚不清楚，尤其在细胞及分子水平等方面，为真正解决重金属的毒性作用提供理论基础，并解开致毒的本质原因，在对自然环境多因子下重金属对水生生物毒性作用研究应更进一步，从而为重金属污染治理提供依据。

1.2砷的环境化学特征

元素砷不溶于水、醇或酸类，毒性较弱，在自然界中比较少见，它通常是伴生于铜、锌、铅、铬等的硫化矿物中，砷是自然界中一种常见的污染物。

砷在自然界中的分布极为广泛，存在于地壳中的岩石、土壤、海水、河水及大气中。

地壳中的砷常以硫化物的形式存在，也有少数是以其它化合物的形式混杂在各种金属矿物中[10]。

砷一般有四种价态形式，即：

As3-，As0，As3+和As5+。

As3-只存在于Eh极低的环境中，呈气态砷化三氢（AsH3）的形式，但在自然界中十分稀少。

单质态砷在自然界中更是稀少。

砷的化合物则均有不同的毒性，三价砷的化合物比其它砷化合物毒性更强，无机砷和有机砷相比，大多数有机砷化物毒性比无机砷要小。

不同形态的砷能够通过多种方式进入水体，例如矿山开采，含砷金属的冶炼以及用含砷化合物作原料的产品的使用等过程，砷可以通过呼吸道、食物或皮肤接触进入人体，在肝肾、骨骼、毛发等器官或组织内蓄积，破坏消化系统和神经系统，从而具有致癌作用[11-12]。

对于砷的毒性的研究也越来越受到重视。

土壤中的砷多以+3或+5价存在，砷大部分被胶体吸附，或与有机物结合、鳌合，或与铁、铝、钙离子结合形成难溶性化合物积累在土壤表层。

在自然水体中，砷以无机砷酸盐（AsO43-）、亚砷酸盐（AsO33-）两种形式存在，或者以甲基化的砷化合物形式存在[13]。

As5+在氧化条件下以砷酸盐类的形式存在于pH值高低不同的各种水体中，而As3+甚至在Eh值低于0.1V或As5+氧化不完全的地表水系中都可以存在[14]。

五价的砷酸盐离子（AsO43-）在pH值为3-7的水体中处于支配地位，而在弱还原条件下，有利于亚砷酸盐离子出现。

影响砷在水体中迁移和富集的主要因素有：

①含砷硫化物的氧化；②Fe或Mn的氢氧化物和粘土矿物的吸附--解吸平衡过程；③水合反应；④离子交换；⑤微生物作用过程。

以上这些控制因素在稳定条件下都可以成为砷的原生载体或次生载体，对砷的释放和在水体中的迁移转化起着至关重要的作用，因而在砷的水环境地球化学研究中己引起广泛重视[15]。

1.3砷的毒性效应研究

砷的毒性效应大致可分为以下几类：

①砷化合物对生物大分子合成和代谢的影响，近年来的研究已阐明砷对细胞的合成，砷对细胞基因的扩增以及砷对生物体DNA的修复都具有一定的抑制作用[16]；②无机砷的致癌机制，根据前任的研究，砷具有损伤机体防御功能，干扰DNA甲基化途径的副作用；③砷对生物生理过程的影响，例如水生生物对砷的吸、与累积和迁移效应。

目前对砷的研究主要进行到砷对水生生物，一些发光细菌及细胞的生物毒性效应影响研究，但对于分子领域的研究还不成熟，还处于初级阶段。

砷化物在体内的代谢过程，砷化合物的“三致”作用及机制，建立动物模型、细胞体系研究砷中毒等方面的机理尚不清楚，还有待进一步的研究。

1.3.1单一毒性研究

关于砷的毒性机理目前没有非常确切的论断[17]，但科学家对此做了大量的研究，砷的单一毒性也又大量的实验论证，李勇等[18]还应用肢芽细胞微团培养方法，探讨了As2O3对体外培养的大鼠胚胎肢芽细胞增殖和分化的影响。

结果表明，砷对大鼠肢芽细胞的增殖和分化均有抑制作用，呈明显的剂量-反应关系。

砷对肢芽细胞50%增殖抑制浓度（IP50）和分化抑制浓度（ID50）分别为0.70μg/L和0.21μg/L，IP50/ID50值为3.3，揭示砷对大鼠肢芽细胞分化的影响远大于对细胞增殖的影响。

有关研究已证实砷对生物体胚胎发育具有一定的毒性效应，在鸡胚/仓鼠及大小鼠都观察到砷对胚胎有毒性和致畸性[19]，砷的胚胎毒性效应主要表现为胚胎发育初期卵凝结，胚胎生长发育迟缓，呈现畸形，体节数明显减少等，但砷对胚胎的毒性也与胚胎在环境中的暴露时间及染毒途径有关。

1.3.2联合生物毒性研究

联合生物毒性就是多种化学物质混合在一起时生物机体产生的综合毒性效应，其主要效应影响有协同作用，拮抗作用，独立作用，相加和增强作用。

随着科学的进步，联合毒性效应的研究开展迅速，包括多种重金属对生物的毒性效应，重金属与非金属对生物的联合毒性效应，有机物与重金属对生物的联合毒性效应等等。

1）钙镁离子与重金属对生物的联合毒性效应

钙、镁离子在自然界中是普遍存在的两种离子，尤其是在喀斯特地区，以碳酸盐岩为主，钙镁离子的含量比较丰富，因此在矿山开采活动中，重金属以不同形态存在于矿坑废水中伴随有其他阳离子，如钙镁离子，关于钙镁离子存在对重金属毒性效应的研究为数不多。

陈中智[20]等人研究了钙离子与铅离子对斑马鱼胚胎联合毒性效应的影响，以斑马鱼作为实验材料，分析钙离子对于铅在鱼的胚胎时期毒性影响，该研究采用的是OECD方法，采用单变量控制进行毒理实验，经过144小时的实验过程，对鱼卵浸染毒物后的生理指标进行观察，最终得出的实验数据分析统计得知钙离子浓度的变化对斑马鱼鱼卵的孵化率有不同程度的影响，因此证实钙离子对铅的毒性有一定的影响，即当钙离子浓度在某一变化范围内时，钙与铅在毒性作用位点富集上存在竞争作用，而当钙离子浓度超过某一限定值时，钙离子对铅的毒性并没有显著影响。

研究表明，对于大多数金属来说，钙离子的活性都会影响金属的毒性[21]。

但是钙离子对砷毒性如何影响还没有明确的依据。

镁离子是植物生长所必需的营养元素之一，但是在不同的环境介质中，镁离子对植物生长的影响效果不同。

有研究表明，若土壤中镁离子与重金属并存时，镁离子会影响重金属对植物的毒性，镁离子能降低铜离子对小麦的毒性[22]，该实验利用BLM构建模型，同样采用单变量控制方法，结果表明，除对照组外，各种Cu2+浓度处理下,小麦的根长大都表现出随Mg2+浓度增加而增长，但在一定条件下时根长却都有所下降,尤其是无铜的对照及低铜的处理表现最为明显。

这说明镁离子在一定浓度范围内促进了植物根系的生长，减弱了铜对植物的毒性影响。

说明一些金属阳离子对重金属植物毒性有保护的作用。

2）重金属相互作用对生物毒性效应的影响

前人关于重金属对生物的联合毒性效应做了较多的研究，其联合作用效应影响主要表现为拮抗、协同或相加。

吴霜[23]等人利用斑马鱼作毒性试验，证明了AMD（酸性矿山废水）中的铁、锰、铜三种离子联合时，其毒性表现为拮抗，而铜与锰，或铁与铜两两联合时的毒性效应表现为协同作用。

1.4生物毒理实验的研究

早在80年代初期，国际上就制定了针对化学品生物毒性效应的一系列标准和工作指南如OECD，美国环保署（US,EPA）都颁布了一套毒性测试的方法[24]，鱼类，水蚤类，发光细菌等水生生物在毒性试验中已有了广泛运用。

1.4.1鱼类毒理实验的研究

由于鱼类与人们的关系比其他水生生物密切，在水生生态系统中是次级消费者，在水产品中所占比重也较大，用作实验也简便，因此在测试化学物质和工业废水的毒性、评价它们对水生生物的影响，以及废水和河流的监测，鱼类毒性实验的应用要比其他水生生物毒性试验更为普遍。

以前就有人用仔鱼和幼鱼做毒性试验材料，在近年来为了实验的精确度，开始采用鱼胚胎做毒理实验，例如利用观赏鱼斑马鱼胚胎技术做毒性实验研究[25]。

利用斑马鱼做毒性实验需要对鱼卵早期发育阶段毒性试验检测终点进行可行性分析[26]，在实验过程中，其主要困难是由于鱼卵早期阶段个体较小，观察和筛选比较难，需从囊胚期开始进行染毒，且斑马鱼容易产生自发突变，这对胚胎的毒理学试验是个不稳定的因素，容易造成较大的不确定度[27]。

利用斑马鱼胚胎发育技术做毒理实验的研究还处于初期阶段，该项技术最大优势是在72小时的内可通过对斑马鱼胚胎发育的近20种毒理学指标来反应污染物的毒性[28]。

这一特点特别适合测定混合性工业污水的毒性。

利用斑马鱼做生物毒理试验虽然比较精确，迅速，但由于该生物在国内发展不够成熟，在普通试验中由于条件的限制不能让斑马鱼按时产卵，且受精率、孵化率受到多种因素的影响，如卵的质量等，给实验的计划安排带来不可预测因素，因此在选择实验生物时要综合考虑多方面的因素，才能更好更准确的用斑马鱼胚胎做毒理实验。

1.4.2水溞生物测试技术的研究进展

蚤类是鱼类的良好饵料，对许多毒物特别是重金属比鱼类更敏感，当水体受到重金属污染时先死的往往是蚤类，从而破坏水生生态系统，影响渔业的生产，在制定渔业水质标准和工业废水排放标准时，单凭鱼类毒性试验资料是不够的。

水溞有两种不同的生殖方式—孤雌生殖和两性生殖，在温暖季节，适宜的环境条件下进行孤雌生殖，产生的卵成为孤雌生殖卵或夏卵，大型溞孤雌生殖最高生殖量可达150余个，一般为20-30个，除了孤雌生殖，在不利环境下，蚤类就进行两性生殖。

不同溞龄的个体，对毒物敏感性亦存在差异，一般说来幼龄溞比成龄溞更为敏感，大型水溞是国际公认的标准实验生物，也被广泛用于指示生物评价环境中有害化学物质的毒性，用水溞做生物毒理实验已又很多年的历史，特别是大型水溞的应用[29]。

由于水溞在水生生态系统中属于初级消费者，因此水溞在水生生态系统中占据有很重要的地位，大型水溞具有快速、灵敏、准确、可靠等优点，因此利用隆线溞做毒理实验也具有代表性和说服力。

首次将水溞毒性实验用于研究工业废水污染防治工作上是英国学者[30]，认为水溞类比鱼类更为敏感，先后报道了有关工业废水中25种毒物的毒性测试结果，在50年代应用大型溞进行了一些无机化合物毒性研究，并讨论了他们的联合毒性作用，到后来，利用大型溞做毒性研究得到广泛开展，例如瑞典、日本人、德国、前苏联等进行了大量的水溞测试技术。

我国对大型溞的研究起于80年代以后，水溞在环境中的应用主要有：

作为制定水质卫生标准的依据；例如研究地面水中苯乙烯的允许最高浓度时选用了大型水溞和鱼类做毒性试验材料,研究表明大型水溞的毒性试验资料已经成为镉的渔业标准修订依据之一[31]；

评价工业废水和废渣的综合毒性及处理效果，水溞生物测试法可以测定位置化学成分和含量的工业排放的综合毒性，在国外如美国，日本都采用大型水溞测试技术管理工业废渣；

评价环境污染对人体健康的影响。

而利用溞评价重金属的联合毒性也具有广泛的应用，如石剑波[32]等人研究铅、锌的急性生物毒性效应时采用了隆线溞做实验生物，根据隆线溞的致死效应，验证了钙镁离子对等浓度铅锌混合液的联合毒性影响。

由于大型溞对许多化学物质要比其他水生生物敏感，可以用水溞来检查稀释水是否符合要求，这也是一种检查稀释水的一种简便方法。

此外水溞的生活周期短，来源广泛，室内容易培养，是一种很好的毒性试验材料。

1.5论文研究目标与内容

1.5.1论文研究目标及意义

本论文用敏感性强的隆线溞为试验生物，主要研究不同钙镁离子浓度对砷的联合毒性效应的影响，分别分析砷的单一毒性作用以及不同浓度钙离子和镁离子对砷联合毒性作用。