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On Zn
2+
transfer across cell membrane by
using bilayer lipid membranes supported by
salt bridge
ZHU Xian, SUN Dang-ru, ZHOU Jian-ch eng
( School of Env ironmental and Chemical Engineering , Shang-
hai Univ ersity, Shanghai 200072, China)
Abstract: This pape r aims to int roduce the autho r s simula-
tion of the cell on the bilaye r lipid ( phospha tidylcho line or
cephalin ) m embranes ( BLM ) inlaid with cholestero l suppo rt-
ed by salt bridge. To this end, w e have prepa red a g r ea t v a-
riety o f such membranes ( who se stability is to exceed 100
hour s ) by using the octane as solv ent, a different ratio o f
pho spha tidy l cho line o r cepha lin to the cholestero l a s so lute.
Our expe rimental r esults show that pur e lipid can no t tr ans-
fer heavy metal ions w hile th e cholestero l can. The expe ri-
ments also show tha t the adso rption r eally exists betw een
cholestero l and h eavy metal ions, and not chemical r eac tion.
The paper has a lso made a study of the stability o f bila yer
lipid membranes, the membrane permeation of ions, and the
effects of cholestero l on the membrane pe rmeation of ions by
means o f electr ochemical analytica l devices. Thus, w e have
established an adso rption-diffusion simulation model for Zn2+
tr ansfe r acro ss BLM and calculation of its transfer in confo r-
mity with the expe rimental r esults.
Key words: biochemistry; bilay er lipid membranes; cell
membranes; simulation membranes; zinc ion;
mass transfer
CLC number: Q67　　　 Document code: A
Article ID: 1009-6094( 2005) 03-0001-05 * 收稿日期: 2005-01-11
作者简介: 湛灵芝 , 硕士研究生 ,从事环境毒理学及环境污染治
理的研究 ;铁柏清 , 副教授 ,从事环境毒理学、环境污
染治理、环境规划的研究。
基金项目: 中日合作日本丰田基金项目 ( D01-B3-010)
文章编号: 1009-6094( 2005) 03-0005-04
镉和乙草胺对少根紫萍的毒性效应*
湛灵芝 ,铁柏清 ,秦普丰 ,毛晓茜 ,袁　敏
(湖南农业大学资环学院 , 长沙 410128)
摘　要: 联合毒性实验在水环境污染评价中非常重要。本文以少根紫
萍 ( Spirodela Olig orrh iza)为研究对象 ,研究了重金属 Cd和除草剂乙
草胺对少根紫萍生长的单一毒性和联合毒性效应。 实验结果表明:
Cd、乙草胺及对少根紫萍的 96h- IC50分别为 4. 77 mg /L和 6. 95
mg /L,在浓度 1∶ 1的情况下 , Cd与乙草胺共存对少根紫萍的 96h-
IC50为 1. 41 mg /L,采用 Marking相加指数法求得相加指数 AI为
1. 00,大于零 ,为协同作用。同时 ,随着 Cd、乙草胺处理浓度的增加 ,少
根紫萍叶绿素 a的浓度下降 ,其中 Cd对叶绿素 a的影响大于乙草胺 ,
复合污染对叶绿素 a的影响明显大于单一污染 ,也表现为协同作用。
另外 ,本文还对少根紫萍生长抑制试验进行了探讨 ,建议使用植物体
数和重复间的偏差作为衡量试验质量的指标。
关键词: 环境毒理学 ;少根紫萍 ; Cd; 乙草胺 ; 毒性效应
中图分类号: R994. 6　　　文献标识码: A
0　引　言
随着工农业生产的发展 ,水体中农药和重金属造成的危
害时有发生。 关于农药和重金属对水生动物和藻类毒性效应
的研究 ,已有一些报道 [1～ 3]。 但对高等水生植物的研究较少 ,
且研究一般为单一因子对水生植物的毒性效应。 而在水体中
实际存在着多种污染物 ,它们的作用无疑是综合的 ,用重金属
和农药的单一毒性的实验结果往往不能客观的反映污染物共
存时对水生植物的危害程度 ,必须研究毒物的联合毒性效应。
　　 少根紫萍 ( Spirodela Oligorrhiza ) , 属浮萍科 ,紫萍属 ,
一直以来被误认为紫背浮萍而入药 ,一直也误以为此种只分
布于台湾省 ,何报作、李天煜 [4, 5]等研究发现少根紫萍我国分
布较广 ,据初步调查 ,少根紫萍是湖南分布极广的一个种 ,分
布于稻田、池沼、水塘、湖泊等水体中 ,其初步培养结果表明 ,
该种植物不仅对培养条件的要求极为简单 ,而且增长非常迅
速 ,生长期长 ,一年四季可得。 20世纪 50年代 ,鉴于浮萍毒理
实验的简便、敏感、经济和可操作性一系列的优点 ,国外毒理
学家指出用浮萍进行植物毒性检测 ,但直到 80年代初 ,随着
进行植物毒性检测的化学品的大量增加和对广泛了解环境污
染物植物毒性的需要 ,浮萍生长抑制试验才得到广泛的关注 ,
而实验证明浮萍是一种现实、有效的环境监测类型植物 [6～ 8 ]。
目前 ,国内外的研究集中于单一毒物对浮萍的生长抑制试
验 [8～ 10]。关于农药与重金属复合污染对浮萍生长抑制实验的
研究鲜有报道 ,而关于对少根紫萍的研究则更少见。本文以我
国广泛使用的除草剂乙草胺及常见的重金属污染物镉为代
5
第 5卷第 3期
2005年 6月
安 全 与 环 境 学 报
Journal o f Safety and Env ironment
Vo l. 5　 No. 3
　 Jun, 2005
表 ,以新发现的在我国分布较广的一个浮萍科新种少根紫萍
为研究对象 ,研究了镉和乙草胺单一与复合情况下对少根紫
萍生长的影响 ,为利用少根紫萍监测水体污染提供新的理论
依据 ,并进一步丰富生态毒理学的内容。
1　材料和方法
1. 1　实验生物的采集和培养
　　从野外自然水体采集少根紫萍 ( Spirodela Oligorrhiza ) ,
将其放入曝气澄清的自来水中驯养 3 d后 ,将其放在搪瓷盘
中 ,加入培养液预备培养 7 d,光照度为 3 000 lx ,温度为 ( 25±
2) ℃ ,隔天向盘内添加培养液 ( Hoag landy培养液 )以保持液
面高度。于实验前取外形完好 ,形状和大小都相近的三叶状萍
体进行试验。
1. 2　实验试剂
　　 Cd Cl2· 2. 5H2O ( AR)用蒸馏水分别配成 100 mg / L的
Cd2+ 母液 ,乙草胺 (山东侨昌化学有限公司生产的 50%的乙
草胺乳油 )用蒸馏水稀释成 500 mg /L ,现用现配。
1. 3　试验设计
　　单一毒物对少根紫萍生长的毒性效应。在预备试验的基
础上 ,设置 6～ 7个浓度组 ,一个对照组 ,以培养液为稀释液。
在培养皿 (日本产 )中放入含不同浓度 Cd2+ 、乙草胺的处理液
15 m L ,每组设 3个重复 ,每个培养皿中放入 15个植物体 ( 5
个三叶状体 )。在 ( 25± 2)℃相同于预备培养光照条件下加盖
连续培养 ,分别在 24 h、 48 h、 72 h、 96 h进行计数。
　　联合毒性试验是在单一毒性试验的基础上 ,按浓度 1∶ 1
进行联合毒性试验。 其实验方法和测试指标同单一试验。
1. 4　试验测试指标
1. 4. 1　植物体数 (生长指标 )
　　每日记录少根紫萍的植物体数 ,为了避免主观判断 ,只要
新的植物体伸出母体边缘 ,就计算在内。对于老化而死亡及失
去色素 ,变白变黄的个体不记录。少根紫萍植物体数的增加表
示少根紫萍的生长。各浓度组与对照组的差值表示毒性效应。
将数据代入式 ( 1)求各浓度组的生长速率 V 和生长抑制率百
分率 I [8 ]。
V = ln (N /N 0 ) /t
I = (V0 - Vn /V0 )× 100% ( 1)
式中　 N为时间 t时的植物体数 ; N 0是初始植物体数 ; V0是
对照组生长速率 ; Vn是浓度组 n的生长速率。用 I和浓度的对
数组求回归方程 , 求出生长半数抑制浓度 IC50。
1. 4. 2　叶绿素含量
　　将每一试验容器中的少根紫萍全部置于研钵中 ,加丙酮
( 80% )研磨 5 min,充分匀浆。将匀浆液转入 10 m L具刻度离
心管中 ,并把荡洗研钵的丙酮同样转入离心管 ,然后用丙酮稀
释到 5 m L ,置于 4℃冰箱静置提取 72 h。取出离心 10 min,转
速为 2 000 r /min。取上清液于波长: 630 nm、 645 nm、 663 nm
和 750 nm处测定光密度值 ,光程为 1 cm。叶绿素含量以匀浆
液中叶绿素的浓度 (Ca)表示 ,即
　　Ca= 0. 10× OD630- 2. 16×OD645+ 11. 64× OD663+
9. 58× OD750 ( 2)
2　结果与讨论
2. 1　 Cd和乙草胺单一及及复合污染对少根紫萍生长的影响
　　少根紫萍在 4 d试验中的生长曲线见图 1～ 3。试验结束
时 ,各处理组的植物体数平均值 X , SD2 (平行样本的方差 ) ,
偏差和 I值见表 1。 从表 1可见 ,污染物 Cd对少根紫萍的毒
性要大于乙草胺 ,根据 Cd、乙草胺对少根紫萍生长抑制的毒
性数据求得其 96h- IC50 ( 96小时的 IC50 )值及 95%的置信区
间分别为 4. 77 mg /L ( 2. 96～ 7. 70) , 6. 95 mg /L ( 5. 11～
9. 45) ,求得 Cd-乙草胺对少根紫萍的 96h- IC50值及 95的
置信区间为 1. 41 mg / L( 0. 76～ 2. 62)。 根据联合毒性相加指
数法 [11 ]求得 AI为 1. 00,大于零 ,为协同作用。 其机制可能是
1)镉与乙草胺发生了某种化学作用或络合或螯合 ,形成了毒
性更强的化合物 ; 2)少根紫萍受到重金属胁迫时 ,细胞膜选择
透性机能受损 ,透性增加 ,破坏了细胞内酶及代谢作用原有的
区域性 [12 ] ,重金属胁迫下细胞膜透性与膜脂过氧化程度有
关 [13 ] ,膜脂过氧化引起膜透性增加的直接原因是磷脂性质的
改变 [14] ,而乙草胺是一种酰胺类除草剂 ,它对植物的毒性机
理是 制根的生长 ,影响细胞膜的透性 ,通过干扰卵磷脂合成 ,
抑制胆碱向磷脂和卵磷脂的渗入 ,而使细胞膜透性结构与功
能发生破坏。由于乙草胺对细胞膜的作用 ,使得 Cd更容易进
入植物体内 ,萍体内 Cd含量增加 ,随着体内 Cd含量的增加 ,
膜脂过氧化加剧 ,造成的膜脂过氧化伤害愈严重 ,从而表现出
协同作用。 当然 ,混合毒物对生物的毒性效应是十分复杂的 ,
它受到生物体、时间、毒性配比、营养盐等因素的影响。因此只
用单一毒物的含量去判断水污染后的毒性危害是不可靠的 ,
必须考虑毒物的联合毒性。
2. 2　镉与乙草胺单一及复合污染对少根紫萍叶绿素 a浓度
的影响
　　试验结束时 ,各处理组的叶绿素 Ca的平均值 X , SD2 ,偏
差见表 2。从表 2可以看出 ,随着污染物浓度的增加 ,叶绿素 a
的浓度下降 ,镉与乙草胺共存时对叶绿素的伤害要大于单一
污染 ,表现为协同作用 ,其中镉对叶绿素的伤害大于乙草胺 ,
少根紫萍叶绿素对镉敏感 ,这是因为: Cd2+ 作用于叶绿素生
物合成途径的多种酶 (如原叶绿素酸酯还原酶、δ氨基乙酰
丙酸合成酶和胆色素原脱氢酶 )的肽链中富含巯基部分 ,其与
- S H功能基团的反应 ,改变了酶的正常构型 ,从而抑制了酶
活性和阻碍了叶绿素的合成 [15 ]。
2. 3　少根紫萍生长抑制试验的质量控制要求
　　国际上关于浮萍生长抑制实验的质量控制要求 ,还缺乏
统一的标准。 本文采用生长量和重复间的偏差作为衡量试验
质量优劣的两个重要指标。如果生长量较低 ,表明浮萍培养条
件不好 ,不能将污染物的毒性作用敏感的反映出来。如果偏差
大 ,就说明试验的重复性不好 ,结来。如果偏差大 ,就说明试验
的重复性不好 ,结果可靠性低 ,要增加样本容量。据报导 [8 ] ,经
4天培养后浮萍的植物体数增加 130% ～ 140%。 本研究对照
组少根紫萍的增长率分别为 Cd: 144% ,乙草胺: 136% , Cd 乙
草胺: 153% ,平均为 144% ,稍高于文献报道值。 说明本研究的
培养条件是合适的。 据有关资料 [16] ,在 4天试验中 ,如果各重复
的初始植物体数为 20,试验结束时植物体的偏差则为 18% ;初
6
　 Vo l. 5　 No. 3 安 全 与 环 境 学 报 第 5卷第 3期　
图 1　镉对少根紫萍生长的影响
Fig. 1　 Effect of Cadmium on Spirodela ol igorrhiza growth rate
图 2　乙草胺对少根紫萍生长的影响
Fig. 2　 Effect of Acetochlor onSpirodela ol ig or rhizaby growth rate
图 3　镉与乙草胺复合污染对少根紫萍生长的影响
Fig. 3　 Complex effects of Cadmium and Acetochlo
on Spirodela ol igorrhiza growth rate
始植物体数为 40时 ,偏差则为 9%。 本研究各重复的初始植
物体数为 15,实验结束时对照组各重复间植物体数的偏差
为: Cd, 8. 8% ;乙草胺 , 5. 9% ; Cd 乙草胺 , 7. 0% ;叶绿素含量
的偏差分别为: 乙草胺 , 8. 5% ; Cd, 9. 3% ; Cd 乙草胺 ,
14. 7% ;所有试验浓度组重复间的植物体数偏差为 2% ～
15% , 叶绿素的偏差为 4% ～ 17% (仅有一个浓度组为
19. 9% ) ;由此可见 ,本研究各重复间的偏差比较小 ,不大于初
始植物体数为 20时的偏差。 因此 ,试验时每一重复的初始植
物体数选用 15个是比较合适的。
表 1　Cd、乙草胺对少根紫萍生长率的影响
Table 1　 Effects of Cadmium and Acetochlor on Spirodela
oligorrhiza growth rate
毒物 质量浓度 /
(mg· L- 1 ) 平均值* SD2* *
偏差 /
% * * *
I /
% * * * *
0 36. 67 10. 33 8. 8 0
0. 6 32. 67 17. 33 12. 7 12. 9
1. 0 32. 33 10. 33 10. 0 14. 1
Cd 1. 6 28. 67 20. 33 15. 7 27. 5
2. 5 28. 00 7. 00 9. 4 30. 2
4. 0 25. 67 0. 33 2. 2 39. 9
6. 3 20. 67 1. 33 5. 6 64. 1
0 35. 33 4. 33 5. 9 0
2. 5 30. 00 4. 00 6. 7 19. 1
4. 0 26. 00 4. 00 7. 7 35. 8
乙草胺 6. 3 22. 67 0. 33 2. 7 51. 8
10. 0 21. 67 6. 33 11. 1 57. 0
15. 8 20. 00 4. 00 10. 0 66. 43
25. 1 17. 67 2. 33 8. 6 80. 9
39. 8 15. 33 0. 33 3. 8 97. 5
0 38. 00 7. 00 7. 0 0
0. 6 28. 00 7. 00 9. 4 32. 9
1. 0 25. 67 4. 33 8. 1 42. 2
Cd-乙草胺 1. 6 22. 33 1. 33 5. 2 57. 1
2. 5 21. 67 0. 33 2. 7 60. 4
4. 0 20. 00 1. 00 5. 0 69. 0
6. 3 19. 00 0. 63 4. 1 74. 6
注: * 各处理组的植物体数的平均值 ; * * SD2是同一处理组中各平
行样本的方差 ; * * * 偏差 = SD /平均值 ; * * * * I是浓度相对
对照组的生长抑制率。
表 2　 Cd和乙草胺对少根紫萍叶绿素 a浓度的影响
Table 2　 Effects of Cadmium and Acetochlor on the concentration
of chlorophyll a in Spirodela ol igor rhiza leaves
毒物 质量浓度 /
( mg· L- 1 ) 平均值*
SD2
* *
偏差 /%
* * *
0 6. 806 1 0. 398 4 9. 3
0. 6 4. 842 3 0. 376 7 12. 7
1. 0 4. 365 6 0. 165 4 9. 3
镉 1. 6 4. 197 8 0. 695 8 19. 9
2. 5 3. 703 0 0. 202 5 12. 2
4. 0 3. 486 4 0. 041 1 5. 8
6. 3 2. 770 1 0. 022 2 5. 4
0 5. 330 0 0. 204 7 8. 5
2. 5 4. 640 3 0. 167 4 8. 9
4. 0 4. 486 0 0. 078 1 6. 2
乙草胺 6. 3 4. 249 2 0. 112 5 7. 9
10. 0 4. 076 1 0. 260 9 12. 5
15. 8 3. 926 9 0. 162 0 10. 2
25. 1 3. 582 3 0. 105 9 9. 1
39. 8 3. 181 8 0. 024 9 5. 0
0 7. 470 2 1. 209 4 14. 7
0. 6 4. 393 9 0. 604 3 17. 7
Cd-乙草胺 1. 0 4. 079 4 0. 039 5 4. 9
1. 6 3. 563 5 0. 183 1 12. 0
2. 5 3. 696 2 0. 023 6 4. 3
4. 0 3. 270 8 0. 074 7 8. 4
6. 3 2. 886 5 0. 080 3 9. 8
注: * 各处理组的叶绿素浓度的平均值 ; * * SD2是同一处理组中各
平行样本的方差 ;* * * 偏差 = SD/平均值。
7
　 2005年 6月 湛灵芝 ,等: 镉和乙草胺对少根紫萍的毒性效应 Jun, 2005　
3　结　论
　　 1)根据试验结果得出镉对少根紫萍的毒性大于乙草胺。
　　 2)用相加指数法进行评价 , Cd和乙草胺对少根紫萍的
联合毒性为协同作用。 叶绿素 a的浓度也呈现类似的规律。
　　 3) 利用浮萍进行有毒有害化学品的毒性评价已在发达
国家成为化学品毒性评价的标准方法 ,我国开展这方面的工
作也是必然的、急迫的。少根紫萍个体小 ,繁殖快 ,对培养条件
的要求极为简单 ,增长非常迅速 ,对污染物敏感 ,是一种良好
的毒理材料。
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Spirodela Oligorrhiza
ZHAN Ling-zhi, T IE Bo-qing , Q ING Pu-feng ,
M AO Xiao-qian, YU AN Min
( Colleg e o f Resources and Env ironment, Hunan Ag riculture
Univ e rsity , Changsha 410128, China )
Abstract: Th e present paper aims to study the sing le tox ic
effec ts and the joint tox ic effects of Cadmium and Ace to chlo r
in Spirodela Oli gorrhiza. Our experimental results have
show n tha t the IC50 of tw o-valence Cadmium and Ace to chlo r
to Spirodela Oligorrhiz a were 4. 77 mg /L , 6. 96 mg /L , the
IC50 o f the joint to xicity of Cadmium and Acetochlo r to
Spirodela Oligorrhiza was 1. 41 mg /L. In acco rdance with
the additiv e index method of Ma rking , the additiv e index
( A I) is 1. 00. It is g r eater than zer o. The combined to xicities
may produce synergism actions. At the sam e time, with the
increase o f the t reatment concentra tion of Cadmium and Ace-
tochlo r , the content of chlo r oph yll a would decr ease while
the effect of Cadmium on th e concentra tion of chlo rophyll a
would be higher than Acetochlo r. Ther efor e, it w ould be
clear tha t the effec ts o f th e combined pollution would be
h eav ie r than tho se of sing le po llution. The results have also
show n the syner gistic action. In addition, the paper ha s also
discussed th e quality contro l demands o f Spirodela
Oligorrhiza g row th inhibition test. In this connection, it is
also suggested to make fr ond and deviation o f repetition the
index of Spirodela Oligorrhiza g row th inhibition test quali-
ty, in w hich Spirodela Oligorrhiza indiv idual should be
young , br eed fast, sensitiv e to the po llutant fo r it to be a
kind o f go od tox ico lo gy material.
Key words: envir onmental to xicolog y; Spirodela
Oligorrhiza; cadmium acetochlo r ;
tox icity effect
CLC number: R994. 6　　　 Document code: A
Article ID: 1009-6094( 2005) 03-0005-04
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　 Vo l. 5　 No. 3 安 全 与 环 境 学 报 第 5卷第 3期