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付保荣，张楠，武暕，李楠，张润洁，惠秀娟，李霞. 不同浓度纳米二氧化钛对大型溞的繁殖及富集和自净能力的影响[J]. 生态
科学, 2012, 31(6): 601-605.
FU Bao-rong, ZHANG Nan , WU Jian, LI Nan, ZHANG Run-jie, HUI Xiu-juan，LI Xia. Effects of different concentrations of TiO2
nanoparticle on the reproduction, and bioaccumulation and depuration of Daphnia magna[J]. Ecological Science, 2012, 31(6):
601-605.

不同浓度纳米二氧化钛对大型溞的繁殖及富集和自
净能力的影响
付保荣，张楠，武暕*，李楠，张润洁，惠秀娟，李霞
辽宁大学环境学院，沈阳 110036
【摘要】为了弄清不同浓度条件下 nTiO2 对大型溞（Daphnia magna）生长繁殖的影响，以 6 个浓度 nTiO2 溶液进行大型溞 21 d
连续培养试验，结果表明：nTiO2 浓度<1 mg×L-1 时，其对大型溞的生长繁殖的不利影响不显著；nTiO2 浓度>1 mg×L-1 时，不利影
响差异显著，且表现出随着浓度增加，存活率和繁殖受到明显抑制。第一次怀孕、产仔天数、产仔次数、一次产仔以及产仔总
数都明显减小（p<0.05）。当 nTiO2 浓度为 5 mg×L-1 时，繁殖基本上停止，内禀增长率 rm由 0.347（对照）降到 0.106。nTiO2对
大型溞的 21 d LC50 为 4.16 mg×L-1。24h 富集试验结果表明：大型溞在 24 h 内对 nTiO2 的蓄积负荷量呈现随浓度和时间的增加而
增强的趋势，在低浓度（2 mg×L-1）和高浓度（10 mg×L-1）条件下，大型溞均在 24 h 时达到最大负荷量。72 h 净化试验结果是：
大型溞对 nTiO2 的净化能力与其富集时的浓度条件有关，富集浓度低（2 mg×L-1）的，其自身的净化能力强；富集浓度高（10 mg×L-1）
的，其自身的净化能力弱；前者的生物半减期 T1/2 为 63.3 h，后者的生物半减期 T1/2 为 181.9 h。
关键词：纳米二氧化钛；大型蚤；繁殖；富集；净化
doi:10.3969/j.issn. 1008-8873.2012.06.001 中图分类号：X171.5 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2012)06-601-05
Effects of different concentrations of TiO2 nanoparticle on the reproduction, and
bioaccumulation and depuration of Daphnia magna
FU Bao-rong, ZHANG Nan , WU Jian﹡,LI Nan, ZHANG Run-jie, HUI Xiu-juan，LI Xia
School of Environmental Science, Liaoning University, Shenyang 110036, China
Abstract：We conducted a 21-day chronic test with six concentration in order to study the effects of different concentrations of TiO2
nanoparticle on the growth and reproduction of Daphnia magna. The results showed that at the concentration of TiO2 < 1 mg×L
-1, adverse
effects on the growth and reproduction of Daphnia magna were not significant. At the concentration of TiO2 >1 mg×L
-1, adverse effects
were significant. As the concentration increased, the survival and reproduction were inhibited obviously. The days to first pregnancy, the
days to first breeding, the number of broods per female, number of first broods per female, and the number of offsprings per female were
all reduced significantly(p<0.05). At concentration of 5 mg×L-1, breeding was basically stopped, and the intrinsic rate of natural increase
(rm) was dropped from 0.347 to 0.106 (control). The 21 d LC50 was 4.16 mg×L
-1. The 24 h bioaccumulation experiment indicated that the
greater the concentration and time, the higher the body burden. At both low concentration (2 mg×L-1) and high concentration (10 mg×L-1),
the burden reached the maximum at 24 h. The 72 h depuration test suggested that the depuration was affected by the concentrations of
accumulation. At low concentration (2 mg×L-1), the depuration was stronger than at high concentration (10 mg×L-1), and the biological
halftime(T1/2) was 63.3 h and 181.9 h, respectively.
Key words：nano-sized nTiO2; Daphnia magna; reproduction; bioaccumulation; depuration

收稿日期：2011-09-26 收稿,2012-09-15 接受
基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07526-006） 辽宁省教育厅重点实验室项目（2009S044） 辽宁省水环境生物监
测与水生态安全重点实验室开放基金项目
作者简介：付保荣（1965－），女，辽宁沈阳人，教授，博士，主要从事环境生物学研究。E-mail：fubaorong@yahoo.com.cn
﹡通讯作者：武暕，女，硕士，E-mail：mm492292061@163.com
第 31 卷 第 6 期 生 态 科 学 31(6): 601-605
2012 年 11 月 Ecological Science Nov. 2012



1 引言 (Introduction)

纳米二氧化钛(nanometer titanium dioxide, nTiO2)
具有独特的理化和光学性质，在汽车工业、污水净
化、化妆品、抗静电等诸多领域都显示出美好的发
展前景 [1]。随着nTiO2越来越广泛地应用于社会科技
生活的各个领域，给人们生活带来便利的同时，纳米
毒性也存在直接或潜在的危害[2-3]。Afaq等[4]研究发
现小于30 nm的nTi02能使大鼠的肺泡巨噬细胞数量
增加，肺组织间质化，并诱发炎症反应，使上皮组织
渗透性增加。Oberdorster [5]等研究发现nTiO2引起的
大鼠肺部炎症比相同空气质量浓度的µTiO2更为严
重，当nTiO2颗粒达到1×1013时，肺中保留颗粒数开
始呈指数上升。随着越来越多的nTiO2进入水环境中，
其可通过机械迁移、物理——化学迁移、生物迁移等
形式转变其在水体中的形态与分布，进而影响水体状
况与水生生物。因此，对nTiO2在水环境中的迁移转
化规律有待进一步深入研究。
大型溞（Daphnia magna）的生长周期短、易培
养，是水生生态系中的一种重要的代表性生物[6]。许
多国际组织和国家[7-8]都推荐用大型溞作为生态毒理
试验的试验生物。本文采用21 d连续培养和24 h富集
与72 h净化试验方法，初步评价不同浓度条件下
nTi02对大型溞生长发育及富集与自净能力的影
响，为弄清nTiO2在水环境中的迁移转化规律及生态
效应提供依据。

2 材料与方法 (Materials and methods)

2.1 试验材料
大型溞（Daphnia magna）由沈阳化工研究院有限
公司提供的孤雌生殖幼溞，溞龄<24 h。实验期间投喂
为小球藻（Chlorella sp）和斜生栅藻（Scenedesmus
obliquus）混合培养物。密度为5×105-106 个·mL-1，日
投量为10 mL。实验用水为放置48 h后再曝气两天的去
氯自来水。纳米二氧化钛（nTiO2）购自南京海泰纳米
有限公司。

2.2 试验方法
2.2.1 大型溞的培养及浓度配置
把大型溞放入静止48 h后曝气两天的去氯自来水
中，温度控制在20±2 ℃，培养液中溶解氧应保持在80%
饱和度左右。光暗比为14:10 h，pH值为7.8±0.2。用混
合饵料喂养，每隔3 d换一次水，并及时分离出新出生
的小溞，把死亡的大型溞用吸管挑出来，以免影响其
他大型溞的健康生长。选取连续培养三代以上的克隆
品系，其敏感度测定结果符合ISO有关规定标准。
基于前期急性毒性实验结果，将本实验大型溞的
培养浓度设定为0、0.2、1、2、4、5 mg×L-1 6个浓度[9]。
实验前，把培养基及所需玻璃容器置于高压灭菌锅内
120℃灭菌30 min，再分别配置6个浓度的悬浮液，将
各浓度制备液在超生波清洗器中分散40 min，使其达
到最佳的分散状态[10]。由于实验室用水的pH偏酸，需
用1.0 mol×L-1氢氧化钠溶液将pH调至7.8±0.2左右。试验
期间摇床转速设为145±5 r×min-1，在此转速下不仅能
进一步保证纳米材料处于良好的悬浮分散状态，同
时，大型溞也能生长正常。
2.2.2 21 d连续培养试验
参照经济合作与发展组织（OECD211，1998）
[11] 的大型溞21 d慢性毒性评估方法，以出生6～24 h
的幼溞为研究对象，将大型溞放在6个浓度梯度的
nTiO2培养液中连续培养21 d。具体方法是：在100 mL
烧杯中盛放50 mL试验溶液，每个烧杯中放1只幼溞。
每一浓度设20个平行样。采用半静态试验系统，用新
鲜的混合藻液喂养大型溞，每隔一天更换1次试验液，
保证24 h内nTiO2浓度为起始浓度的90%以上。更换试
验溶液的同时取出新生幼溞和死亡的大型溞。记录大
型溞的繁殖情况，包括母溞第一次怀卵时间、第一次
产仔时间、第一次产仔数，以及21 d产仔次数、产仔
总量。根据以上数据编写生命表，并按下式计算净生
殖率（R0），内禀增长率（rm）[12-15]。
R 0 =∑ lxmx
T=∑ x lxmx /·lxmx
rm= lnR0 /T
式中: lx为存活率, mx为每一龄的产仔数, T为世代
周期, x为天数。
2.2.3 24 h富集试验
大型溞24 h富集试验在nTiO2为2.0 mg×L-1和10.0
mg×L-1的2个浓度条件下进行，并分别在3、6、12、
24 h富集时间测定其吸光度，并推算出大型溞体内富
集 nTiO2 的 负 荷 量 (g/kg) 和 生 物 浓 缩 系 数
（Bioconcentration Factor,BCF）。BCF公式如下表示。
1000
/
/溞
´= ）污染物在水中的浓度（
）体内的浓度（污染物在大型
Lmg
gmg
BCF
所选大型溞的溞龄为8 d（8 d为成熟的大型溞）[16]。
每个烧杯中放入200只，每次取20只测试，在此期间
602 生 态 科 学 Ecological Science 31 卷



不喂食。
2.2.4 72 h净化试验
在上述24 h富集试验后分别在清水中进行大型
溞72 h净化试验。并在6、24、48、72 h净化时间测定
其吸光度，同时观察2个nTiO2富集浓度对大型溞净化
能力的影响，用生物半减期（Biological halftime，T1/2）
[17]来表示大型溞对nTiO2净化作用的强弱。其公式如
下表示。
2 1
1/ 2
1 2
( )log2
log log
t t
T
y y
=
-
-
y1和y2分别为给受试物后于t1和t2时间测得该物
质的浓度或量。
T1/2是指一种外来化合物在生物体内消除到原有
浓度（或量）的一半所需要的时间。因此，T1/2值越
大，表示其越不容易由生物体内消除，即生物对该外
来化合物的净化能力越小，而富集作用则越大，反之
亦然。

3 结果与分析 (Results and analysis)

3.1 不同浓度的 nTiO2对大型溞存活和繁殖的影响
不同浓度 nTiO2 对大型溞存活和繁殖的影响结
果见表 1。当 nTiO2 浓度小于 1 mg×L-1 时，其对大
型溞的生长繁殖的不利影响不显著；nTiO2 浓度大
于 1 mg×L-1 时，不利影响差异显著，且表现出随着
浓度增加，存活率和繁殖受到明显抑制，特别是在
连续培养试验的 15-21 d 阶段，基本上停止繁殖。
具体结果是：当 nTiO2浓度为 1 mg×L-1，第一次产仔
天数与空白对照相比推迟了一天多；产仔次数也从
5.2（对照）降到了 3.05；幼溞总数从 153.75 下降到
52.42。当 nTiO2浓度为 4 mg×L-1时，大型溞产仔天数
延迟了三天多，产仔次数由五次下降到两次，下降率
达 60%，存活率也下降到 55%。当浓度为 5 mg×L-1，
可以说大型溞基本停止了繁殖，存活率也下降到 40%
左右。表明 nTiO2不仅抑制大型溞的产仔数，还降低
了大型溞的存活率。通过推算得出：21 d 半数致死浓
度(Median Lethal Concentration,LC50)为 4.16 mg×L-1。
内禀增长率 rm 反映生物种群的繁殖能力。rm 计
算结果见图1。当 nTiO2浓度在 0.2 mg×L-1时，rm值与
空白样没有很大的差别；浓度大于 1 mg×L-1时，rm值
变小；浓度为 4 mg×L-1时，rm降到 0.18。结果进一步
表明：大型蚤对 nTiO2 的长期富集会对其生长发育产
生明显的抑制作用，生物富集效应的影响不容忽略。
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0 0.2 1 2 4 5
浓度Concentration(mg/L)
内
禀
增
长
率
In
tr
in
si
c
ra
te
o
f
na
tu
ra
l
in
cr
ea
se
图 1 不同浓度 nTiO2 对大型溞内禀增长率的影响
Fig.1 Effect of different concentrations of nTiO2 on the
intrinsic rate of natural increase of D. ma gna

表 1 21 d 不同浓度 nTiO2 对大型溞存活和繁殖的影响
Table 1 Survival and fecundity of D magna exposed to several concentrations of nTiO2 in a 21-day test
浓度
Concentration
(mg·L-1)
第一次怀孕
Days to first
pregnancy
产仔天数
Days to first
breeding
产仔次数
Number of broods
per female
第一次产仔数
Number of first
broods per female
产仔总数
Number of offsprings
per female
致死率
Mortality (%)
0 8.2 9.2 5.2 16.2 153.75 0
0.2 8.3 9.3 5.1 14.3 142.65 0
1 9.1 10.7 3.1 10.1 52.43 15
2 9.7 11.1 2.8 6.1 42.20 30
4 10.8 12.4 2.1 2.8 12.15 45
5 11.1 12.8 1.1 2.5 2.90 60


6 期 付保荣，等. 不同浓度纳米二氧化钛对大型溞的繁殖及富集和自净能力的影响 603



表2 大型溞体内nTiO2的BCF和负荷量(g×kg-1)
Table 2 BCF and Body burden of nTiO2 in D. magna (g×kg
-1)
时间Time(h) 3 h 6 h 12 h 24 h
浓度
Concentrations(mg×L-1)
负荷量
Burden
(g×kg-1)
BCF
负荷量
Burden
(g×kg-1)
BCF
负荷量
Burden
(g×kg-1)
BCF
负荷量
Burden
(g×kg-1)
BCF
2 mg×L-1 191.85 95 925 279.6 139 800 389.8 194 900 559.2 279 600
10 mg×L-1 384.49 38 449 421.22 42 122 478.37 47 837 519.18 51 918

表3 大型蚤体内nTiO2的负荷量(g×kg-1)和生物半减期 (h)
Table3 Body burden of nTiO2 in D. magna (g×kg
-1) and Biological halftime of nTiO2 in D. magna (h)
6 h 24 h 48 h 72 h
T1/2平均值
T1/2average
value
浓度
Concentrations(mg×L-1)
负荷量
Burden
(g×kg-1)
T1/2
负荷量
Burden
(g×kg-1)
T1/2
负荷量
Burden
(g×kg-1)
T1/2
负荷量
Burden
(g×kg-1)
T1/2
2 mg×L-1 524.5 64.74 410.2 53.68 324.45 61.10 283.65 73.53 63.3
10 mg×L-1 506.12 164.20 474.04 182.90 429.21 174.93 407.23 205.44 181.9

3.2 大型溞对 nTiO2 24 h 的富集
大型溞是滤食性动物，会从水环境中吸收nTiO2，
主要通过滤食进入体内，并在肠道内积累，并且其周
身也会沾上nTiO2。大型溞对2个浓度nTiO2 的24 h的
富集结果见表2：
大型溞在24 h富集时间内对nTiO2的蓄积负荷
量呈现随浓度和时间的增加而增强的趋势，低浓度
（2 mg×L-1）和高浓度（10 mg×L-1）条件下均在24 h时
达到最大负荷量，甚至前者的最大负荷量超过了后者，
表明低浓度（2 mg×L-1）条件下大型蚤的生物富集效应
会增强，BCF最大值达279 600，高浓度（10 mg×L-1）
条件下的富集效应会降低，BCF最大值仅是51 918。表
明大型蚤对nTiO2的BCF与其浓度呈负相关。这与张
学治研究鲤鱼对nTiO2的富集情况一致[18]。两种富集
浓度条件下大型蚤对nTiO2的最大负荷量接近，表明
大型蚤的最大负荷量受环境浓度影响的同时，更是其
富集作用的一种特征值。

3.3 大型溞对 nTiO2 72 h 的净化
大型溞对nTiO2富集后的72 h的净化试验结果
见表3。结果表明：随着净化时间的延长，富集在大
型蚤体内的nTiO2负荷量在降低，nTiO2富集浓度低
（2 mg×L-1）时,T1/2平均值为63.3 h； nTiO2富集浓度
高（10 mg×L-1）时, T1/2平均值为181.9 h，近乎是前者



图2 10 mg×L-1nTiO2浓度下大型蚤24 h富集和72 h净化图片(2×10倍)
Fig.2 The picture of D. magna at 10 mg×L-1 concentrations of nTiO2 in 24 h accumulation and 72 h depuration. (2 × 10 times)
604 生 态 科 学 Ecological Science 31 卷



的3倍时长，说明富集浓度越高，会造成大型溞净化
能力的降低。10 mg×L-1nTiO2浓度下大型蚤24 h富集
和72 h净化的图片见图2。

4 结论 (Conclusions)

作为水环境监测系统中的重要生物指标，大型溞
的生长发育不仅与 nTiO2的浓度有关，还与一定浓度
下大型溞的暴露时间有关。一般急性毒性试验（48 h）
中，其 LC50 都大于 10 mg×L-1，当时间延长至 21 d，
其 LC50 为 4.16 mg×L-1，表明 nTiO2 对大型溞的半数
致死浓度的大幅降低。nTiO2 导致的不利影响主要表
现在对大型溞繁殖能力的影响，第一次怀孕、一次产
仔、产仔天数、产仔次数以及产仔总数等生殖指标都
明显减小（p<0.05）。因此，大型蚤对 nTiO2 的生物
富集效应的影响不容忽略。同时，产生富集的浓度条
件影响大型溞的自身净化作用，富集浓度低，对大型
溞生长发育的不利影响越小，则富集作用越弱，其自
身的净化能力越强，体内负荷物的清除相对容易；富
集浓度高，对大型溞生长发育的不利影响越大，则富
集作用越强，其自身的净化能力越弱，体内负荷物的
清除相对越难。BCF 与浓度呈负相关，T1/2 与浓度呈
正相关。
总之，水体环境一旦受到 nTiO2的污染，即使是
较低浓度，也会造成大型溞对 nTiO2 的蓄积，而且大
型溞也很难清除自身体内残留的 nTiO2，影响其进食，
并最终影响其生长与繁殖。大型溞是食物链中的初级
消费者，存在其体内的 nTiO2会通过食物链最终影响
到高级消费者，甚至会影响到人类的健康。因此研究
nTiO2 在水环境中的迁移转化规律，对保护水体质量
和水生生物安全具有重要意义。

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