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蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)微板毒性分析方法优化



全 文 :第 24 卷 第 5 期
2011 年 5 月
环 境 科 学 研 究
Research of Environmental Sciences
Vol. 24,No. 5
May,2011
收稿日期:2010 - 09 - 11 修订日期:2011 - 02 - 08
基金项目:国家自然科学基金项目(20977065);长江水环境实验
室自主课题(YRWEY1002)
作者简介:袁 静 ( 1985 - ),女, 河 南 新 乡 人,
jingyuan647@ 126. com.
* 责任作者,刘树深(1961 - ),男,湖南新化人,教授,博士,博导,
主要从事化学混合物分析毒理与分子模拟研究,ssliuhl@ 263. net
蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)微板毒
性分析方法优化
袁 静1,刘树深1,2* ,王丽娟1,邵玉敏1
1.同济大学环境科学与工程学院,上海 200092
2.长江水环境教育部重点实验室,上海 200092
摘要:以蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa,CP)为指示生物,96 孔微板为暴露载体,污染物对藻的 72 h 生长抑制率为毒
性指标,通过系统地检测蛋白核小球藻的生长曲线和吸收光谱,确定藻细胞密度和 683 nm 波长处光密度(D683)之间的线
性关系,考察不同初始藻密度、照度、暴露时间和暴露体积对藻生长的影响,建立了蛋白核小球藻微板毒性分析方法(CP -
MTA 法).将 CP - MTA 法应用于重金属盐、除草剂、杀虫剂以及离子液体等 8 种化学品对蛋白核小球藻的生长抑制毒性测
试,以 pEC50为毒性指标,毒性大小顺序为敌草快 > CuSO4·5H2O≈ CdCl2·2. 5H2 O > 氯化 1 - 甲基 - 3 - 辛基咪唑
([Omim]Cl)>草甘膦 >氯化 1 -甲基 - 3 -丁基咪唑([Bmim]Cl)>敌敌畏 >乐果,与文献结果一致 . CP - MTA 法由于以
微板为反应载体,所需样品少,便于多次平行,数据重复性好 .
关键词:蛋白核小球藻;微板毒性分析;重金属;农药;离子液体
中图分类号:X502 文献标志码:A 文章编号:1001 - 6929(2011)05 - 0553 - 06
Optimization of Microplate Toxicity Analysis Method Based on Chlorella
Pyrenoidose
YUAN Jing1,LIU Shu-shen1,2,WANG Li-juan1,SHAO Yu-min1
1. College of Environmental Science and Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China
2. Key Laboratory of Yangtze River Water Environment,Ministry of Education,Shanghai 200092,China
Abstract:Taking Chlorella pyrenoidosa (CP)as an indicator organism,a 96-well microplate as an exposure carrier,and 72 h algae
growth inhibition rate as a toxicity endpoint,a microplate toxicity analysis based on CP (CP-MTA)was developed. The growth curve
and absorption spectra of CP were detected systematically. The linear relationship between the algal cell density and optical density
at a wavelength of 683 nm was determined. The effects of initial cell density,illumination,exposure time,and exposure volume on
the algae growth were examined. CP-MTA was employed to determine the growth inhibition toxicities of eight chemicals including
heavy metal salts,herbicides,pesticides and ionic liquid on CP. It was found that if the pEC50 value was taken as a toxicity
biomarker,the order of toxicity was:diquat > CuSO4·5H2O ≈ CdCl2·2. 5H2 O > 1-methyl-3-octyl- imidazolium chloride >
glyphosate > 1-ethyl-3-methyl- imidazolium chloride > dichlorvos > dimethoate,which is consistent with other results in the
literature. CP-MTA has some advantages such as small sample volumes,convenience for parallel testing,and good repeatability due
to taking a microplate as the exposure carrier.
Key words:Chlorella pyrenoidosa;microplate toxicity assay;heavy metal;pesticide;ionic liquid
藻毒性测试是一种广泛应用的生物监测标准
方法,如国际标准化组织(ISO)[1]、经济合作与发
展 组 织 (OECD)[2]、美 国 国 家 环 境 保 护 局
(US EPA)[3]以及中国国家环境保护总局[4]均将
藻类生长抑制毒性试验作为标准毒性测试方法 .
目前藻毒性测试方法多采用栅藻属(Scenedesmus)
DOI:10.13198/j.res.2011.05.81.yuanj.001
环 境 科 学 研 究 第 24 卷
和 月 牙 藻 属 (Selenastrum)为 测 试 生 物 . 如
EISENTRAEGER 等[5] 利 用 栅 藻 (Desmodesmus
subspicatus)测定了 K2Cr2O7,CuCl2·2H2O,ZnCl2,
AlCl3,MnCl2 和乙醇胺等化合物的生长抑制毒性 .
葛会林等[6]利用斜生栅藻(Scenedesmus obliqnus )
定量评价了 9 种农药的生长抑制毒性 . ROJIKOVA
等[7-8]分别考察了 CuSO4·5H2O,ZnSO4·7H2O,
KMnO4,敌百虫,CuCl2,NaCl,苯酚,ZnCl2 和表面
活性剂等对月牙藻(Raphidocelis subcapitata)的生
长抑 制 毒 性 . RADETSKI 等[9] 以 羊 角 月 牙 藻
(Selenastrum capricornutum)为受试生物测定了
Cu2 +,Cd2 +,Cr6 +,莠去津和一个污泥焚烧炉残留
的沥出液样本的生长抑制毒性 .已有研究[10]表明,
同一物质对藻类的毒性差异与藻细胞的体积大小
有关 .与单细胞藻相比,栅列藻通常由 4 ~ 32 个细
胞以长轴排列成不定型群体,月牙藻属通常由 4 ~
16 个细胞以凸面相对排列成一组,且二者的体积
通常也较单细胞藻更大,因此在毒性评价过程中
与污染物的接触不及单细胞藻类均匀 . 蛋白核小
球藻(Chlorella pyrenoidosa,CP)属于绿藻门,色球
藻目,小球藻属,是游离单细胞藻,直径 3 ~ 5 μm,
球形或椭圆形,繁殖快,可以在较短时间内考察污
染物对藻类世代和种群水平上的影响,便于培养
和试验;此外,藻液分布均匀不易沉降,其与污染
物的接触更充分 . 马建义等[11]采用传统的锥形瓶
方法试验了 24 种农药对 CP 的毒性,结果表明 CP
比栅藻对污染物更敏感[12]. LIU 等[13]用锥形瓶考
察了手性除草剂等对 CP 生长抑制率的影响,表明
CP 可以作为模式生物应用于毒性检测 .
目前的藻类生长抑制试验一般用锥形瓶作为
藻类培养容器,需要样品体积多、工作量大 .
ROJIKOVA 等[7]开展了藻毒性微型化试验,分别
比较了以摇瓶法和微板法为载体、吸光法和荧光
法为测试手段时重金属和表面活性剂毒性发现,
塑料小管、微板和玻璃瓶为载体的藻毒性试验结
果具有较好一致性 . GEIS 等[8]则分别采用摇瓶法
和微板法试验了 3 种重金属,1 种杀虫剂和 8 种药
物的生长抑制毒性发现,微板试验能显著提高空
白控制的重复性 . PAIXAO 等[14]引入微板为载体
对 ISO8692 绿藻生长抑制毒性试验的测定方法进
行了改进 .严航贞等[15]采用普通小球藻对 4 种除
草剂进行生长抑制毒性评价,结果表明,以 96 孔
微板和锥形瓶为载体获得的结果具有较好的一致
性 . KVADEROVC[16] 以 小 球 藻 属 (Chlorella
kessleri)为受试生物对多种污染物进行毒性评价,
通过标准摇瓶法和微板法获得的半数效应浓度
(EC50)没有明显差异 . 然而,在 96 孔微板试验中,
由于微板孔暴露体积很小,需考虑暴露蒸发、光照
均匀性等试验条件对毒性结果的影响 . 而试验条
件对藻生长抑制毒性影响的系统研究很少 .
综上,CP 作为生长抑制毒性测试的受试物
种,具有单细胞、体积小、分布均匀不易沉降等优
点,但将其应用于毒性评价仍不多见,基础数据欠
缺,而以 96 孔微板为载体的 CP 毒性分析方法未
见报道 .笔者参考青海弧菌 Q67 的微板毒性分析
法[17-19],以 CP 为指示生物,96 孔微板为暴露载
体,系统地研究了 CP 的生长曲线、吸收光谱以及
藻细胞密度和光密度之间的线性关系,考察了不
同初始藻密度、照度、暴露时间和暴露体积对藻生
长抑制的影响,建立并优化了 CP 微板毒性分析方
法(CP - MTA 法),同时通过设计多浓度梯度试
验,以 CP - MTA 法测试了 8 种污染物对 CP 生长
抑制的完整浓度 -响应曲线,获得了污染物对 CP
的 72 h 生长抑制毒性 .
1 材料与方法
1 . 1 仪器与试剂
PowerWave 微孔板分光光度计(美国 BioTek
仪器有限公司);SW - CJ - IF 型净化工作室(苏州
佳宝净化工程设备有限公司);150C 恒温光照振
荡培养箱(金坛市亿通电子有限公司);SPX -
300BSS -Ⅱ生化培养箱(上海新苗医疗器械制造
有限公司);定制 LED 光源(深圳市怡心科技有限
公司);LS - B50L 型立式压力蒸汽灭菌器(上海医
用核子仪器厂);BT25S 型 5 位电子天平(赛多利
斯公司);PHS - 25 型数显酸度计(上海天达仪器
有限公司);Milli - Q 超纯水系统(美国 Millipore
公司);96 孔平底透明聚苯乙烯微板(Corning,
9018);SpectraMax M5 型酶标仪(美国 Molecular
Devices 公司);CASY 快速细胞分析仪 (德国
Innovatis 公司).
8 种测试污染物包括重金属盐(CuSO4·5H2O
和 CdCl2·2. 5H2O,均购自江苏强盛化工厂)、农药
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第 5 期 袁 静等:蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)微板毒性分析方法优化
(敌草快、草甘膦、敌敌畏和乐果,均购自 Chem
Service)以及离子液体〔氯化 1 -甲基 - 3 -丁基咪
唑([Bmim]Cl)和氯化1 - 甲基 - 3 - 辛基咪唑
([Omim]Cl),均购自 Acros Organics〕. 储备液配
制方法为在溶解度范围内称取一定量标准品,用
超纯水溶解在棕色容量瓶中,4 ℃保存待用 .
1. 2 藻种培养
CP 购自中国科学院典型培养物保藏委员会
淡水藻种库(FACHB),编号为 FACHB - 5.
SE 培 养 基 配 方:0. 25 g NaNO3,0. 075 g
K2HPO4·3H2O,0. 075 g MgSO4·7H2O,0. 025 g
CaCl2·2H2O,0. 175 g KH2PO4,0. 025 g NaCl,
0. 005 mL FeCl3·6H2O,1 mL EDTA-Fe,40 mL 土壤
浸出液,1 mL A5 溶液和 958 mL 蒸馏水 .
EDTA-Fe:1 g Na2EDTA,81 mg FeCl3·6H2O,
50 mL 0. 1 M HCl 和 50 mL H2O.
A5 溶液:286 mg H3BO3,181 mg MnCl2·4H2O,
22 mg ZnSO4·7H2O,7. 9 mg CuSO4·5H2O,3. 9 mg
(NH4)6·Mo7O24·4H2O 和 100 mL H2O.
收到藻种后,稍松开试管管盖,放入恒温光照
振荡培养箱,于25 ℃,照度为2 000 lx,光暗比为 14
h∶ 10 h 条件下培养 . 每隔 10 ~ 15 d 按 1 ∶ 2稀释转
接藻种扩大培养,使之进入对数生长期 . 接种时间
在08:00—10:00 藻类细胞代谢最旺盛时期(因傍
晚到夜间藻类有细胞下沉现象). 整个过程要求绝
对无菌操作 .暴露试验前 1 ~ 2 d 转接处于对数生
长期的藻种至新鲜培养基培养至 683 nm 波长下
光密度(D683)为 0. 10 ~ 0. 15 左右,备用 . 暴露试验
中为避免挥发造成的误差,微板加透明盖 .
1. 3 微板毒性测试
在 96 孔微板中空白与污染物浓度梯度设计
如图 1 所示 .微板 4 周共 36 个孔各加入 200 μL 水
防止产生边缘效应;第 2,6,7 及 11 列共 24 个孔
(b)中分别加入 100 μL 纯水作为空白对照;第 3
列共 6 个孔(c i,i = 1,3,5,7,9,11)以及第 8 列共
6 个孔(c i,i = 2,4,6,8,10,12)分别加入按稀释因
子设计的不同浓度污染物,并补以纯水使体积为
100 μL;第 4 和 5 列为第 3 列的平行试验,第 9 和
10 列为第 8 列的平行试验;最后在中间 60 个孔中
分别加入 100 μL D683 约为 0. 15 左右的藻液
(见 1. 2节),使各孔总体积为 200 μL;加透明盖后
置于温度为 25 ℃,照度为5 000 lx,光暗比 14 h∶ 10
h 并装有定制 LED 光源的生化培养箱中培养,分
别在暴露时间为 0,24,48 和 72 h 时将微板放入微
孔板分光光度计中,测定 D683,微板至少重复 3 次 .
图 1 96 孔微板中空白与浓度梯度设计示意图
Fig. 1 Schematic diagram for the design of
concentration gradients in a 96-well microplate
以污染物对 CP 的生长抑制率(I)为毒性
指标:
I = 1 - (ODt,i - ODt,0)(OD0,i - OD0,0) (1)
式中,ODt,i为第 i(i = 0,1,2,3,4)时刻污染物处理
组藻液 D683值;OD0,i为第 i 时刻空白对照组的藻液
D683值 .
2 结果与讨论
2. 1 生长曲线及 pH 和测定波长选择
按微板毒性测试方法,在 96 孔微板中间 60
个孔中加入 100 μL CP 和 100 μL 水,重复 3 板,
每隔 24 h 测定各孔 D683,17 d 内其 D683随时间的
变化曲线见图 2(a). 由图 2(a)可知,CP 在微板
中经短暂适应期后开始快速增长,进入对数生长
期 2 ~ 9 d 内 D683与时间的对数成良好线性关系,
10 d 左右进入生长平台期,17 d 内未观察到衰
落期 .
小球藻能生存的 pH 为 3. 5 ~ 9. 5,其中最适宜
生长的 pH 为 6. 5 ~ 7. 5,pH 低于 3. 0 时小球藻生
长会受到抑制,大于 9. 5 时未发现小球藻生长速
率受到显著影响[20].试验过程中采用的培养基 pH
在 6 左右,藻在生长过程中 pH 会缓慢升高,在暴
露 72 h 时藻溶液 pH 接近 8,并未超出小球藻可以
承受的 pH 范围,因此 72 h 内不需调节 pH.
用 1 cm 比色皿在波长 350 ~ 850 nm 范围内按
步长 1 nm 在酶标仪上测定 CP 的紫外 -可见吸收
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环 境 科 学 研 究 第 24 卷
光谱见图 2(b). 由图 2(b)可见,在 444,482 和
683 nm 处存在吸收峰,其中 683 nm 吸收峰最尖,
光谱干扰较少 . 另以快速细胞仪测定不同浓度藻
液的细胞密度(x)及 D683值,每个浓度 3 次平行并
取平均值,结果 D683在 0. 02 ~ 1. 0 范围内与 x 呈良
好线性关系(D683 = 1 × 10
- 8 x - 0. 001 08),R2 为
0. 994 8〔见图 2(c)〕,这说明可用 D683测定值代替
细胞计数,简化试验操作 .
图 2 CP 的生长特性
Fig. 2 Growth characteristic of Chlorella pyrenoidosa
图 3 在不同条件下草甘膦对 CP 的浓度 -响应曲线
Fig. 3 Concentrationdose-response curves of glyphosate on the growth of Chlorella pyrenoidosa under different conditions
2. 2 照度、初始藻密度、暴露体积及暴露时间影响
光强和光周期对藻类生长影响较大.分别测定
照度为2 000,5 000和8 000 lx 条件下,草甘膦对 CP
的浓度 -响应(抑制率)曲线(CRC). 由图 3(a)可
知,在2 000 ~ 8 000 lx 范围内,随着照度的增大,草
甘膦对 CP 的生长抑制也增大,即浓度 -响应曲线
左移,但形状基本不变.考虑到照度增加,其热效应
也增加,使溶液蒸发变大,选择5 000 lx 照度以降低
蒸发误差.另一方面,为控制光照均匀度,定制了平
面 LED 光源取代传统条状光源,使光照均匀度达
90%以上,以减少微板载体的平行试验误差.
很少有文献报道藻细胞初始接种密度对藻生
长抑制的影响. 该研究以草甘膦为例,测定了不同
藻细胞密度对毒性的影响.在藻初始 D683值分别为
0. 28,0. 13 和 0. 10 时,草甘膦的浓度 -响应曲线如
图 3(b)所示.结果表明,初始接种藻细胞密度越低
即 D683值越小,对藻生长抑制越大. 另一方面,为了
考察初始 D683值对适应期长短的影响,分别测定了
D683值为 0. 22,0. 15,0. 13,0. 10 和 0. 07 的藻液生长
曲线,重复 10 次,取平均值,各藻液都在 1 d 适应期
内进入对数生长期,可知初始 D683值为 0. 07 ~ 0. 22
范围内,其接种浓度对藻细胞的适应期影响不明
显.推测由于藻接种密度越低,药物与藻接触越充
分,生长抑制越明显.然而,藻细胞密度越低,其 D683
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第 5 期 袁 静等:蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)微板毒性分析方法优化
值也越低,测定误差加大. 综合考虑,选用 D683值在
0. 10 ~ 0. 15 间的藻细胞初始接种浓度.
测试藻液体积也影响毒性测试灵敏度. 试验考
察了微孔中分别加入 50,100 和 150 μL 藻液,即试
液总体积分别为 150,200 和 250 μL 时草甘膦对 CP
的浓度 -响应曲线.由图 3(c)可见,加入藻液体积
越少,浓度 -响应曲线越靠左,其毒性越大. 考虑到
暴露体积越小相对蒸发量越大,对暴露浓度的影响
就越大,因此选择 200 μL 为暴露体积.
在 200 μL 暴露体积中,测定了 24,48,72 和 96
h 时草甘膦对应的浓度 -响应曲线〔见图 3(d)〕,结
果表明,暴露时间越长 EC50值越小,毒性效应越明
显.由于微孔暴露体积小、溶液蒸发较快,分别考察
了暴露时间为 24,48,72 和 96 h 时的暴露体积变
化,平均每孔的剩余体积分别为 195. 7,191. 8,185. 8
和 177. 7 μL,变化率分别为 2. 167%,4. 123%,
7. 104%和 11. 130%,随着时间延长,蒸发量增大.暴
露时间为 72 h 时,藻细胞生长处于对数生长期,D683
为 0. 9 左右,测定误差小;且暴露时间从 72 h 增加
到 96 h 时,EC50值的差值不大. 因此在保证灵敏度
的前提下,为缩短评价时间,减小蒸发的影响,选择
72 h 为生长抑制毒性测试的暴露时间.
2. 3 CP - MTA 法应用于污染物毒性测试
应用 CP - MTA 法测定了重金属、杀虫剂、除草
剂及离子液体对 CP 的生长抑制率,并用 Logit 函数
进行曲线拟合,由此得到的 EC50和 pEC50(即 EC50的
负对数值 - lg EC50)见表 1,浓度 -响应数据点及拟
合曲线见图4 . 由表1和图4可知,数据重复性较
表 1 8 种污染物对 CP 的毒性
Table 1 The pEC50 values of eight chemicals on Chlorella pyrenoidosa
污染物名称 CAS 号 EC50 (molL)
pEC50
测试值 文献值
pEC50试验条件(文献)
CuSO4·5H2 O 7758 - 98 - 7 6. 823 × 10 - 5 4. 166 4. 070 6[9] 月牙藻,微板,振荡培养,光暗比 16 h∶ 8 h,24 ℃,96 h
CdCl2·2. 5H2 O 10108 - 64 - 2 7. 047 × 10 - 5 4. 152 4. 420 2[9] 月牙藻,微板,振荡培养,光暗比 16 h∶ 8 h,24 ℃,96 h
敌草快 85 - 00 - 7 2. 239 × 10 - 6 5. 650 5. 804 1[6] 微板,斜生栅藻,3 000l x,光暗比 14 h∶ 10 h,25 ℃,96 h
草甘膦 1071 - 83 - 6 3. 043 × 10 - 4 3. 518 3. 570 3[6] 微板,斜生栅藻,3 000 lx,光暗比 14 h∶ 10 h,25 ℃,96 h
敌敌畏 62 - 73 - 7 1. 683 × 10 - 3 2. 774
乐果 60 - 51 - 5 3. 412 × 10 - 3 2. 467 3. 658[21] 普通小球藻,锥形瓶,光暗比 12 h∶ 12 h,24 ℃,振荡培养
[Bmim]Cl 79917 - 90 - 1 9. 550 × 10 - 4 3. 020 3. 000[10] 普通小球藻,锥形瓶,光暗比 16 h∶ 8 h,20 ℃,72 h
[Omim]Cl 64697 - 40 - 1 9. 727 × 10 - 5 4. 012 4. 824[10] 普通小球藻,锥形瓶,光暗比 16 h∶ 8 h,20 ℃,72 h
图 4 8 种污染物对 CP 的浓度 -响应关系
Fig. 4 Concentration-response relationship of eight
chemicals on Chlorella pyrenoidis
好,优于文献[6]中报道的栅藻、月牙藻的数据重
复性 . 若以 pEC50作为毒性大小的评价标准,pEC50
值越大,毒性越大,则毒性大小顺序为:敌草快 >
CuSO4·5H2O≈CdCl2·2. 5H2O >[Omim]Cl > 草甘
膦 >[Bmim]Cl >敌敌畏 >乐果 . CP - MTA 法测定
的 CuSO4·5H2O,CdCl2·2. 5H2O,敌草快,草甘膦,
[Bmim]Cl 和[Omim]Cl 毒性结果与文献[9-10,
20]基本一致,但乐果的 pEC50低于文献[21]的结
果,可能是振荡培养试验条件的缘故 . 整体来说,
CP 作为绿藻模式生物的敏感性与栅藻和月牙藻
相当 .
然而,藻毒性大小可能与藻种来源、测试载
体、暴露时间、照度、初始接种密度、暴露体积、使
用的培养基等因素有关[9-10]. 栅藻属和月牙藻属
均不是游离单细胞,并且其粒径和体积均大于单
细胞藻类,考虑藻细胞的体积大小对藻类毒性的
755
环 境 科 学 研 究 第 24 卷
影响,栅列藻和月牙藻藻细胞和污染物的接触不
及单细胞藻类均匀 .而小球藻属多为游离单细胞,
直径为 3 ~ 5 μm,体积较小,故 CP - MTA 法结果
具有良好稳定性 . 此外,在 CP - MAT 法中使用了
定制的 LED 光源,光照均匀,结果重复性好 .
CP 除对杀虫剂外均较敏感,尤其是对除草剂
和重金属敏感性较高 . 藻类是水体中的初级生产
者,处于水生食物链的基础环节,在水处理中为保
护藻类,应优先考虑去除除草剂和重金属 . 离子液
体(IL)作为新型“绿色”溶剂在很多工业领域得到
应用,但试验结果表明,IL 对藻类生长具有较高的
抑制毒性 . IL 易溶于水,在水环境中以离子的形态
存在,不易去除,因此 IL 被广泛使用的同时,也可
能对水生环境构成潜在危害,应用时要慎重 .
3 结论
a. 建立并优化了 CP 微板藻毒性分析方法
(CP - MAT 法). CP - MAT 法以 96 孔标准微板为
反应载体,以污染物对 CP 的 72 h 生长抑制率为
毒性指标,最佳测试波长为 683 nm,暴露总体积为
200 μL,起始藻密度控制 D683为 0. 15 左右,照度为
5 000 lx,温度为 25 ℃,光暗比为 14 h∶ 10 h.
b. 以 CP - MAT 法测定的 8 种污染物对藻生
长抑制毒性大小顺序为敌草快 > CuSO4·5H2O≈
CdCl2· 2. 5H2O > [Omim] Cl > 草 甘 膦 >
[Bmim]Cl >敌敌畏 > 乐果,与相关文献结果具有
较好的一致性 .
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(责任编辑:郑朔方)
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