草履虫用于水体监测的研究进展

摘 要：本文对草履虫的种类、结构、应激性及生活环境进行了概述，对草履虫在水污染监测方面的应用进行了较为系统的叙述。草履虫的应激系统反应灵敏，对重金属离子和农药等污染物造成的水体污染具有直观的体现，能够准确的反应水体的污染状况，因此草履虫对于水体的监测具有重要的意义。

关键词：草履虫；水体监测；重金属离子；农药

中图分类号： Q959.117 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20150940002

引言

20世纪中叶以来，世界工厂化的生产模式不断扩大，人口总量迅速增加，人们对于自然资源的索取超过了自然界的再生能力，同时过度排放污染物，造成了世界性的资源短缺和严重的环境问题。水污染就是其中之一。水污染可分为两类：一类是自然污染；另一类是人为污染。其中人为污染较为常见，每年排入江河湖海的污水约有4.2×1012m3，污染了数亿立方米的淡水，相当于世界江流总量的14%以上[1]。特别是近年来，随着农药的大量使用以及工厂排放废水的增加，水污染问题变得愈发严重。而水是生命的源泉，是人类赖以生存和发展的不可或缺的最重要的物质之一，所以有效的进行水体污染监测刻不容缓。

草履虫（Paramecium）是原生动物门纤毛纲的代表物种，除了具有灵敏的应激系统外，还具有分布广泛，结构典型，繁殖速度快，便于观察，容易采集培养等特点，因此被广泛应用于水体监测[2]。目前，国内研究人员从重金属离子、农药等污染物质对草履虫应激性及其生殖能力的影响等方面做了大量的研究，研究表明重金属离子、农药等因素对草履虫均会产生相应程度的影响[3]。

1 草履虫简介

1.1 草履虫种类

草履虫是原生动物门纤毛纲的单细胞动物，其形状类似于倒置草鞋底，主要生活在有机质充足、细菌丰富、光线充足的河流池塘或水沟中。目前，世界已知草履虫种类有22种[4]，常见的有大草履虫、双小核草履虫、多小核草履虫、绿草履虫。其中大草履虫最为常见，体长180～300μm；双小核草履虫，体长80～170μm，伸缩泡2个，有2个很小的小核；多小核草履虫，体长180～310μm，有时有3个伸缩泡，小核泡型，有3～12个；绿草履虫，体长80～150μm，细胞质内有绿藻共生，经见光处培养后通体呈绿色，小核2个。

1.2 草履虫的结构

草履虫一般呈长椭圆形，前端较圆，后端宽而略尖，因形状与草鞋相似而得名。其表膜由三层膜组成，具有缓冲和保护作用。膜下机体中生长有近万根纤毛，其排列成的网状结构，更有助于控制草履虫活动[5]。与表膜垂直排列分布在外质中的一排小杆状的囊泡结构，叫做刺丝泡，从而起到防卫和捕食作用。刺丝泡在表膜上开口，虫体在受到外界的刺激时会射出刺丝泡中的内容物，当内容物接触到水就会形成细丝[6]。

1.3 草履虫的生活环境

草履虫生活在水流缓慢、带有腐草的水沟、池塘和稻田中，在有机质丰富、光线充足的水面附近较常见，尤其是在细菌丰富的水中，草履虫种群密度最大[7]。草履虫在水温0～30℃情况下均能正常生活，24～27℃是草履虫生活的最佳水温，当水温低于10℃或高于35 ℃不利于草履虫的繁殖[8]。

1.4 草履虫的应激性

草履虫细胞质内部的水分约占细胞质的75%～85% [9]，采取自旋回波测量的方式对草履虫细胞进行研究，其研究结果表明，细胞内的水呈“结构化”，即草履虫细胞内的水是以液晶态形式存在。液晶态物质具有对热、磁、光、电、声、辐射、应力等变化反应较灵敏的特性。所有包括膜电位在内的应激信息，都会通过其在细胞质内传导，构成草履虫身体内的原始应激系统。由于草履虫应激系统灵敏的特性，使得草履虫无论是在监测农药使用的安全性方面还是重金属离子的监测方面都有着十分重要的意义。

2 草履虫在水体监测中的作用

随着经济的发展，工业化的迅速扩张，人们在面对这一时代到来的同时，还面对着重金属排放和农药过度使用所导致的水污染问题。而草履虫的应激性能够直观的反应水体污染程度，是水体监测中的一种重要的原生动物。

2.1 重金属对草履虫的影响

2.1.1 Cd2+对草履虫的影响

重金属镉对生物和人体均有毒害作用，同时它也是一种水体污染物。由于草履虫等原生动物对镉的毒性作用反应同后生动物相比更加敏感，因此草履虫在监测Cd2+毒性方面具有重要的意义。方卫飞等[10]利用CdSO4、CdCl2、Cd（NO3）2这三种镉化合物对草履虫的生物毒性进行了研究，结果表明对草履虫毒性作用最大的是CdSO4。胡好远等[11]通过对Cd2+24h半致死浓度（LC50）进行了实验，结果表明，在一定范围内，Cd2+的浓度增加，草履虫的种群数量也会随之增长，但Cd2+浓度过高也会降低草履虫的种群增长率。

2.1.2 Pb、Cu对草履虫的影响

近些年来，随着冶金工业的快速发展，部分水体中的沉积物中Pb2+、Cu2+的含量不断积累，Pb、Cu等元素会对生态环境造成破坏，尤其是随着雨水的冲淋，Pb、Cu等元素进入水体环境，造成严重的水体污染。周玉[12]通过在20℃培养条件下Pb、Cu等单一元素对草履虫种群毒性的影响的研究，结果表明，Cu2+、Pb2+24h对草履虫的LC50分别为0.0826mg/L、3.9907mg/L；Pb、Cu等单一元素对草履虫都具有毒害作用，且相同条件下Cu2+对草履虫的毒害作用大于Pb2+。

2.2 农药对草履虫的影响

2.2.1 除草剂对草履虫的影响

2，4-D丁酯是除草剂中的一种，2，4-D丁酯对草履虫的种群增长具有抑制作用，但对草履虫的细胞胁迫变化并不显著。谷艳芳等[13]发现，在水环境中，草履虫对2， 4-D丁酯有明显的驱避作用。捕食行为受到影响会造成生物机体获得资源减少，引起生产量下降或发育繁殖迟缓。所以受到2，4-D丁酯的胁迫会引起草履虫在自然界的自然增长率下降和分布格局的变化。但目前关于2， 4-D丁酯对草履虫影响的生态毒理学机制仍不完善，需要进一步提高。

2.2.2 杀虫剂对草履虫的影响

氯氰菊酯是一种广谱、生物活性较高的拟除虫菊酯类杀虫剂，拥有8个光学异构体，其中有4个生物活性较高的异构体组成的外消旋混合物称为高效氯氰菊酯，在十字花科蔬菜、棉花、果树、茶树等作物害虫的防治中应用广泛[14]。目前，关于拟除虫菊酯类农药对草履虫的毒性研究已有报道。对于氰戊菊酯对原生动物群落48h急性毒性的检测，王莉霞等[15]研究得出LC50为15.830mg/L。李霖等[16]通过三氟氯氰菊酯对草履虫的毒性进行研究，研究表明：三氟氯氰菊酯对草履虫1h的LC50为1.650mg/L。而高效氯氰菊酯对草履虫1h 的LC50为27.536mg/L，可见草履虫对高效氯氰菊酯的反应灵敏度远低于三氟氯氰菊酯。

2.2.3 杀菌剂对草履虫的影响

多菌灵是一种广谱性的苯并咪唑类杀菌剂，学名2-苯并咪唑基氨基甲酸甲酯（MBC），又称作棉萎灵、苯井咪唑44号。对由半知菌、多子囊菌引起的多种作物病害有防治效果[17]。在叶面喷雾、种子处理和土壤处理中有很多应用。李霖等[18]在进行杀菌剂多菌灵对草履虫的急慢性毒性作用研究，结果表明，草履虫的生长与多菌灵溶液的浓度有关，多菌灵浓度越高，毒性作用越大。

2.2.4 草履用于水体监测的优势

草履虫对毒性的应激反应与多细胞动物相比更为敏锐，并且对于反映环境化学毒性物质的毒理效应相比单纯的化学手段也更为生动、直观。因此，草履虫在毒性监测方面具有着重要的研究价值。同时草履虫更是一种良好的水体监测材料，是水体质量监测的重要指示生物之一。近些年来，国内外研究人员以草履虫为实验材料进行毒性实验，研究水体环境中的重金属污染和农药污染等问题，为农药的使用安全、重金属污染的监测以及生态环境保护等方面提供了更多有价值的参考。

3 问题与展望

目前关于草履虫的毒理研究很多，并且对于草履虫在环境方面的监测实验也取得了长足的进展。而在实验室和水体污染监测中采用的草履虫基本是从野外采集回来，进行简单纯化培养，完全达不到模式生物的要求标准。对于从不同水体中采集的草履虫，因为自身的生长环境影响对某些污染物具有一定的适应性，如果不能妥善解决，将会严重影响监测的准确性。而且处于不同生长阶段的草履虫对外界的刺激所产生的反应也是有所差异的，这些都将会影响实验的平行性和可信度。

目前，草履虫的培养方法简单，而且培养出的草履虫生长阶段、生长速度不一致。因此，为了能够在实际应用中胜任精确的监测工作，培养无背景处于同一生长阶段的模式生物草履虫是现在迫切需要解决的问题。对于无背景草履虫的培养，可以在最适温度和pH条件下使用单一营养物质进行培养，保证草履虫在生长过程中不受外界污染源的影响。而对于单一营养物质的选择，根据草履虫的食物摄取情况，可以选择某一种纯培养的细菌，也可以选用一种或多种氨基酸配制无菌培养液。

参考文献

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作者简介：林茹（1991-），女，佳木斯大学理学院学生研究方向：环境科学。张跃华（1962-），男，副教授，博士，研究方向：环境微生物。