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蟲螨腈對斑馬魚的急性毒性及生物富集性

2014-03-22 08:31:44張瑞明李祥英陳崇波張寶蘭張晶張宏濤孫國萍
生態毒理學報 2014年3期
關鍵詞:生物

張瑞明,李祥英,陳崇波,張寶蘭,張晶,張宏濤,*,孫國萍,2

1. 佛山市環境健康與安全評價研究中心,佛山 528000 2. 廣東省微生物研究所,廣州 510070

隨著用量的不斷增加,農藥對生態環境的破壞也日漸嚴重。農藥污染問題已成為全世界廣泛關注的重大環境問題。為預防農藥對生態環境產生不利影響,有必要對農藥的環境安全性和生態風險加以評價。農藥環境安全性評價對促進農藥合理使用、保障生態環境安全具有重要作用[1]。

生物個體或處于同一營養級的許多生物種群,從周圍環境中吸收并積累某種元素或難分解的化合物,導致生物體內該物質的平衡濃度超過環境中濃度的現象,叫生物富集,又叫生物濃縮。這是某些處于食物鏈高位營養級的動物受農藥污染與危害的原因之一,施用于農田中的農藥通過各種途徑進入水環境中, 經食物鏈逐級濃縮而對水生生態系統造成危害, 甚至最終危害到人類健康。農藥對水生生物的急性毒性和生物富集性與農藥的合理施用密切相關,是農藥環境安全評價的重要參數[2]。

蟲螨腈(chlorfenapyr),學名為4-溴-2-(4-氯苯基)-1-乙氧甲基-5-三氟甲基吡咯-3-腈,又名除盡、溴蟲腈,是一種新型取代芳基吡咯類殺蟲、殺螨劑[3]。具有胃毒及觸殺作用,主要通過作用于昆蟲體內多功能氧化酶(MFO)來抑制線粒體ADP 向ATP 轉化,由于其作用機理新穎,殺蟲譜廣、對常規農藥無交互抗性,近年來廣泛應用于防止水稻、棉花、蔬菜、柑桔、葡萄、大豆等作物的多種害蟲和害螨[4]。目前國內關于蟲螨腈的研究主要集中在其檢測技術和殘留動態方面[3, 5-22],其對環境中水生生物安全性的相關報道較少,僅有研究表明溴蟲腈對水生生物和鳥類有一定程度的影響[11]。本研究測定了蟲螨腈對斑馬魚(Brachydaniorerio)的急性毒性和生物富集系數,以期為評價蟲螨腈對水生生態系統的影響提供依據。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 材 料

1.1.1 供試藥劑

95%蟲螨腈原藥由衡水北方農藥化工有限公司提供。

99.0%蟲螨腈標準樣品購買于廣州分析測試中心科力技術開發公司。

1.1.2 試驗生物

品系:斑馬魚(Brachydaniorerio)。

規格:從試驗魚中隨機抽取10尾,試驗魚的全長為21.94 mm~29.59 mm,體重為0.143 g~0.395 g。

來源:廣州楊氏水族館。

馴養:取足夠數量的試驗魚于試驗相同條件下馴養至少7 d,自然死亡率應小于5%,試驗前1 d 停止喂食,急性毒性測定試驗期間不喂食。

1.1.3 試驗用水

使用過濾曝氣自來水,水的總硬度為103.41 mg·L-1(以CaCO3計),pH為7.63。

1.1.4 試驗條件

溫度:23 ℃±2 ℃

溶解氧:不低于空氣飽和值的60%

微弱光照:14 h·d-1

1.1.5 儀器設備和試劑

儀器:氣相色譜儀,帶電子捕獲檢測器( Agilent 7890,美國Agilent公司,美國),分析天平(ABS 220-4型,德國KERN,德國),溫濕度計(DSR-THEXT 型,佐格微系統(杭州)有限公司,杭州,中國),pH計(PH3110 型,德國WTW,德國),氮吹儀(MTN-2800D,天津奧特賽恩斯儀器有限公司,天津,中國),溶解氧測定儀(Oxi3205,德國WTW,德國),旋渦混合儀(QT-1,上海琪特分析儀器有限公司,上海,中國) ,冷凍離心機(GL-21M型,湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司,湖南,中國) ,超純水儀(Millipore Aquelix5 型,密理博(上海)貿易有限公司,臺灣,中國)。

設備:2.5 mL無菌注射器( 湖南平安醫械科技有限公司),0.22 μm針孔式有機濾膜,魚缸、燒杯、量筒、容量瓶、吸管等。

試劑:乙腈(≥99.9%,上海安譜科學儀器有限公司),丙酮(100%,廣州試劑廠),二氯甲烷(100%,廣州試劑廠),吐溫-80(相對密度1.06-1.10,天津大茂化學試劑廠),OP-10(≥99.0%,天津大茂化學試劑廠),重鉻酸鉀(≥99.8%,國藥集團化學試劑有限公司),氯化鈉(≥99.8%,國藥集團化學試劑有限公司),無水硫酸鈉(≥99.0%,國藥集團化學試劑有限公司,使用前650 ℃烘烤4 h以上)。

1.2 方 法

1.2.1 魚類急性毒性試驗

參照OECD 化學品測試導則[23]和我國《化學品測試方法》[24]進行。

1.2.1.1 魚類敏感性檢查:采用重鉻酸鉀作為參比物進行魚類敏感性檢查。重鉻酸鉀經105 ℃烘后,準確稱取5.000 g到小燒杯中,用適量的試驗用水溶解后轉移至500 mL的容量瓶中,用試驗用水稀釋到標線,混勻,配制成10 g·L-1的參比物貯備液。試驗體系的總體積為3 L,根據所設濃度,計算出參比物貯備液和試驗用水的比例,加入至試驗容器中分別配制成150 mg·L-1、192 mg·L-1、246 mg·L-1、315 mg·L-1和403 mg·L-15 個濃度梯度,每個濃度設置1 個平行,同時設1個空白對照組。各試驗容器中放入10 尾魚,試驗暴露周期為24 h。試驗結束時,觀察記錄受試魚死亡數。試驗溫度為(23±2) ℃,光暗周期為12 h∶12 h,試驗期間不喂食。

1.2.1.2 預試驗:先對95%蟲螨腈原藥進行較大范圍濃度系列(0.002、0.005、0.01、0.02 mg·L-1)的預試驗,每組用魚5尾,不設平行;試驗采用靜態方式進行,試驗期間不換水,觀察并記錄試驗用魚96 h(或48 h)的中毒癥狀和死亡情況。試驗溫度為(23±2) ℃,光暗周期為12 h∶12 h,試驗期間不喂食。由此求出死亡率100%的最低濃度和死亡率為0%的最高濃度的范圍,并在該范圍內設置正式試驗的濃度。

1.2.1.3 正式試驗:根據預試驗結果,設置正式試驗的濃度梯度,即0.0055 mg·L-1、0.0074 mg·L-1、0.010 mg·L-1、0.014 mg·L-1和0.018 mg·L-15 個濃度梯度。各試驗容器中放入10 尾魚,試驗暴露周期為96 h,試驗采用半靜態方式進行,每隔24 h更換1 次試驗溶液,并觀察記錄受試魚死亡數。試驗溫度為( 23 ± 2) ℃,光暗周期為12 h∶ 12 h,試驗期間不喂食。計算蟲螨腈對斑馬魚的24 h、48 h、72 h 和96 h-LC50。

1.2.1.4 檢測指標:試驗期間,于試驗開始后24 h、48 h、72 h和96 h觀察記錄各容器內魚的活動狀態和死魚數,用玻璃棒輕觸魚的尾部,無可見運動即為死亡,并及時取出死魚。測定各組試驗開始后0 h、96 h以及24 h、48 h、72 h更換試驗溶液前后的pH、溫度和溶解氧含量。

1.2.1.5 數據處理:采用DPS13.5統計軟件對數據進行處理,計算96 h的LC50值以及95%的置信限。

1.2.2 生物富集試驗

采用半靜態法,根據95%蟲螨腈原藥對斑馬魚96 h 致死中濃度測定結果,以96 h LC50的1/100、1/10 濃度設置2 個供試藥液濃度處理,即2.0×10-4mg·L-1和2.0×10-3mg·L-1,每個濃度設置2個平行。同時設置1個不加農藥的空白對照組和1個溶劑對照組,每組設置2個平行。

生物富集作用于(23±2)℃條件下進行,魚缸內加入10 L試驗藥液,投放斑馬魚25尾,滿足每天每升水承載魚重(濕重)0.1 g~1.0 g;試驗過程中于0 h、24 h、48 h、96 h、144 h和192 h測定水中和魚體內富集受試物濃度,取樣均在更換受試物試驗溶液前進行,每次取樣時試驗溶液均需攪拌均勻,試驗魚隨機選取4尾;同時在換液前后分別測定試驗溶液pH、溫度和溶解氧含量,記錄試驗魚狀態。試驗期間每24 h投放餌料1次,每次約0.2 g。試驗結束時,試液中農藥含量不低于初始濃度的80%。試驗期間水中溶解氧不得低于5 mg·L-1。

按下式計算生物富集系數(BCF)[ 25]:

BCF=Cfs/Cws

式中,Cws為水溶液中農藥的濃度(mg·L-1),Cfs為魚體內的農藥濃度(mg·kg-1)。

采用Microsoft Office Excel 2007對試驗數據進行統計處理。

1.2.3 色譜條件

儀器:Agilent7890A氣相色譜儀;色譜柱:HP-5(30 m×0.32 mm×0.25 μm);柱溫:230 ℃;進樣口溫度:250 ℃;檢測器:ECD;檢測器溫度:300 ℃;氣流模式:恒壓 14.5 psi;載氣:氮氣,純度大于等于99.999%;分流方式:分流;分流比:15:1;進樣量:5 μL。

1.2.4 樣品前處理方法

1.2.4.1 水樣前處理:取200 mL水樣于500 mL分液漏斗中,加入約5 g的氯化鈉,再加入80 mL二氯甲烷,充分震蕩,靜置;溶液分層后,將二氯甲烷相轉移至三角瓶中,加入10 g的無水硫酸鈉,靜置1 h;取40 mL二氯甲烷旋蒸至干,用1.0 mL丙酮定容,過0.22 μm濾膜,待測。

1.2.4.2 魚樣前處理:取斑馬魚4尾,稱重并記錄,放入研缽中,加入5 g的無水硫酸鈉,將魚研碎后轉移至50 mL離心管中,用15 mL乙腈分3次清洗研缽,轉移至離心管中,超聲10 min,在7 000 r·min-1下離心5 min,收集離心上清液,重復超聲、離心操作2次,將3次收集到的上清液混合倒入50 mL容量瓶中,用乙腈定容。在容量瓶中取2.0 mL上清液氮吹,吹干后用1.0 mL丙酮定容,過0.22 μm濾膜,待測。

1.2.5 添加回收率測定

1.2.5.1 水樣加標試驗:量取200 mL水樣后,精確添加蟲螨腈標準溶液(添加水平分別為2.0×10-3、2.0×10-4和2.0×10-5mg·L-1),振搖均勻,于室溫下放置10 min,其他步驟按照1.2.4.1方法進行提取,按照1.2.3色譜條件進行檢測。每個添加水平重復3次。

1.2.5.2 魚樣加標試驗:稱取魚樣后,精確添加蟲螨腈標準溶液(添加水平分別為5和0.05 mg·kg-1),振搖均勻,于室溫下放置10 min,其他步驟按照1.2.4.1方法進行提取,按照1.2.3色譜條件進行檢測。每個添加水平重復5次。

2 結果( Results)

2.1 重鉻酸鉀對斑馬魚的急性毒性

重鉻酸鉀對斑馬魚急性毒性結果見表1,重鉻酸鉀對斑馬魚的24 h-LC50值為316 mg·L-1,滿足參比物重鉻酸鉀24 h-LC50值在200 mg·L-1~400 mg·L-1之間的試驗有效性要求[16]。參比物重鉻酸鉀試驗結果證明斑馬魚的敏感性,同時驗證了檢測過程的有效性。

2.2 95%蟲螨腈原藥對斑馬魚的急性毒性

試驗結果見表2。試驗結果表明,95%蟲螨腈原藥對斑馬魚96h-LC50為0.015 mg·L-1,其95%的置信限為0.011 mg·L-1~0.12 mg·L-1。《化學農藥環境安全評價試驗準則》[26]規定的化學農藥對魚類急性毒性的評價標準:LC50>10 mg·L-1,低毒;1.0 mg·L-1

試驗期間,試驗溶液中pH變化范圍為7.60~8.14;溫度變化范圍為21.1 ℃~22.5 ℃;溶解氧含量的變化范圍為74~93%。試驗結束時,空白對照組和溶劑對照組魚死亡率均為0%,低于10%。

表1 重鉻酸鉀對斑馬魚的急性毒性Table 1 Acute toxicity of potassium dichromate against B. rerio

表2 蟲螨腈對斑馬魚的急性毒性Table 1 Acute toxicity of chlorfenapyr against B. rerio

2.3 標準曲線

準確稱取31.12 mg蟲螨腈標準品于25 mL容量瓶中,用乙腈將其溶解,配成濃度為1.18×103mg·L-1的貯備液。用丙酮將貯備液逐級配成有效濃度為0.2 mg·L-1、0.05 mg·L-1、0.02 mg·L-1、0.005 mg·L-1、0.002 mg·L-1和0.001 mg·L-1一系列標準溶液,在氣相色譜檢測條件下測定,以質量濃度(x, mg·L-1)為橫坐標、峰面積(y)為縱坐標建立標準曲線,結果見圖1。由所測得的標準曲線可知,其線性方程是y=102623x+78.167,相關系數R2=0.9999。蟲螨腈濃度在0.001~0.2 mg·L-1范圍內與峰面積具有良好的線性相關性。

2.4 方法的回收率和精密度

在空白的水樣和魚樣中,添加已知含量的蟲螨腈標準品,按照上述前處理方法和色譜操作條件測定其含量,計算其回收率及變異系數,結果見表4和表5。

由表3和表4可知,通過對蟲螨腈殘留樣品分析的準確度及精確度檢驗,本方法測定的魚樣中蟲螨腈的回收率為92.0%~108.2%,變異系數為4.4%~6.5%,水中蟲螨腈的回收率為75.1%~100.2%,變異系數為3.1%~6.6%。因此,利用本方法進行蟲螨腈殘留樣品的分離和含量測定,靈敏度高,重現性好,能為樣品檢測提供可靠的數據。本方法對水樣和魚樣中蟲螨腈的檢出限分別為5.0×10-6mg·L-1和1.0×10-3mg·kg-1。

圖1 標準曲線Fig. 1 Standard curve

蟲螨腈在水和魚體中殘留量的典型色譜圖見圖2和圖3。

表3 蟲螨腈水中添加回收率及相對標準偏差(n=3)Table 3 Fortified recovery and RSD of chlorfenapyr in water(n=3)

表4 蟲螨腈水中添加回收率及相對標準偏差(n=3)Table 4 Fortified recovery and RSD of chlorfenapyr in water(n=3)

圖2 蟲螨腈在水中殘留量的典型色譜圖Fig. 2 GC chromatography of chlorfenapyr in water

圖3 蟲螨腈在魚中殘留量的典型色譜圖Fig. 3 GC chromatography of chlorfenapyr in fish

2.5 斑馬魚對95%蟲螨腈原藥的生物富集性

試驗結果見表5至表6。結果表明,試驗結束時,兩個試驗組水中蟲螨腈的含量分別為初始含量的94.5%和90.5%,均高于80%,符合“評價準則”要求。在兩個處理濃度下,斑馬魚對蟲螨腈的生物富集系數(BCF8d)分別為1 211.6和1 549.7。根據《化學農藥環境安全評價試驗準則》的評價標準,在本試驗條件下,95%蟲螨腈原藥對斑馬魚的生物富集性為高富集性。試驗過程中未有斑馬魚死亡,空白對照組和溶劑對照組水中和斑馬魚中未檢出蟲螨腈。

試驗期間,試驗溶液中pH變化范圍為7.321~8.125;溫度變化范圍為22.7 ℃~24.0 ℃;溶解氧含量的變化范圍為5.2 mg·L-1~7.9 mg·L-1。

3 討論(Discussion )

進行農藥對魚類的毒性試驗時, 應盡可能避免溶劑和助劑本身對魚類的影響[27]。試驗采用丙酮對蟲螨腈進行助溶,加入量為0.1%(V/V)。結果表明,魚類急性毒性試驗和生物富集性試驗中溶劑對照組均未有出現斑馬魚死亡情況,因此可以認為本試驗中丙酮對斑馬魚毒性試驗的影響可以忽略。

本試驗結果表明,蟲螨腈對斑馬魚屬于高毒、高富集性農藥。因此,在農業生產中,要特別注意蟲螨腈的使用范圍、施用量和使用方法,應避免在水田中使用此類農藥,以免對生態環境造成危害。另外,農藥在環境中的降解和移動, 決定了農藥在水、氣、土壤中的殘留和污染狀況, 也是評價農藥對各種環境生物影響的重要參數。因此,有必要開展蟲螨腈其他環境行為特性如土壤降解、水解、光解等的研究,以期全面、系統、準確地評價蟲螨腈對水生生物的生態風險。

表5 蟲螨腈生物富集試驗測定結果Table 5 Results of bio-concentration tests of chlorfenapyr

注:1)試驗組1和試驗組2設定濃度分別為2.0×10-4mg·L-1和2.0×10-3mg·L-1; 2)表中數據均為兩次重復平均值。

表6 蟲螨腈生物富集系數(BCF8d)Table 6 BCF8d of chlorfenapyr

致謝:感謝實驗室全體成員的參與和支持。感謝衡水北方農藥化工有限公司提供測試樣品。

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