百草枯對水生動物的毒性效應(yīng)研究進(jìn)展

程 棟，安 鵬，趙鹿凱，管融資，馬萬里，雷 忻*

(1.延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西延安716000；2.延安市生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西延安716000；3.三峽大學(xué)科技學(xué)院，湖北宜昌443002)

1 百草枯的簡介及使用概況

百草枯(paraquat，PQ)作為一種速效型非選擇接觸性除草劑，因其具有價格低廉、使用效果好等優(yōu)點(diǎn)，自1962年被批準(zhǔn)作為農(nóng)藥使用以來，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)一百多個國家和地區(qū)得到了廣泛的使用，成為繼草甘膦之后的全球第二大除草劑[1，2]。

但是百草枯同樣具有劇毒性，研究表明當(dāng)人體急性攝入含量為20%的PQ 7～8 mL即會造成各個組織臟器的嚴(yán)重?fù)p傷進(jìn)而直接導(dǎo)致死亡[3]，百草枯對于生物的致毒絕對死亡病例數(shù)位居于農(nóng)藥中毒的首位[4]，據(jù)WHO統(tǒng)計(jì)，平均每年每一百萬人中有20人因百草枯中毒而身亡[5]。百草枯的致死率非常高，而目前為止仍舊沒有針對百草枯中毒的特效藥抑或是有效的解毒方法，因此在全球的很多國家均頒布了禁止使用百草枯的法律，尤其是一些歐洲國家[6]，我國在2014年7月開始撤銷了PQ的水劑登記和生產(chǎn)許可，同時停止了生產(chǎn)[7]，并在兩年后正式禁止百草枯的應(yīng)用。

鑒于我國農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，在過去很長一段時間對于百草枯的使用量非常巨大。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明：我國在2001至2011年這十年間百草枯的使用量位居全球第一，從1 560 t增長至9 080 t[7]。百草枯水溶液在噴灑的過程中，只有少部分作用到植株等靶生物上，由于土壤對百草枯具有極強(qiáng)的吸附作用，因此大部分藥劑殘留在土壤中并通過直接和間接的方式進(jìn)入水體，進(jìn)而對生物的健康帶來極大的危害。雖然目前我國已經(jīng)禁止使用百草枯作為除草劑，但是前些年大量施用過程中殘存的百草枯依舊時時危害著環(huán)境的安全。

2 百草枯對環(huán)境的污染現(xiàn)狀

百草枯水溶液在噴灑過程中有大部分會殘留在自然環(huán)境中，其可以通過水土流失等方式進(jìn)入水環(huán)境中，進(jìn)而引發(fā)水環(huán)境污染[8-11]。研究發(fā)現(xiàn)，即使在從未施用過除草劑的地方，仍然檢測出了除草劑的殘留物[12，13]。世界衛(wèi)生組織(World Health Organization，WHO)明文規(guī)定百草枯在水中的含量最多不能超過10 μg/L。有研究發(fā)現(xiàn)，西班牙巴塞羅納自然水體中百草枯的濃度范圍為0.3～13.7 μg/L[14]。而Fernandez等[15]對西班牙巴倫西亞自治區(qū)內(nèi)3個不同沼澤地區(qū)的灌溉河渠、河流和湖泊中的水樣進(jìn)行檢測分析，發(fā)現(xiàn)百草枯的平均濃度為0.01 μg/L，最大濃度為3.95 μg/L。因此，百草枯帶來的污染屬于世界范圍內(nèi)的難題。

3 百草枯對水生動物的毒性效應(yīng)研究

水生生態(tài)系統(tǒng)本身是一個動態(tài)的系統(tǒng)，其中存在眾多的食物網(wǎng)，而水體作為殘存百草枯的重要?dú)w集地，會對水體中的生物造成嚴(yán)重的影響，而這種影響程度可以通過水生動物的毒性效應(yīng)來進(jìn)行跟蹤。因此，就百草枯對水生動物急性毒性、生理毒性以及遺傳毒性三方面進(jìn)行研究分析。

3.1 百草枯對水生動物的急性毒性研究

對于水生動物來講，百草枯的毒性為中等為主，屬于II類等級[16]，其急性毒性與暴露的濃度關(guān)系較大。夏勇等人[17]研究了百草枯對于斑馬魚的急性毒性，研究結(jié)果表明：斑馬魚在百草枯水溶液中的死亡率與百草枯的濃度以及暴露時間密切相關(guān)，并且急性毒性呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，其96 h的LC50為35.71 mg/L，毒性等級為中等；王宏等人[18]研究了3種殺草劑對仿刺參幼參的急性毒性效應(yīng)，結(jié)果表明在三種殺草劑中百草枯的毒性最強(qiáng)，其96 h的LC50為0.13 mg/L，表現(xiàn)為中等毒性，急性中毒效應(yīng)與暴露濃度以及暴露時間呈正相關(guān)；劉麗等人[19]研究了百草枯對于尖膀胱螺的急性毒性效應(yīng)，研究結(jié)果表明：百草枯對于尖膀胱螺的96 h的LC50為1.41 mg/L，其急性毒性介于中-高等毒性之間；柴麗紅等人[20]對比了4種不同農(nóng)藥對蝌蚪的急性毒性，研究結(jié)果表明：百草枯對于蝌蚪的96 h的LC50為8.74 mg/L，其毒性等級為中等；潘雯夢子等人[21]研究了兩種常用的除草劑對于田螺的急性毒性效應(yīng)，結(jié)果表明：百草枯對田螺的SC為0.078 mL/L，毒性等級為中等。具體見表1所示。

綜合以上的研究發(fā)現(xiàn)，百草枯對于大多數(shù)水生動物均存在著急性毒性效應(yīng)，半致死濃度與個體差異有關(guān)，且中毒效應(yīng)與暴露濃度以及暴露時間均存在一定的正相關(guān)，毒性以中等毒性為主。

表1 百草枯對于水生動物的半致死量濃度以及毒性

3.2 百草枯對水生動物的生理毒性研究

在生物體內(nèi)存在各種酶，如超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase,SOD)、過氧化氫酶(Catalase,CAT)、過氧化物酶(Peroxidase,POD)、谷丙轉(zhuǎn)氨酶(Glutamic-Pyruvic Transaminase,GPT)、谷草轉(zhuǎn)氨酶(Glutamic-Oxaloacetic Transaminase,GOT))等，這些酶是生物體內(nèi)重要的防御系統(tǒng)，當(dāng)水生動物暴露在百草枯等有毒物質(zhì)環(huán)境中時會形成氧化脅迫進(jìn)而形成大量的自由基，因此需要通過酶的作用來進(jìn)行清除以保持動態(tài)平衡，進(jìn)而有效的阻止自由基對生物體造成毒害[22]；此外肝臟作為生物體內(nèi)非常重要的解毒器官，可以及時的將進(jìn)入機(jī)體或者機(jī)體自身代謝產(chǎn)生的毒素進(jìn)行分解排出體外，從而維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，因此有毒物質(zhì)進(jìn)入生物體必定會進(jìn)入肝臟細(xì)胞，因此，根據(jù)肝細(xì)胞的變化也很容易跟蹤毒物的生理毒性。百草枯對于水生動物的急性毒性只是表象，其在進(jìn)入生物體內(nèi)會造成生理毒性，進(jìn)而造成其死亡。

夏勇等人[17]研究了百草枯對于斑馬魚肝臟酶活性的影響，研究結(jié)果表明：在百草枯濃度相對較低時，染毒會強(qiáng)化SOD的酶活性，這主要是因?yàn)樗镒陨砀闻K具備一定的解毒能力；當(dāng)百草枯濃度加大時，則會抑制SOD酶的活性，這主要是因?yàn)榘俨菘輰ζ涓谓M織造成毒害作用；牛黛醇[23]研究了百草枯染毒對鯉魚SOD、CAT活性的影響，研究結(jié)果表明：SOD的活性隨著百草枯濃度的變大先上升而后降低。這表明百草枯對于水生動物的生理致毒效應(yīng)主要表現(xiàn)為破壞抗氧化系統(tǒng)的平衡；張曉紅等人[24]研究了百草枯對于金魚POD以及EST的影響，研究結(jié)果表明：在安全濃度以下時隨著濃度的增加POD逐漸增強(qiáng)而EST逐漸減弱，主要體現(xiàn)為應(yīng)急性，當(dāng)百草枯濃度較高時POD先減小而后增加，EST則先增加而后下降，酶的活性與濃度密切相關(guān)；黨炳俊[25]研究了百草枯對泥鰍的生理毒性，研究結(jié)果表明：在濃度相對較低的百草枯水溶液中，泥鰍的GPT以及GOT均隨著濃度的變大而逐漸上升；當(dāng)濃度達(dá)到一定范圍時，泥鰍的GPT以及GOT則隨著暴露時間的延長表現(xiàn)為先上升而后降低的趨勢；這說明在相對較高濃度的百草枯中染毒時泥鰍的肝臟均出現(xiàn)了損傷，因此百草枯對泥鰍具有一定的生理毒性作用。綜合以上關(guān)于百草枯對水生動物生理酶活性的研究發(fā)現(xiàn)，百草枯暴露可以導(dǎo)致水生動物體內(nèi)組織損傷，使得機(jī)體內(nèi)的酶活性發(fā)生改變，其對水生動物具備一定的生理毒性作用。

Banaee等人[26]研究了百草枯對于絲足魚的生理毒性，結(jié)果表明：百草枯染毒會導(dǎo)致絲足魚的細(xì)胞核發(fā)生形變，同時也會造成其肝細(xì)胞增生以及壞死；Ladipo等人[27]研究了百草枯對于鯰魚的生理毒性，研究結(jié)果表明：百草枯會導(dǎo)致鯰魚的細(xì)胞出現(xiàn)增生以及空泡壞死性病變；Ada等人[28]研究了百草枯對于羅非魚的生理毒性，結(jié)果表明：百草枯會造成羅非魚的肝臟形成空泡并最終造成其壞死。綜合以上的研究發(fā)現(xiàn)：百草枯對于水生動物的生理毒性宏觀上還表現(xiàn)為肝細(xì)胞的形變，在較低濃度下由于水生動物自身肝臟的解毒功能，其影響不大，但是當(dāng)濃度超過一定值時則會嚴(yán)重?fù)p傷水生動物的肝組織，在造成肝細(xì)胞核形變的同時也會造成肝臟的空泡性病變以及壞死。

3.3 百草枯對水生動物的遺傳毒性研究

細(xì)胞核試驗(yàn)是依據(jù)觀察細(xì)胞的變化來測試誘導(dǎo)效應(yīng)下染色體損傷的一種遺傳研究方法，也是一種很好的評價農(nóng)藥遺傳毒害作用的方法[29]。

謝志浩等人[30]通過采用四種不同的除草劑對泥鰍進(jìn)行染毒，通過對染毒泥鰍的細(xì)胞微核以及核的異常率進(jìn)行監(jiān)測，研究了不同致毒物質(zhì)對于泥鰍的遺傳毒性，研究顯示：百草枯對泥鰍的遺傳毒性并不表現(xiàn)出濃度效應(yīng)，即染毒濃度對其遺傳毒性關(guān)系并不大，這說明百草枯的遺傳毒性受質(zhì)變的影響，并不受量變的影響；黨炳俊等人[31]采用跟蹤百草枯染毒泥鰍血細(xì)胞DNA的方式研究了百草枯的遺傳毒性，研究結(jié)果表明：在染毒48 h后泥鰍血細(xì)胞的DNA損傷程度最為嚴(yán)重，DNA損傷比例超過75%。綜合以上分析可知：百草枯對水生動物的遺傳毒性主要受時間的影響較大，與濃度并不呈正相關(guān)，說明只要在致畸范圍內(nèi)，均會對水生動物造成一定的遺傳毒害。

4 百草枯毒性緩解的研究

針對百草枯對于水生動物的急性毒性、生理毒性以及遺傳毒性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)百草枯的毒性效應(yīng)均與其濃度以及暴露時間密切相關(guān)。在一定的濃度范圍內(nèi)，百草枯的暴露對于生物體來講影響并不大，因此針對前期使用過程中已經(jīng)進(jìn)入土壤以及水體的殘留百草枯，主要需要降低其暴露濃度。

基于百草枯自然降解慢的特點(diǎn)，韓欣等人[32]成功培育了三株可以有效、高效降解百草枯的菌株，其對百草枯的降解率最大超過86%，將其植于百草枯暴露的水體中可以有效的降低暴露的百草枯濃度；陶衛(wèi)國等人[33]開發(fā)了新型的聚羥基鐵柱撐蒙脫土，其可實(shí)現(xiàn)對百草枯的有效吸附以及原位降解，研究結(jié)果表明該種新型改性蒙脫土對百草枯的吸附效率超過99%，可以有效的去除環(huán)境中殘留的百草枯；滕洪輝等人[34]研制了一種新型的TiO2納米管催化劑，研究表明該種新型的催化劑可以有效的催化氧化百草枯，將其進(jìn)行有效的降解，處理效果非常顯著。

5 展望

百草枯的廣泛使用雖然有效的減少了農(nóng)田雜草的產(chǎn)生，為農(nóng)作物的生長創(chuàng)造了良好的生長條件，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，但是其對生物體而言存在較大的毒性效應(yīng)；雖然現(xiàn)在百草枯已經(jīng)大范圍禁止生產(chǎn)和使用，但是前期殘留的不易降解的百草枯對于土壤以及水體的持續(xù)性污染不容忽視。

通過就百草枯對水生動物的毒性效應(yīng)進(jìn)行綜述，結(jié)果表明：百草枯對于大多數(shù)水生動物均存在著急性毒性效應(yīng)，其半致死濃度與個體差異有關(guān)，且中毒效應(yīng)與暴露濃度以及暴露時間均存在一定的正相關(guān)，毒性以中等毒性為主；此外大濃度百草枯的暴露也會導(dǎo)致水生動物的生理損傷，使得機(jī)體內(nèi)的生理生化酶活性發(fā)生變化；并會在一定程度上形成遺傳毒性效應(yīng)，主要體現(xiàn)為肝細(xì)胞核形變的同時也會造成肝臟的空泡性病變以及壞死；而這三種毒性效應(yīng)均與百草枯的暴露濃度以及時間存在一定的關(guān)系；為了有效緩解殘留百草枯帶來的毒性效應(yīng)，后續(xù)需要持續(xù)的開發(fā)新型、高效的降解百草枯的菌種、化學(xué)物質(zhì)以及催化劑等來進(jìn)一步降低環(huán)境中殘留的百草枯濃度，盡可能的修復(fù)百草枯所污染的土壤、水體等。