除草劑殘留生物檢測研究進展

周挺 肖順 陳濤 林天然 林偉 黎炳水 李春英 顧鋼

摘要 土壤中除草劑殘留對環境有負面影響，相較于復雜的化學檢測方法，生物檢測法可以直觀快速地監測除草劑殘留，預警潛在的風險。綜述了除草劑殘留生物檢測技術的研究進展，分析存在的問題，展望今后的發展方向，為除草劑殘留快速檢測研究提供思路。

關鍵詞 除草劑;生物檢測;殘留;風險

中圖分類號 S481+.8? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）11-0011-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.11.004

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

The Research Progress on Biological Detection of Herbicide Residues

ZHOU Ting1， XIAO Shun2， CHEN Tao3 et al

（1.Fujian Provincial Tobacco Company， Fuzhou， Fujian 350003; 2.College of Plant Protection， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian? 350002; 3.Fujian Sanming Tobacco Company， Sanming， Fujian? 365000）

Abstract Herbicide residues in soil have a negative impact on the environment. Compared with complex chemical detection methods， bioassay can directly monitor herbicide residues and early warn potential risks. This paper reviews the research progress of herbicide residue bioassay technologies， and makes prospects for the future development direction， to provide ideas for rapid detection of herbicide residues.

Key words Herbicide;Biological detection;Residue;Risk

農業生產中使用的除草劑大部分直接或間接進入農田土壤中[1]，殘留在土壤不同深度空間[2]，除草劑在土壤中的殘留既涉及除草劑的效果與持效期，又涉及對輪作的后茬作物的安全性[3]。同時，土壤中的除草劑通過淋溶、流域排水、降雨等作用，直接或間接地污染地表水和地下水，部分除草劑還可遷移至農作物，最終暴露于人體[4-6]。因此，為了改善環境、保障人類健康，檢測土壤中除草劑的殘留具有重要的現實意義。化學檢測方法雖可達到更小的檢測量和更高的靈敏度，但操作復雜且費時，作為對于檢測方法的補充，生物測定法已被證實可以用于檢測低量的生物可利用除草劑殘留[7]。研究表明，土壤生物活性可作為監測土壤是否被農藥污染的指標，通過監測生物特征變化，可快速評價土壤中農藥殘留潛在的毒性[8]。有些指示生物的檢測靈敏度甚至好于儀器檢測法[9]。該研究綜述了除草劑殘留對不同指示生物的影響，為除草劑殘留快速檢測研究提供一定的思路。

1 指示植物監測除草劑殘留

除草劑殘留對植物根莖生長存在明顯的抑制作用[10]。

20世紀80年代，Hsiao等[11]報道采用玉米檢測土壤中綠磺隆殘留的方法，建立了玉米主根長度與氯磺隆濃度之間的線性回歸模型。國內研究者對該方法加以改進，建立了曲線回歸模型，來描述氯磺隆濃度與玉米主根長或抑制率之間的關系[12-13]。陸強[14]采用土壤添加法測定了綠磺隆、甲磺隆和胺苯磺隆殘留對玉米根長的抑制率，并通過線性關系計算得出3種除草劑在不同土壤中的檢測下限。基于玉米作為指示植物進行除草劑生測的研究較多，2006年農業部制定了除草劑室內生物測定試驗準則（玉米根長法）[15]，統一了檢測手段和技術標準。趙長山等[16]對玉米根長法除草劑生物測定的試驗裝置進行了改進，降低了裝置問題導致出現誤差的可能性。高世杰等[17]還利用氟磺胺草醚對玉米株高的抑制作用，建立了氟磺胺草醚玉米生物測定方法——玉米株高法。

其他指示植物方面，劉伊玲等[18]研究表明，豌豆、黃瓜的幼根是測定甲草胺在土壤中殘留量的敏感試材，豌豆生測法可以較準確的測定甲草胺在土壤中的殘留動態。De Barreda等[19]利用番茄幼苗檢測水體中的芐嘧磺隆和二氯喹啉酸，檢測限分別可達到1和100 μg/L。李琤等[20]采用油菜根法，可在72 h內獲得油菜根長對土壤中甲磺隆和綠磺隆的標準曲線，檢測其在土壤中的殘留量和降解規律。Ortega等[7]采用一年生開花植物獨行菜（ Lepidium sativum ?L.var. cresson ）作為指示植物，通過計算其在土壤中不同時間的死亡率和到達花期時的存活率來檢測土壤中三嗪類除草劑的殘留。劉亞光等[21]研究表明，小麥株高和玉米葉綠素可作為除草劑廣滅靈在土壤中殘留的生物測定指標。Szmigielski等[22]建立了芥菜根長法，檢測土壤中的氟唑磺隆殘留，檢測過程僅需3 d，使用該方法對作物產量損失進行預測，準確性高于化學檢測。Ranft等[23]采用芥菜作為指示植物，測定土壤中的綠草定（triclopyr）殘留，檢測結果與化學方法十分接近。徐子晶等[24]研究發現，當土壤中二氯喹啉酸濃度在0.7～8.0 mg/kg時，花生株高與濃度存在一定的線性關系。馮莉等[25]采用龍葵盆栽法，檢測稻田中二氯喹啉酸殘留量，預測后茬作物藥害的發生，若出苗推遲2～3 d，株高抑制率超過50%，葉片畸形率超過70%，即可判定輪作馬鈴薯會發生藥害。Loureno等[26]研究表明，小葵子（ Guizotia abyssinica ?Cass.）對甲磺草胺（sulfentrazone）較敏感，可作為良好的甲磺草胺指示植物，用于評估土壤中甲磺草胺的殘留。周星洋等[27]以葉長、葉寬的抑制率為指標，采用盆栽烤煙（K326）法測定二氯喹啉酸的殘留，與高效液相色譜法的結果一致，可用于預警種植烤煙的風險。Khalil等[28]用黑麥草（ Lolium multiflium ?Lam.）、黃瓜（ Cucumis sativus ?L.）和甜菜（ Beta vulgaris ?L.），采用平皿法檢測土壤中芐草丹（prosulfocarb）、砜吡草唑（pyroxasulfone）和氟樂靈（trifluralin）的殘留，建立了以莖長為指標的檢測曲線，與化學法的結果顯著相關。

2 指示微生物監測除草劑殘留

土壤微生物是土壤中最敏感的生物標記之一，土壤環境微小的變動都會引起微生物多樣性變化，尤其是土壤受化學品污染后，土壤微生物群落會發生顯著的變化。除草劑對土壤微生物豐富度影響較小，但顯著影響微生物群落結構[29]。鄧曉等[30]研究了草甘膦對土壤微生物的影響，在供試濃度范圍內，草甘膦對細菌、放線菌和真菌都有抑制作用，存在明顯的劑量效應，放線菌和真菌較細菌對草甘膦敏感。江雪飛等[31]利用活菌計數法檢測氯磺隆對土壤微生物群落結構的影響，結果表明土壤微生物對氯磺隆的敏感程度是放線菌>細菌>真菌。宿翠翠等[32]采用富集培養和平板稀釋法研究了氟樂靈、百草枯、溴苯腈、精喹禾靈和氟磺胺草醚對土壤細菌、放線菌群落的影響，其中氟樂靈、百草枯、溴苯腈和精喹禾靈對細菌、放線菌有一定抑制作用，且存在劑量效應，氟磺胺草醚對細菌、放線菌則有輕微的促進作用。根據除草劑對土壤微生物不同的影響特性，可將土壤微生物的變化作為土壤生態系統變化的預警指標。

俞慎等[33]研究表明，土壤微生物生物量能靈敏地檢測出土壤被多效唑和殺蟲脒污染的程度，這些微生物指標的變化可以用于建立農用有機物質對土壤污染狀況的分級評價系統。徐建民等[34]將氯磺隆、甲磺隆和芐嘧磺隆等按照1 mg/kg的用量加入土壤，在施用后最初 10 d可顯著降低土壤微生物生物量，此后隨著時間的延續，抑制效應逐步減小。汪海珍等[35]研究發現，土壤微生物群落尤其是放線菌，對甲磺隆結合態殘留物反應比較敏感，甲磺隆對不同土壤中的放線菌有強烈抑制作用，最高可達100%，土壤放線菌可作為評價甲磺隆殘留污染土壤生態環境效應的指標。姚斌等[36]采用盆栽試驗方法研究了阿特拉津除草劑對土壤微生物生態特征的影響，結果表明，阿特拉津處理的前30 d，土壤微生物生物量碳表現出抑制-恢復-下降-平緩的發展過程，該變化所反映出的土壤微生物生態特征指標，可作為除草劑污染土壤環境質量變異的參考指標。郭興華等[37]采用乙草胺作為土壤污染因子，研究其對土壤微生物及土壤微生物量碳的影響，結果發現，乙草胺對真菌的抑制不明顯，在短時間抑制過程中，細菌、放線菌數量以及微生物量碳與乙草胺濃度的對數之間有很好的劑量效應關系，土壤中細菌、放線菌數量以及微生物量碳可作為短期污染條件下土壤中乙草胺污染狀況的指示指標。

3 指示藻類監測除草劑殘留

藻類個體小、繁殖快、易培養，對不同的除草劑存在明顯的響應差異，除草劑對藻類的生物毒性能敏感的反映在藻類的生長上[38]，可用于環境安全的評價，國內外都有藻類生物測試方法標準[39-40]。

鄧海華等[41]以柯氏綠藻為試材建立了阿特拉津生物測定方法，靈敏度高達0.01 mg/L，測定過程只需1～2 d，周期短、準確性高。阮祚禧等[42]報道較低濃度的草甘膦即對可食用藻類葛仙米（ N.sphaeroides ）的生長有較強抑制作用，高濃度處理時葛仙米出現負生長，草甘膦濃度達0.6 mmol/L時藻體變白無光合活性。Novis等[43]采用ToxY-PAM（pulse-amplitude-modulation）方法，測定了小球藻（ Chlorella ?sp.）、新氯藻（ Neochloris ?sp.）和 Choricystis minor. 3種藻類對草甘膦的敏感性，結果顯示小球藻（ Chlorella ?sp.）最為敏感，可用于水質的監測，但敏感程度仍與歐盟的要求（0.1 μg/L）有差距。葉丹等[44]報道了在阿特拉津、敵草隆和西瑪津脅迫下，斜生柵藻、蛋白核小球藻和羊角月牙藻的響應，其中羊角月牙藻對除草劑敏感，可作為監測3種除草劑的指示生物。陳小娟等[45]利用藻類在線水體檢測系統（A-TOX）檢測了阿特拉津對蛋白核小球藻（ Chlorella pyrenoidosa）、萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）和斜生柵藻（Scenedesmus obliquus ）光合作用的抑制作用，結果表明低濃度阿特拉津在短時內對3種綠藻光合作用的抑制效應隨著阿特拉津濃度的增加而顯著上升，其中萊茵衣藻對阿特拉津最敏感，可以作為在線水體監測系統的測試藻。趙德華等[46]研究了莠去津、敵稗、敵草隆、滅草松及其混合劑對蛋白核小球藻、銅綠微囊藻、斜生柵藻光合特性的影響，無論除草劑單獨或混合脅迫，都能顯著降低藻細胞類囊體膜中光系統Ⅱ的最大光合效率和實際光合效率，同時還可以使葉綠素熒光強度下降。鄭凱等[47]應用新型大面積調制葉綠素熒光成像系統，以蛋白核小球藻作為指示生物，以光合作用抑制劑敵草隆和莠滅凈為測試物質，建立了微孔板式藻毒性檢測方法，當藻細胞暴露濃度在3.45×106～5.28×106 cell/mL，暴露時間為2 h，毒性檢測最靈敏，并成功應用于石油廢水的檢測。Thomas等[48]應用敵草隆、西瑪津等7種光合作用抑制型除草劑測定隱藻（ Rhodomonas salina ）的敏感性，隱藻光合作用降低和生長量的降低幅度，在一定范圍內與除草劑濃度線性相關，可以用于監測熱帶海洋生態系統中除草劑的污染。總之，藻類對類型或結構不同的除草劑存在敏感性的差異[49]，可以選擇合適的敏感藻監測或指導除草劑的使用。

4 討論與展望

我國是農業大國，農業生產使用的除草劑種類繁多，除草殘留造成作物藥害、環境污染等問題的風險也很大。化學方法雖然準確率和精度都很高，但是大多依賴于先進的儀器設備，同時在檢測前必須對樣品進行復雜的前處理，檢測人員需要有較強的專業背景和熟練的操作技術，這就限制了其在一些基層農業部門或者廣大農村地區的應用推廣。農藥殘留生物測定方法是利用生物的生理生化反應來判斷農藥殘留的活性以及農藥污染的情況，在測定時無需前處理或前處理比較簡單、速度快、直觀[21]，尤其是指示植物法，操作技術也相對簡單，適合在基層地區應用和推廣。

但生物測定法在實際應用中也存在一定的局限性。如1種植物往往只針對1種除草劑，如果同一田塊使用了多種除草劑或復配劑，指示植物法就無法測出各種除草劑的殘留量[22]。不同種類的微生物對不同的除草劑所表現出的響應不同，可能表現出抑制或刺激作用，該作用持續的時間也較短暫[50]，且微生物群體變化和變化過程十分復雜，測定結果可能出現不確定性。除此之外，有些除草劑如莠去津在不同時段對細菌、放線菌和真菌的作用會發生顯著變化，且整個過程時間較長[51]，使其評價范圍存在局限性。隨著農業技術的發展，許多新型除草劑陸續涌現，如納米農藥的使用[52-54]，使除草劑在環境中的遷移轉化過程更趨復雜，改變了除草劑原有的毒性效應，其對微生物、藻類等的影響也可能隨之改變。

為了實現除草劑殘留的快速檢測，為農業生產提供最直接的參考，還需進一步開展檢測技術的研究與應用。①除草劑快速檢測指示生物體系的建立。采用不同的鑒別寄主可確定稻瘟菌、青枯菌等病原菌的生理小種[55-56]，同理，可通過篩選對不同除草劑敏感性不同的植物、微生物、藻類等，建立同類型除草劑指示生物體系，通過觀測指示生物在除草劑脅迫下的不同響應類型，既可確定除草劑種類又可以快速檢測除草劑殘留濃度，快速評估除草劑藥害風險，適用于基層。②除草劑劑型的改變可能影響其在環境中的遷移轉化規律以及對指示生物的影響等，因此需開展同種除草劑不同劑型對指示生物影響的研究，為建立新型除草劑生物監測技術提供依據。③加快除草劑快速檢測生物傳感器的研究與應用。生物傳感器是將生物識別元件和信號轉換元件緊密結合，從而檢測目標化合物的分析裝置[57]。在農藥殘留的檢測中較常用的有酶傳感器和基于免疫原理的傳感器[58]，但此類檢測方法與化學方法相比在檢測限、靈敏度、重復性方面都存在一定的不足，較難達到定量檢測的目的，因此有必要開展農殘快速定量檢測生物傳感器的研究與應用。

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