4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶生長及葉綠素a含量的影響

鄭惠東

(福建省水產研究所、福建省海洋生物增養殖與高值化利用重點實驗室，福建 廈門 361013)

擬除蟲菊酯類農藥是上世紀七十年代人工合成的高效、低毒、廣譜殺蟲劑。面世以來，發展迅速，種類數不斷增加，目前已商品化的擬除蟲菊酯類農藥達60多種，依其化學結構的不同，可分為不含α-氰基的Ⅰ型(以聯苯菊酯、胺菊酯等為代表)和含α-氰基的Ⅱ型(以溴氰菊酯、氰戊菊酯等為代表)，廣泛應用于農、林業的病蟲害防治，效果顯著。由于擬除蟲菊酯類農藥的大量使用，使得擬除蟲菊酯類農藥可通過河流和地表徑流等途徑進入河口和海灣[1]。近年來，在水產養殖業，擬除蟲菊酯類農藥也被用于池塘養殖、貝類灘涂養殖清除敵害生物[2]、病蟲害防治[3]等，導致近岸海域擬除蟲菊酯類農藥污染逐年加劇。在水產養殖過程中，因未能掌握其對不同種類養殖生物的毒性和安全用量，常常導致漁業污染事故發生。

國內外關于菊酯類農藥對水生生物的急性毒性、亞急性毒性及其作用機理進行了較多的研究，但主要集中于魚類、甲殼類、貝類等方面[4-8]。擬除蟲菊酯類農藥對微型藻類生長的毒性效應研究也有一些報道，如氯氰菊酯對斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)生長的影響及其生理生化效應研究[9]，以及擬除蟲菊酯類農藥滅掃利對3種海水單胞藻生長的影響研究[10]。目前，擬除蟲菊酯類農藥對大型藻類的毒性效應研究鮮見報道。

海帶(Laminariajaponica)，又名昆布，是多年生大型食用藻類，營養價值和經濟價值均較高，是我國產量最大的大型經濟藻類，2018年產量達1.52×106t，占全國藻類總產量的64.9%，主產區為福建、山東、遼寧等地[11]。本研究選取海帶作為研究對象，開展溴氰菊酯、聯苯菊酯、氰戊菊酯、醚菊酯等4種擬除蟲菊酯類農藥對其生長、半抑制效應濃度(EC50)及葉綠素a(Chl a)含量影響研究，掌握其在擬除蟲菊酯類農藥暴露下的生長情況，探討擬除蟲菊酯類農藥對大型藻類的毒性效應，可為指導水產養殖科學用藥和安全生產以及保護海洋漁業生態環境提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗海帶取自福建省漳州市龍海區鎮海角海帶養殖區。實驗海帶個體均勻、體表無破損，正式實驗前在60 m2水泥池中暫養7 d，用砂濾海水流水培育。實驗海帶初始體長為(35.0±2.3) cm，其體重為(5.50±0.69) g。

溴氰菊酯農藥為山東鄒平農藥有限公司生產，農藥生產批準號為XK13-200-00208，有效成份含量為25 g/dm3(乳油)。聯苯菊酯農藥為江蘇皇馬農化有限公司生產，農藥生產批準號為HNP32017-A2706，有效成份含量為25 g/dm3(乳油)。氰戊菊酯農藥為上海悅聯化工有限公司生產，農藥生產批準號為HK13-200-00705，有效成份含量為20%(乳油)。醚菊酯農藥為廣州植物龍生物技術有限公司生產，農藥生產批準號為HNP44081-D3427，有效成份含量為100 g/dm3(懸浮劑)。

1.2 實驗條件

實驗用水為砂濾海水。實驗期間光照強度為5 000～10 000 lx，水溫范圍為18.5～20.5 ℃，鹽度范圍為30.0～31.5，pH值范圍為7.95～8.12，溶解氧含量范圍為5.96～6.55 mg/dm3。實驗容器為長方形玻璃水族箱，容積為80 L。

1.3 毒性實驗方法

在預實驗的基礎上，選取1、5、10、50、100、500 μg/dm36個梯度對海帶進行體外半靜置染毒，并設空白對照組，各組均設3個平行，每日用相同濃度藥水換水1次。各實驗組海帶數量為10株，每株用棉繩綁在葉狀體基部，懸掛于水族箱上方支架上，使整株海帶葉狀體浸沒于實驗水體內。分別于實驗后第0、2、4、8、12、16、20、24 d將實驗海帶取出，用于生物學測定和Chl a含量測定。生物學測定時將實驗海帶取出，懸掛于架子上,陰干10 min，用濾紙吸干海帶表面水份，稱量體重、體長。取海帶葉狀體中部部位進行Chl a含量測定。

1.4 數據處理

海帶增長率計算公式如下：

(1)

式(1)中：Pt為在t時段海帶的增長率(%)，W0為實驗初次測定的海帶的重量(g)，Wt為在t時段測定的海帶的重量(g)。

海帶生長抑制率或促進率計算公式如下：

(2)

式(2)中：Yt為在t時段海帶生長的抑制率或促進率(%)，Wp0為實驗組初次測定的海帶重量(g)，Wpt為實驗組t時段測定的海帶重量(g)；Wc0為對照組初次測定的海帶重量(g)，Wct為對照組t時段測定的海帶重量(g)，Chl a抑制率或促進率計算公式參照式(2)。

建立海帶生長抑制率的概率單位(Y)和擬除蟲菊酯類農藥濃度的自然對數(X)的線性方程，求解抑制率為50%的濃度為海帶的半抑制濃度值。將獲得的數據用SPSS 19.0統計軟件和Excel 2017軟件進行單因素方差分析和回歸分析，檢驗其顯著性和相關性。

2 結果與討論

2.1 4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶生長的影響

不同濃度的擬除蟲菊酯類農藥對海帶生長的影響實驗見圖1。由圖1可知，低濃度(1 μg/dm3)組4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶生長均具有促進作用(P<0.05)，其中促進作用最強的為聯苯菊酯，增長率為對照組的1.48倍；其次為氰戊菊酯，增長率為對照組的1.44倍；促進率最低的為溴氰菊酯，增長率為對照組的1.10倍。低濃度(5 μg/dm3)組溴氰菊酯和醚菊酯海帶的增長率與對照組相比均無明顯差異(P>0.05)；聯苯菊酯對海帶生長呈前期促進、后期抑制的作用，暴露4～12 d時，海帶增重量為對照組的1.03～1.19倍；暴露16～20 d時，其增重量降為對照組的80%～85%；而氰戊菊酯對海帶的生長具有顯著的抑制作用(P<0.05)，暴露2～24 d時，海帶的增長率則為對照組的48%～63%。中等濃度(10、50 μg/dm3)溴氰菊酯和聯苯菊酯對海帶生長均為初期(2～4 d)促進，隨后促進作用力減弱，抑制作用逐漸增強，其中聯苯菊酯后期對海帶生長抑制作用更為明顯，50 μg/dm3組海帶增長率為對照組的47%，明顯低于溴氰菊酯(增長率為78%)。氰戊菊酯和醚菊酯對海帶生長具有明顯抑制作用，暴露24 d時，50 μg/dm3組海帶的增長率均不到對照組的60%，生長受到中度抑制。高濃度(100、500 μg/dm3)4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶生長具有顯著抑制作用(P<0.01)，且濃度越高，暴露時間越長，抑制作用越大。其中氰戊菊酯和醚菊酯對海帶生長抑制作用尤為明顯，500 μg/dm3組海帶僅暴露4～6 d時，整條海帶葉狀體出現糜爛，顏色由褐色變為綠色、白色，海帶全部死亡。

總體上看，4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶生長的影響均呈低濃度促進、高濃度抑制作用，且隨著濃度升高和暴露時間延長，呈促進作用減弱，抑制作用增強之勢。

圖1 4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶生長的影響Fig.1 Effects of 4 pyrethroid pesticides on the growth of Laminaria japonica

2.2 4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶生長的影響程度比較

根據實驗期間4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶生長的促進率和抑制率，比較4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶生長的影響程度。由表1可以看出4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶生長的抑制作用大小依次為：氰戊菊酯≈醚菊酯>聯苯菊酯>溴氰菊酯，促進作用大小依次為：氰戊菊酯>聯苯菊酯≈溴氰菊酯>醚菊酯。

表1 4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶生長影響的比較Tab.1 Comparison of the effects of 4 pyrethroid pesticides on the growth of Laminaria japonica

2.3 4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶的半抑制效應濃度

如表2所示，4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶的24 d半抑制效應濃度為溴氰菊酯>聯苯菊酯>醚菊酯>氰戊菊酯，結合上節研究結果，4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶生長的抑制作用越大，24 d半抑制效應濃度越小。

表2 4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶的半抑制效應濃度值Tab.2 EC50 values of 4 pyrethroid pesticides to Laminaria japonica

2.4 4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶體內Chl a含量的影響

4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶體內Chl a含量的影響如圖2所示。實驗期間，各實驗組海帶體內Chl a含量呈先升后降之勢。低濃度(1、5 μg/dm3)組海帶體內Chl a含量顯著升高，從與對照組相近的水平分別上升為對照組的1.14、1.19倍，具有顯著的促進作用(P<0.05)。溴氰菊酯、聯苯菊酯、氰戊菊酯和醚菊酯中濃度(10、50 μg/dm3)組海帶體內Chl a含量受到程度不同的抑制，濃度為10 μg/dm3時各組海帶體內Chl a含量均出現抑制現象，但與對照組相比差異不顯著(P>0.05)；濃度為50 μg/dm3時，海帶體內Chl a含量分別為對照組的78.7%～88.9%、81.5%～85.1%、64.7%～81.3%和54.5%～84.1%，具有顯著的抑制作用(P<0.05)。溴氰菊酯和聯苯菊酯高濃度(100、500 μg/dm3)組海帶體內Chl a含量受到中度抑制，海帶體內Chl a含量分別為對照組的53.9%～75.2%和49.2%～79.1%，差異顯著(P<0.05)，且隨著濃度升高，抑制作用呈增強之勢。氰戊菊酯和醚菊酯高濃度(100、500 μg/dm3)組海帶體內Chl a含量受到重度抑制，差異極顯著(P<0.01)，其中500 μg/dm3時，氰戊菊酯和醚菊酯皆因海帶葉狀體嚴重糜爛而實驗中止。由此表明，4種擬除蟲菊酯農藥對海帶體內Chl a含量的影響均呈低濃度促進、高濃度抑制作用，且隨著濃度升高和暴露時間的延長，抑制作用呈增強之勢，促進作用呈減弱之勢，存在一定的濃度效應和時間效應。

圖2 4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶體內Chl a含量的影響Fig.2 Effects of 4 pyrethroid pesticides on Chl a content of Laminaria japonica

2.5 4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶體內Chl a含量的影響程度比較

根據實驗期間4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶體內Chl a含量積累的促進率和抑制率，比較4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶光合作用的影響程度。由表3可看出，4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶體內Chl a含量的抑制作用大小為醚菊酯>氰戊菊酯>聯苯菊酯>溴氰菊酯，促進作用大小為溴氰菊酯>聯苯菊酯>醚菊酯>氰戊菊酯。

表3 4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶Chl a含量影響的比較Tab.3 Comparison of the effects of 4 pesticides on Chl a content of Laminaria japonica

2.6 討論

擬除蟲菊酯類農藥對海洋大型藻類的毒性效應研究鮮見報道，僅王朝暉等(2010)研究了氯氰菊酯對龍須菜(Gracilarialemaneiformis)的脅迫影響，發現濃度為50 μg/dm3時仍對龍須菜生長具有顯著促進作用，100 μg/dm3以上的濃度才會對龍須菜生長產生明顯抑制作用[1]。本研究表明，海帶暴露于不同濃度的4種擬除蟲菊酯類農藥，濃度為1 μg/dm3時溴氰菊酯、聯苯菊酯、氰戊菊酯、醚菊酯對海帶生長均表現為促進作用，濃度為5 μg/dm3時部分農藥如氰戊菊酯、聯苯菊酯就對海帶生長開始表現出抑制作用。相比龍須菜而言，擬除蟲菊酯類農藥在較低濃度時(5 μg/dm3)就對海帶生長表現出抑制作用，50 μg/dm3以上則表現出較強抑制作用。可見，擬除蟲菊酯類農藥對海帶生長的抑制作用遠大于龍須菜。這可能與不同藻類對農藥的敏感性不同有關，亦或海帶葉狀體表面積比龍須菜大得多，乳油或懸浮狀的擬除蟲菊酯類農藥投入水體后，較易沉降粘附于葉狀體表面，從而導致對海帶毒性效應更加明顯。總體上，擬除蟲菊酯類農藥對海帶和龍須菜的生長均存在低濃度促進、高濃度抑制現象，王朝輝(2012)、李春宇等(2018)等對微藻的研究也存在類似現象[9-10]。已有研究表明，低濃度有毒物質對藻類生長的增益現象屬于生物對毒物的“興奮效應”[1]，低濃度暴露下，污染物增加了藻細胞內部分酶的活性[12]，促進了藻類的代謝和生物降解[13-14]，從而促進其生長；而當污染物濃度超過生物的耐受限度時，則會產生毒害作用，并抑制藻類生長[1]。

葉綠體是植物細胞生命活動中十分重要的能量轉換細胞器，為細胞進行正常生命活動提供所必需的能量[15]。Chl a是所有光能自養生物共同擁有的光合色素，與植物的生長密切相關。已有研究表明，農藥能改變藻類Chl a的含量，從而影響光合作用。例如，濃度為2 mg/dm3和4 mg/dm3的殺草丹可使灰色念珠藻(Nostocmuscorum) Chl a的含量分別下降56%和74%，進而抑制光合作用[16]；敵稗通過抑制喜鈣念珠藻(Nostoccalcicola)Chl a的合成，進而抑制其光合作用[17]；在氯氰菊酯脅迫下，低濃度氯氰菊酯能使龍須菜體內的Chl a含量增加，從而保證脅迫條件下藻體光合作用的需求，并且Chl a含量變化表現出低濃度促進、高濃度抑制的現象[1]。本研究表明，實驗前、中期，低濃度(1 μg/dm3)的4種擬除蟲菊酯類農藥均能使海帶體內的Chl a含量明顯增加，表現出明顯促進作用。但后期低濃度組Chl a含量逐漸恢復正常，表明在染毒一段時間后，藻體對低濃度農藥已逐步適應，促進作用減弱。低濃度下農藥對藻類的促進作用可能與農藥被藻類吸收后藻體內葉綠體酶活性受到誘導，進而促進葉綠體的合成及植物的光合作用有關[1]。相反，高濃度(大于100 μg/dm3)組海帶體內的Chl a含量明顯下降，表現出較強抑制作用。農藥對藻類光合作用抑制機理較為復雜，Mohapatra等(1997)研究表明樂果能改變類囊體膜的流動性，抑制光合作用電子傳遞[18]。Sáenz等(1997)認為草甘膦抑制葉綠素前體的合成，從而影響光合作用[19]。王朝暉等認為，高濃度的擬除蟲菊酯類農藥暴露可能干擾色素的合成，并導致色素的降解，從而使Chl a含量急劇下降[1]。另外，染毒一段時間后，高濃度組海帶藻體的顏色由褐色變為綠色，甚至退為白色，導致藻體Chl a含量一直處于低位，無法恢復到正常水平，這可能與農藥濃度高于藻類可承受限度后，藻體內正常的生命活動如褐藻蛋白等的合成受到干擾破壞有關[20-21]。

4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶體內Chl a含量的影響程度明顯不同，其中抑制作用大小為醚菊酯>氰戊菊酯>聯苯菊酯>溴氰菊酯。醚菊酯對海帶的光合作用的抑制效應最高，這與醚菊酯農藥為懸浮劑，投入水體后，懸浮于表、中層，水體渾濁呈乳白色，且不斷沉降粘附于海帶葉狀體表面阻礙海帶的光合作用有關。因此，作為低毒農藥的醚菊酯對海帶生長的毒害可能是物理和化學因素共同作用的結果。

擬除蟲菊酯類農藥屬神經毒劑，對魚、蝦等水生動物具有極高的毒性，如聯苯菊酯對真鯛(Pagrusmajor)的96 hLC50為0.84 μg/dm3[22]，溴氰菊酯對遠海梭子蟹(Portunuspelagicus)和日本囊對蝦(Marsupenaeusjaponicas)的96 hLC50分別為0.11、0.14 μg/dm3[23]，氰戊菊酯對日本囊對蝦(Marsupenaeusjaponicas)的96 hLC50為0.31 μg/dm3[24]。已有研究表明，在海水養殖區，溴氰菊酯作為病害防治的極限濃度為5 μg/dm3[25]。因此，在開放海域使用擬除蟲菊酯類農藥清除敵害生物具有較高的生態風險，應避免使用。擬除蟲菊酯類農藥對藻類毒性較低，其毒性效應無法用半致死濃度來表示，只能根據農藥對藻類生長的抑制率來計算半抑制效應濃度。本研究表明，4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶的半抑制效應濃度差異顯著，其中毒性最低的溴氰菊酯半抑制效應濃度分別為氰戊菊酯和醚菊酯的7.7倍和5.6倍。氰戊菊酯和醚菊酯即使在低濃度(5 μg/dm3)下對海帶的生長也有明顯抑制作用，其毒性明顯高于聯苯菊酯和溴氰菊酯。因此，即使在室內或池塘使用擬除蟲菊酯類農藥進行病害防治或殺滅敵害生物，也應嚴格甄選擬除蟲菊酯類農藥的品種，并掌握其安全用量，使用濃度建議不高于5 μg/dm3。

3 結論

(1)4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶生長的影響均呈低濃度促進、高濃度抑制作用，且隨著濃度升高和暴露時間延長，呈促進作用減弱，抑制作用增強之勢。對海帶的半抑制效應濃度分別為82.4、53.0、10.7、14.6 μg/dm3，抑制作用大小為氰戊菊酯≈醚菊酯>聯苯菊酯>溴氰菊酯。

(2)4種擬除蟲菊酯類農藥對海帶體內Chl a含量的影響均呈低濃度促進、高濃度抑制作用，且隨著濃度升高和暴露時間的延長，抑制作用呈增強之勢，促進作用呈減弱之勢，存在一定的濃度效應和時間效應。對海帶體內Chl a含量的抑制作用大小為醚菊酯>氰戊菊酯>聯苯菊酯>溴氰菊酯，促進作用大小為溴氰菊酯>聯苯菊酯>醚菊酯>氰戊菊酯。

(3)在開放海域使用擬除蟲菊酯類農藥清除敵害生物具有較高的生態風險，應避免使用。在室內或池塘中使用擬除蟲菊酯類農藥進行病害防治或殺滅敵害生物時，也應嚴格甄選擬除蟲菊酯類農藥的品種，并掌握其安全用量，使用濃度建議不高于5 μg/dm3。

致謝：福建省水產研究所鐘碩良、許貽斌、鄭盛華、陳宇鋒、姜雙城、羅冬蓮等參與了實驗設計和樣品測定,在此一并感謝！