草甘膦對非靶標生物的毒性研究進展

張合彩，楊玉娟，石長應(yīng)，陳廣文

河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新鄉(xiāng) 453007

隨著全球轉(zhuǎn)基因作物播種面積的大幅擴大和我國農(nóng)業(yè)耕作栽培制度的改變，化學(xué)除草劑已成為國內(nèi)外農(nóng)藥行業(yè)中發(fā)展最快的領(lǐng)域，其中以草甘膦最為突出。草甘膦(glyphosate)化學(xué)名稱為N-膦酸甲基甘氨酸，商品名為鎮(zhèn)草寧、農(nóng)達，是20世紀70年代開發(fā)出來的一種廣譜除草劑，可控制世界上危害最大的78種雜草中的76種。由于劑型較多且不具選擇性，草甘膦不僅被用于各種農(nóng)田雜草的防除，也被用于非農(nóng)田雜草的治理。目前，草甘膦已成為世界農(nóng)藥中用量最大、應(yīng)用范圍最廣、年銷售量最高的除草劑[1]。隨著草甘膦使用范圍的擴大、用量的增加，農(nóng)藥噴灑、雨水沖刷、植物根系吸收轉(zhuǎn)移等可使其進入環(huán)境并造成污染，目前在全球范圍表層水體中已發(fā)現(xiàn)草甘膦的存在。在阿根廷表層水、沉積物和土壤樣品中已有草甘膦檢出的報道[2-4]，而美國河流也檢測到草甘膦含量高達2.2 mg·L-1[5]。此外由于草甘膦具有很強的滲透性，導(dǎo)致其在農(nóng)作物及土壤中殘留下來并通過食物鏈進入人體，進而影響人類健康[6]。據(jù)報道，草甘膦不僅對蚯蚓等土壤動物以及魚類、兩棲類等具有毒性作用，而且對大鼠等哺乳動物乃至人類的免疫系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等也具有一定的毒性作用[7-11]。本文就國內(nèi)外關(guān)于草甘膦對非靶標生物的毒性研究從水生/兩棲動物、土壤生物、哺乳動物以及人群等4個方面作以綜述，以期為草甘膦的生態(tài)毒性和環(huán)境風險評價提供數(shù)據(jù)資料，為其合理使用提供理論指導(dǎo)。

1 草甘膦對水生/兩棲動物的毒性(Toxicity of glyphosate on aquatic and amphibious animals)

草甘膦可以通過各種途徑進入河流、湖泊、海洋等水體中，并經(jīng)由食物鏈進入各營養(yǎng)級水生生物體內(nèi)。一旦草甘膦存在于水生態(tài)系統(tǒng)中，便可以通過降低物種多樣性，改變?nèi)后w結(jié)構(gòu)，改變能量流動模式、營養(yǎng)循環(huán)以及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和彈性來降低環(huán)境質(zhì)量并影響重要的生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)。近年來，在水源中檢測到草甘膦殘留的現(xiàn)象越來越頻繁，大量研究表明一定濃度的草甘膦會對魚類、兩棲類的生長發(fā)育、生殖以及抗氧化系統(tǒng)等產(chǎn)生影響[12-14]。

1.1 對魚類的毒性

魚類是水環(huán)境中的一大類群，也是水生生物學(xué)研究的主要對象之一。近年來由于草甘膦的大量使用造成了一定程度的水體污染，從而使魚類的生存也受到了嚴重威脅。目前，關(guān)于草甘膦對魚類的毒性作用已逐漸被關(guān)注。陳建華等[15]發(fā)現(xiàn)低濃度草甘膦可誘發(fā)斑馬魚(Daniorerio)外周血紅細胞微核及核異常。經(jīng)一定濃度的草甘膦暴露后，斑馬魚紅細胞的微核率顯著增加，并呈現(xiàn)明顯的劑量-效應(yīng)關(guān)系；核異常結(jié)果進一步說明草甘膦不僅能損傷細胞核而且也能損傷其內(nèi)的染色體，這表明草甘膦對斑馬魚具有遺傳毒性。此外，草甘膦暴露還可影響斑馬魚的發(fā)育及行為，Zhang等[16]的實驗表明草甘膦暴露會導(dǎo)致斑馬魚發(fā)育遲緩、發(fā)育畸形、死亡率增加；同時還導(dǎo)致幼體斑馬魚運動神經(jīng)元受損，從而活動增強。而關(guān)于青鳉魚(Oryziaslatipes)的研究也表明草甘膦暴露會使青鳉魚孵化率降低且出現(xiàn)發(fā)育畸形[17]。Sobjak等[18]用草甘膦暴露克林雷氏鯰魚(Rhamdiaquelen)，與對照組相比處理組的存活率顯著降低，在處理12 h時其膽堿酯酶(ChE)和谷胱甘肽還原酶(GR)均呈誘導(dǎo)趨勢，暴露至72 h時，谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GST)活力明顯升高，而過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽還原酶(GR)、脂質(zhì)過氧化(LPO)產(chǎn)物及膽堿酯酶等生物標志物(biomarker)則被抑制，這說明草甘膦的急性暴露對克林雷氏鯰魚有致死效應(yīng)且可引起其抗氧化系統(tǒng)變化和神經(jīng)毒性。夏爽[19]利用梯度濃度的草甘膦處理青鳉魚，結(jié)果發(fā)現(xiàn)草甘膦作為一種環(huán)境雌激素抑制雌激素代謝酶CYP1A、CYP1B、CYP3A和CYP17的表達，導(dǎo)致雄魚體內(nèi)雄激素合成和雌激素代謝被抑制。綜上所述，草甘膦對魚類的毒性作用主要表現(xiàn)在致死效應(yīng)、遺傳毒性、發(fā)育毒性以及對其抗氧化系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、運動行為等的影響。

1.2 對兩棲類的毒性

目前兩棲動物被認為是受威脅最嚴重的動物類群[20]，已超過40%的物種面臨滅絕危險，現(xiàn)已提出農(nóng)藥的廣泛使用是使其種群數(shù)量減少的主要因素之一[21]。目前，國內(nèi)外已有許多關(guān)于除草劑草甘膦對兩棲動物毒性作用的研究報道[22-26]。草甘膦對中華大蟾蜍(Bufogargarizans)蝌蚪的毒性作用研究表明：亞致死劑量的草甘膦對其生長發(fā)育和運動速率具有明顯抑制作用，且草甘膦處理濃度與蝌蚪的運動速率之間存在負相關(guān)關(guān)系[22]。Moore等[24]發(fā)現(xiàn)在草甘膦慢性暴露下，木蛙(Lithobatessylvatica)蝌蚪的活動明顯減少。Mikó等[25]也發(fā)現(xiàn)捷蛙(R.dalmatina)蝌蚪在接觸草甘膦后活動明顯減弱，這表明草甘膦對蝌蚪的行為有一定的影響。除此之外，Edginton等[26]研究了草甘膦對非洲爪蟾(Xenopuslaevis)、美國蟾蜍(Anaxyrusamericanus)、青銅蛙(Ranaclamitans)和豹蛙(Ranapipiens)4種兩棲動物胚胎期和幼體期死亡率的影響，結(jié)果表明幼體期死亡率更高，這說明幼體期比胚胎期對草甘膦更為敏感。同樣，Jones等[23]也發(fā)現(xiàn)草甘膦對美洲林蛙(R.sylvatica)和美國蟾蜍蝌蚪的毒性大小與其齡期存在密切關(guān)系，草甘膦所致死亡率在早期蝌蚪中最高。Mikó等[27]用草甘膦暴露普通蟾蜍(Bufobufo)蝌蚪后發(fā)現(xiàn)年幼蝌蚪比年老蝌蚪在生存、變態(tài)時間以及變態(tài)時體重等方面均表現(xiàn)出比年老蝌蚪更強的草甘膦敏感性，且該年齡依賴性在高濃度組更為明顯。上述研究表明草甘膦暴露可影響兩棲動物的發(fā)育、行為等且該毒性效應(yīng)存在顯著的年齡依賴性，這些研究結(jié)果對田間農(nóng)藥施用時間的選擇十分重要。施用草甘膦農(nóng)藥時要考慮兩棲動物的繁殖和發(fā)育時期，盡量避免蝌蚪在最敏感的發(fā)育早期接觸草甘膦，這樣才能減少對它們的人為傷害，從而保護蛙類物種的多樣性。

2 草甘膦對土壤生物的毒性(Toxicity of glyphosate on soil organisms)

土壤生物是土壤的重要組成部分，并且在有機質(zhì)轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分循環(huán)與釋放、物質(zhì)分解等生化過程中扮演著重要角色。近年來，由于草甘膦的大量使用并通過雨水滲透等作用進入土壤，從而對各種土壤生物造成影響。

2.1 對土壤微生物的毒性

土壤生物群落中物種比較豐富的是土壤微生物，它們在土壤中通常以共生狀態(tài)存在，大部分在生態(tài)系統(tǒng)中擔當分解者的角色，是土壤的重要組成部分，也是用來評價農(nóng)藥對生態(tài)環(huán)境安全性的一類重要指示生物。草甘膦對土壤微生物的毒性作用主要表現(xiàn)為影響呼吸作用，抑制生長，降低種群數(shù)量。鄧曉和李雅琦[28]的研究表明不同濃度的草甘膦制劑可以抑制土壤中細菌、放線菌和真菌的生長速率且抑制程度不同，即：放線菌>真菌>細菌；另外，研究還發(fā)現(xiàn)草甘膦會降低土壤微生物的種群數(shù)量，但是隨著處理時間的延長，這種抑制作用又逐漸減弱。陶波等[29]研究了草甘膦對土壤呼吸、土壤可培養(yǎng)菌種群數(shù)量、大豆固氮根瘤菌和大豆根腐鐮刀菌數(shù)量的影響，結(jié)果表明隨著草甘膦濃度的加大，土壤呼吸的抑制作用增強；土壤可培養(yǎng)菌種群數(shù)量隨草甘膦濃度的升高其抑制作用逐漸增強，但隨著草甘膦加入時間的延長，真菌、細菌、放線菌的種群數(shù)量又有所恢復(fù)；此外，研究還發(fā)現(xiàn)草甘膦對大豆固氮根瘤菌的抑制作用與其濃度呈正比，但低濃度草甘膦對根腐鐮刀菌有激活作用，高濃度則抑制。另有研究發(fā)現(xiàn)草甘膦重復(fù)施用對菌根真菌(AMF)、深色有隔內(nèi)生菌(DSE)以及自生固氮菌等不同類型的有益土壤微生物有毒性影響，其中亞致死劑量草甘膦第4次施用后，菌根真菌活菌孢子和自生固氮菌密度分別降低了56%和82%[30]。Allegrini等[31]研究發(fā)現(xiàn)重復(fù)施用草甘膦提高了整個細菌群落和特定群體氨氧化細菌(AOB)的呼吸商(RQ)，其原因可能是由于草甘膦影響了土壤中C、N循環(huán)的關(guān)鍵過程。

2.2 對蚯蚓的毒性

蚯蚓是土壤生物中生物量相對較大的一類動物，并在土壤物理性質(zhì)改良方面起著關(guān)鍵作用。由于草甘膦可以在土壤中殘留和遷移，可能會對蚯蚓產(chǎn)生一定的毒性作用。蚯蚓是土壤健康的關(guān)鍵指示生物，有研究發(fā)現(xiàn)草甘膦施用于土壤后蚯蚓生物量減少[32-33]。另外還有研究表明，蚯蚓可以在草甘膦施用后繼續(xù)生存，但草甘膦可能會通過影響卵繭的孵化而使其數(shù)量減少[34-35]。Yasmin和D’Souza[36]研究了草甘膦制劑對赤子愛勝蚓(Eiseniafetida)的生物毒性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)草甘膦能夠抑制蚯蚓的生長，并且降低了蚯蚓的卵繭量。García-Torres等[37]研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓Octolasiontyrtaeum比赤子愛勝蚓對草甘膦更為敏感，在較低濃度草甘膦(5 000 mg·kg-1)處理時，O.tyrtaeum與對照相比體重顯著減輕，而赤子愛勝蚓體重并未受到影響；當高濃度(50 000 mg·kg-1)暴露至7 d時O.tyrtaeum的死亡率為100%，而赤子愛勝蚓僅為71%。Gaupp-Berghausen等[38]評估了草甘膦對深棲蚯蚓(Lumbricusterrestris)和內(nèi)棲蚯蚓(Aporrectodeacaliginosa)2種蚯蚓的影響，結(jié)果表明草甘膦施用后3周時，深棲蚯蚓的活動幾乎停止，而內(nèi)棲蚯蚓的活動未受影響。另外，研究還發(fā)現(xiàn)草甘膦施用后3個月內(nèi)，土壤中蚯蚓的繁殖減少了56%。國內(nèi)也有研究表明，用一定劑量的草甘膦處理赤子愛勝蚓可引起其環(huán)帶充血腫大、斷節(jié)等中毒癥狀[39]?？傊欢舛鹊牟莞熟ν寥绖游矧球揪哂卸拘宰饔?，其毒性主要體現(xiàn)在抑制活動，影響生長，損傷環(huán)帶，降低卵繭量，影響卵繭孵化，最終減少其生物量。

3 草甘膦對哺乳動物的毒性(Toxicity of glyphosate on mammals)

除草劑能破壞哺乳動物的內(nèi)分泌功能和免疫系統(tǒng)，并且對動物體有生殖毒性和細胞毒性。近年來，國內(nèi)外研究者已經(jīng)在模式動物大鼠、小鼠中做了大量工作[40-43]。Larsen等[42]研究除草劑草甘膦和敵敵畏對Wistar大鼠不同組織中乙酰膽堿酯酶(AChE)活性的影響，結(jié)果表明草甘膦對雄性和雌性大鼠組織中的AChE活性均有抑制作用。Owagboriaye等[43]用草甘膦處理雄性大鼠，結(jié)果表明在不同濃度草甘膦作用下，受試動物睪酮、卵泡刺激素(FSH)和促黃體激素(LH)水平與對照組相比顯著下降，而催乳素則顯著升高；其睪丸組織中超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)活力及谷胱甘肽(GSH)水平顯著降低，而丙二醛(MDA)水平則顯著升高；此外，實驗還發(fā)現(xiàn)大鼠的精子數(shù)量和活性均顯著降低，精子形態(tài)也出現(xiàn)了各種畸形。另外，Romano等[41]用不同濃度的草甘膦處理Wistar雄性大鼠后發(fā)現(xiàn)不僅其血清中的睪酮濃度顯著降低，而且睪丸的形態(tài)也發(fā)生了變化。趙文紅等[40]對昆明雄性小鼠的研究表明經(jīng)不同濃度草甘膦暴露處理后，小鼠睪丸支持細胞出現(xiàn)不同程度的縮小、脫落，甚至破碎；同時也發(fā)現(xiàn)草甘膦暴露還可誘導(dǎo)細胞凋亡，抑制細胞增殖，下調(diào)雄激素結(jié)合蛋白和波形蛋白mRNA表達，且上述毒性作用均表現(xiàn)出劑量-效應(yīng)關(guān)系。除此之外，草甘膦暴露還可使Wistar大鼠肝細胞損傷[44]，使Swiss小鼠骨髓細胞有絲分裂異常[45]。上述研究表明除草劑草甘膦對哺乳動物(大鼠、小鼠)有明顯的毒性作用，且主要體現(xiàn)在生殖毒性、生化毒性和細胞毒性。

附表 草甘膦對不同物種的半致死濃度/半致死劑量Attached table The LC50/LD50 of glyphosate to different species

注： - 表示數(shù)據(jù)缺失。

Note： -means data missing.

4 草甘膦對人群的毒性(Toxicity of glyphosate on humans)

長期以來，由于草甘膦的廣泛使用而在自然環(huán)境中大量殘留，除了對生態(tài)系統(tǒng)中非靶標生物致毒外，對人類健康及生育也存在著嚴重威脅。許多流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)人群某些健康問題與草甘膦的接觸有密切關(guān)系[46-52]。厄瓜多爾的一項調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，草甘膦噴灑區(qū)或靠近該區(qū)域居住的人群與噴灑區(qū)以外80 km處居住的人群相比出現(xiàn)了較高程度的DNA損傷[46]。另外，通過對草甘膦接觸者的調(diào)查發(fā)現(xiàn)多發(fā)性骨髓瘤發(fā)病率也與草甘膦的暴露有關(guān)[49]。Barbosa等[50]也報道了接觸草甘膦的人群中對稱性帕金森癥的發(fā)生幾率較高。在瑞典和加拿大的研究發(fā)現(xiàn)非霍奇金淋巴瘤發(fā)生率與草甘膦的暴露相關(guān)[47, 51-52]。另外還有報道表明草甘膦暴露可誘發(fā)皮膚癌[48]。最近，世界衛(wèi)生組織在國際癌癥研究機構(gòu)(IARC)的一份報告中已將草甘膦劃為2A類，即可能對人類致癌。除此之外，在對加拿大安大略地區(qū)農(nóng)場家庭的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，草甘膦可以造成孕婦早產(chǎn)和自發(fā)性流產(chǎn)[53]。而巴拉圭的一項流行病學(xué)研究則發(fā)現(xiàn)暴露于草甘膦環(huán)境的妊娠婦女所生后代會出現(xiàn)小頭、無腦及顱骨畸形等生育缺陷，這說明草甘膦能通過人類胎盤影響胚胎發(fā)育，從而導(dǎo)致生育缺陷[54]。

5 結(jié)語及展望(Summary and outlook)

目前，草甘膦已在世界范圍內(nèi)廣泛使用，許多研究發(fā)現(xiàn)它對環(huán)境中非靶標生物包括水生/兩棲動物、土壤生物、哺乳動物以及人類有毒性作用。然而，評價草甘膦生物毒性的研究尚處于起步階段，仍存在許多問題亟待解決：(1)目前的研究主要集中于草甘膦急性毒性試驗，但實際環(huán)境中草甘膦的含量很低并且存留時間較長，實驗室設(shè)計條件下無法準確反映草甘膦對受試生物的毒性作用，因而今后應(yīng)盡量增加在環(huán)境濃度下、長時間暴露的相關(guān)研究，即慢性毒性研究。(2)國內(nèi)外關(guān)于草甘膦生物毒性方面的研究仍僅局限在有限的生物類群且多為基礎(chǔ)生物毒性研究的現(xiàn)象描述，尚未深入到分子水平，缺乏系統(tǒng)研究和對致毒機制的深入探究，且主要是探討草甘膦對單一物種的生物毒性，缺乏草甘膦沿食物鏈傳遞、富集方面的研究，因此今后應(yīng)適當加大這方面的研究，對多種生物進行深入系統(tǒng)的毒性作用研究，并對其具體的致毒機制進行探討，才能為正確評估草甘膦的生態(tài)安全和環(huán)境風險提供數(shù)據(jù)資料，為其合理使用提供理論指導(dǎo)。