百草枯對(duì)水生動(dòng)物的毒性效應(yīng)研究進(jìn)展

程 棟，安 鵬，趙鹿凱，管融資，馬萬(wàn)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(jiǎn)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(jià)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(lái)，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)一百多個(gè)國(guó)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(huì)造成各個(gè)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(duì)于生物的致毒絕對(duì)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(wàn)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(méi)有針對(duì)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(guó)家均頒布了禁止使用百草枯的法律，尤其是一些歐洲國(guó)家[6]，我國(guó)在2014年7月開(kāi)始撤銷(xiāo)了PQ的水劑登記和生產(chǎn)許可，同時(shí)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(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間對(duì)于百草枯的使用量非常巨大。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明：我國(guó)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(zhǎng)至9 080 t[7]。百草枯水溶液在噴灑的過(guò)程中，只有少部分作用到植株等靶生物上，由于土壤對(duì)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(guò)直接和間接的方式進(jìn)入水體，進(jìn)而對(duì)生物的健康帶來(lái)極大的危害。雖然目前我國(guó)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(guò)程中殘存的百草枯依舊時(shí)時(shí)危害著環(huán)境的安全。

2 百草枯對(duì)環(huán)境的污染現(xiàn)狀

百草枯水溶液在噴灑過(guò)程中有大部分會(huì)殘留在自然環(huán)境中，其可以通過(guò)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(guò)除草劑的地方，仍然檢測(cè)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(guò)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(duì)西班牙巴倫西亞自治區(qū)內(nèi)3個(gè)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(cè)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(lái)的污染屬于世界范圍內(nèi)的難題。

3 百草枯對(duì)水生動(dòng)物的毒性效應(yīng)研究

水生生態(tài)系統(tǒng)本身是一個(gè)動(dòng)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(huì)對(duì)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(guò)水生動(dòng)物的毒性效應(yīng)來(lái)進(jìn)行跟蹤。因此，就百草枯對(duì)水生動(dòng)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(duì)水生動(dòng)物的急性毒性研究

對(duì)于水生動(dòng)物來(lái)講，百草枯的毒性為中等為主，屬于II類(lèi)等級(jí)[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(duì)于斑馬魚(yú)的急性毒性，研究結(jié)果表明：斑馬魚(yú)在百草枯水溶液中的死亡率與百草枯的濃度以及暴露時(shí)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(jí)為中等；王宏等人[18]研究了3種殺草劑對(duì)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(shí)間呈正相關(guān)；劉麗等人[19]研究了百草枯對(duì)于尖膀胱螺的急性毒性效應(yīng)，研究結(jié)果表明：百草枯對(duì)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(duì)比了4種不同農(nóng)藥對(duì)蝌蚪的急性毒性，研究結(jié)果表明：百草枯對(duì)于蝌蚪的96 h的LC50為8.74 mg/L，其毒性等級(jí)為中等；潘雯夢(mèng)子等人[21]研究了兩種常用的除草劑對(duì)于田螺的急性毒性效應(yīng)，結(jié)果表明：百草枯對(duì)田螺的SC為0.078 mL/L，毒性等級(jí)為中等。具體見(jiàn)表1所示。

綜合以上的研究發(fā)現(xiàn)，百草枯對(duì)于大多數(shù)水生動(dòng)物均存在著急性毒性效應(yīng)，半致死濃度與個(gè)體差異有關(guān)，且中毒效應(yīng)與暴露濃度以及暴露時(shí)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(duì)于水生動(dòng)物的半致死量濃度以及毒性

3.2 百草枯對(duì)水生動(dòng)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(guò)氧化氫酶(Catalase,CAT)、過(guò)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(dòng)物暴露在百草枯等有毒物質(zhì)環(huán)境中時(shí)會(huì)形成氧化脅迫進(jìn)而形成大量的自由基，因此需要通過(guò)酶的作用來(lái)進(jìn)行清除以保持動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)而有效的阻止自由基對(duì)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(shí)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(huì)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(duì)于水生動(dòng)物的急性毒性只是表象，其在進(jìn)入生物體內(nèi)會(huì)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(duì)于斑馬魚(yú)肝臟酶活性的影響，研究結(jié)果表明：在百草枯濃度相對(duì)較低時(shí)，染毒會(huì)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(shí)，則會(huì)抑制SOD酶的活性，這主要是因?yàn)榘俨菘輰?duì)其肝組織造成毒害作用；牛黛醇[23]研究了百草枯染毒對(duì)鯉魚(yú)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(duì)于水生動(dòng)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(duì)于金魚(yú)POD以及EST的影響，研究結(jié)果表明：在安全濃度以下時(shí)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(shí)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(duì)泥鰍的生理毒性，研究結(jié)果表明：在濃度相對(duì)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(shí)，泥鰍的GPT以及GOT則隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)表現(xiàn)為先上升而后降低的趨勢(shì)；這說(shuō)明在相對(duì)較高濃度的百草枯中染毒時(shí)泥鰍的肝臟均出現(xiàn)了損傷，因此百草枯對(duì)泥鰍具有一定的生理毒性作用。綜合以上關(guān)于百草枯對(duì)水生動(dòng)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(dòng)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(duì)水生動(dòng)物具備一定的生理毒性作用。

Banaee等人[26]研究了百草枯對(duì)于絲足魚(yú)的生理毒性，結(jié)果表明：百草枯染毒會(huì)導(dǎo)致絲足魚(yú)的細(xì)胞核發(fā)生形變，同時(shí)也會(huì)造成其肝細(xì)胞增生以及壞死；Ladipo等人[27]研究了百草枯對(duì)于鯰魚(yú)的生理毒性，研究結(jié)果表明：百草枯會(huì)導(dǎo)致鯰魚(yú)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(duì)于羅非魚(yú)的生理毒性，結(jié)果表明：百草枯會(huì)造成羅非魚(yú)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(duì)于水生動(dòng)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(dòng)物自身肝臟的解毒功能，其影響不大，但是當(dāng)濃度超過(guò)一定值時(shí)則會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷水生動(dòng)物的肝組織，在造成肝細(xì)胞核形變的同時(shí)也會(huì)造成肝臟的空泡性病變以及壞死。

3.3 百草枯對(duì)水生動(dòng)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(lái)測(cè)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(píng)價(jià)農(nóng)藥遺傳毒害作用的方法[29]。

謝志浩等人[30]通過(guò)采用四種不同的除草劑對(duì)泥鰍進(jìn)行染毒，通過(guò)對(duì)染毒泥鰍的細(xì)胞微核以及核的異常率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究了不同致毒物質(zhì)對(duì)于泥鰍的遺傳毒性，研究顯示：百草枯對(duì)泥鰍的遺傳毒性并不表現(xiàn)出濃度效應(yīng)，即染毒濃度對(duì)其遺傳毒性關(guān)系并不大，這說(shuō)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(guò)75%。綜合以上分析可知：百草枯對(duì)水生動(dòng)物的遺傳毒性主要受時(shí)間的影響較大，與濃度并不呈正相關(guān)，說(shuō)明只要在致畸范圍內(nèi)，均會(huì)對(duì)水生動(dòng)物造成一定的遺傳毒害。

4 百草枯毒性緩解的研究

針對(duì)百草枯對(duì)于水生動(dòng)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(shí)間密切相關(guān)。在一定的濃度范圍內(nèi)，百草枯的暴露對(duì)于生物體來(lái)講影響并不大，因此針對(duì)前期使用過(guò)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(duì)百草枯的降解率最大超過(guò)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(guó)等人[33]開(kāi)發(fā)了新型的聚羥基鐵柱撐蒙脫土，其可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)百草枯的吸附效率超過(guò)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(zhǎng)創(chuàng)造了良好的生長(zhǎng)條件，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，但是其對(duì)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(duì)于土壤以及水體的持續(xù)性污染不容忽視。

通過(guò)就百草枯對(duì)水生動(dòng)物的毒性效應(yīng)進(jìn)行綜述，結(jié)果表明：百草枯對(duì)于大多數(shù)水生動(dòng)物均存在著急性毒性效應(yīng)，其半致死濃度與個(gè)體差異有關(guān)，且中毒效應(yīng)與暴露濃度以及暴露時(shí)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(huì)導(dǎo)致水生動(dòng)物的生理?yè)p傷，使得機(jī)體內(nèi)的生理生化酶活性發(fā)生變化；并會(huì)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(shí)也會(huì)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(shí)間存在一定的關(guān)系；為了有效緩解殘留百草枯帶來(lái)的毒性效應(yīng)，后續(xù)需要持續(xù)的開(kāi)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(lái)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。