宋雪英, 劉偉健, 孫百惠, 張方娟, 李玉雙, 趙曉旭

(1. 沈陽大學 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044;2. 莆田大學 生態(tài)環(huán)境及其信息圖譜福建省高等學校重點實驗室, 福建 莆田 351100)

擬除蟲菊酯類農(nóng)藥是由除蟲菊酯合成的新型第三代農(nóng)藥,具有高殺蟲效力,且對鳥類和哺乳動物毒性低.自從有機磷農(nóng)藥被限制銷售,擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的使用在過去的20年中顯著增加,成為許多國家農(nóng)業(yè)害蟲和生活衛(wèi)生害蟲防治的首選.在波蘭等歐洲國家,擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的使用量在2005—2010年間翻了一番,用量超過其他農(nóng)藥87 t[1].

溴氰菊酯是一種Ⅱ型合成擬除蟲菊酯類農(nóng)藥,由于其具有高效低毒、對光和空氣穩(wěn)定、能被生物降解等特點,在全世界范圍內被用作殺蟲劑.溴氰菊酯是已知的最有效的擬除蟲菊酯類殺蟲劑之一,被廣泛應用于玉米、蔬菜、果樹、茶樹等農(nóng)業(yè)作物的滅蟲,魚類養(yǎng)殖中的害蟲和寄生蟲的消殺,人類生活中衛(wèi)生除蟲殺螨等.然而,隨著溴氰菊酯殺蟲劑的大量使用,其給環(huán)境和生物也帶來了各種問題,例如,蔬菜和水果等農(nóng)產(chǎn)品中溴氰菊酯的殘留超標以及魚類等水產(chǎn)品中農(nóng)藥的殘留,都對人類健康構成一定的威脅[2-3].近年來,溴氰菊酯引起的環(huán)境問題已經(jīng)被世界各國的學者廣泛關注,因此,全面了解溴氰菊酯的生態(tài)毒性效應十分必要.

1 溴氰菊酯的理化性質

溴氰菊酯又名凱素靈、敵殺死、撲蟲凈等,其分子式為C22H19Br2NO2,化學名稱為右旋-順式-2,2-二甲基-3-(2,2-二溴乙烯基)環(huán)丙烷羧酸-(S)-溴乙氰基-3-苯氧基芐酯,分子量為505.21,結構式見圖1.

溴氰菊酯存在3個不對稱中心,因而有8個異構體,其中只有2種具有高活性[4],其含有酯鍵、氰基、鹵素雙鍵等官能團,由于有酯鍵的存在所以表現(xiàn)出對酸具有很好的穩(wěn)定性.溴氰菊酯為白色斜方晶系針狀結晶,熔點為98～101 ℃,比旋值[α]D20=±58±1 ℃(4%甲苯),在20℃水中溶解度<0.002 mg·L-1,易溶于丙酮、二甲苯等有機溶劑[5],對光、熱和空氣穩(wěn)定,在100 ℃以下24 h未見分解,150 ℃時稍有分解,190 ℃才見顯著分解,儲存在40 ℃環(huán)境中可以保持半年不分解[6].因此,溴氰菊酯在環(huán)境中的殘留及其潛在的生態(tài)毒性效應引起生態(tài)環(huán)境領域專家的重視.

2 溴氰菊酯的靶標和半衰期

溴氰菊酯的主要作用靶標是神經(jīng)細胞興奮傳導的基礎----電壓門控鈉通道(voltage-gated sodium channels, VGSCs),作用機制是溴氰菊酯延長昆蟲體內VGSCs的開放時間,使細胞膜持續(xù)去極化,因而出現(xiàn)運動失調后的中毒癥狀,即立刻痙攣迅速進入麻痹狀態(tài),最后癱瘓死亡[7-8].此外,溴氰菊酯還可作用于昆蟲的其他靶標,如氯離子通道、ATP 酶、氨基丁酸受體、谷氨酸受體、酰膽堿受體,以及電壓門控鈣離子通道等.

遲恒等[9]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯在天然淡水中的半衰期為5.28 d,在天然海水中的半衰期為4.45 d,而在滅菌淡水中半衰期為5.99 d,在滅菌海水中半衰期為4.29 d,水體pH值和微生物種類和數(shù)量也影響著水中溴氰菊酯的降解.

溴氰菊酯在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)噴灑過程中,大約只有1%作用于靶標生物,其余則會進入土壤和水體中[10].溴氰菊酯進入土壤和水體中會經(jīng)過一段時間才能被降解.王璞等[11]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯在苧麻中的半衰期為14.6 d,在土壤中的半衰期為12.4 d;宋國春等[12]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯在油麥菜中的半衰期為2.6～2.9 d,在土壤中的半衰期為7.5～8.2 d;王永康[13]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯在頭花蓼中的半衰期為2.1～2.6 d,在土壤中的半衰期為3.3～3.4 d.上述各種作物土壤中溴氰菊酯的半衰期有所不同,這主要與環(huán)境因素和土壤微生物活性有關.土壤的pH值、有機質含量、溫度、濕度等環(huán)境因素均影響溴氰菊酯的降解能力,如隨著pH值的升高溴氰菊酯降解的半衰期縮短.土壤中的微生物種類和數(shù)量的多少也影響其降解速率,種類和數(shù)量越多其降解速率越快.研究表明,溴氰菊酯的施藥濃度也直接影響其土壤半衰期,在大田土壤中,當以最大生產(chǎn)施藥濃度施藥,即低濃度時,溴氰菊酯的半衰期為20.4 d,以最大生產(chǎn)施藥濃度的10倍施藥,即高濃度時,半衰期為24.3 d[8].因此,溴氰菊酯的施藥濃度越高半衰期越長.

3 溴氰菊酯的急性毒性

3.1 溴氰菊酯對水生動物的急性毒性

溴氰菊酯會因降水、灌溉水等淋溶作用而發(fā)生遷移,進入地表水甚至到達地下水,對水體造成污染,進而對水生生物造成毒害作用.徐捷等[14]在對水產(chǎn)品中溴氰菊酯殘留量的檢測時發(fā)現(xiàn),在噴灑農(nóng)藥防蟲的同時,溴氰菊酯對水體中的生物也造成了影響,對貝類的影響尤為突出,在所有檢測中發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯在貝類的檢出率最高,達15%.

有關溴氰菊酯對大型溞、對蝦、斑馬魚、大型魚類等水生生物的急性毒性影響已有研究報導.彭方[4]發(fā)現(xiàn)多刺裸腹溞在溴氰菊酯脅迫下出現(xiàn)四處游動、逃離的現(xiàn)象,隨后行動遲緩,活動受到抑制,溴氰菊酯也對其心肌細胞產(chǎn)生了氧化損傷,影響心肌正常功能.許貽斌等[15]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯會使菲律賓蛤仔鰓絲上皮細胞纖毛層萎縮、纖毛脫落,消化盲囊上皮細胞膨脹,出現(xiàn)包涵體樣結構.Li等[16]發(fā)現(xiàn)斑馬魚幼魚在溴氰菊酯脅迫下出現(xiàn)體長縮短、頭眼面積減小和孵化率增加等現(xiàn)象,其頭部、身體、心臟和尾部區(qū)域產(chǎn)生不同程度的凋亡,溴氰菊酯顯著誘導血管內皮生長因子flk1和fli-1以及心肌發(fā)育相關基因myl7呈劑量依賴性下降(p<0.05),增加了斑馬魚幼魚的趨觸能力,引起了類似焦慮的行為.Ullah等[17]發(fā)現(xiàn)暴露在溴氰菊酯中的鰱魚出現(xiàn)不同程度的行為失調,肝、鰓、腦、肌肉組織中總蛋白含量顯著降低,全身皮質醇和血糖水平顯著升高.Arslan等[18]研究發(fā)現(xiàn),溴氰菊酯暴露可引起鯉魚鰓板層細胞增生和炎癥細胞浸潤、充血、彌漫性積液,肝細胞變性和局灶性壞死,神經(jīng)元壞死.

溴氰菊酯在不同染毒時間對不同營養(yǎng)級水生生物的急性毒性效應的半數(shù)致死濃度(LC50)詳見表1.可以看出,隨著時間的增加,水生生物LC50變小,溴氰菊酯表現(xiàn)出明顯的時間-LC50效應關系.通過比較相同染毒時間不同物種的LC50數(shù)值可以發(fā)現(xiàn),蝦、多刺裸腹溞等節(jié)肢動物受到溴氰菊酯的毒害作用最大,其次為中華絨螯蟹,最后為大型魚類.在48 h日本沼蝦、凡納對蝦和多刺裸腹溞在極低質量濃度(0.123～0.184 μg·L-1)的情況下就已經(jīng)達到了半數(shù)死亡,在相同時間下中華絨螯蟹達到半數(shù)死亡的質量濃度為2.319 μg·L-1,48 h的LC50是日本沼蝦、凡納對蝦和多刺裸腹溞的12.6～18.9倍.比較不同種類的魚類在96 h時的LC50數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),美洲鰣和鯉魚均在較低質量濃度(分別為0.259和0.32 μg·L-1)達到半數(shù)死亡,其次是唐魚、真鯛和齊口裂腹魚(分別為1.217、1.500和2.589 μg·L-1),而鯽魚和羅非魚在96 h時LC50較高(分別為21.6和23.7 μg·L-1).

3.2 溴氰菊酯對土壤動物的急性毒性

溴氰菊酯在噴灑時沒有作用到靶標的部分會進入土壤中,對土壤生物產(chǎn)生毒性效應.進入土壤,會對土壤動物種群的生存和繁殖造成影響.張大帆等[29]在對馬鈴薯腐爛莖線蟲的研究中發(fā)現(xiàn),溴氰菊酯對馬鈴薯腐爛莖線蟲運動能力具有較強的抑制作用,其毒性高于丙溴磷與克百威,LC50為459.8 mg·L-1,溴氰菊酯質量濃度達200 mg·L-1時可抑制全部馬鈴薯腐爛莖線蟲的攝食.

表1 溴氰菊酯對水生動物的LC50值Table 1 LC50 of deltamethrin to aquatic aminals

蚯蚓作為土壤中的大型動物,對土壤污染具有較好的指示作用.目前,針對溴氰菊酯的土壤生態(tài)毒理學研究主要集中在對蚯蚓的毒性研究,采用的方法包括濾紙法、人工土壤法和實際土壤法.梁茹晶[30]采用赤子愛勝蚯蚓(Eiseniafetida)濾紙48 h急性毒性試驗研究時,得出蚯蚓48 h的 LC50為3 637.84 μg·cm-2;暴露在溴氰菊酯24 h后,600 μg·cm-2組蚯蚓環(huán)帶腫脹,體長變長,300～500 μg·cm-2處理組蚯蚓出現(xiàn)反應遲鈍、斷節(jié)等現(xiàn)象;暴露48 h后,600 μg·cm-2處理組蚯蚓大部分死亡,其余出現(xiàn)行動遲緩、身體僵硬等現(xiàn)象,300～500 μg·cm-2組蚯蚓出現(xiàn)局部出血現(xiàn)象,100、200 μg·cm-2組蚯蚓行動變得遲緩.Shi等[31]采用人工土壤法對赤子愛勝蚯蚓的14 d急性毒性研究發(fā)現(xiàn),溴氰菊酯對蚯蚓的LC50為432.9 mg·kg-1.梁茹晶等[30]在采用實際土壤(沈陽新民潮棕壤)進行的14 d土壤急性毒性試驗時發(fā)現(xiàn),14 d的LC50為196.6 mg·kg-1.劉偉等[32]發(fā)現(xiàn)不同的急性毒性試驗接觸方式會影響蚯蚓對溴氰菊酯的吸收,濾紙試驗比土壤試驗對蚯蚓毒性更大,在濾紙試驗中溴氰菊酯直接粘附在濾紙表面,蚯蚓吸收速率和吸收量更大,而土壤試驗中溴氰菊酯會被土壤膠體、有機質吸附,被微生物降解,降低了溴氰菊酯對蚯蚓的危害.同時,人工土壤與實際土壤的急性毒性差異因受到土壤有機質含量、pH值、膠體含量等的差異影響,相同時間的LC50值也存在一定的差異.

4 溴氰菊酯的毒性機理

4.1 溴氰菊酯對抗氧化酶系統(tǒng)的毒性效應

酶是由活細胞產(chǎn)生的能夠對特定底物進行催化的有機物,是生物體內不可或缺的重要物質,生物體內擁有各種各樣結構和功能不同的酶,它們參與生物體內各種化學反應,保證生物的正常生命活動.超氧化物歧化酶(SOD)是生物體內重要的抗氧化酶,可以清除生物體內的自由基,修復自由基對細胞的危害.王偉[25]在研究溴氰菊酯對齊口裂腹魚(Schizothoraxprenanti)的毒性效應時發(fā)現(xiàn),染毒1 d后魚體內SOD活性在各質量濃度處理中均有提高,溴氰菊酯對齊口裂腹魚產(chǎn)生了氧化脅迫,隨后SOD活性下降,暴露 21 d 后,除高質量濃度處理組外,其余各組SOD活性均低于對照組,表現(xiàn)為抑制作用.這與彭方[4]對多刺裸腹溞的研究結果相同,用溴氰菊酯處理多刺裸腹溞24 h后,SOD活性呈上升趨勢,這是由于外界對生物的刺激使得多刺裸腹溞產(chǎn)生SOD來緩解自由基對機體的傷害,SOD活性上升. Ullah等[17]發(fā)現(xiàn)暴露在溴氰菊酯中的鰱魚,肝、鰓、腦、肌肉組織中活性氧、脂質過氧化和抗氧化酶活性顯著升高,全身皮質醇和血糖水平顯著升高,而腦、肝和肌肉組織中乙酰膽堿酯酶活性顯著降低.Arslan等[18]研究發(fā)現(xiàn),溴氰菊酯暴露可引起鯉魚誘導型一氧化氮合酶(INOS)和8-羥基-2-脫氧鳥苷(8-OHdG)的激活.

Kuder等[33]對蚯蚓進行了濾紙接觸實驗以及人工土壤實驗, 發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯會對蚯蚓體內的過氧化氫酶(CAT)活性產(chǎn)生抑制作用, 并且隨著暴露時間延長抑制作用增強. Shi等[31]采用人工土壤法研究溴氰菊酯對赤子愛勝蚯蚓(Eiseniafetida)的毒性發(fā)現(xiàn),染毒42 d后,蚯蚓的生長抑制作用隨暴露時間延長而增強,溴氰菊酯使蚯蚓的纖維素酶活性降低.

洪宇航等[34]發(fā)現(xiàn),溴氰菊酯對中華絨螯蟹有很強的毒性,在1 d時溶劑組中中華絨螯蟹的CAT活性顯著上升,之后活性開始下降,中華絨螯蟹的CAT活性上升可能是溴氰菊酯使中華絨螯蟹體內產(chǎn)生了過多的過氧化氫,引起中華絨螯蟹體內的保護機制使CAT活性上升,之后活性下降可能是溴氰菊酯已經(jīng)對中華絨螯蟹產(chǎn)生了損傷.楊宗英等[35]在研究溴氰菊酯對中華絨螯蟹的試驗中出現(xiàn)了類似的結果,溴氰菊酯在6 h后對中華絨螯蟹的CAT活性產(chǎn)生了抑制,在12 h后CAT活性顯著上升,在1 d后CAT活性仍然持續(xù)維持高水平,在48 h后CAT活性下降,CAT活性的變化是中華絨螯蟹為了適應環(huán)境對自身做出了相應的調節(jié),以抵消外界環(huán)境對其產(chǎn)生的影響.

4.2 溴氰菊酯對DNA分子水平的毒性效應

溴氰菊酯會對生物的DNA造成損傷,使其遺傳物質在染色體水平、分子水平和堿基水平上受到各種損傷,從而產(chǎn)生遺傳毒性效應[36]. 冷春梅等[37]采用RAPD技術和外周血嗜多染紅細胞微核試驗表明,3.0 μg·L-1以上質量濃度的溴氰菊酯會使羅非魚的DNA發(fā)生變化,并且溴氰菊酯會誘導羅非魚外周血紅細胞產(chǎn)生微核,微核的發(fā)生率隨暴露質量濃度的升高和暴露時間的延長具有明顯的質量濃度效應和時間效應關系.

彗星實驗能夠通過細胞DNA損傷斷裂的斷鏈遷移距離來判斷細胞DNA的損傷程度,DNA受損越嚴重,彗星的拖尾率和Olive尾距等會越長[38].鄭惠東[23]通過彗星實驗發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯使真鯛肝胰臟組織出現(xiàn)了不同程度的淤血、細胞核濃縮、細胞壞死等病理性損傷,溴氰菊酯還可以直接作用于靶細胞DNA,導致DNA鏈條斷裂和損傷.洪宇航等[34]通過彗星實驗發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯對中華絨螯蟹血細胞DNA有較強的損傷作用,彗星拖尾率、Olive尾距等與對照組相比顯著增高(p<0.05),且拖尾率和Olive尾距隨暴露時間的增加而升高,呈現(xiàn)明顯的時間和劑量效應.佟俊旺等[39]通過對小鼠外周血淋細胞DNA的彗星實驗發(fā)現(xiàn)同樣結果,即隨著溴氰菊酯質量濃度升高,彗星拖尾率和Olive尾距等變高.

4.3 溴氰菊酯的生殖毒性

溴氰菊酯會對生物胚胎的孵化速度、存活率產(chǎn)生影響.Parlak[40]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯會使斑馬魚胚胎/幼魚存活率降低,處理組比對照組發(fā)病率增加,溴氰菊酯還會減慢斑馬魚卵的孵化速度,孵化速度隨著質量濃度上升而下降,增加胚胎/幼魚畸形的概率,在質量濃度為10 mg·L-1時心包水腫很高,2.5 mg·L-1時,機體畸形程度較高,溴氰菊酯還會引起細胞凋亡,細胞凋亡隨著溴氰菊酯質量濃度的上升而上升.Kuder等[33]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯染毒處理的斑馬魚胚胎/幼體死亡率增加,孵化時間延遲,孵化胚胎百分比降低,心跳率增加,血流減少,身體和眼睛色素沉著并呈劑量依賴性增加,心包和卵黃囊水腫,在孵化的胚胎中發(fā)現(xiàn)了尾巴變形.

溴氰菊酯會對生物的睪丸、生精量等產(chǎn)生影響.余紅民等[41]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯染毒組大鼠睪丸每日生精量下降,大鼠睪丸組織中磷酸化AR蛋白表達水平和萎縮生精小管數(shù)較高,生精小管數(shù)減少、周長縮短.Desai等[42]發(fā)現(xiàn)雄性瑞氏白化小鼠在溴氰菊酯處理45 d后,其睪丸、附睪尾端和精囊組織重量顯著下降,精子數(shù)、精子活力和睪丸3b和17b HSD的活性顯著下降,附睪尾端唾液酸和精囊果糖含量下降,對睪丸進行切片觀察,發(fā)現(xiàn)睪丸結構呈管狀變形,曲細精管中缺乏生殖細胞,腎小管空泡變性和生精小管嚴重壞死,睪丸間質細胞變性,間質間隙增大,在間隙中也觀察到空泡化.Ekaluo等[43]在研究雄性白化大鼠時發(fā)現(xiàn)類似結果,溴氰菊酯使大鼠的精子數(shù)、精子活力和血清促性腺激素降低.

5 結 語

溴氰菊酯在水體、土壤和農(nóng)產(chǎn)品中的殘留及其對生物體產(chǎn)生的生態(tài)毒性效應受到越來越多的關注.溴氰菊酯的暴露直接導致水生和土壤動物酶活性、遺傳物質和生殖系統(tǒng)等遭到一定程度的威脅,隨著溴氰菊酯的使用量增加,進入環(huán)境中的溴氰菊酯必將對人類的健康造成危害.在今后的研究中應該繼續(xù)重視溴氰菊酯對生物的毒性效應,篩選特異性強的生物標志物,同時在生產(chǎn)中應合理施用溴氰菊酯,減少其對環(huán)境的破壞和對生物體的損傷.