百草枯对水生动物的毒性效应研究进展

程 栋，安 鹏，赵鹿凯，管融资，马万里，雷 忻*

(1.延安大学生命科学学院，陕西延安716000；2.延安市生态恢复重点实验室，陕西延安716000；3.三峡大学科技学院，湖北宜昌443002)

1 百草枯的简介及使用概况

百草枯(paraquat，PQ)作为一种速效型非选择接触性除草剂，因其具有价格低廉、使用效果好等优点，自1962年被批准作为农药使用以来，已经在全球范围内一百多个国家和地区得到了广泛的使用，成为继草甘膦之后的全球第二大除草剂[1，2]。

但是百草枯同样具有剧毒性，研究表明当人体急性摄入含量为20%的PQ 7～8 mL即会造成各个组织脏器的严重损伤进而直接导致死亡[3]，百草枯对于生物的致毒绝对死亡病例数位居于农药中毒的首位[4]，据WHO统计，平均每年每一百万人中有20人因百草枯中毒而身亡[5]。百草枯的致死率非常高，而目前为止仍旧没有针对百草枯中毒的特效药抑或是有效的解毒方法，因此在全球的很多国家均颁布了禁止使用百草枯的法律，尤其是一些欧洲国家[6]，我国在2014年7月开始撤销了PQ的水剂登记和生产许可，同时停止了生产[7]，并在两年后正式禁止百草枯的应用。

鉴于我国农业发达，在过去很长一段时间对于百草枯的使用量非常巨大。相关统计表明：我国在2001至2011年这十年间百草枯的使用量位居全球第一，从1 560 t增长至9 080 t[7]。百草枯水溶液在喷洒的过程中，只有少部分作用到植株等靶生物上，由于土壤对百草枯具有极强的吸附作用，因此大部分药剂残留在土壤中并通过直接和间接的方式进入水体，进而对生物的健康带来极大的危害。虽然目前我国已经禁止使用百草枯作为除草剂，但是前些年大量施用过程中残存的百草枯依旧时时危害着环境的安全。

2 百草枯对环境的污染现状

百草枯水溶液在喷洒过程中有大部分会残留在自然环境中，其可以通过水土流失等方式进入水环境中，进而引发水环境污染[8-11]。研究发现，即使在从未施用过除草剂的地方，仍然检测出了除草剂的残留物[12，13]。世界卫生组织(World Health Organization，WHO)明文规定百草枯在水中的含量最多不能超过10 μg/L。有研究发现，西班牙巴塞罗纳自然水体中百草枯的浓度范围为0.3～13.7 μg/L[14]。而Fernandez等[15]对西班牙巴伦西亚自治区内3个不同沼泽地区的灌溉河渠、河流和湖泊中的水样进行检测分析，发现百草枯的平均浓度为0.01 μg/L，最大浓度为3.95 μg/L。因此，百草枯带来的污染属于世界范围内的难题。

3 百草枯对水生动物的毒性效应研究

水生生态系统本身是一个动态的系统，其中存在众多的食物网，而水体作为残存百草枯的重要归集地，会对水体中的生物造成严重的影响，而这种影响程度可以通过水生动物的毒性效应来进行跟踪。因此，就百草枯对水生动物急性毒性、生理毒性以及遗传毒性三方面进行研究分析。

3.1 百草枯对水生动物的急性毒性研究

对于水生动物来讲，百草枯的毒性为中等为主，属于II类等级[16]，其急性毒性与暴露的浓度关系较大。夏勇等人[17]研究了百草枯对于斑马鱼的急性毒性，研究结果表明：斑马鱼在百草枯水溶液中的死亡率与百草枯的浓度以及暴露时间密切相关，并且急性毒性呈现明显的正相关性，其96 h的LC50为35.71 mg/L，毒性等级为中等；王宏等人[18]研究了3种杀草剂对仿刺参幼参的急性毒性效应，结果表明在三种杀草剂中百草枯的毒性最强，其96 h的LC50为0.13 mg/L，表现为中等毒性，急性中毒效应与暴露浓度以及暴露时间呈正相关；刘丽等人[19]研究了百草枯对于尖膀胱螺的急性毒性效应，研究结果表明：百草枯对于尖膀胱螺的96 h的LC50为1.41 mg/L，其急性毒性介于中-高等毒性之间；柴丽红等人[20]对比了4种不同农药对蝌蚪的急性毒性，研究结果表明：百草枯对于蝌蚪的96 h的LC50为8.74 mg/L，其毒性等级为中等；潘雯梦子等人[21]研究了两种常用的除草剂对于田螺的急性毒性效应，结果表明：百草枯对田螺的SC为0.078 mL/L，毒性等级为中等。具体见表1所示。

综合以上的研究发现，百草枯对于大多数水生动物均存在着急性毒性效应，半致死浓度与个体差异有关，且中毒效应与暴露浓度以及暴露时间均存在一定的正相关，毒性以中等毒性为主。

表1 百草枯对于水生动物的半致死量浓度以及毒性

3.2 百草枯对水生动物的生理毒性研究

在生物体内存在各种酶，如超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase,SOD)、过氧化氢酶(Catalase,CAT)、过氧化物酶(Peroxidase,POD)、谷丙转氨酶(Glutamic-Pyruvic Transaminase,GPT)、谷草转氨酶(Glutamic-Oxaloacetic Transaminase,GOT))等，这些酶是生物体内重要的防御系统，当水生动物暴露在百草枯等有毒物质环境中时会形成氧化胁迫进而形成大量的自由基，因此需要通过酶的作用来进行清除以保持动态平衡，进而有效的阻止自由基对生物体造成毒害[22]；此外肝脏作为生物体内非常重要的解毒器官，可以及时的将进入机体或者机体自身代谢产生的毒素进行分解排出体外，从而维持内环境的稳定，因此有毒物质进入生物体必定会进入肝脏细胞，因此，根据肝细胞的变化也很容易跟踪毒物的生理毒性。百草枯对于水生动物的急性毒性只是表象，其在进入生物体内会造成生理毒性，进而造成其死亡。

夏勇等人[17]研究了百草枯对于斑马鱼肝脏酶活性的影响，研究结果表明：在百草枯浓度相对较低时，染毒会强化SOD的酶活性，这主要是因为水生生物自身肝脏具备一定的解毒能力；当百草枯浓度加大时，则会抑制SOD酶的活性，这主要是因为百草枯对其肝组织造成毒害作用；牛黛醇[23]研究了百草枯染毒对鲤鱼SOD、CAT活性的影响，研究结果表明：SOD的活性随着百草枯浓度的变大先上升而后降低。这表明百草枯对于水生动物的生理致毒效应主要表现为破坏抗氧化系统的平衡；张晓红等人[24]研究了百草枯对于金鱼POD以及EST的影响，研究结果表明：在安全浓度以下时随着浓度的增加POD逐渐增强而EST逐渐减弱，主要体现为应急性，当百草枯浓度较高时POD先减小而后增加，EST则先增加而后下降，酶的活性与浓度密切相关；党炳俊[25]研究了百草枯对泥鳅的生理毒性，研究结果表明：在浓度相对较低的百草枯水溶液中，泥鳅的GPT以及GOT均随着浓度的变大而逐渐上升；当浓度达到一定范围时，泥鳅的GPT以及GOT则随着暴露时间的延长表现为先上升而后降低的趋势；这说明在相对较高浓度的百草枯中染毒时泥鳅的肝脏均出现了损伤，因此百草枯对泥鳅具有一定的生理毒性作用。综合以上关于百草枯对水生动物生理酶活性的研究发现，百草枯暴露可以导致水生动物体内组织损伤，使得机体内的酶活性发生改变，其对水生动物具备一定的生理毒性作用。

Banaee等人[26]研究了百草枯对于丝足鱼的生理毒性，结果表明：百草枯染毒会导致丝足鱼的细胞核发生形变，同时也会造成其肝细胞增生以及坏死；Ladipo等人[27]研究了百草枯对于鲶鱼的生理毒性，研究结果表明：百草枯会导致鲶鱼的细胞出现增生以及空泡坏死性病变；Ada等人[28]研究了百草枯对于罗非鱼的生理毒性，结果表明：百草枯会造成罗非鱼的肝脏形成空泡并最终造成其坏死。综合以上的研究发现：百草枯对于水生动物的生理毒性宏观上还表现为肝细胞的形变，在较低浓度下由于水生动物自身肝脏的解毒功能，其影响不大，但是当浓度超过一定值时则会严重损伤水生动物的肝组织，在造成肝细胞核形变的同时也会造成肝脏的空泡性病变以及坏死。

3.3 百草枯对水生动物的遗传毒性研究

细胞核试验是依据观察细胞的变化来测试诱导效应下染色体损伤的一种遗传研究方法，也是一种很好的评价农药遗传毒害作用的方法[29]。

谢志浩等人[30]通过采用四种不同的除草剂对泥鳅进行染毒，通过对染毒泥鳅的细胞微核以及核的异常率进行监测，研究了不同致毒物质对于泥鳅的遗传毒性，研究显示：百草枯对泥鳅的遗传毒性并不表现出浓度效应，即染毒浓度对其遗传毒性关系并不大，这说明百草枯的遗传毒性受质变的影响，并不受量变的影响；党炳俊等人[31]采用跟踪百草枯染毒泥鳅血细胞DNA的方式研究了百草枯的遗传毒性，研究结果表明：在染毒48 h后泥鳅血细胞的DNA损伤程度最为严重，DNA损伤比例超过75%。综合以上分析可知：百草枯对水生动物的遗传毒性主要受时间的影响较大，与浓度并不呈正相关，说明只要在致畸范围内，均会对水生动物造成一定的遗传毒害。

4 百草枯毒性缓解的研究

针对百草枯对于水生动物的急性毒性、生理毒性以及遗传毒性效应，发现百草枯的毒性效应均与其浓度以及暴露时间密切相关。在一定的浓度范围内，百草枯的暴露对于生物体来讲影响并不大，因此针对前期使用过程中已经进入土壤以及水体的残留百草枯，主要需要降低其暴露浓度。

基于百草枯自然降解慢的特点，韩欣等人[32]成功培育了三株可以有效、高效降解百草枯的菌株，其对百草枯的降解率最大超过86%，将其植于百草枯暴露的水体中可以有效的降低暴露的百草枯浓度；陶卫国等人[33]开发了新型的聚羟基铁柱撑蒙脱土，其可实现对百草枯的有效吸附以及原位降解，研究结果表明该种新型改性蒙脱土对百草枯的吸附效率超过99%，可以有效的去除环境中残留的百草枯；滕洪辉等人[34]研制了一种新型的TiO2纳米管催化剂，研究表明该种新型的催化剂可以有效的催化氧化百草枯，将其进行有效的降解，处理效果非常显著。

5 展望

百草枯的广泛使用虽然有效的减少了农田杂草的产生，为农作物的生长创造了良好的生长条件，提高了农作物的产量，但是其对生物体而言存在较大的毒性效应；虽然现在百草枯已经大范围禁止生产和使用，但是前期残留的不易降解的百草枯对于土壤以及水体的持续性污染不容忽视。

通过就百草枯对水生动物的毒性效应进行综述，结果表明：百草枯对于大多数水生动物均存在着急性毒性效应，其半致死浓度与个体差异有关，且中毒效应与暴露浓度以及暴露时间均存在一定的正相关，毒性以中等毒性为主；此外大浓度百草枯的暴露也会导致水生动物的生理损伤，使得机体内的生理生化酶活性发生变化；并会在一定程度上形成遗传毒性效应，主要体现为肝细胞核形变的同时也会造成肝脏的空泡性病变以及坏死；而这三种毒性效应均与百草枯的暴露浓度以及时间存在一定的关系；为了有效缓解残留百草枯带来的毒性效应，后续需要持续的开发新型、高效的降解百草枯的菌种、化学物质以及催化剂等来进一步降低环境中残留的百草枯浓度，尽可能的修复百草枯所污染的土壤、水体等。