土壤重金属农药对蚯蚓毒性的研究进展

丁天元 马舒乐 张永鹏

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232000)

蚯蚓是土壤中生物量最大无脊椎动物[1]，在生态系统中起着十分重要的作用，经济合作与发展组织(OECD)将蚯蚓视为标准受试生物[2]。国际标准化组织(ISO)制定了蚯蚓评价土壤环境质量与化合物测试方法草案[3]。蚯蚓的体重、卵数、致死率等指标都可以作为评价土壤质量和化合物毒性的参考指标，但随着生态毒理研究的深入，部分指标不能满足化合物微量环境下土壤生态毒理的评价，而蚯蚓体内酶对环境因子的变化更为敏感，是一种评价土壤质量和化合物毒性更高效方法。

抗氧化酶系统是由超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT、过氧化物酶POD、谷胱甘肽过氧化物酶GST-Px所组成。超氧化物歧化酶是蚯蚓体内重要的氧化还原酶，清除蚯蚓体内的超氧阴离子O2-，过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶清除蚯蚓体内的H2O2，消除外源性污染物所造成的蚯蚓脂质过氧化反应。本文在概述蚯蚓抗氧化酶系在作为敏感的生理生化指标反应蚯蚓受到的外源性污染，同时总结了不同外源性污染对蚯蚓抗氧化酶系的影响，以期为蚯蚓抗氧化酶系含量变化来判断土壤污染物的类型提供参考。

1 重金属对蚯蚓抗氧化酶系的影响

随着我国近年来工农业活动发展，大量金属制品和金属化合物在生活生产中使用，使土壤中富集的重金属含量不断上升。蚯蚓作为土壤中生物量最大无脊椎动物，大量重金属进入土壤后，必然会对蚯蚓生长、摄食、繁殖等行为造成阻碍，并且蚯蚓体内酶也会对重金属产生响应，不同重金属及其在土壤中含量对蚯蚓抗氧化酶表现出不同的影响和作用机质。

急性毒性研究表明，土壤中铅、铬、铜、汞、铁、镉、铝等重金属对蚯蚓体内酶活性有着不同抑制作用，进而导致蚯蚓体内氧化损伤。蚯蚓培养在含铅土壤中，其SOD、POD、CAT酶活性分别呈现出暴露初期3种酶呈激活作用，但随着暴露时间增长，POD、CAT活性呈现出随铅浓度增加出现抑制作用[4]。而铬则是随着暴露时间增长，POD、CAT活性呈现出随铅浓度增加出现抑制作用[4]。李莹等[5]研究中，200mg·kg-1铜浓度下堆肥45d后，相较于对照组，蚯蚓体内SOD、CAT酶活性及MDA含量显著增加。唐浩等[6]研究表明，在48d暴露时间内，汞对蚯蚓SOD酶活性有明显的抑制性；对CAT酶活性波动较大，暴露期间激活和抑制作用交替出现；而GST-Px酶受到汞一定的抑制作用。陈旭等[7]指出，纳米铁浓度在10～100mg·kg-1时，CAT、SOD和GSH-Px酶无响应，但在在500～2000mg·kg-1时都呈现先增后降的趋势。丁龙等[8]研究指出，SOD、CAT酶活性随有效态镉浓度升高基本呈现先降低、再升高和再下降波浪式变化，而POD酶活性则呈现“U”型剂量效应。

重金属对蚯蚓毒性作用受到土壤中酸碱度、有机质含量等各种因素制约[9]，在不同地域土壤中理化性质差异决定着重金属形态及对蚯蚓毒性强弱。李泽姣等[9]研究指出，偏酸性的黑龙江土壤中铬主要以HCrO4-的形态存在，而偏碱性的江苏土壤主要以CrO42-形态存在。同时，蚯蚓对重金属富集的选择性决定了不同重金属对蚯蚓的毒性有差异，张聪等[4]在比较3种类型土壤中发现，赤子爱胜蚓对铅富集系数小于1，远远小于对铬的富集程度(富集系数>7.9)。土壤中生物质炭的存在也可以促进某些重金属离子向溶解态转化，加强蚯蚓对重金属富集作用[5]。

2 农药对蚯蚓抗氧化酶系的影响

农药作为日常生活生产中重要组成部分，农业中常被用于除草、抑制菌体细胞分裂，抑制昆虫神经功能、促进动植物生长等方面。农药大量使用令病虫害大大降低、作物增产，给农业生产产生巨大经济效益。但是农药施用于土壤后约有80%残留在土壤中[10]，进入土壤后的农药移动性差，其生物活性可持续几月或几年不等；长期大面积、大剂量使用农药会造成其在土壤中持续累积。而蚯蚓是土壤中生物量最大的生物，表皮角质层薄，且表皮分布较多腺孔，对土壤中农药污染比其他土壤动物敏感[11]，抗氧化酶系统可及早对其做出预警。

土壤中农药残留一般有异恶草酮、2,4-二氯苯氧乙酸、草甘膦、氨磺乐灵、丁氟螨酯、氯氰菊酯、鱼藤酮、藜芦碱、氟虫双酰胺、三唑磷、精喹禾灵、四环素、金霉素、毒死蜱、壬基酚聚氧乙烯醚、多菌灵、异恶草酮、敌百虫等。张榜军等[12]研究表明，2,4-D对蚯蚓的抗氧化防御系统均呈现先升高后降低的趋势。王冰洁等[13]指出，暴露前期(3～7d)SOD酶活性于对照有着显著增强，随时间推移活力逐渐下降。这是蚯蚓受到2,4-D胁迫为维持氧化平衡激活抗氧化防御系统，随胁迫时间增加机体稳定机质打破导致酶活力下降。而POD活性在暴露前期与对照无显著，在后期高浓度POD活性显著高于对照组。说明草甘膦会随着时间增加，在土壤中逐渐降解而对蚯蚓的毒理作用减弱了。魏凌霄等[14]研究发现，SOD、GST酶对氨磺乐灵的毒性作用最为敏感，氨磺乐灵低浓度促进SOD、GST酶活性，随浓度提升酶活性被抑制。因为低浓度氨磺乐灵作用机体使O2-增加，随着时间和浓度增大，O2-超过机体承受范围导致酶活性先升后降。

农药胁迫蚯蚓造成脂质过氧化令抗氧化酶活性发生变化与多方面有关[15]。当农药胁迫蚯蚓导致其体内ROS含量激增，抗氧化酶活性会被激活来消除过量的ROS[16]。此外，农药还会抑制蛋白质和蚯蚓体内基因的表达，使细胞受到氧化损伤，造成细胞凋亡。张榜军等[12]研究表明，2,4-D抑制了蚯蚓ANN基因表达和TCTP、HSP70蛋白活性，消弱蚯蚓的抗氧化防御能力，使蚯蚓出现氧化损伤。农药还能通过影响土壤生态环境，使蚯蚓生命活动必需微量元素改变或使蚯蚓体内微生物群落多样性遭到破坏，致使富集到蚯蚓体内污染物难以降解[17]。

3 联合毒性对蚯蚓抗氧化酶系的影响

由于工业活动和农药的复配使用，实际土壤中含有多种重金属和农药成分，以及农药在降解过程中产生的中间产物，使得土壤中蚯蚓体内抗氧化酶系实际上受到多种外源性因子的复合胁迫。抗氧化酶活性受到的联合效应常与化合物种类、作用时间、化合物间浓度比相关[18]，化合物间不同的结构对酶产生不同的机理。苏连水等[18]研究指出，三唑磷和氟氯氰菊酯虽然都抑制神经器官，但是前者抑制生物乙酰胆碱酯酶，而后者干扰神经细胞膜的Na+通道，两者对抑制蚯蚓的生命活动产生协同作用。也有研究发现，不同比例外源性污染物复合作用对蚯蚓作用效果有差异，李远伟等[19]研究表明，50mg·kg-1Cu和100～200mg·kg-1La3+复合胁迫下，蚯蚓SOD酶活性随时间呈显著上升趋势；在50mg·kg-1Cu和400～600mg·kg-1La3+及800mg·kg-1La3+复合胁迫时，SOD酶则分别呈先升后降和先升后降再升再降2种变化趋势。徐冬梅等[20]研究证明，菲和铬(Ⅵ)在不同的复合比例下对蚯蚓抗氧化酶活性的作用时间不同，复合组1(铬(Ⅵ)∶菲=77.4∶19.4)和复合组2(铬(Ⅵ)∶菲=97.0∶24.3)中蚯蚓SOD酶活性在第3天相比对照(铬(Ⅵ)∶菲=0∶0)呈显著抑制状态，第7～14天相比对照无显著变化；但复合组3(铬(Ⅵ)∶菲=123.0∶30.8)SOD酶在3～7d无显著变化，在14d呈激活状态。同时，因为蚯蚓对不同污染物的代谢顺序不同，导致蚯蚓体内不同时间段内农药的浓度和比例不同，造成蚯蚓体内抗氧化酶活性随时间变化。综上可知，污染物间对蚯蚓的联合效应，要具体的视其种类、作用时间、复合比例而定。

4 结语

目前，土壤中关于重金属和农药残留对于蚯蚓体内抗氧化酶系活性影响研究较多，但是大多是单个重金属和单个农药成分对蚯蚓抗氧化酶的影响，研究多个重金属、农药的复合影响较少，并且农药中成分复杂，在土壤中降解过程也会产生中间产物，有的文献仅研究农药中1种成分对蚯蚓影响，因此关于重金属和农药等对于环境的生态毒性需要进一步研究。