農(nóng)藥對陸生生物的生態(tài)毒性及風(fēng)險評估

于彩虹，李春燕 ，林榮華，宗伏霖，姜輝，瞿唯鋼

1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083 2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥檢定所，北京 100125

農(nóng)藥對陸生生物的生態(tài)毒性及風(fēng)險評估

于彩虹1，李春燕1，林榮華2,*，宗伏霖2，姜輝2，瞿唯鋼2

1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083 2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥檢定所，北京 100125

農(nóng)藥的使用會對非靶標(biāo)生物造成影響，由此世界各國都采取了風(fēng)險控制手段以預(yù)防農(nóng)藥造成的生態(tài)危害。本文綜述了歐洲、美國和日本針對農(nóng)藥開展的陸生生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險評估方法，包括陸生非靶標(biāo)生物、風(fēng)險評估模型、風(fēng)險評估的基本方法及生態(tài)毒性的評價指標(biāo)。同時分析了農(nóng)藥登記管理對陸生生生物的生態(tài)毒性及風(fēng)險評估中存在的科學(xué)問題，且提出了方法學(xué)的發(fā)展方向。

農(nóng)藥；陸生生態(tài)系統(tǒng)；生態(tài)毒性；風(fēng)險評估

農(nóng)藥對發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、促進(jìn)農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，保障人類糧食需求做出了巨大貢獻(xiàn)[1]，但長期、大量不合理使用農(nóng)藥，對陸生生態(tài)系統(tǒng)及其中的有益生物造成了不同程度的危害[2]。而陸生生態(tài)系統(tǒng)為包括人類在內(nèi)的所有物種提供了生存的機(jī)會。因此，有必要評估農(nóng)藥危害對于陸生生態(tài)系統(tǒng)的影響。由于人類活動和農(nóng)業(yè)中農(nóng)藥的使用，各種單一結(jié)構(gòu)和功能的生態(tài)系統(tǒng)的混合使得陸生生態(tài)系統(tǒng)更為復(fù)雜，有關(guān)農(nóng)藥影響評估已成為安全評估中最重要的問題之一。世界各國都在積極探索采用各種技術(shù)和手段對農(nóng)藥進(jìn)行風(fēng)險評估，以預(yù)防和降低農(nóng)藥對環(huán)境的影響[3]。以歐洲各國和美國為首的許多國家已形成監(jiān)管程序，將環(huán)境風(fēng)險評估作為農(nóng)藥登記注冊要求中不可缺少的環(huán)節(jié)[4-5]。但是生態(tài)環(huán)境中存在大量未知敏感程度的生物物種，且目前各國對陸生生物的生態(tài)毒理學(xué)知識比較匱乏，所以導(dǎo)致陸生生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險評估變得更加困難。

1　陸生生物風(fēng)險評估概述

1.1風(fēng)險評估的對象

根據(jù)生物多樣性公約，生態(tài)系統(tǒng)是一個由植物、動物和微生物群落的動態(tài)復(fù)雜性和它們的非生命環(huán)境交互作用構(gòu)成的功能單位[6]。對于陸生生態(tài)系統(tǒng)，其風(fēng)險評估對象是生物體。而根據(jù)生物體在生態(tài)系統(tǒng)中執(zhí)行的功能不同，可歸納為3個部分：(1)生產(chǎn)者，綠色植物為主；(2)消費者，吸收營養(yǎng)的生物體；(3)分解者，以排泄物和尸體為食并能礦化排泄物和尸體的生物體。

1.2風(fēng)險評估概念模型

風(fēng)險評估概念模型的基礎(chǔ)是介質(zhì)與受體之間的相互作用[7]。模型見圖1，上層代表暴露，下層代表受體。農(nóng)藥到達(dá)最初的暴露介質(zhì)(土壤、大氣、水和葉面)，并向環(huán)境中擴(kuò)散，最終到達(dá)生態(tài)受體(生物體)。評估過程應(yīng)對暴露介質(zhì)和環(huán)境中受體間的相互關(guān)系及農(nóng)藥的環(huán)境動力學(xué)和食物鏈予以考慮。

1.3風(fēng)險評估的基本要求

總體上，風(fēng)險評估是針對農(nóng)藥在生態(tài)系統(tǒng)中的暴露量與農(nóng)藥對于目標(biāo)物種的毒性進(jìn)行比較評估。即危害商值HQ=預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)中暴露農(nóng)藥量/農(nóng)藥對目標(biāo)生物毒性。當(dāng)農(nóng)藥在生態(tài)系統(tǒng)中暴露量小于農(nóng)藥對目標(biāo)生物的一定毒性，則存在的風(fēng)險較低；農(nóng)藥在生態(tài)系統(tǒng)中暴露量大于農(nóng)藥對目標(biāo)生物的一定毒性，則存在風(fēng)險。根據(jù)風(fēng)險水平和分級，確定風(fēng)險可接受程度，采取必要的措施，以降低風(fēng)險。歐美等國家風(fēng)險評估過程包括問題闡述、暴露評估、效應(yīng)評估、風(fēng)險表征的4個環(huán)節(jié)。在暴露評估和效應(yīng)評估階段，按照由簡單到復(fù)雜、由室內(nèi)模擬到田間實際的原則，設(shè)置了分級評估方法(Tier)。暴露評估各個地區(qū)或國家基本一致，即通過室內(nèi)理化性質(zhì)檢測或田間實際監(jiān)測，獲得預(yù)測暴露量(predicted environmental concentration, PEC)。而由于不同地區(qū)在棲息地、農(nóng)業(yè)形式、氣象與氣候、文化、思想、價值觀、工業(yè)和人類社會的其他方面存在差異，效應(yīng)評估的目標(biāo)物種和所需的實驗數(shù)據(jù)有所不同，表1列出了美國、日本以及歐洲一些國家的生態(tài)毒性評估的目標(biāo)物種和數(shù)據(jù)要求[8-13]。

圖1　陸生生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險評估的概念模型注：化學(xué)物質(zhì)到達(dá)初始暴露區(qū)域(灰色部分)，分布于環(huán)境中并到達(dá)生態(tài)受體。Fig. 1　Conceptual model for hazard and risk assessment for the terrestrial ecosystemsNote:The chemical reaches the initial exposure area (grey parts) and is distributed in the environment, which gets into the ecological receptor finally.

表1　歐盟(EU)、美國(US)和日本農(nóng)藥注冊戶外使用生態(tài)毒性的數(shù)據(jù)要求[8-13]

注：R，需要；CR，必要時需要；NR，不需要；*，急性經(jīng)口或急性接觸研究。

Note:R, Required; CR, Conditionally required; NR, Non-required; * Acute oral or contact study.

2　不同地區(qū)(歐盟、美國和日本)陸生生物風(fēng)險評估

對注冊農(nóng)藥進(jìn)行風(fēng)險評估時發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)生物群存在特殊性。本文將分別介紹歐洲、美國和日本的農(nóng)藥對陸生生物風(fēng)險評估方法。

2.1歐盟

歐洲對于農(nóng)藥風(fēng)險評估研究始于20世紀(jì)80年代，1999年歐盟91/414法規(guī)明確規(guī)定需要評估農(nóng)藥對包括陸生生物(蜂、鳥、蚯蚓、非靶標(biāo)節(jié)肢動物)等非靶標(biāo)生物的風(fēng)險[14]。2000年歐盟毒理學(xué)、生態(tài)毒理學(xué)和環(huán)境科學(xué)委員會(CSTEE)提出，以科學(xué)為基礎(chǔ)適當(dāng)?shù)貙﹃懮镞M(jìn)行風(fēng)險評估[15]。CSTEE對風(fēng)險評估的主要目標(biāo)是與人類相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，因此保護(hù)目標(biāo)停留在種群或群落水平，對高生態(tài)領(lǐng)域的風(fēng)險評估關(guān)注度仍然不夠[16]。歐洲和地中海植物保護(hù)組織(EPPO)、環(huán)境毒理學(xué)會和化學(xué)學(xué)會(SETAC)、歐洲食品安全局(EFSA)等組織和科學(xué)工作者經(jīng)過大量的研究，提出了將鳥類、哺乳動物、蜜蜂、非靶標(biāo)節(jié)肢動物、蚯蚓、土壤微生物、非靶標(biāo)植物等作為評估目標(biāo)，盡量代表陸生生態(tài)系統(tǒng)的不同層次，使生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險評估更加科學(xué)，可操作性更強(qiáng)。歐盟不僅對生物群的評估使用不同指標(biāo)，并提出對農(nóng)田和其他農(nóng)用物資中生存的生物體進(jìn)行評估。表2列出了歐盟評估的生態(tài)受體和相關(guān)指標(biāo)[8-10]，并對其中一些有益的或有生態(tài)價值的受體建立較完善的風(fēng)險評估體系，如：鳥類、哺乳動物、蜜蜂和非靶標(biāo)節(jié)肢動物等。

(I)鳥類和哺乳動物

鳥和哺乳動物主要通過經(jīng)口途徑暴露，這是最頻繁和暴露量最多的途徑，且是最重要的途徑。

由于鳥類具有長途旅行，能夠適應(yīng)并在受干擾的棲息地生存及對許多環(huán)境污染物高度敏感等特點，故進(jìn)行較低層次的評估時，需要從鳥類(美洲鶉或日本鵪鶉)的急性經(jīng)口實驗中獲取數(shù)據(jù)，當(dāng)暴露的母體動物和巢穴處于繁殖期并受到農(nóng)藥污染且影響不能消除時，獲取某種鳥類物種的繁殖實驗數(shù)據(jù)是必要的。哺乳動物在地表上下、樹上、水中或其他棲息地覓食和筑巢，增加了暴露的幾率，因此需要對哺乳動物進(jìn)行評估[17]。當(dāng)對野生哺乳動物進(jìn)行評估時，可使用老鼠的急性經(jīng)口實驗數(shù)據(jù)，也可使用人類健康風(fēng)險評估中的兩代繁殖試驗?zāi)菢拥拈L期實驗獲得的數(shù)據(jù)。

(II)蜜蜂[8-9,14,18]

除了不考慮限制使用農(nóng)藥的蜜蜂暴露區(qū)，如食物儲存在密閉的空間和使用未授粉的大棚，對蜜蜂進(jìn)行急性經(jīng)口和急性觸殺實驗是必要的。效應(yīng)評估的終點是LD50(μ g/蜜蜂)，之后結(jié)合其暴露量，要計算危害商值(HQ，施用量(g·ha-1)/LD50)。當(dāng)HQ<50時，認(rèn)為風(fēng)險較低。此外，當(dāng)化學(xué)物質(zhì)作為昆蟲生長調(diào)節(jié)劑(IGR)時，進(jìn)行蜜蜂育雛飼養(yǎng)試驗(評估對蜜蜂幼蟲造成的風(fēng)險)是必要的。當(dāng)HQ≥50時，需要通過更高層次的實驗對安全性進(jìn)行評估，如殘留實驗、網(wǎng)籠實驗、風(fēng)洞實驗和大田實驗。然而，HQ的觸發(fā)值設(shè)為50僅僅適用于噴灑型農(nóng)藥。

表2　歐盟注冊農(nóng)藥生態(tài)毒性和風(fēng)險評估的數(shù)據(jù)要求和參數(shù)(一級階段)

注：LD50，半數(shù)致死量；LC50，半數(shù)致死濃度；LR50，半數(shù)致死率；NOEC，最大無影響濃度；NOEL，無作用劑量；DDD，每日飲食劑量；TER，毒性暴露率；HQ，危害商值；土壤PEC，土壤中的預(yù)測環(huán)境濃度。

Note:LD50, median lethal dose; LC50, median lethal concentration; LR50, median lethal rate; NOEC, no observed effective concentration; NOEL, no observed effective level; DDD, daily dietary dose; TER, toxic exposure rate; HQ, hazard quotient; PEC in soil, predicted environmental concentration in soil.

(Ⅲ)非靶標(biāo)節(jié)肢動物[19]

與蜜蜂的情況相似，但是考慮到非靶標(biāo)節(jié)肢動物的物種多樣性和敏感程度，非靶標(biāo)節(jié)肢動物的風(fēng)險評估存在更大困難。歐盟設(shè)定非靶標(biāo)節(jié)肢動物在室內(nèi)試驗階段效應(yīng)評估終點為LR50(μg·ha-1)，其危害商值HQ<2，認(rèn)為風(fēng)險較低；當(dāng)HQ50≥50時，需要開展更高層次的實驗。在高級階段，對非靶標(biāo)節(jié)肢動物種群或群落影響超過50%時，風(fēng)險不可接受。

2.2美國

美國的農(nóng)藥風(fēng)險評估工作由美國環(huán)境保護(hù)局(EPA)負(fù)責(zé)。目前，EPA已經(jīng)建立了一整套完善的農(nóng)藥風(fēng)險評估體系，對新農(nóng)藥、在用農(nóng)藥和撤消后的農(nóng)藥都建立了有效的監(jiān)管機(jī)制[20]，同時美國以風(fēng)險評估為基準(zhǔn)，確定了農(nóng)藥對鳥類、哺乳動物、蜜蜂和非靶標(biāo)植物的風(fēng)險評估指標(biāo)及可接受標(biāo)準(zhǔn)(表3)。該評估中的基本概念和歐盟是相同的，但美國主要考慮的是瀕危物種，并專門制定了美國瀕危物種保護(hù)法(Endangered Species Act)。此外，美國的風(fēng)險評估中使用了風(fēng)險商值(RQ)這個概念，即環(huán)境中預(yù)測濃度與終點濃度的比值，即TER的倒數(shù)，其以暴露量與效應(yīng)值關(guān)系評估農(nóng)藥風(fēng)險的核心理念與歐盟基本一致。

(I)鳥類和哺乳動物[11-12,21-24]

根據(jù)農(nóng)藥的類型，需要2種鳥類進(jìn)行急性經(jīng)口實驗，一種是雀形目鳥，另一種是美洲鶉或野鴨，并對這2種鳥類進(jìn)行為期5天的飲食和繁殖實驗。當(dāng)溫室中使用液體制劑或其他類型的藥品時，不需要進(jìn)行急性經(jīng)口實驗。此外，對于哺乳動物，需要對人類健康風(fēng)險評估中的老鼠急性經(jīng)口實驗和兩代繁殖實驗等長期實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行評估，同時，參照上述實驗的結(jié)果，判斷是否需要進(jìn)行急性毒性實驗和使用野生生物的其他實驗。

(II)蜜蜂[11-12,21-23]

根據(jù)農(nóng)藥的不同類型，可能需要通過西方蜜蜂(Apis mellifera )獲取急性觸殺實驗數(shù)據(jù)。風(fēng)險評估使用的毒性終點是LD50(μg/蜜蜂)，但當(dāng)LD50< 11 μg/蜜蜂時，則需要開展更高層次的殘留實驗或田間授粉實驗。

表3　美國注冊農(nóng)藥生態(tài)毒性和風(fēng)險評估的數(shù)據(jù)要求和參數(shù)(一級階段)

注：EEC，環(huán)境暴露濃度；RQ，風(fēng)險商；a.i.，有效成分。

Note:EEC, Environmental Exposure Concentration; RQ, Risk Quotient; a.i., active ingredient.

2.3日本

日本需要進(jìn)行評估的靶標(biāo)生物[13]有鳥類、蜜蜂、天敵昆蟲和桑蠶，同時考慮到與農(nóng)業(yè)相關(guān)的行業(yè)，并對陸生生物進(jìn)行定性的風(fēng)險評估。目前的風(fēng)險評估以危害評估為基礎(chǔ)，并在商品標(biāo)簽上作出警示。

(I)鳥類[13,25]

對鳥類需要開展急性經(jīng)口實驗。當(dāng)發(fā)現(xiàn)毒性強(qiáng)烈(LD50< 300 mg·kg-1)時，則需要開展進(jìn)食實驗。而當(dāng)毒性較低時，則不需要進(jìn)行警示。

(II)蜜蜂[13,25]

從養(yǎng)蜂和傳粉昆蟲風(fēng)險評估角度來看，需要對西方蜜蜂進(jìn)行急性毒性實驗(急性經(jīng)口或急性觸殺實驗)。然而，由于農(nóng)藥制劑的類型和使用方法的不同(如：設(shè)備中的顆粒物或存儲的熏蒸劑)，暴露在農(nóng)藥中的蜜蜂沒有風(fēng)險，則可不用遞交風(fēng)險測試結(jié)果。當(dāng)急性毒性實驗結(jié)果為毒性強(qiáng)烈時，則需要進(jìn)行田間實驗。當(dāng)LD50>11 μg/蜜蜂或在農(nóng)藥注冊的最大應(yīng)用劑量未發(fā)現(xiàn)影響時，則認(rèn)為沒有風(fēng)險。

3　展望

陸生生態(tài)系統(tǒng)中農(nóng)藥的風(fēng)險評估非常復(fù)雜和困難，但隨著科技進(jìn)步，歐盟和美國正在開展更為細(xì)致的風(fēng)險評估。目前，經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(Organization for Economic Cooperation and Development, OECD)的測試準(zhǔn)則中已有30種方法用于農(nóng)藥風(fēng)險評估，并且正在研究新的用于標(biāo)準(zhǔn)實驗室測試的實驗類型和方法。此外，日本正在考慮將歐盟和美國的風(fēng)險評估方法引入本國的農(nóng)藥管理條例中，即引入適用于2種陸生生物評估的比較毒性指標(biāo)和暴露水平[26-27]。

與國外陸生生物農(nóng)藥風(fēng)險評估相比，中國農(nóng)藥風(fēng)險評估工作起步晚、體系不完善。雖然中國農(nóng)藥登記管理中提出了對于蜂(急性經(jīng)口、急性接觸)、鳥(急性經(jīng)口、短期飼喂)、蠶、天敵赤眼蜂、蚯蚓、土壤微生物、非靶標(biāo)植物等陸生生物的毒性要求，但是缺少哺乳動物等要求，且限于急性毒性資料要求，僅要求“對于對環(huán)境某方面有特殊風(fēng)險的農(nóng)藥，還應(yīng)提供相應(yīng)的補(bǔ)充資料”[28]。風(fēng)險評估未成體系，風(fēng)險評估方法、模型及指標(biāo)也都處于摸索階段，總體上處于歐美等發(fā)達(dá)國家的初級階段。為與國際接軌，在陸生代表生物物種的選擇上，除了家蠶(Bombyx mori L.)、天敵赤眼蜂(Trichogramma spp.)外，我國延續(xù)采用了西方蜜蜂(Apis mellifera )、日本鵪鶉(Coturnix japonica )、赤子愛勝蚓(Eisenia foetida )、非洲爪蟾(Xenopus laevis )等作為靶標(biāo)生物標(biāo)準(zhǔn)物種[29]，但是這些靶標(biāo)生物究竟是否能夠代表中國該類或該種生物，仍待進(jìn)一步的研究驗證。在評價方法上，農(nóng)藥對爬行類動物、兩棲類動物評價方法尚不成熟。

與此同時，由于全球日益關(guān)注，農(nóng)藥對于陸生生物影響方面研究愈來愈多。如，針對于吡蟲啉等新煙堿類殺蟲劑對于蜜蜂的風(fēng)險評估的工作方興未艾；針對混配農(nóng)藥，探索混合毒性評價方法是當(dāng)前研究熱點；通過模擬田間或者田間試驗，在更接近實際農(nóng)藥應(yīng)用情況下，探索農(nóng)藥對于陸生生態(tài)系統(tǒng)的影響，建立評估模型也是重要方向。從國際發(fā)展態(tài)勢看，減少測試動物用量和實驗數(shù)目，優(yōu)化試驗程序?qū)⑹俏磥矶拘栽u價的主流方向，用計算毒理學(xué)方法、高通量和高內(nèi)含離體細(xì)胞代替動物實驗的方法等，都是農(nóng)藥生態(tài)毒性評價的未來趨勢。今后，需要努力積累更多的知識和技術(shù)，包括使用鳥胚胎的簡單評估系統(tǒng)、探索QSAR定量構(gòu)效關(guān)系等，以圖發(fā)展適合中國自身情況的陸生生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險評估體系，推動研發(fā)和生產(chǎn)使用對生態(tài)環(huán)境更加安全和友好的的農(nóng)藥。

通訊作者簡介：林榮華(1974-)，男，博士，副研究員，主要從事農(nóng)藥登記管理方面研究。

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◆

Eco-toxicity and Risk Assessment of Pesticide on Terrestrial Organisms

Yu Caihong1, Li Chunyan1, Lin Ronghua2,*, Zong Fulin2, Jiang Hui2, Qu Weigang2

1. China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China 2. Institute for the Control of Agrochemicals, Ministry of Agriculture, Beijing 100125, China

24 March 2015accepted 27 May 2015

Intensive application of pesticides could result in eco-toxicities on non-target organisms, and ecological risk management of pesticides is a key measure to prevent adverse ecosystem consequences. This study herein mainly focused on reviewing ecological risk assessment of pesticide on terrestrial organisms with respect to model test species, models, methodologies and end-points used in different countries. In addition, the authors analyzed the limitations in presenting registration protocols of eco-toxicity tests and risk assessment for pesticides regarding to terrestrial organisms, and put forward prospective solution.

pesticides; terrestrial ecosystem; eco-toxicity; risk assessment

國家自然科學(xué)基金(31471803，31171912)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203022)

于彩虹(1973-)，女，教授，研究方向為環(huán)境生物學(xué)、生物化工、水污染控制，E-mail:caihongy2013@126.com

Corresponding author)， E-mail: linronghua@agri.gov.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20150324013

2015-03-24 錄用日期：2015-05-27

1673-5897(2015)6-021-08

X171.5

A

于彩虹，李春燕，林榮華, 等. 農(nóng)藥對陸生生物的生態(tài)毒性及風(fēng)險評估[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報，2015, 10(6): 21-28

Yu C H, Li C Y, Lin R H, et al. Eco-toxicity and risk assessment of pesticide on terrestrial organisms [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2015, 10(6): 21-28 (in Chinese)