除草劑撲草凈和阿特拉津?qū)２菖c大型藻類的毒性比較

高亞平蔣增杰杜美榮房景輝姜娓娓方建光

(1.中國科學(xué)院海洋研究所, 青島 266071; 2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所, 農(nóng)業(yè)部可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,青島 266071; 3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

除草劑撲草凈和阿特拉津?qū)２菖c大型藻類的毒性比較

高亞平1,3蔣增杰2杜美榮2房景輝2姜娓娓2方建光2

(1.中國科學(xué)院海洋研究所, 青島 266071; 2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所, 農(nóng)業(yè)部可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,青島 266071; 3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

陸地徑流等可引起海域中除草劑濃度升高, 從而威脅海洋大型植物——海草和大型藻類的生長。以葉綠素?zé)晒鉃橹饕笜?biāo)測定除草劑阿特拉津和撲草凈的低、中、高(1、5和25 μg/L)濃度對4種常見海草：大葉藻(Zostera marina L.)、叢生大葉藻(Z.caespitosa M.)、矮大葉藻(Z.japonica Aschers.& Graebn.)、紅須根蝦形藻(Phyllospadix iwatensis M.)和2種常見大型藻類：孔石莼Ulva lactuca L.和海索面Nemalion helminthoides的光合抑制。結(jié)果顯示, 低濃度1 μg/L的撲草凈和5 μg/L的阿特拉津即對矮大葉藻、孔石莼和海索面產(chǎn)生了顯著的光合抑制, 抑制率約而7.54%—12.97%; 大葉藻、叢生大葉藻和紅須根蝦形藻的撲草凈和阿特拉津的顯著作用濃度為5 μg/L, 在相同濃度下, 撲草凈的光合抑制較阿特拉津更強(qiáng), 同時(shí), 矮大葉藻及兩種大型藻類較其他3種海草成體對除草劑作用更為敏感。

撲草凈; 阿特拉津; 海草; 大型藻類; 葉綠素?zé)晒? 毒性作用

除草劑在世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用,然而在其大大節(jié)約勞動(dòng)力、提高作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出而被大量使用的同時(shí), 由于相對較高的溶解度和殘留時(shí)間[1], 使得除草劑在經(jīng)地表或地下徑流后, 進(jìn)入水生系統(tǒng), 因而常在世界各除草劑使用國的水生系統(tǒng)中被檢出, 威脅水生生物生存與水生環(huán)境的健康[2,3]。除草劑污染程度及危害的研究多集中在淡水水域[4—8], 在沿海海域中研究較少[9—12]。但據(jù)估計(jì), 在全球所使用的除草劑等農(nóng)藥中, 至少2%流入了沿海水域中, 對沿海生物構(gòu)成威脅。研究發(fā)現(xiàn),除草劑敵草隆是引起澳大利亞Mackay地區(qū)紅樹林頂梢枯死的原因[11]。Kennedy等[12]歷時(shí)5年的跟蹤監(jiān)測證明, 大堡礁海區(qū)除草劑對珊瑚、海草和底棲硅藻存在影響。

與紅樹林和珊瑚礁同為三大典型海洋生態(tài)系的海草系統(tǒng)是淺海生態(tài)系中最豐富最重要的系統(tǒng)之一, 它們極具初級生產(chǎn)力, 構(gòu)成多種海洋食物鏈的基礎(chǔ)部分, 大大地增加周圍環(huán)境的生物多樣性,并在維持淺海環(huán)境的健康穩(wěn)定方面發(fā)揮著重要作用[13—16]。而大型藻類作為淺海生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 亦是重要的物質(zhì)基礎(chǔ), 在能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞中發(fā)揮著不可替代的作用[17,18]。在除草劑殘留于淺海環(huán)境的背景下, 海草或藻類衰退是否和除草劑有關(guān)需要引起關(guān)注。Correll等[19]最早研究過除草劑阿特拉津?qū)Υ笕~藻和另外3種河口沉水植物的影響, 結(jié)合河流內(nèi)檢出濃度, 分析認(rèn)為除草劑可能會(huì)影響切薩皮克灣的海草等植物。Ralph[20]也經(jīng)實(shí)驗(yàn)對比過苯基二甲脲、阿特拉津、西瑪津、草甘膦4種除草劑對喜鹽草Halophila ovalis的毒性大小; Haynes等[21]發(fā)現(xiàn), 最低0.1 μg/L的敵草隆即引起喜鹽草和摩羯大葉藻Zostera capricorni光合有效量子產(chǎn)量的下降, 因此昆士蘭近岸海草可能受到了除草劑潛在的威脅。Chesworth等[22]在研究兩種除草劑對大葉藻的影響中發(fā)現(xiàn)1051和敵草隆的葉綠素?zé)晒釬v/Fm10 d暴露下的EC50(引起Fv/Fm被抑制50%的除草劑濃度)分別為1.1和3.2 μg/L。

阿特拉津(Atrazine)和撲草凈(Prometryn)為兩種均三嗪類除草劑, 我國從20世紀(jì)80年代初開始使用, 由于其較大的極性、水溶性和穩(wěn)定性, 降雨時(shí)可由徑流入海, 從而污染淺海環(huán)境。徐英江等[23]采用液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法對萊州灣海域43個(gè)站位表層海水中13種三嗪類除草劑及脫乙基阿特拉津進(jìn)行了調(diào)查研究。阿特拉津、撲草凈、撲滅津、莠滅凈、脫乙基阿特拉津的檢出率分別為100%、97.7%、51.2%、100%和93.0%, 平均濃度分別為31.3、6.49、1.57、12.4和9.14 ng/L[23]。

在淺海環(huán)境除草劑殘留的背景下, 我國環(huán)境除草劑對海草及大型藻類等威脅的相關(guān)研究不足, 本實(shí)驗(yàn)擬以北方淺海4種常見海草: 大葉藻(Z.marina)、叢生大葉藻(Z.caespitosa)、矮大葉藻(Z.japonica)、紅須根蝦形藻(Phyllospadix iwatensis)和2種常見大型藻類: 孔石莼Ulva lactuca和海索面Nemalion helminthoides為研究對象, 利用靈敏、快速、無損傷的葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)作為其光和作用的指示, 分析撲草凈、阿特拉津的毒性, 為我國淺海環(huán)境的保護(hù)及相關(guān)管理政策的制定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 海草和大型藻類的采集與培養(yǎng)

海草和大型藻類采集海草大葉藻、叢生大葉藻、紅纖維蝦形藻及2種大型藻類孔石莼和海索面取自山東桑溝灣楮島海域, 矮大葉藻取自桑溝灣八河港海域, 取材料點(diǎn)水深0.5—5.5 m, 底質(zhì)為泥沙及巖礁底質(zhì)。為使海草植株一致, 大葉藻僅挑選具6個(gè)節(jié)間的枝條; 矮大葉藻挑選具5個(gè)節(jié)間的枝條; 由于叢生大葉藻和紅纖維蝦形藻呈簇狀, 小心將3—5個(gè)枝條分成一簇。所有枝條除去附著生物?？资缓秃Ｋ髅嫒〈笮∠嘟耐暾麄€(gè)體。

材料培養(yǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算及統(tǒng)計(jì)分析4種海草成體及2種藻類置于16 L玻璃缸內(nèi), 室內(nèi)15℃培養(yǎng)。培養(yǎng)基質(zhì)為原位帶回的基質(zhì)。光照150 μmol/ (m2·s),光鯰暗12h鯰12h, 充氣培養(yǎng), 各組實(shí)驗(yàn)材料在適應(yīng)72h后用于實(shí)驗(yàn)。

主要試劑和儀器美國Accustandard阿特拉津和撲草凈標(biāo)準(zhǔn)品; 德國Walz水下調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xDiving-PAM。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在前期預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上, 撲草凈和阿特拉津的實(shí)驗(yàn)濃度為: 1、5和25 μg/L, 分別測定4種海草和2種大型藻類在以上濃度組中暴露1h、10h、24h、48h和72h的葉綠素?zé)晒釬v/Fm, 計(jì)算由于除草劑結(jié)合或損傷PSII系統(tǒng)D1蛋白而產(chǎn)生的對Fv/Fm抑制率,抑制率=(Fv/Fm對照–Fv/Fm處理)/Fv/Fm對照。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用SPSS 19.0對通過方差齊性檢驗(yàn)(Modified Levene’s test)的部分進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA), 采用多SNK-q檢驗(yàn)比較對照組及不同濃度組撲草凈和阿特拉津?qū)Σ煌２菁霸孱惖墓夂弦种?對未通過方差齊性檢驗(yàn)的利用進(jìn)行獨(dú)立樣本Kruskal-Wallis檢驗(yàn); 顯著水平為0.05。

2 結(jié)果

如圖 1所示, 在72h的除草劑暴露過程中, 隨時(shí)間的延長光合抑制逐漸加重, 至24h時(shí)趨于穩(wěn)定。與阿特拉津相比, 撲草凈對4種海草和2種藻類的光合抑制作用更大。大葉藻、叢生大葉藻和紅纖維蝦形藻在阿特拉津作用下均未在1 μg/L時(shí)發(fā)現(xiàn)顯著的光合抑制, 5 μg/L時(shí), 光合作用抑制顯著(P<0.05),抑制率平均為6.89%—8.94%; 5 μg/L的撲草凈亦對3種海草產(chǎn)生了顯著的光合抑制(P<0.05), 平均抑制率為14.58%—19.79%, 25 μg/L的抑制率則為41.31%—46.32%; 同一除草劑相同濃度對該3種海草的光合抑制并未發(fā)現(xiàn)顯著的種間差異。但矮大葉藻在1 μg/L的撲草凈作用下即引起顯著的光合抑制(P<0.05), 5 μg/L的撲草凈即使得光合作用抑制達(dá)40.74%, 顯著高于同濃度撲草凈對其他3種海草的光合抑制(P<0.05); 25 μg/L的撲草凈對矮大葉藻的光合抑制率則為69.85%, 相同濃度阿特拉津?qū)Π笕~藻的毒性作用比其他3種海草稍高, 最高濃度25 μg/L的阿特拉津?qū)Π笕~藻的抑制率為28.53%。

阿特拉津?qū)资缓秃Ｋ髅娴淖畹托?yīng)濃度均是5 μg/L, 撲草凈對孔石莼和海索面的最低效應(yīng)濃度則均為1 μg/L, 孔石莼和海索面亦對撲草凈更為敏感, 尤其是海索面, 在5 μg/L的撲草凈作用下,其光合作用抑制比為30.65%, 而25 μg/L下, 則高達(dá)73.46%, 顯著高于孔石莼及除矮大葉藻外的3種海草(P<0.05)。

3 討論

阿特拉津和撲草凈對北方常見的4種海草和2種大型藻類產(chǎn)生光合抑制, 隨濃度的升高, 抑制作用增強(qiáng), 且相對于阿特拉津, 撲草凈的抑制作用更大; 相對于大葉藻、叢生大葉藻和紅纖維蝦形藻,矮大葉藻和2種大型藻所受的光合抑制作用更強(qiáng),顯示它們在環(huán)境中為更敏感的種類。

圖 1 阿特拉津A (1、5和25 μg/L)和撲草凈P (1、5和25 μg/L)72h作用中對大葉藻(A)、叢生大葉藻(B)、紅纖維蝦形藻(C)、矮大葉藻(D)、孔石莼(E)、海索面(F)Fv/Fm的抑制Fig.1 Fv/Fminhibition of atrazine (1, 5 and 10 μg/L) and prometryn (1, 5 and 10 μg/L) on Z.marina (A), Z.caespitosa (B), P.iwatensis (C), Z.japonica (D), U.lactuca (E), N.helminthoides (F) during 72h exposure

隨著農(nóng)藥等化學(xué)品在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的廣泛應(yīng)用,它們所帶來的生態(tài)與環(huán)境問題日益嚴(yán)重, 影響范圍已由陸地?cái)U(kuò)大至海洋。阿特拉津和撲草凈通過阻斷電子從質(zhì)醌QA向QB的傳遞, 從而使植物光和作用受阻。1 μg/L的撲草凈即引起了矮大葉藻、孔石莼和海索面顯著的光合抑制, 抑制率約7.54%—12.94%, 1 μg/L阿特拉津未對受試的海草和藻類產(chǎn)生顯著的光合抑制, 在相同濃度下, 撲草凈的毒性作用大于阿特拉津, 表明其環(huán)境毒性更強(qiáng)。這與Wilkinson等[24]的研究一致, 在其對十種PSⅡ除草劑對喜鹽草Halophila ovalis的研究中發(fā)現(xiàn), 24h的除草劑暴露中, 11 μg/L的撲草凈引起喜鹽草有效光合量子產(chǎn)量ΔF/F′m的降低50%, 而相同抑制程度下的阿特拉津?yàn)?2 μg/L; 在對柵藻Scenedesmus vacuolatus的研究中, 撲草凈和阿特拉津的引起ΔF/F′m被抑制50%的濃度分別為12.5和38.8 μg/L[25]。2種除草劑的毒性大小應(yīng)于其本身在生物體內(nèi)的擴(kuò)散速率等化學(xué)特性相關(guān)。在本實(shí)驗(yàn)中5 μg/L的阿特拉津引起了大葉藻、叢生大葉藻和紅纖維蝦形藻顯著的光合抑制, 這在Macinnis-Ng等[26]對海草Z.capricorni的研究中亦有發(fā)現(xiàn), 其研究發(fā)現(xiàn)10 μg/L的阿特拉津作用10h引起了Z.capricorni成體有效光量子產(chǎn)量ΔF/F′m的顯著下降, 而Gao等[27]則發(fā)現(xiàn)4 μg/L的阿特拉津顯著抑制了大葉藻成體的Fv/Fm。在本研究中, 矮大葉藻相對其他3種海草成體所受毒性更大, 這可能與其葉表薄、對除草劑吸收作用強(qiáng)有關(guān), 同樣的敏感性趨勢亦曾在Magnusson等[27]的研究中發(fā)現(xiàn), 即個(gè)體小的種類對除草劑更為敏感,所受除草劑毒性更大。同樣, 在Gao等[27]的研究中亦發(fā)現(xiàn), 相對于大葉藻成體, 大葉藻的幼苗所受阿特拉津的抑制作用更強(qiáng), 這表明在淺海環(huán)境中存在除草劑污染時(shí), 部分小型種類會(huì)首先受到威脅。

由于目前除草劑對非靶標(biāo)環(huán)境生物的影響多集中在淡水植物, 對大型藻類的研究非常少, 可比較的數(shù)據(jù)有限。撲草凈與阿特拉津毒性大小在藻類上的相似體現(xiàn)應(yīng)與2種物質(zhì)本身結(jié)合蛋白的能力有關(guān)。三嗪類PSⅡ除草劑具有較高的水溶性, 因而非常容易被植物吸收, 同時(shí)在植物體中也有著較高的富集, 這在意大利Sacca di Goro瀉湖石莼U.rigida的植物體中有著明顯體現(xiàn)[29]。

盡管撲草凈和阿特拉津等引起的光合抑制在停止除草劑暴露后會(huì)得到恢復(fù), 如Macinnis-Ng等[26]在研究中發(fā)現(xiàn)阿特拉津等作用4d后, 將卡氏大葉藻(Z.capricorni)置入清水中, 其光合作用可恢復(fù), 但在水交換低, 污染嚴(yán)重的河口地區(qū), 海草暴露于除草劑污染中的時(shí)間會(huì)相對較長, 極有可能對海草造成不可逆性損傷, 而部分海草種類可能受損傷更大。尤其在多種除草劑在環(huán)境中同時(shí)存在時(shí), 往往會(huì)存在毒性效應(yīng)的疊加甚至協(xié)同, 從而對非靶標(biāo)生物構(gòu)成更大的威脅[24,25]。

我國近年來撲草凈使用量不斷增大, 尤其是在沿海海域更為明顯, 因此其帶來的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)需引起重視。同時(shí)盡管包括歐盟在內(nèi)許多國家都停止了阿特拉津的生產(chǎn)和使用, 但在我國阿特拉津依然使用量很大, 并在環(huán)境中不斷被檢出, 對淺海環(huán)境的影響亦需要準(zhǔn)確評估。本實(shí)驗(yàn)就阿特拉津和撲草凈對淺海水生植物的光合抑制作用進(jìn)行了初步研究, 除室內(nèi)短期模擬實(shí)驗(yàn)外, 野外長期跟蹤監(jiān)測有待開展, 同時(shí)在生理和代謝水平上的毒性影響亦需要深入開展。

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COMPARISON OF THE HERBICIDE ATRAZINE AND PROMETRYN’S TOXICITY ON SEAGRASS AND SEAWEED

GAO Ya-Ping1,3, JIANG Zeng-Jie2, DU Mei-Rong2, FANG Jing-Hui2, JIANG Wei-Wei2and FANG Jian-Guang2
(1.Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2.Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture, Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fisheries Science, Qingdao 266071, China; 3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Herbicide that applied to agriculture can contaminate estuarine and costal ecosystems through overspray, ground-water leachate and runoff to impair the health of seagrass and seaweed.This study investigated the toxic effects of herbicide atrazine (1 μg/L, 5 μg/L and 25 μg/L) and prometryn based on the photosystem II (PSII) inhibition on four species of seagrass (Zostera marina, Z.caespitosa, Z.japonica and Phyllospadix iwatensis M.) and 2 species of seaweed (Ulva lactuca L., Nemalion helminthoides) in north China.Results showed that the maximum quantum yield of Z.japonica.U.lactuca L., N.helminthoides and Z.marina L seedlings depressed significantly at 1 μg/L prometryn and 5 μg/L atrazine after 72h exposure, and Z.marina, Z.caespitosa and P.iwatensis depressed at both 5 μg/L prometryn and atrazine.At the same concentration, prometryn showed higher toxicity than atrazine for all species.Z.japonica and the two seaweed were more sensitive to herbicide then others.

Prometryn; Atarzine; Seagrass; Seaweed; Chlorophyll a fluorescence; Toxicity

Q948.8

A

1000-3207(2017)04-0930-05

10.7541/2017.116

2016-07-07;

2016-11-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41306117和41676147); 中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(20603022013020和2060302201517102-2)；政府間國際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)(2016YFE0112600)資助 [Supported by the National Natural Science Foundation of China (41306117 and 41676147); the Special Scientific Research Funds for Central Non-profit Institutes, Yellow Sea Fisheries Research Institutes (20603022013020 and 2060302201517102-2)]; the Key Program for International S&T Cooperation Projects of Intergovernment (2016YFE0112600)]

高亞平(1983—), 女, 山東聊城人; 助理研究員; 主要從事海洋生物生態(tài)研究。E-mail: gaoyaping8640@163.com

方建光(1954—), 男, 研究員; 主要研究方向?yàn)楹ＫB(yǎng)殖生態(tài)。E-mail: fangjg@ysfri.ac.cn