環(huán)草隆與重金屬復合污染對黃瓜及小麥的毒性效應評估

姜瑢，王美娥，陳衛(wèi)平

1. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 1000852. 中國科學院大學，北京 100049

環(huán)草隆與重金屬復合污染對黃瓜及小麥的毒性效應評估

姜瑢1,2，王美娥1,*，陳衛(wèi)平1

1. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 1000852. 中國科學院大學，北京 100049

為探究草坪除草劑與重金屬復合污染對高等植物的生態(tài)毒性效應，以小麥與黃瓜為敏感受試植物，采用濾紙發(fā)芽試驗法，研究了典型草坪除草劑環(huán)草隆與4種重金屬(Cu/Zn/Pb/Cd)單一及復合污染條件下，對2種植物種子萌發(fā)與幼苗生長的毒性效應并進行評估。在此基礎上采用評估因子法外推環(huán)草隆在土壤中的預測無效應濃度(PNECsoil)。結(jié)果表明，2種植物的根長及小麥的芽長對環(huán)草隆與重金屬非常敏感(P<0.01)，且存在明顯的劑量-效應關系。黃瓜根長對環(huán)草隆最敏感，根長半抑制濃度(RI50)為0.281 mg·L-1。小麥根長對Cu、Pb、Cd比黃瓜根長更敏感。環(huán)草隆與重金屬復合污染時，黃瓜根長表現(xiàn)得最為敏感，可作為敏感生物標記物。環(huán)草隆與重金屬復合污染對小麥及黃瓜根長抑制具有協(xié)同作用，并且隨著重金屬濃度的增大，黃瓜和小麥根生長對環(huán)草隆的敏感性增加。環(huán)草隆與重金屬復合污染對小麥芽長的聯(lián)合效應主要與重金屬種類及其暴露濃度有關。以黃瓜的根伸長抑制率為急性毒性終點，利用外推法計算得環(huán)草隆在土壤中的PNECsoil為1.90 μg·kg-1，遠遠低于環(huán)草隆田間推薦使用量1.5～9 mg·kg-1。與重金屬復合污染時，環(huán)草隆的PNECsoil明顯降低，導致其生態(tài)風險提高。上述研究結(jié)果能夠為草坪除草劑環(huán)草隆與重金屬復合污染的生態(tài)風險評價提供數(shù)據(jù)支持。

環(huán)草??；重金屬；小麥；黃瓜；根伸長；毒性效應；復合污染

Received13 January 2017accepted12 April 2017

Abstract: In order to reveal the joint toxicity of typical lawn herbicide siduron and heavy metals on terrestrial plants, wheat and cucumber were exposed to single and combined treatment of siduron and four heavy metals. The germination rates, biomass and the elongation of root and shoot of tested plants were detected. The predicted no effect concentration (PNECsoil) for siduron in soil was calculated using assessment factors. Results showed that siduron and heavy metals had significant single and joint effects on root elongation of both plants and shoot elongation of wheat (P<0.01). Apparent does-effect relationships were demonstrated. Cucumber was more sensitive to siduron than wheat. RI50of cucumber in root elongation was 0.281 mg·L-1. Wheat was more sensitive to Cu, Cd, Pbthan cucumber. When we combined siduron and those four heavy metals, cucumber root elongation was the most sensitive parameter, which thus could be selected as biomarker. Siduron and those four heavy metals had a synergic effects on the inhibition of wheat and cucumber root elongation. Compared to single treatment of siduron, root elongation of both plants were more sensitive to siduron with the addition of heavy metals. Joint toxicity of siduron and those four heavy metals to wheat shoot depended more on individual heavy metal and exposing concentration. PNEC of siduron in the soil (PNECsoil) derived from the acute toxicity data of cucumber root elongation inhibition using equilibrium partitioning was about 1.90 μg·kg-1, which was far below the recommended application dose of 1.5-9 mg·kg-1siduron in field. When combined with heavy metals, the PNECsoilof siduron significantly decreased, which may lead to increased ecological risk. Results presented in this study can provide basic data for ecological risk assessment of combined pollution of siduron and heavy metals.

Keywords: siduron; heavy metal; wheat; cucumber; root elongation; toxic effect; combined pollution

隨著城市化和工業(yè)化進程的加快，在高強度工業(yè)活動、大規(guī)模的工程建設、大量廢棄物的排放和頻繁的交通運輸?shù)榷喾N因素的綜合作用下，城市土壤遭受了劇烈影響，土壤質(zhì)量明顯退化，污染嚴重[1]。而作為城市人群集中的主要休閑娛樂活動場所，草坪綠地的土壤污染問題顯得尤為關鍵，也最為敏感[2]。

重金屬污染已經(jīng)成為城市綠地土壤的重要特征之一[3-6]。前期對北京市城市土壤重金屬污染的調(diào)查研究結(jié)果表明，Cu、Zn、Pb、Cd為主要重金屬污染物[7]，其中市中心公園以及建成百年的古典公園土壤中重金屬Cu與Pb最高濃度達到457.5、207.5 mg·kg-1[8-9]。天津、西安等北方較發(fā)達城市土壤也出現(xiàn)明顯的重金屬污染，其中主要污染元素也是Cu、Zn、Pb、Cd[10-11]。沈陽和長春等北方工業(yè)城市表層土壤中Cu、Zn、Pb、Cd等元素的富集更為明顯，最高濃度達到437.3、1 107、377.5、11.04 mg·kg-1[12-13]。

由于國內(nèi)城市綠地的管理缺乏相應的規(guī)范和標準，近年來，隨著城市草坪綠地面積與日俱增，在養(yǎng)護過程中大量化肥農(nóng)藥的使用，對大氣、水體和土壤產(chǎn)生的農(nóng)藥面源污染問題日顯突出[14-17]，卻沒有引起足夠的重視。環(huán)草隆是北方城市應用較為廣泛的一種典型草坪除草劑，對草坪種子的萌發(fā)無不良影響，可有效地控制狗尾草、止血馬唐、毛雀麥和稗草等雜草。由于環(huán)草隆性質(zhì)相對穩(wěn)定，在水體及土壤中半衰期較長，而且移動性高，易隨水遷移，尤其是雨水徑流[18]，近年來環(huán)草隆在水體中時有檢出[19-20]。Whittemore等[21]在美國堪薩斯州城市住宅區(qū)低凹水坑中檢測到環(huán)草隆，Chau等[22]在越南多個城市地表水中檢測到環(huán)草隆，且濃度最高達到1 μg·L-1，Kong等[23]對天津市20個地表水樣進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)20個水樣均含有環(huán)草隆，最高濃度為0.21 μg·L-1，這說明環(huán)草隆在城市綠地中的使用相當廣泛。因此，在北方城市土壤中重金屬和除草劑復合污染普遍存在。

城市土壤(尤其草坪土壤)生態(tài)風險評估是保護和維持健康的土壤環(huán)境和生態(tài)功能的重要步驟。當今對化學品污染的生態(tài)風險評估方法大多基于單一污染物的毒性數(shù)據(jù)，然而，隨著越來越多的科學家意識到土壤復合污染的普遍性，發(fā)展復合污染生態(tài)風險評估方法逐漸引起了關注。此外，有研究表明，已經(jīng)受到了某些脅迫的生態(tài)系統(tǒng)(如旱澇、污染等)對外界不良環(huán)境的響應明顯不同于正常生態(tài)系統(tǒng)[24]。因此，本研究選擇城市土壤中普遍存在的4種重金屬污染物(Cu/Zn/Pb/Cd)與北方草坪常用除草劑環(huán)草隆為研究污染物，研究兩者復合污染下對高等植物的生態(tài)毒性效應，旨在篩選敏感生物標記物，并通過建立敏感生物標記物與污染物濃度之間的劑量-效應關系，推算預測無效應濃度(PNEC)，為城市重金屬污染土壤中除草劑施用的生態(tài)風險評價提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 供試材料

供試小麥品種為輪選987，黃瓜品種為中農(nóng)8號，供種單位為中國農(nóng)業(yè)科學院。環(huán)草隆為48.5%可濕性粉劑，其他試劑為分析純。

1.2 試驗設計與方法

1.2.1 預實驗

鋪二層濾紙于直徑9 cm燒杯中，將消毒后的黃瓜和小麥種子均勻擺放于燒杯中濾紙上，每個燒杯20粒。分別向燒杯中加入5 mL不同幾何級數(shù)濃度的環(huán)草隆、Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的污染物溶液，封口后，放在(25±1) ℃的培養(yǎng)箱中，黑暗下培養(yǎng)。當對照根芽長大于20 mm時，培養(yǎng)結(jié)束，分別計算各個處理的發(fā)芽率、芽長、根長、幼苗鮮重及干重，發(fā)芽的標準為芽長大于等于3 mm，每個處理設3個重復。

1.2.2 單效應實驗

根據(jù)預實驗結(jié)果，在種子發(fā)芽和根伸長抑制濃度達到抑制率20%～80%范圍內(nèi)，設置不同處理濃度(見表1)，在與預試驗相同條件下，進行種子發(fā)芽與幼苗生長培養(yǎng)試驗，實驗結(jié)束時，測定各處理濃度的種子發(fā)芽率和根長、芽長、幼苗鮮重及干重。

1.2.3 復合污染實驗

根據(jù)單效應實驗結(jié)果，環(huán)草隆的實驗濃度分別對應于單效應實驗根長抑制率的0%、25%、30%、40%、50%、60%，重金屬的實驗濃度對應于單效應實驗根長抑制率的0%、20%、60%，對小麥及黃瓜的復合污染試驗處理濃度見表2。

1.3 統(tǒng)計分析

所有試驗數(shù)據(jù)采用SPSS13.0和Excel等進行處理，測量數(shù)據(jù)進行單因子及雙因子方差分析，繪圖軟件為Sigma plot 18.0。

抑制率按下式計算：

抑制率=(對照-處理)/對照×100%

(1)

采用評估因子法[25]，對PNEC進行外推，即用最敏感生物的毒性數(shù)據(jù)除以適當?shù)脑u價因子(AF)即得到PNEC(見公式2)。本實驗用PNEC評價環(huán)草隆與重金屬溶液對黃瓜及小麥的生態(tài)毒理效應。由于環(huán)境中有機污染物在土壤與水相之間存在平衡作用，考慮到污染物在土壤中的生物有效性，因此通過平衡分配方法(equilibrium partitioning method, EPM)[26]，可以將土壤中污染物的濃度轉(zhuǎn)化為孔隙水中的濃度，那么污染物在孔隙水中的濃度即可采用水體的PNEC值進行生態(tài)風險評價。土壤中環(huán)草隆的無效應濃度(PNECsoil)可以按照公式(3)進行推導。

表1 環(huán)草隆與重金屬對黃瓜和小麥單效應試驗處理濃度Table 1 Single treatment concentration of siduron and heavy metals to wheat and cucumber

表2 環(huán)草隆與重金屬對黃瓜和小麥復合污染試驗處理濃度Table 2 Experiment design and combined treatment concentration of siduron and heavy metals to wheat and cucumber

注：WT為小麥復合污染實驗處理，CT為黃瓜復合污染實驗處理。

Note: WT means the treatment of combined pollution of wheat, CT means the treatment of combined pollution of cucumber.

(2)

式中：EC50選擇根長半抑制濃度；

(3)

式中：Ksoil-water為環(huán)草隆在土壤和水中分配系數(shù)(m3·m-3)，RHOsoil為土壤容重(kg·m-3)；

×RHOsolid

(4)

式中：FCwater為田間持水量(%)，F(xiàn)solid soil為土壤中固體顆粒的含量(%)，Kpsoil為環(huán)草隆在土壤中固-水分配系數(shù)(L·kg-1)，RHOsoild為土壤密度(kg·m-3)；

Kpsoil=Koc×foc

(5)

式中：Koc為環(huán)草隆在土壤中的有機碳分配系數(shù)，foc為土壤有機碳含量(%)。

根據(jù)文獻中數(shù)據(jù)，環(huán)草隆在土壤中的有機碳分配系數(shù)(Koc)一般為330～420[27-28]，取平均值375，北京市公園綠地土壤偏砂，容重約為1.39 g·cm-3，田間持水量約為35%，有機碳含量平均約為1.4%[29-31]，土壤密度統(tǒng)一為2.65 g·cm-3。

2 結(jié)果與分析(Results and analysis)

2.1 環(huán)草隆與重金屬單一、復合污染對黃瓜和小麥種子萌發(fā)及幼苗生長影響的方差分析

環(huán)草隆和重金屬單一、復合污染對黃瓜和小麥種子發(fā)芽及幼苗生長的抑制效應的方差分析發(fā)現(xiàn)(見表3)，在本試驗濃度范圍內(nèi)(黃瓜0.1～1 mg·L-1；小麥0～70 mg·L-1)，環(huán)草隆對黃瓜和小麥種子萌發(fā)及幼苗生物量無明顯影響(P>0.05)，但是顯著抑制了幼苗根長及芽長(P<0.01)。重金屬Cu和Pb對黃瓜的發(fā)芽率、根和芽伸長的效應均為顯著(P<0.01)，而重金屬Zn和Cd對黃瓜的發(fā)芽率和幼苗生物量沒有顯著效應，對根和芽伸長有顯著的效應(P<0.01)。對小麥的試驗結(jié)果表明，只有Pb對小麥發(fā)芽率和幼苗干重有顯著的效應(P<0.01)；其他3種重金屬對發(fā)芽率及幼苗生物量的效應不顯著；與對黃瓜發(fā)芽試驗類似，4種重金屬對小麥的根長和芽長都表現(xiàn)為顯著的效應(P<0.01)。

環(huán)草隆與4種重金屬復合污染的聯(lián)合效應的分析結(jié)果表明，除了環(huán)草隆與Cu復合污染對黃瓜的發(fā)芽率有顯著效應以外(P<0.01)，環(huán)草隆與其他重金屬復合污染對黃瓜與小麥種子發(fā)芽率及幼苗干重的聯(lián)合效應均不顯著(P>0.05)，而對根長和芽長的聯(lián)合效應顯著(P<0.01) (表3)。

以上結(jié)果表明，環(huán)草隆與重金屬單一及復合污染脅迫對2種受試植物根長、芽長都有顯著的影響，并且對黃瓜和小麥幼苗生長的效應較種子發(fā)芽更明顯，這是因為種子發(fā)芽過程除了受外界污染物含量及有效性的影響外，主要還受胚內(nèi)養(yǎng)分供應的影響[32]。

2.2 環(huán)草隆處理濃度與小麥及黃瓜幼苗生長的劑量-效應關系

如圖1所示，小麥根長和芽長抑制率與環(huán)草隆濃度成顯著線性正相關，回歸方程分別為RIsid=0.671X+19.8(P<0.01)，SIsid=0.793X-4.71(P<0.01)，根據(jù)回歸方程計算得到，環(huán)草隆對小麥根長、芽長的半抑制濃度分別為45.0和69.0 mg·L-1，小麥根長比芽長對環(huán)草隆脅迫更為敏感。

表3 環(huán)草隆與重金屬單一、復合污染對黃瓜和小麥種子萌發(fā)及幼苗生長情況的方差分析Table 3 Variance analysis of single and joint effect of siduron and heavy metals to cucumber and wheat seed germination and seedling growth

注：**P<0.01，*P<0.05表示不同處理濃度間有顯著差異。

Note:**, * stand for significant differences in different concertration treatments at P=0.01 and 0.05 level respectively.

黃瓜芽長抑制率與環(huán)草隆濃度之間沒有顯著的劑量-效應關系(P>0.05)，而黃瓜根長抑制率與環(huán)草隆濃度表現(xiàn)為顯著的對數(shù)相關關系(圖2)，回歸方程為RIsid=21.6lnX+77.4(P<0.01)，環(huán)草隆對黃瓜根長的半抑制濃度為0.281 mg·L-1。

以上結(jié)果表明，黃瓜根長抑制率對環(huán)草隆的敏感性較高，是小麥幼苗芽長及根長的150倍以上。這是因為環(huán)草隆本身針對多數(shù)一年生闊葉雜草，尤其是對小粒種子的闊葉雜草效果卓著，黃瓜屬于雙子葉植物而且種子細小，因此黃瓜根長對環(huán)草隆非常敏感。

圖1 環(huán)草隆對小麥幼苗生長的影響Fig. 1 Effect of siduron on the root and shoot elongation of wheat

圖2 環(huán)草隆對黃瓜幼苗生長的影響Fig. 2 Effect of siduron on the root and shoot elongation of cucumber

根據(jù)美國EPA關于環(huán)草隆的登記資料中的數(shù)據(jù)，環(huán)草隆對雙子葉植物大豆和單子葉植物洋蔥的無可見有害作用水平(NOAEL)分別為0.143 mg·kg-1和1.13 mg·kg-1[33]，與本研究結(jié)果相似。環(huán)草隆屬于苯脲類除草劑，Song等[34]的研究表明，綠麥隆對小麥幼苗的生長有明顯抑制作用，在5～25 mg·L-1濃度范圍內(nèi)，幼苗根長、芽長及鮮重受到明顯抑制，而且根部受到抑制作用更明顯；Yin等[35]研究了異丙隆對小麥的毒性效應，結(jié)果表明在3.5～20 mg·kg-1濃度下，異丙隆對小麥的根長也產(chǎn)生明顯抑制作用。

2.3 重金屬處理濃度與黃瓜及小麥幼苗生長的劑量-效應關系

根據(jù)方差分析結(jié)果(表3)，對重金屬Cu和Pb處理濃度與黃瓜的發(fā)芽率、根長、芽長、及其幼苗干物質(zhì)量，以及Zn和Cd處理濃度與黃瓜根長芽長進行了劑量-效應分析；同時對重金屬Cu、Zn、Cd與小麥根長、芽長以及Pb與小麥發(fā)芽率、根長、芽長以及幼苗干物質(zhì)進行了劑量-效應關系分析。結(jié)果表明，只有黃瓜根長及小麥根長和芽長與重金屬濃度之間有顯著的劑量-效應關系。重金屬Zn處理濃度與小麥根長及芽長抑制率呈顯著的線性正相關關系(P<0.01)，其余重金屬處理濃度與2種植物根伸長抑制率和小麥芽伸長抑制率呈顯著的對數(shù)正相關(P <0.01)，回歸方程見表4。

如表4所示，從半抑制效應濃度EC50可以看出，除Zn外，Cu、Pb、Cd 3種重金屬對小麥根伸長的半抑制濃度(RI50)都小于芽伸長的半抑制濃度(SI50)，因此小麥根長比芽長對重金屬脅迫更為敏感。與小麥相比，Zn對黃瓜根長的半抑制濃度(89.0 mg·L-1)明顯低于小麥根長半抑制濃度(382 mg·L-1)，說明黃瓜根長對Zn的敏感性比小麥高；而Cu、Pb、Cd 3種重金屬對小麥根伸長的半抑制濃度都小于黃瓜的根長半抑制濃度，說明小麥根長對Cu、Pb、Cd的敏感性比黃瓜更高。

因此，Zn的敏感生物標記物是黃瓜根長，而Cu、Pb、Cd的敏感生物標記物是小麥根長。大部分研究結(jié)果表明重金屬污染脅迫對種子萌發(fā)影響較小，但對植物根伸長抑制效應顯著，與本實驗研究結(jié)果一致[36-38]。

2.4 環(huán)草隆-重金屬復合處理與小麥幼苗生長的劑量-效應關系

在環(huán)草隆與Cu、Zn、Pb、Cd這4種不同濃度重金屬復合污染條件下，根據(jù)方差分析結(jié)果(表3)，對環(huán)草隆處理濃度與小麥的根長、芽長進行了劑量-效應分析。結(jié)果表明當重金屬濃度一定時，小麥根長、芽長抑制率與環(huán)草隆濃度之間存在顯著的劑量-效應關系(P<0.01)。如圖2所示，當重金屬濃度一定時，隨著環(huán)草隆濃度升高，小麥根長抑制率增大，呈顯著的線性正相關關系，回歸方程及半抑制效應濃度見表5。

圖3 環(huán)草隆-重金屬復合處理對小麥根長的聯(lián)合毒性Fig. 3 Joint toxicity effect of siduron and heavy metals on the root elongation of wheat

注：P<0.01表示可決系數(shù)顯著水平為0.01，下同。

Note: P<0.01 stands for markedly positive relationships at P= 0.01 level, the same below.

根據(jù)表5可以看出，與單一環(huán)草隆污染相比，環(huán)草隆與重金屬復合污染對小麥根長的半抑制效應濃度明顯降低，對小麥根長抑制具有一定協(xié)同作用。隨著Cd濃度的增大，半抑制效應濃度降低，協(xié)同作用增強。在與高濃度的Cu(20 mg·L-1)、Zn(450 mg·L-1)、Pb(300 mg·L-1)復合污染時，所有環(huán)草隆處理濃度下，小麥根長的抑制率都大于50%，說明隨著重金屬濃度的升高，小麥根長對環(huán)草隆更加敏感。

如圖4所示，當重金屬濃度一定時，小麥芽長抑制率與環(huán)草隆濃度呈顯著線性回歸關系，回歸方程及計算得到的半抑制濃度見表6。根據(jù)表6可以看出4種重金屬與環(huán)草隆復合污染對小麥芽長的半抑制效應濃度均大于根長的半抑制效應濃度，因此，環(huán)草隆與重金屬復合污染條件下，小麥的根長相對比芽長更敏感。與單一環(huán)草隆污染相比，Cu和環(huán)草隆復合污染對小麥芽長的半抑制濃度都升高，表現(xiàn)為拮抗作用；Zn和環(huán)草隆復合污染時，對小麥的芽長半抑制濃度都降低，具有明顯的協(xié)同作用；高濃度的Cd(25 mg·L-1)和Pb(300 mg·L-1)與環(huán)草隆復合污染時，小麥芽長半抑制濃度降低，表現(xiàn)為協(xié)同作用，而低濃度的Cd(10 mg·L-1)和Pb(60 mg·L-1)與環(huán)草隆復合污染時，小麥芽長半抑制濃度升高，表現(xiàn)出拮抗作用，這可能是因為環(huán)草隆與Cu及低濃度的Cd和Pb發(fā)生絡合作用，在短時間內(nèi)會阻止污染物進一步進入植物體內(nèi)，由此產(chǎn)生拮抗作用。

2.5 環(huán)草隆-重金屬復合處理與黃瓜幼苗生長的劑量-效應關系

與小麥的發(fā)芽實驗類似，分析了在環(huán)草隆與Cu、Zn、Pb、Cd 4種不同濃度重金屬復合污染條件下，環(huán)草隆處理濃度與黃瓜的根長、芽長的劑量-效應關系。結(jié)果表明當重金屬濃度一定時，黃瓜芽長與環(huán)草隆濃度之間沒有明顯的劑量-效應關系，黃瓜根長抑制率與環(huán)草隆濃度呈顯著的對數(shù)正相關(圖5)，回歸方程及半抑制效應濃度見表7。

根據(jù)表7，環(huán)草隆與重金屬復合污染時，對黃瓜根長的半抑制效應濃度也明顯降低，說明環(huán)草隆與重金屬復合污染對黃瓜根長抑制也具有一定協(xié)同作用，并且隨著Zn、Pb濃度的增大，半抑制效應濃度降低，協(xié)同作用增強。而在與高濃度的Cd (40 mg·L-1)、Cu (40 mg·L-1)復合污染時，在所有環(huán)草隆處理濃度下，黃瓜根長的抑制率都大于50%，黃瓜根長對環(huán)草隆的敏感性增加。

比較黃瓜與小麥的根長半抑制濃度(表5和7)，發(fā)現(xiàn)環(huán)草隆與重金屬復合污染對黃瓜及小麥根長抑制均表現(xiàn)出協(xié)同作用，但黃瓜根長對環(huán)草隆與重金屬復合污染的脅迫比小麥更加敏感，而且隨著重金屬濃度的增加，黃瓜和小麥根生長對環(huán)草隆的敏感性都增加；環(huán)草隆與重金屬復合污染的對小麥芽長生長聯(lián)合效應主要與重金屬種類及其暴露濃度有直接關系，這與其他學者獲得的有機物與重金屬復合污染對植物生態(tài)毒性效應的研究結(jié)果相似[39-40]。符博敏等[41]的研究也表明恩諾沙星與Cu復合污染對小白菜和西紅柿根和芽伸長表現(xiàn)出明顯的協(xié)同作用，金彩霞等[42]研究磺胺嘧啶與重金屬銅復合污染對小白菜和西紅柿根和芽伸長的聯(lián)合作用與暴露濃度有直接關系。

表5 不同重金屬處理下小麥幼苗根長抑制率(RI)與環(huán)草隆濃度(X)的相關性Table 5 Relationships between inhibition rate of wheat root elongation (RI) and concentration of added siduron (X)

注：—表示當前重金屬濃度下，在任何環(huán)草隆濃度下根長抑制率大于50%。

Note: - denotes that when the added concentration of copper, zinc, lead were 20, 450, 300 mg·L-1respectively, the inhibition rate of root elongation was always higher than 50% at any concentration of siduron.

2.6 環(huán)草隆與重金屬單一、復合污染在土壤中對高等植物的毒性濃度PNEC

通過比較黃瓜和小麥發(fā)芽和幼苗生長的毒性數(shù)據(jù)可知，對環(huán)草隆較為敏感的生物標記物為黃瓜根長抑制率，EC50值為0.281 mg·L-1。由此為毒性終點進行推導，利用外推法計算得環(huán)草隆在土壤中對高等植物的PNEC，結(jié)果見表8。環(huán)草隆對高等植物的PNECsoil為1.90 μg·kg-1，遠遠低于環(huán)草隆的普通推薦使用量1.5～9 mg·kg-1，尤其是在高爾夫球場成坪草坪上環(huán)草隆的使用量高達32.3 mg·kg-1，且每年噴施次數(shù)多達6次[33]。環(huán)草隆對高等植物黃瓜存在較大的急性毒性風險。由于環(huán)草隆使用時，在土壤中移動性較高，易隨水遷移，因此可能會對城市周邊農(nóng)田帶來一定的生態(tài)風險，不容忽視。

圖4 環(huán)草隆-重金屬復合處理對小麥芽長的聯(lián)合毒性Fig. 4 Joint toxicity effect of siduron and heavy metals on the shoot elongation of wheat

表6 不同重金屬處理下小麥幼苗芽長抑制率(SI)與環(huán)草隆濃度(X)的相關性Table 6 Relationships between inhibition rate of wheat shoot elongation (SI) and concentration of added siduron (X)

圖5 環(huán)草隆-重金屬復合處理對黃瓜根長的聯(lián)合毒性Fig. 5 Joint toxicity effect of siduron and heavy metals on the root elongation of cucumber

表7 不同重金屬濃度下黃瓜幼苗根長抑制率(RI)與環(huán)草隆濃度(X)的相關性Table 7 Relationships between inhibition rate of cucumber root elongation (RI) and concentration of added siduron (X)

注：—表示當前重金屬濃度下，在任何環(huán)草隆濃度下根長抑制率大于50%。

Note: - denotes that when the added concentration of cadmium, copper were 40, 20 mg·L-1respectively, the inhibition rate of root elongation was always higher than 50% at any concentration of siduron.

表8 推導環(huán)草隆預測無效應濃度的急性毒性數(shù)據(jù)Table 8 Acute toxicity date used to estimate PNEC of siduron

與重金屬Cu(6 mg·L-1)、Zn(40 mg·L-1)、Pb(90 mg·L-1)、Cd(10 mg·L-1)復合污染下，環(huán)草隆在土壤中的PNECsoil值分別降低25.3%、17.8%、30.6%和37.8%，環(huán)草隆在土壤中的安全閾值降低，污染可能導致的風險將大大提高。而與更高濃的Cu(20 mg·L-1)、Zn(120 mg·L-1)、Pb(300 mg·L-1)、Cd(40 mg·L-1)復合污染下，由于環(huán)草隆的EC50值接近0或者不存在，無法計算在土壤中的PNEC值。

綜上所述：

本文采用濾紙發(fā)芽試驗法研究了典型草坪除草劑環(huán)草隆與4種重金屬單一及復合污染對小麥和黃瓜種子萌發(fā)及幼苗生長的毒性效應，篩選敏感的生物標記物，建立劑量-效應關系，并在此基礎上外推環(huán)草隆在土壤中的預測無效應濃度(PNEC)，為環(huán)草隆的生態(tài)風險評價提供數(shù)據(jù)支持。

(1)2種植物根長及小麥芽長對環(huán)草隆與重金屬非常敏感，且存在明顯的劑量-效應關系，其中黃瓜根長對環(huán)草隆最敏感，RI50為0.281 mg·L-1，可以作為環(huán)草隆對高等植物生態(tài)毒性效應評價的敏感生物標記物。4種重金屬中，除Zn外，小麥根長對Cu、Pb、Cd比黃瓜根長相對更敏感，但環(huán)草隆與4種重金屬復合污染時，黃瓜根長表現(xiàn)得更加敏感。

(2)4種重金屬與環(huán)草隆復合污染對小麥和黃瓜的根長抑制表現(xiàn)出協(xié)同作用，而且隨著重金屬濃度的增加，黃瓜和小麥根生長對環(huán)草隆的敏感性都增加。環(huán)草隆與重金屬復合污染對小麥芽長生長聯(lián)合效應主要與重金屬種類及其暴露濃度有直接關系。

(3)以黃瓜的根伸長的急性毒性為毒性終點，利用外推法計算得環(huán)草隆在土壤中的PNEC為1.90 μg·kg-1，遠遠低于環(huán)草隆的田間推薦使用量，說明環(huán)草隆對高等植物黃瓜存在較大的急性毒性風險，而且與重金屬復合污染時，環(huán)草隆的PNECsoil值明顯降低，可能導致的生態(tài)風險將大大提高，因此環(huán)草隆與重金屬復合污染的毒性效應更應該引起關注。

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◆

JointToxicityAssessmentofSiduronandHeavyMetalsonCucumberandWheatSeedGerminationandSeedlingGrowth

Jiang Rong1,2, Wang Meie1,*, Chen Weiping1

1. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China2. University of China Academy of Sciences, Beijing 100049, China

10.7524/AJE.1673-5897.20170113003

2017-01-13錄用日期2017-04-12

1673-5897(2017)3-544-12

X171.5

A

王美娥(1975-)，女，博士，副研究員，長期以來從事土壤重金屬、農(nóng)藥單一復合污染過程與生態(tài)效應研究，已發(fā)表SCI論文20余篇。

國家自然科學基金面上項目(41271503)

姜瑢(1989-)，女，博士研究生，研究方向為土壤污染生態(tài)風險評價，E-mail: jrong15@163.com

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: mewang@rcees.ac.cn

姜瑢, 王美娥, 陳衛(wèi)平. 環(huán)草隆與重金屬復合污染對黃瓜及小麥的毒性效應評估[J]. 生態(tài)毒理學報，2017, 12(3): 544-555

Jiang R, Wang M E, Chen W P. Joint toxicity assessment of siduron and heavy metals on cucumber and wheat seed germination and seedling growth [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2017, 12(3): 544-555 (in Chinese)