溴氰菊酯的急性毒性效應(yīng)與毒性機理研究進展

宋雪英, 劉偉健, 孫百惠, 張方娟, 李玉雙, 趙曉旭

(1. 沈陽大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044;2. 莆田大學(xué) 生態(tài)環(huán)境及其信息圖譜福建省高等學(xué)校重點實驗室, 福建 莆田 351100)

擬除蟲菊酯類農(nóng)藥是由除蟲菊酯合成的新型第三代農(nóng)藥,具有高殺蟲效力,且對鳥類和哺乳動物毒性低.自從有機磷農(nóng)藥被限制銷售,擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的使用在過去的20年中顯著增加,成為許多國家農(nóng)業(yè)害蟲和生活衛(wèi)生害蟲防治的首選.在波蘭等歐洲國家,擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的使用量在2005—2010年間翻了一番,用量超過其他農(nóng)藥87 t[1].

溴氰菊酯是一種Ⅱ型合成擬除蟲菊酯類農(nóng)藥,由于其具有高效低毒、對光和空氣穩(wěn)定、能被生物降解等特點,在全世界范圍內(nèi)被用作殺蟲劑.溴氰菊酯是已知的最有效的擬除蟲菊酯類殺蟲劑之一,被廣泛應(yīng)用于玉米、蔬菜、果樹、茶樹等農(nóng)業(yè)作物的滅蟲,魚類養(yǎng)殖中的害蟲和寄生蟲的消殺,人類生活中衛(wèi)生除蟲殺螨等.然而,隨著溴氰菊酯殺蟲劑的大量使用,其給環(huán)境和生物也帶來了各種問題,例如,蔬菜和水果等農(nóng)產(chǎn)品中溴氰菊酯的殘留超標(biāo)以及魚類等水產(chǎn)品中農(nóng)藥的殘留,都對人類健康構(gòu)成一定的威脅[2-3].近年來,溴氰菊酯引起的環(huán)境問題已經(jīng)被世界各國的學(xué)者廣泛關(guān)注,因此,全面了解溴氰菊酯的生態(tài)毒性效應(yīng)十分必要.

1 溴氰菊酯的理化性質(zhì)

溴氰菊酯又名凱素靈、敵殺死、撲蟲凈等,其分子式為C22H19Br2NO2,化學(xué)名稱為右旋-順式-2,2-二甲基-3-(2,2-二溴乙烯基)環(huán)丙烷羧酸-(S)-溴乙氰基-3-苯氧基芐酯,分子量為505.21,結(jié)構(gòu)式見圖1.

溴氰菊酯存在3個不對稱中心,因而有8個異構(gòu)體,其中只有2種具有高活性[4],其含有酯鍵、氰基、鹵素雙鍵等官能團,由于有酯鍵的存在所以表現(xiàn)出對酸具有很好的穩(wěn)定性.溴氰菊酯為白色斜方晶系針狀結(jié)晶,熔點為98～101 ℃,比旋值[α]D20=±58±1 ℃(4%甲苯),在20℃水中溶解度<0.002 mg·L-1,易溶于丙酮、二甲苯等有機溶劑[5],對光、熱和空氣穩(wěn)定,在100 ℃以下24 h未見分解,150 ℃時稍有分解,190 ℃才見顯著分解,儲存在40 ℃環(huán)境中可以保持半年不分解[6].因此,溴氰菊酯在環(huán)境中的殘留及其潛在的生態(tài)毒性效應(yīng)引起生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域?qū)＜业闹匾?

2 溴氰菊酯的靶標(biāo)和半衰期

溴氰菊酯的主要作用靶標(biāo)是神經(jīng)細胞興奮傳導(dǎo)的基礎(chǔ)----電壓門控鈉通道(voltage-gated sodium channels, VGSCs),作用機制是溴氰菊酯延長昆蟲體內(nèi)VGSCs的開放時間,使細胞膜持續(xù)去極化,因而出現(xiàn)運動失調(diào)后的中毒癥狀,即立刻痙攣迅速進入麻痹狀態(tài),最后癱瘓死亡[7-8].此外,溴氰菊酯還可作用于昆蟲的其他靶標(biāo),如氯離子通道、ATP 酶、氨基丁酸受體、谷氨酸受體、酰膽堿受體,以及電壓門控鈣離子通道等.

遲恒等[9]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯在天然淡水中的半衰期為5.28 d,在天然海水中的半衰期為4.45 d,而在滅菌淡水中半衰期為5.99 d,在滅菌海水中半衰期為4.29 d,水體pH值和微生物種類和數(shù)量也影響著水中溴氰菊酯的降解.

溴氰菊酯在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)噴灑過程中,大約只有1%作用于靶標(biāo)生物,其余則會進入土壤和水體中[10].溴氰菊酯進入土壤和水體中會經(jīng)過一段時間才能被降解.王璞等[11]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯在苧麻中的半衰期為14.6 d,在土壤中的半衰期為12.4 d;宋國春等[12]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯在油麥菜中的半衰期為2.6～2.9 d,在土壤中的半衰期為7.5～8.2 d;王永康[13]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯在頭花蓼中的半衰期為2.1～2.6 d,在土壤中的半衰期為3.3～3.4 d.上述各種作物土壤中溴氰菊酯的半衰期有所不同,這主要與環(huán)境因素和土壤微生物活性有關(guān).土壤的pH值、有機質(zhì)含量、溫度、濕度等環(huán)境因素均影響溴氰菊酯的降解能力,如隨著pH值的升高溴氰菊酯降解的半衰期縮短.土壤中的微生物種類和數(shù)量的多少也影響其降解速率,種類和數(shù)量越多其降解速率越快.研究表明,溴氰菊酯的施藥濃度也直接影響其土壤半衰期,在大田土壤中,當(dāng)以最大生產(chǎn)施藥濃度施藥,即低濃度時,溴氰菊酯的半衰期為20.4 d,以最大生產(chǎn)施藥濃度的10倍施藥,即高濃度時,半衰期為24.3 d[8].因此,溴氰菊酯的施藥濃度越高半衰期越長.

3 溴氰菊酯的急性毒性

3.1 溴氰菊酯對水生動物的急性毒性

溴氰菊酯會因降水、灌溉水等淋溶作用而發(fā)生遷移,進入地表水甚至到達地下水,對水體造成污染,進而對水生生物造成毒害作用.徐捷等[14]在對水產(chǎn)品中溴氰菊酯殘留量的檢測時發(fā)現(xiàn),在噴灑農(nóng)藥防蟲的同時,溴氰菊酯對水體中的生物也造成了影響,對貝類的影響尤為突出,在所有檢測中發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯在貝類的檢出率最高,達15%.

有關(guān)溴氰菊酯對大型溞、對蝦、斑馬魚、大型魚類等水生生物的急性毒性影響已有研究報導(dǎo).彭方[4]發(fā)現(xiàn)多刺裸腹溞在溴氰菊酯脅迫下出現(xiàn)四處游動、逃離的現(xiàn)象,隨后行動遲緩,活動受到抑制,溴氰菊酯也對其心肌細胞產(chǎn)生了氧化損傷,影響心肌正常功能.許貽斌等[15]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯會使菲律賓蛤仔鰓絲上皮細胞纖毛層萎縮、纖毛脫落,消化盲囊上皮細胞膨脹,出現(xiàn)包涵體樣結(jié)構(gòu).Li等[16]發(fā)現(xiàn)斑馬魚幼魚在溴氰菊酯脅迫下出現(xiàn)體長縮短、頭眼面積減小和孵化率增加等現(xiàn)象,其頭部、身體、心臟和尾部區(qū)域產(chǎn)生不同程度的凋亡,溴氰菊酯顯著誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長因子flk1和fli-1以及心肌發(fā)育相關(guān)基因myl7呈劑量依賴性下降(p<0.05),增加了斑馬魚幼魚的趨觸能力,引起了類似焦慮的行為.Ullah等[17]發(fā)現(xiàn)暴露在溴氰菊酯中的鰱魚出現(xiàn)不同程度的行為失調(diào),肝、鰓、腦、肌肉組織中總蛋白含量顯著降低,全身皮質(zhì)醇和血糖水平顯著升高.Arslan等[18]研究發(fā)現(xiàn),溴氰菊酯暴露可引起鯉魚鰓板層細胞增生和炎癥細胞浸潤、充血、彌漫性積液,肝細胞變性和局灶性壞死,神經(jīng)元壞死.

溴氰菊酯在不同染毒時間對不同營養(yǎng)級水生生物的急性毒性效應(yīng)的半數(shù)致死濃度(LC50)詳見表1.可以看出,隨著時間的增加,水生生物L(fēng)C50變小,溴氰菊酯表現(xiàn)出明顯的時間-LC50效應(yīng)關(guān)系.通過比較相同染毒時間不同物種的LC50數(shù)值可以發(fā)現(xiàn),蝦、多刺裸腹溞等節(jié)肢動物受到溴氰菊酯的毒害作用最大,其次為中華絨螯蟹,最后為大型魚類.在48 h日本沼蝦、凡納對蝦和多刺裸腹溞在極低質(zhì)量濃度(0.123～0.184 μg·L-1)的情況下就已經(jīng)達到了半數(shù)死亡,在相同時間下中華絨螯蟹達到半數(shù)死亡的質(zhì)量濃度為2.319 μg·L-1,48 h的LC50是日本沼蝦、凡納對蝦和多刺裸腹溞的12.6～18.9倍.比較不同種類的魚類在96 h時的LC50數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),美洲鰣和鯉魚均在較低質(zhì)量濃度(分別為0.259和0.32 μg·L-1)達到半數(shù)死亡,其次是唐魚、真鯛和齊口裂腹魚(分別為1.217、1.500和2.589 μg·L-1),而鯽魚和羅非魚在96 h時LC50較高(分別為21.6和23.7 μg·L-1).

3.2 溴氰菊酯對土壤動物的急性毒性

溴氰菊酯在噴灑時沒有作用到靶標(biāo)的部分會進入土壤中,對土壤生物產(chǎn)生毒性效應(yīng).進入土壤,會對土壤動物種群的生存和繁殖造成影響.張大帆等[29]在對馬鈴薯腐爛莖線蟲的研究中發(fā)現(xiàn),溴氰菊酯對馬鈴薯腐爛莖線蟲運動能力具有較強的抑制作用,其毒性高于丙溴磷與克百威,LC50為459.8 mg·L-1,溴氰菊酯質(zhì)量濃度達200 mg·L-1時可抑制全部馬鈴薯腐爛莖線蟲的攝食.

表1 溴氰菊酯對水生動物的LC50值Table 1 LC50 of deltamethrin to aquatic aminals

蚯蚓作為土壤中的大型動物,對土壤污染具有較好的指示作用.目前,針對溴氰菊酯的土壤生態(tài)毒理學(xué)研究主要集中在對蚯蚓的毒性研究,采用的方法包括濾紙法、人工土壤法和實際土壤法.梁茹晶[30]采用赤子愛勝蚯蚓(Eiseniafetida)濾紙48 h急性毒性試驗研究時,得出蚯蚓48 h的 LC50為3 637.84 μg·cm-2;暴露在溴氰菊酯24 h后,600 μg·cm-2組蚯蚓環(huán)帶腫脹,體長變長,300～500 μg·cm-2處理組蚯蚓出現(xiàn)反應(yīng)遲鈍、斷節(jié)等現(xiàn)象;暴露48 h后,600 μg·cm-2處理組蚯蚓大部分死亡,其余出現(xiàn)行動遲緩、身體僵硬等現(xiàn)象,300～500 μg·cm-2組蚯蚓出現(xiàn)局部出血現(xiàn)象,100、200 μg·cm-2組蚯蚓行動變得遲緩.Shi等[31]采用人工土壤法對赤子愛勝蚯蚓的14 d急性毒性研究發(fā)現(xiàn),溴氰菊酯對蚯蚓的LC50為432.9 mg·kg-1.梁茹晶等[30]在采用實際土壤(沈陽新民潮棕壤)進行的14 d土壤急性毒性試驗時發(fā)現(xiàn),14 d的LC50為196.6 mg·kg-1.劉偉等[32]發(fā)現(xiàn)不同的急性毒性試驗接觸方式會影響蚯蚓對溴氰菊酯的吸收,濾紙試驗比土壤試驗對蚯蚓毒性更大,在濾紙試驗中溴氰菊酯直接粘附在濾紙表面,蚯蚓吸收速率和吸收量更大,而土壤試驗中溴氰菊酯會被土壤膠體、有機質(zhì)吸附,被微生物降解,降低了溴氰菊酯對蚯蚓的危害.同時,人工土壤與實際土壤的急性毒性差異因受到土壤有機質(zhì)含量、pH值、膠體含量等的差異影響,相同時間的LC50值也存在一定的差異.

4 溴氰菊酯的毒性機理

4.1 溴氰菊酯對抗氧化酶系統(tǒng)的毒性效應(yīng)

酶是由活細胞產(chǎn)生的能夠?qū)μ囟ǖ孜镞M行催化的有機物,是生物體內(nèi)不可或缺的重要物質(zhì),生物體內(nèi)擁有各種各樣結(jié)構(gòu)和功能不同的酶,它們參與生物體內(nèi)各種化學(xué)反應(yīng),保證生物的正常生命活動.超氧化物歧化酶(SOD)是生物體內(nèi)重要的抗氧化酶,可以清除生物體內(nèi)的自由基,修復(fù)自由基對細胞的危害.王偉[25]在研究溴氰菊酯對齊口裂腹魚(Schizothoraxprenanti)的毒性效應(yīng)時發(fā)現(xiàn),染毒1 d后魚體內(nèi)SOD活性在各質(zhì)量濃度處理中均有提高,溴氰菊酯對齊口裂腹魚產(chǎn)生了氧化脅迫,隨后SOD活性下降,暴露 21 d 后,除高質(zhì)量濃度處理組外,其余各組SOD活性均低于對照組,表現(xiàn)為抑制作用.這與彭方[4]對多刺裸腹溞的研究結(jié)果相同,用溴氰菊酯處理多刺裸腹溞24 h后,SOD活性呈上升趨勢,這是由于外界對生物的刺激使得多刺裸腹溞產(chǎn)生SOD來緩解自由基對機體的傷害,SOD活性上升. Ullah等[17]發(fā)現(xiàn)暴露在溴氰菊酯中的鰱魚,肝、鰓、腦、肌肉組織中活性氧、脂質(zhì)過氧化和抗氧化酶活性顯著升高,全身皮質(zhì)醇和血糖水平顯著升高,而腦、肝和肌肉組織中乙酰膽堿酯酶活性顯著降低.Arslan等[18]研究發(fā)現(xiàn),溴氰菊酯暴露可引起鯉魚誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(INOS)和8-羥基-2-脫氧鳥苷(8-OHdG)的激活.

Kuder等[33]對蚯蚓進行了濾紙接觸實驗以及人工土壤實驗, 發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯會對蚯蚓體內(nèi)的過氧化氫酶(CAT)活性產(chǎn)生抑制作用, 并且隨著暴露時間延長抑制作用增強. Shi等[31]采用人工土壤法研究溴氰菊酯對赤子愛勝蚯蚓(Eiseniafetida)的毒性發(fā)現(xiàn),染毒42 d后,蚯蚓的生長抑制作用隨暴露時間延長而增強,溴氰菊酯使蚯蚓的纖維素酶活性降低.

洪宇航等[34]發(fā)現(xiàn),溴氰菊酯對中華絨螯蟹有很強的毒性,在1 d時溶劑組中中華絨螯蟹的CAT活性顯著上升,之后活性開始下降,中華絨螯蟹的CAT活性上升可能是溴氰菊酯使中華絨螯蟹體內(nèi)產(chǎn)生了過多的過氧化氫,引起中華絨螯蟹體內(nèi)的保護機制使CAT活性上升,之后活性下降可能是溴氰菊酯已經(jīng)對中華絨螯蟹產(chǎn)生了損傷.楊宗英等[35]在研究溴氰菊酯對中華絨螯蟹的試驗中出現(xiàn)了類似的結(jié)果,溴氰菊酯在6 h后對中華絨螯蟹的CAT活性產(chǎn)生了抑制,在12 h后CAT活性顯著上升,在1 d后CAT活性仍然持續(xù)維持高水平,在48 h后CAT活性下降,CAT活性的變化是中華絨螯蟹為了適應(yīng)環(huán)境對自身做出了相應(yīng)的調(diào)節(jié),以抵消外界環(huán)境對其產(chǎn)生的影響.

4.2 溴氰菊酯對DNA分子水平的毒性效應(yīng)

溴氰菊酯會對生物的DNA造成損傷,使其遺傳物質(zhì)在染色體水平、分子水平和堿基水平上受到各種損傷,從而產(chǎn)生遺傳毒性效應(yīng)[36]. 冷春梅等[37]采用RAPD技術(shù)和外周血嗜多染紅細胞微核試驗表明,3.0 μg·L-1以上質(zhì)量濃度的溴氰菊酯會使羅非魚的DNA發(fā)生變化,并且溴氰菊酯會誘導(dǎo)羅非魚外周血紅細胞產(chǎn)生微核,微核的發(fā)生率隨暴露質(zhì)量濃度的升高和暴露時間的延長具有明顯的質(zhì)量濃度效應(yīng)和時間效應(yīng)關(guān)系.

彗星實驗?zāi)軌蛲ㄟ^細胞DNA損傷斷裂的斷鏈遷移距離來判斷細胞DNA的損傷程度,DNA受損越嚴重,彗星的拖尾率和Olive尾距等會越長[38].鄭惠東[23]通過彗星實驗發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯使真鯛肝胰臟組織出現(xiàn)了不同程度的淤血、細胞核濃縮、細胞壞死等病理性損傷,溴氰菊酯還可以直接作用于靶細胞DNA,導(dǎo)致DNA鏈條斷裂和損傷.洪宇航等[34]通過彗星實驗發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯對中華絨螯蟹血細胞DNA有較強的損傷作用,彗星拖尾率、Olive尾距等與對照組相比顯著增高(p<0.05),且拖尾率和Olive尾距隨暴露時間的增加而升高,呈現(xiàn)明顯的時間和劑量效應(yīng).佟俊旺等[39]通過對小鼠外周血淋細胞DNA的彗星實驗發(fā)現(xiàn)同樣結(jié)果,即隨著溴氰菊酯質(zhì)量濃度升高,彗星拖尾率和Olive尾距等變高.

4.3 溴氰菊酯的生殖毒性

溴氰菊酯會對生物胚胎的孵化速度、存活率產(chǎn)生影響.Parlak[40]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯會使斑馬魚胚胎/幼魚存活率降低,處理組比對照組發(fā)病率增加,溴氰菊酯還會減慢斑馬魚卵的孵化速度,孵化速度隨著質(zhì)量濃度上升而下降,增加胚胎/幼魚畸形的概率,在質(zhì)量濃度為10 mg·L-1時心包水腫很高,2.5 mg·L-1時,機體畸形程度較高,溴氰菊酯還會引起細胞凋亡,細胞凋亡隨著溴氰菊酯質(zhì)量濃度的上升而上升.Kuder等[33]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯染毒處理的斑馬魚胚胎/幼體死亡率增加,孵化時間延遲,孵化胚胎百分比降低,心跳率增加,血流減少,身體和眼睛色素沉著并呈劑量依賴性增加,心包和卵黃囊水腫,在孵化的胚胎中發(fā)現(xiàn)了尾巴變形.

溴氰菊酯會對生物的睪丸、生精量等產(chǎn)生影響.余紅民等[41]發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯染毒組大鼠睪丸每日生精量下降,大鼠睪丸組織中磷酸化AR蛋白表達水平和萎縮生精小管數(shù)較高,生精小管數(shù)減少、周長縮短.Desai等[42]發(fā)現(xiàn)雄性瑞氏白化小鼠在溴氰菊酯處理45 d后,其睪丸、附睪尾端和精囊組織重量顯著下降,精子數(shù)、精子活力和睪丸3b和17b HSD的活性顯著下降,附睪尾端唾液酸和精囊果糖含量下降,對睪丸進行切片觀察,發(fā)現(xiàn)睪丸結(jié)構(gòu)呈管狀變形,曲細精管中缺乏生殖細胞,腎小管空泡變性和生精小管嚴重壞死,睪丸間質(zhì)細胞變性,間質(zhì)間隙增大,在間隙中也觀察到空泡化.Ekaluo等[43]在研究雄性白化大鼠時發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果,溴氰菊酯使大鼠的精子數(shù)、精子活力和血清促性腺激素降低.

5 結(jié) 語

溴氰菊酯在水體、土壤和農(nóng)產(chǎn)品中的殘留及其對生物體產(chǎn)生的生態(tài)毒性效應(yīng)受到越來越多的關(guān)注.溴氰菊酯的暴露直接導(dǎo)致水生和土壤動物酶活性、遺傳物質(zhì)和生殖系統(tǒng)等遭到一定程度的威脅,隨著溴氰菊酯的使用量增加,進入環(huán)境中的溴氰菊酯必將對人類的健康造成危害.在今后的研究中應(yīng)該繼續(xù)重視溴氰菊酯對生物的毒性效應(yīng),篩選特異性強的生物標(biāo)志物,同時在生產(chǎn)中應(yīng)合理施用溴氰菊酯,減少其對環(huán)境的破壞和對生物體的損傷.