新煙堿類殺蟲劑對(duì)白符跳蟲毒性的研究

蔡鑫 常菊花 黃浩

摘要 目前新煙堿類殺蟲劑已經(jīng)成為全球使用最廣泛的一類殺蟲劑。白符跳蟲（Folsomia candida）是多年來(lái)國(guó)內(nèi)外土壤生態(tài)安全評(píng)估中普遍使用物種之一。國(guó)內(nèi)有關(guān)新煙堿類殺蟲劑對(duì)白符跳蟲毒性的研究報(bào)道甚少，國(guó)外已有部分關(guān)于新煙堿類殺蟲劑對(duì)白符跳蟲毒性的研究報(bào)道，從新煙堿類殺蟲劑對(duì)白符跳蟲的急性毒性、慢性毒性、繁殖毒性等方面進(jìn)行闡述，為新煙堿類殺蟲劑污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 新煙堿類殺蟲劑;白符跳蟲;急性毒性;慢性毒性;繁殖毒性

Abstract Neonicotinoid insecticides have become the most widely used type of insecticides in the world. Folsomia candida is one of the most commonly used species in the assessment of soil ecological safety at home and abroad for many years. No research on the toxicity of neonicotinoid insecticides to F. candida had been reported in China. Some studies had been reported on the toxicity of neonicotinoid insecticides to F. candida. The acute toxicity， chronic toxicity and reproductive toxicity of neonicotinoids insecticides on population dynamics on F. candida were reviewed in this paper， which provided a theoretical basis for the evaluation of ecological risk of neonicotinoid insecticides.

Key words Neonicotinoid insecticides;Folsomia candida;Acute toxicity;Chronic toxicity;Reproductive toxicity

農(nóng)藥作為植物保護(hù)的一種最廣泛的使用手段對(duì)農(nóng)作物的增產(chǎn)增收發(fā)揮著不可替代的作用，但是隨著農(nóng)藥的大量使用，施藥后帶來(lái)的土壤污染不可小覷。研究表明農(nóng)藥使用后，80%～90%的農(nóng)藥會(huì)最終進(jìn)入到土壤中。土壤被農(nóng)藥污染后，其性能會(huì)發(fā)生改變，土壤中的節(jié)肢動(dòng)物、原生動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物和微生物的生長(zhǎng)發(fā)育都會(huì)受到影響。白符跳蟲（Folsomia candida）是國(guó)內(nèi)外土壤生態(tài)安全評(píng)估中普遍使用物種之一[1]。白符跳蟲經(jīng)常被用于生態(tài)毒理試驗(yàn)，包括繁殖試驗(yàn)[2]、重金屬暴露試驗(yàn)[3]和急性毒性試驗(yàn)[4]。該研究擬調(diào)查新煙堿類殺蟲劑對(duì)白符跳蟲的急性毒性、慢性毒性、繁殖毒性，為新煙堿類殺蟲劑污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 新煙堿類殺蟲劑研究現(xiàn)狀

新煙堿類殺蟲劑目前已經(jīng)成為全球使用最廣泛的一類殺蟲劑[5]。新煙堿類殺蟲劑是從1991年開始進(jìn)入市場(chǎng)的，以吡蟲啉為代表[6]。新煙堿類殺蟲劑的作用機(jī)理是其作為煙堿乙酰膽堿受體（nAChRs）激動(dòng)劑與乙酰膽堿受體選擇性結(jié)合，與昆蟲乙酰膽堿（ACh）產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，阻斷中樞神經(jīng)正常傳導(dǎo)，進(jìn)而導(dǎo)致昆蟲麻痹、死亡[7]。新煙堿類殺蟲劑具有觸殺、胃毒、拒食和驅(qū)避作用，受到農(nóng)化市場(chǎng)的青睞[8]。該類殺蟲劑既可有效地防治蔬菜、水稻和果樹等重要經(jīng)濟(jì)作物上的蚜蟲、粉虱、葉蟬、飛虱、薊馬和蝽等刺吸式害蟲，也可用于寄生蟲和衛(wèi)生害蟲，如蜚蠊、蒼蠅和白蟻的防治[9]。所有的新煙堿殺蟲劑根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)可以分為3類：第一類是N-硝基胍[包括吡蟲啉（imidacloprid）、噻蟲嗪（thiamethoxam）、噻蟲胺（clothianidin）、呋蟲胺（dinotefuran）];第2類是硝基甲基[包括烯啶蟲胺（nitenpyram）和硝蟲噻嗪（nithiazine）];第3類是氰胺[包括啶蟲脒（acetamiprid）和噻蟲啉（thiacloprid）][10]。90%的新煙堿類殺蟲劑可能會(huì)殘留于土壤中，從而對(duì)非靶標(biāo)生物產(chǎn)生潛在的風(fēng)險(xiǎn)[11-12]。

新煙堿類殺蟲劑雖為煙堿激動(dòng)劑，但與煙堿型乙酰膽堿受體的作用方式與煙堿不同，造成了其對(duì)哺乳動(dòng)物和昆蟲之間的選擇性。新煙堿類殺蟲劑一般對(duì)鳥類、魚類、哺乳動(dòng)物毒性低，但是其對(duì)非靶標(biāo)生物的毒性不盡相同。蚯蚓是土壤生態(tài)系統(tǒng)中一種重要的污染指示監(jiān)測(cè)動(dòng)物。王凱[13]研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓對(duì)噻蟲胺、噻蟲啉、啶蟲脒和烯啶蟲胺非常敏感，暴露14 d后半致死濃度LC50分別為0.93、2.68、2.69、4.34 mg/kg。李二蘭等[14]研究發(fā)現(xiàn)家蠶添食不同濃度吡蟲啉藥液后的慢性中毒過(guò)程中，蠶體的生長(zhǎng)發(fā)育、取食行為、對(duì)食物的利用和消化吸收等均發(fā)生了顯著變化。鄧麗等[15]研究4種新煙堿類殺蟲劑對(duì)大型溞急性活動(dòng)抑制的影響，結(jié)果表明噻蟲嗪、吡蟲啉、噻蟲胺和烯啶蟲胺對(duì)大型溞的急性毒性分別為劇毒、高毒、中毒和低毒。Saber[16]研究發(fā)現(xiàn)吡蟲啉對(duì)卷蛾赤眼蜂（Trichogramma cacaoeciae）成蜂具有較高毒性風(fēng)險(xiǎn)。新煙堿類殺蟲劑雖然有非常良好的市場(chǎng)開發(fā)背景，但是又面臨著其對(duì)蜜蜂等傳粉昆蟲的危害所引起世界范圍內(nèi)的極大關(guān)注[17]。大量研究發(fā)現(xiàn)新煙堿類殺蟲劑可導(dǎo)致蜜蜂取食、筑巢、回巢等行為發(fā)生改變，是誘發(fā)蜂群崩潰綜合征（colony collapse disorder，CCD）的關(guān)鍵因素[18]。吳遲等[19]研究發(fā)現(xiàn)吡蟲啉、烯啶蟲胺、噻蟲嗪、呋蟲胺對(duì)蜜蜂的急性接觸毒性均為高毒。

2 白符跳蟲研究進(jìn)展

跳蟲有很長(zhǎng)的進(jìn)化史，是土壤中分布最廣泛的節(jié)肢動(dòng)物之一。跳蟲主要取食真菌、細(xì)菌以及動(dòng)植物殘?bào)w。在全球分布極廣，種群密度很大，在雨林中尤其豐富，是土壤中最重要的分解者之一[20]。作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，對(duì)各種土壤污染物敏感的跳蟲，其豐度和多樣性被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)土壤污染物的環(huán)境影響。生態(tài)毒理學(xué)研究推薦一種無(wú)脊椎動(dòng)物——白符跳蟲（Folsomia candida）為模式生物（圖1）。白符跳蟲世代周期短，具有很高的繁殖率，而且很容易飼養(yǎng)，所以它非常適合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試[21]。白符跳蟲的基因組是二倍體，由7對(duì)染色體組成[22]。白符跳蟲屬于彈尾綱，廣泛分布于世界各地的土壤和落葉層中。白符跳蟲對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能具有重要意義，它們有助于分解有機(jī)物質(zhì)，通過(guò)微生物的作用加速有機(jī)物的降解，從而刺激營(yíng)養(yǎng)素的循環(huán)[23]。白符跳蟲能在干旱、寒冷、缺氧等環(huán)境中，通過(guò)調(diào)節(jié)自身滲透壓、脂肪酸和心臟收縮率等機(jī)能適應(yīng)環(huán)境變化，但其是對(duì)化學(xué)物質(zhì)最敏感的一種跳蟲[24]。白符跳蟲在取食過(guò)程中，其體表、腹管以及腸道等部位都會(huì)接觸到有毒物質(zhì)，任何化學(xué)污染物以及外界的干擾都會(huì)對(duì)白符跳蟲產(chǎn)生一定的影響，因而白符跳蟲是多年來(lái)國(guó)內(nèi)外土壤生態(tài)安全評(píng)估中普遍使用物種之一。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）于1999年出版了一套針對(duì)白符跳生態(tài)毒性測(cè)試的準(zhǔn)則，對(duì)死亡率和繁殖毒性試驗(yàn)進(jìn)行了具體規(guī)范[25]。常用的研究方法是將這種跳蟲暴露于污染土壤中，進(jìn)行一系列成套測(cè)試來(lái)檢測(cè)各種污染物在土壤中的生物累積、對(duì)其的行為影響等[2]。這些測(cè)試評(píng)估一系列有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物的毒性，并進(jìn)行生物測(cè)定，來(lái)評(píng)價(jià)被土壤的污染及污染的修復(fù)情況。

3 新煙堿類殺蟲劑對(duì)白符跳蟲的急性毒性

Akeju[26]研究了啶蟲脒和噻蟲啉對(duì)4種土壤無(wú)脊椎動(dòng)物（白符跳蟲、蚯蚓、捕食螨、白色蚯蚓）的毒性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比其他3種無(wú)脊椎動(dòng)物，白符跳蟲對(duì)新煙堿類殺蟲劑最為敏感。急性毒性試驗(yàn)觀察指標(biāo)是死亡率來(lái)計(jì)算LC50，Alves等[27]測(cè)定了一種噻蟲嗪制劑（有效成分含量是35%）對(duì)白符跳蟲的急性毒性，結(jié)果表明LC50>1 000 mg/kg干土，為低毒。比較存活率和生殖率，發(fā)現(xiàn)噻蟲嗪毒性（LC50是0.32～0.35 mg/kg干土）與吡蟲啉毒性（LC50是0.44～0.47 mg/kg干土）相當(dāng)[28]。噻蟲嗪在昆蟲乙酰膽堿受體nAChRs上的結(jié)合位點(diǎn)有些與吡蟲啉的相同，這也部分解釋了它們的毒性，但是噻蟲嗪也具有一些自己獨(dú)特的結(jié)合位點(diǎn)[29]。在植物或昆蟲體內(nèi)，噻蟲嗪可以代謝成噻蟲胺[30]，但是噻蟲嗪和乙酰膽堿受體nAChRs亞基上的結(jié)合位點(diǎn)與噻蟲胺的結(jié)合位點(diǎn)不相同[31]。另外，實(shí)驗(yàn)室條件比如溫度和光周期（光/暗）都可能會(huì)影響白符跳蟲的新陳代謝，導(dǎo)致不同報(bào)道中測(cè)定的吡蟲啉的毒性不相同[4]。不能根據(jù)新煙堿類殺蟲劑短期的實(shí)驗(yàn)室毒性測(cè)定結(jié)果來(lái)推測(cè)長(zhǎng)期的田間防效[32]，原因目前還不清楚。

4 新煙堿類殺蟲劑對(duì)白符跳蟲的慢性毒性

化合物對(duì)白符跳蟲的慢性毒性一般通過(guò)28 d（從幼蟲到成蟲，到后代1～2周大?。┒拘栽囼?yàn)來(lái)測(cè)定[2]。盡管28 d毒性試驗(yàn)包括重要階段和敏感階段，但是無(wú)法確定后代暴露在這種化合物下的潛在風(fēng)險(xiǎn)（比如亞致死效應(yīng)）。實(shí)際上，農(nóng)藥污染土壤是一種長(zhǎng)期暴露，所以短期毒性試驗(yàn)可能不足以評(píng)估農(nóng)藥的長(zhǎng)期接觸影響。吡蟲啉和噻蟲啉在田間的施藥量分別是活性成分5～400 g/hm2和144～216 g/hm2，這主要取決于作物的不同[33]。吡蟲啉在實(shí)驗(yàn)室土壤中的降解半衰期是106～293 d，在歐洲田間的降解半衰期是40～288 d[34]，田間重復(fù)使用新煙堿類殺蟲劑可能導(dǎo)致新煙堿類殺蟲劑在土壤中的殘留濃度逐漸增加，從而對(duì)土壤無(wú)脊椎動(dòng)物產(chǎn)生潛在的長(zhǎng)期影響。Tennekes等[35]研究表明吡蟲啉和噻蟲嗪具有延遲毒性，所以這些化合物的累積效應(yīng)需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的暴露試驗(yàn)來(lái)評(píng)估。慢性毒性觀察指標(biāo)一般用生殖率或者對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育的影響，或者NOEC（最大無(wú)作用濃度）和LOEC（最低觀察效應(yīng)濃度）。生殖的慢性毒性試驗(yàn)測(cè)的噻蟲嗪NOEC為1 mg/kg[28]。

5 新煙堿類殺蟲劑對(duì)白符跳蟲的繁殖毒性

目前，已經(jīng)有很多關(guān)于吡蟲啉和噻蟲啉對(duì)白符跳蟲的繁殖毒性效應(yīng)的研究報(bào)道。對(duì)吡蟲啉和噻蟲啉對(duì)白符跳蟲3代毒性效應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，吡蟲啉對(duì)白符跳蟲F0代的毒性[LC50=0.44 mg/kg（干土），EC50=0.29 mg/kg（干土）]比噻蟲啉[LC50=9.0 mg/kg（干土），EC50=1.5 mg/kg（干土）]的毒性更大;噻蟲啉LC50/EC50比吡蟲啉的更大，說(shuō)明噻蟲啉更容易影響白符跳蟲的繁殖;試驗(yàn)一開始時(shí)在土壤中加入吡蟲啉藥劑，3代試驗(yàn)結(jié)果表明：白符跳蟲持續(xù)暴露在吡蟲啉中3代，吡蟲啉對(duì)白符跳蟲每代存活率和繁殖率的影響保持不變，這可能是因?yàn)檫料x啉在土壤中的殘效期比較長(zhǎng);但是噻蟲啉恢復(fù)了，這可能是因?yàn)猷缦x啉在土壤中很快被降解[36]。De等[6]通過(guò)3代（P，F(xiàn)1和F2）白符跳蟲來(lái)評(píng)估土壤中新煙堿類殺蟲劑噻蟲嗪原藥和制劑Actara（25%的有效成分）對(duì)白符跳蟲的毒性，結(jié)果表明，對(duì)于親本（P）來(lái)說(shuō)，噻蟲嗪原藥對(duì)白符跳蟲的毒性與制劑Actara比較不存在顯著性差異;對(duì)于F1和F2代來(lái)說(shuō)，噻蟲嗪原藥和制劑Actara對(duì)白符跳蟲的LC50>0.37 mg/kg干土;對(duì)于F1來(lái)說(shuō)，噻蟲嗪制劑Actara的繁殖毒性[EC50=0.16 mg/kg（干土）]比原藥[EC50=0.23 mg/kg（干土）]的毒性更大;對(duì)于F2來(lái)說(shuō)，噻蟲嗪原藥[EC50=0.30 mg/kg（干土）]和制劑Actara[EC50>0.37 mg/kg（干土）]對(duì)白符跳蟲的繁殖毒性不存在顯著性差異。多代試驗(yàn)結(jié)果表明，噻蟲嗪的毒性略有下降;噻蟲嗪原藥和制劑Actara的毒性類似，說(shuō)明制劑Actara中的添加成分不會(huì)增加其毒性。

多代試驗(yàn)更適合用來(lái)評(píng)估化合物的亞致死效應(yīng)和種群恢復(fù)的潛能。根據(jù)研究目標(biāo)不同，多代毒性試驗(yàn)的設(shè)計(jì)可以不相同：比如土壤中加入有毒污染物一次，然后每代更新有毒土壤以便繼續(xù)暴露，或者暴露后轉(zhuǎn)移到清潔土壤上面，以便暴露后去污等[11，37]。多代測(cè)試試驗(yàn)，只在試驗(yàn)開始時(shí)在土壤中加入污染物，中間不更換土壤，目的是研究測(cè)試化合物的降解性和測(cè)試生物種群的恢復(fù)情況。Van等[11]研究表明白符跳蟲暴露于噻蟲啉，三代之后白符跳蟲的種群具有恢復(fù)的潛能。新煙堿類殺蟲劑不僅會(huì)導(dǎo)致昆蟲死亡，還會(huì)改變昆蟲的行為或者繁殖率下降，最終導(dǎo)致種群數(shù)量下降[30]。Kreutzweiser等[38]報(bào)道了亞致死劑量的吡蟲啉可能對(duì)非靶標(biāo)生物無(wú)脊椎動(dòng)物產(chǎn)生不利影響。

6 展望

新煙堿類殺蟲劑自問世以來(lái)，為農(nóng)業(yè)作出了很大的貢獻(xiàn)，新煙堿類殺蟲劑能夠防治對(duì)常規(guī)殺蟲劑產(chǎn)生抗性的害蟲，且持效性好，對(duì)刺吸式口器害蟲防效好。但是，自從發(fā)現(xiàn)此類藥劑對(duì)蜜蜂毒性影響之后，人們開始普遍關(guān)注，為此歐盟于2013年起暫停新煙堿類殺蟲劑使用3年。所以，要積極開展科學(xué)研究，通過(guò)結(jié)構(gòu)改造或修飾、劑型研究、施藥時(shí)間選擇、使用方法等方面的研究，盡可能地降低此類藥劑對(duì)蜜蜂的不良影響。

農(nóng)藥的毒性效應(yīng)與農(nóng)藥的吸收、分布、代謝、排泄等密切相關(guān)，所以測(cè)定農(nóng)藥的毒性需要考慮生物體的暴露途徑，比如暴露在水中還是土中。OECD推薦的標(biāo)準(zhǔn)毒性試驗(yàn)中所使用的人工土壤和天然土壤還是有區(qū)別的，區(qū)別主要在于含有不同類型的有機(jī)質(zhì)和黏土含量不同，OECD推薦的人工土壤中含有65%的黏土，比天然土壤中含量大，所以黏土對(duì)藥劑的吸附性不能忽視。

在開展新煙堿類殺蟲劑毒性試驗(yàn)時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)問題：①什么濃度導(dǎo)致白符跳蟲死亡;②什么濃度導(dǎo)致白符跳蟲生殖力下降;③不同飼養(yǎng)方式或不同生命階段，白符跳蟲致死情況等;④長(zhǎng)期毒性試驗(yàn)中濃度選擇要考慮這種藥劑在田間實(shí)際殘留濃度，將來(lái)應(yīng)該更加接近田間的實(shí)際情況來(lái)開展試驗(yàn);⑤從生理生化和分子生物學(xué)等方面來(lái)深入評(píng)價(jià)白符跳蟲對(duì)新煙堿類殺蟲劑的攝入、代謝和中毒機(jī)制;⑥研究新煙堿類殺蟲劑和其他藥劑聯(lián)合使用時(shí)的毒性效應(yīng)。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年

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