草銨膦和草甘膦在水環(huán)境中的行為和毒性效應(yīng)研究進(jìn)展

孟秀柔，宋青梅，王飛，唐守英，張鈺萍

貴州大學(xué)精細(xì)化工研究開發(fā)中心，綠色農(nóng)藥與農(nóng)業(yè)生物工程國家重點實驗室，教育部綠色農(nóng)藥與生物工程重點實驗室，貴陽 550025

我國是農(nóng)業(yè)大國，每年用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)藥數(shù)量和種類很多。近年來，我國每年使用農(nóng)藥制劑約100萬t，防治面積達(dá)3億hm2以上，且這個數(shù)據(jù)還在逐年上升[1]。農(nóng)田化學(xué)除草劑的使用，是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收的重要保障，在除草劑種類不斷增加、作物面積不斷擴(kuò)大、除草劑用量不斷增加的同時，除草劑使用帶來的一系列環(huán)境問題逐漸引起重視[2]。農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的過程中，可以通過地表徑流、雨水沖刷以及地下水滲透等過程進(jìn)入水體中[3]。殘留于水體中的農(nóng)藥成分對于水中的植物、動物等會產(chǎn)生一定的影響，藻類、魚類作為水中的生產(chǎn)者和消費者，對水環(huán)境的變化會產(chǎn)生各種生理響應(yīng)。

草銨膦和草甘膦作為最常用的有機(jī)磷類除草劑，在使用過程中的環(huán)境問題一直是研究熱點之一。草銨膦和草甘膦均為滅生性廣譜除草劑，具有高效、低毒等特性，常用于防治禾本科雜草和闊葉雜草。草銨膦和草甘膦由于結(jié)構(gòu)比較相似(圖1)，都易溶于水，在水溶液中較穩(wěn)定，環(huán)境殘留分析方法也相似[4-6]。

圖1 草銨膦和草甘膦的結(jié)構(gòu)式Fig. 1 Structural formulas for glufosinate and glyphosate

盡管目前在世界范圍內(nèi)的不同的水環(huán)境中都發(fā)現(xiàn)這2種農(nóng)藥殘留[7]。但對2種農(nóng)藥在水環(huán)境中的行為以及對水生生物的毒性效應(yīng)的研究尚不夠全面，因此，展開2種除草劑在水環(huán)境的行為研究及其在水環(huán)境中毒性效應(yīng)的研究具有重要意義和價值。本文在簡介2種除草劑的特性及使用的基礎(chǔ)上，重點總結(jié)了2種農(nóng)藥在水體中的環(huán)境行為和對水生生態(tài)環(huán)境的影響，以期為2種農(nóng)藥的研究和合理使用提供有益借鑒。

1 概述(Summary)

1.1 草銨膦概述

草銨膦，別名草胺膦、保仕達(dá)、草銨膦銨鹽、雙丙氨磷，是由赫斯特公司研發(fā)的一類觸殺型除草劑。原藥為白色結(jié)晶，有輕微氣味，熔點210 ℃，在水中溶解度為1 370 g·L-1(22 ℃)，在一般有機(jī)溶劑中溶解度較低，對光穩(wěn)定。主要劑型為水劑。草銨膦是L-和D-對映異構(gòu)體的外消旋物，其中L-對映異構(gòu)體是潛在的谷氨酰胺合成酶抑制劑，是主要的殺草活性成分，而D-對映異構(gòu)體則無殺草活性[8]。

由于草銨膦與谷氨酸有相似的結(jié)構(gòu)，其除草機(jī)制是通過不可逆地抑制雜草中的谷氨酰胺合成酶(植物氨解毒所必需的)，阻礙谷氨酰胺的合成，導(dǎo)致短時間內(nèi)植物體內(nèi)氨的過度積累，造成銨代謝紊亂，破壞細(xì)胞膜，抑制植物光合作用從而導(dǎo)致植物死亡[9]。目前主要用于防治果園、葡萄園、馬鈴薯田和非耕地等一年生和多年生的雙子葉禾本科雜草[10]。近年來，隨著抗草銨膦轉(zhuǎn)基因作物種類逐漸增多，推廣范圍不斷擴(kuò)大，草銨膦的使用量正在逐年上升，草銨膦成為了世界上僅次于草甘膦的第二大轉(zhuǎn)基因作物耐受除草劑。據(jù)中國農(nóng)藥信息網(wǎng)的農(nóng)藥注冊數(shù)據(jù)顯示，2019年在我國注冊使用的草銨膦產(chǎn)品達(dá)400余種。

與目前國際上使用量最大的草甘膦除草劑相比，草銨膦生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本較高，制約了草銨膦的推廣與使用。但草銨膦除具有除草活性外，還具有殺蟲殺菌活性，可以與殺蟲劑等混配，達(dá)到蟲草同時防治的效果。且草銨膦殺草速度快，一般在施藥后的1 d內(nèi)即可使雜草停止生長，2～3 d內(nèi)即出現(xiàn)失綠、黃化現(xiàn)象，1～2周內(nèi)可使雜草死亡，一個月內(nèi)不長出新根。施藥后在土壤中即可被微生物分解，且分解速度快，不易傷及農(nóng)作物根系。草銨膦在防治果園和非耕地雜草上有著用量少、效果好、除草迅速等優(yōu)點，且對于對常規(guī)除草劑產(chǎn)生抗性的雜草也有良好的防治效果[11]。

1.2 草甘膦概述

草甘膦，又稱鎮(zhèn)草寧、農(nóng)達(dá)、草干膦，是孟山都公司生產(chǎn)的內(nèi)吸型除草劑，是目前國際上使用量最大的除草劑。目前市場上使用的草甘膦制劑有水劑和粉劑2種，其中水劑由于使用方便等因素，占大多數(shù)。純品為非揮發(fā)性白色無味固體，難溶于無水乙醇、乙醚和苯等有機(jī)溶劑。25 ℃時在水中(pH 7)的溶解度為15.7 g·L-1，其異丙銨鹽在水中的溶解度較大，pH 7時溶解度為900 g·L-1[12]。對40多科的植物有防除作用，包括單子葉和雙子葉、一年生和多年生、草木和灌木等植物。

草甘膦的除草機(jī)制主要通過抑制植物體內(nèi)的烯醇丙酮基莽草素磷酸合成酶，從而抑制莽草素向苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸的轉(zhuǎn)化，使蛋白質(zhì)合成受到干擾，導(dǎo)致植物體死亡。對多年生深根雜草的地下組織破壞力很強(qiáng)，適用于甘蔗、茶、桑、麻、劍麻、橡膠、林木和果樹等種植地進(jìn)行滅生性除草。隨著抗草甘膦轉(zhuǎn)基因作物在世界各地的推廣，草甘膦的使用量與日俱增。

2 2種除草劑在水體中的環(huán)境行為(Environmental behavior of two herbicides in water)

2.1 草銨膦在水環(huán)境中的行為研究

施用于土壤環(huán)境中的草銨膦由于其很強(qiáng)的水溶性，很容易轉(zhuǎn)移到水環(huán)境中，造成水環(huán)境的污染[13]。草銨膦在加拿大環(huán)境中推測的環(huán)境期望濃度(EEC)值為1 mg·L-1[14]。在中國海南省的香蕉園附近水樣的檢測中，檢測出草銨膦的質(zhì)量濃度為0.63 μg·L-1[15]。關(guān)于草銨膦在水生環(huán)境中生物體的富集研究，目前相關(guān)文獻(xiàn)較少。

2.1.1 草銨膦在水環(huán)境中的遷移

農(nóng)藥在水體中的遷移轉(zhuǎn)化主要包括光解和揮發(fā)、水解、吸附和解吸附等途徑[16]。使用搖瓶法測定草銨膦的正辛醇-水分配系數(shù)時，在3種不同體積比(12∶1、6∶1、3∶1)的正辛醇-水條件下測得的平均分配系數(shù)為-3.49[17]。由于草銨膦的正辛醇-水分配系數(shù)較小，因此可推測草銨膦在水生生物群體中有較小的生物富集因子。且有文獻(xiàn)報道，草銨膦及其代謝物由于水溶性高，在水環(huán)境中不易轉(zhuǎn)移到其他生物體中，也不易在魚類或其他動物的脂肪組織中積累[18]。

2.1.2 草銨膦在水體中的降解

草銨膦在水中的降解速率受pH、溫度和光照強(qiáng)度等的影響。有研究表明，草銨膦在不同pH(5.0、6.9、9.3)緩沖溶液中的半衰期分別為433、693和533 d，可穩(wěn)定存在于弱酸和弱堿條件下；溫度對草銨膦的水解影響顯著，隨著溫度的升高，草銨膦的水解速率加快；草銨膦在4 500 lx和8 300 lx氙燈下的半衰期分別為1 155 h和866 h；在360 nm和254 nm波長紫外光光照處理下的半衰期分別為462 h和40 h，不同光強(qiáng)和波長對草銨膦在水中的光解速率有顯著影響[19]。在對映體水平上開展的試驗結(jié)果表明，D,L-草銨膦對映體在pH值為5、7、9的無菌緩沖溶液中的半衰期可達(dá)400 d以上。在自然來源的池塘水中，L-草銨膦的降解速度略快于D-草銨膦，100 d時L-草銨膦的降解率為21.4%，D-草銨膦的降解率為15%[20]。草銨膦在自然水環(huán)境(pH值為5～9)中穩(wěn)定，不易被水解和光解。將溶解在礫石坑地表水中的草銨膦置于25 ℃的紫外線照射下118 h(相當(dāng)于33 d的陽光照射)，草銨膦在該條件下幾乎沒有降解，3%～5%轉(zhuǎn)化為3-甲基膦酸丙酸(MPP)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，另有0.2%礦化?？梢娫诘乇硭胁蒌@膦的光降解作用較弱[21]。

圖2 草銨膦在水中降解產(chǎn)物3-甲基膦 酸丙酸(MPP)的結(jié)構(gòu)式Fig. 2 Structural formula of 3-methylphosphonic acid (MPP), a degradation product of glufosinate in water

2.2 草甘膦在水環(huán)境中的行為研究

大多數(shù)草甘膦類除草劑僅限用于陸生環(huán)境中的除草，不被批準(zhǔn)用于水生環(huán)境；然而，由于不可控因素，在很多非目標(biāo)濕地生態(tài)系統(tǒng)中也經(jīng)常檢測到草甘膦[22]。在地表水中檢測到大量的農(nóng)藥活性成分和表面活性劑，這些農(nóng)藥殘留有可能使水生生物的生理機(jī)能發(fā)生改變[23]。草甘膦可以通過地表徑流、雨水沖刷、不規(guī)范的清洗噴灑用具等方式進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)中[24]。有研究發(fā)現(xiàn)，使用草甘膦等除草劑的農(nóng)業(yè)行為會影響非目標(biāo)生物和水體，從而改變淡水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[25]。

近年來，草甘膦也用于我國南方水域防治空心蓮子草、水葫蘆等惡性雜草，具有良好的防治效果[26]。與土壤中的施藥效果不同，防治水草時藥劑直接施于水體中，這就很大程度上造成水體污染，進(jìn)一步會傷害水生生物和水生生態(tài)系統(tǒng)，使生態(tài)系統(tǒng)失去平衡。現(xiàn)有研究表明，在世界多地的表層水體中均檢測出草甘膦的存在。如在美國的河流中草甘膦的質(zhì)量濃度達(dá)到了2.2 μg·L-1[27]。中國浙江省多地的飲用水源中檢測出了草甘膦，檢出率為27.6%，檢出質(zhì)量濃度為0.065～5.930 μg·L-1[28]。阿根廷北部轉(zhuǎn)基因大豆種植區(qū)的田間水體中檢出的草甘膦質(zhì)量濃度為0.10～0.70 mg·L-1[29]。草甘膦在渥太華河中檢出的濃度約為100 ng·L-1，在圣勞倫斯河中檢出的草甘膦濃度為2～202 ng·L-1，檢出率為84%[30]。

2.2.1 草甘膦在水環(huán)境中的遷移與分布

應(yīng)用14C核素研究草甘膦在水域生態(tài)系統(tǒng)中的遷移時發(fā)現(xiàn)，在由魚-金魚藻-麥穗魚-底泥組成的模擬水生態(tài)系統(tǒng)中，草甘膦在進(jìn)入水中后，迅速向生態(tài)系統(tǒng)各組分中轉(zhuǎn)移，為金魚藻和麥穗魚吸收，并在底泥上沉積、吸附。隨著時間的推移，水相中14C-草甘膦繼續(xù)向金魚藻、麥穗魚和底泥中遷移，其在水相中的活度呈不斷下降之勢。同時，14C-草甘膦在底泥、金魚藻和麥穗魚中的活度則增加較多。而在魚塘和河道施藥后，魚塘水樣中檢出的草甘膦殘留量在1 d后迅速下降，第6天時已<0.01 mg·L-1，但在河道系統(tǒng)中僅5 d后即<0.01 mg·L-1[31]。

在80 d實驗周期的沉積物-水系統(tǒng)中，生物系統(tǒng)中實驗結(jié)束時有55.7%草甘膦轉(zhuǎn)化為了二氧化碳，而在非生物系統(tǒng)中則只有18.6%礦化，推測在該過程中，生物過程起著主導(dǎo)作用。但是在水系統(tǒng)中，草甘膦的礦化度卻很低，實驗結(jié)束時只有2.4%的草甘膦轉(zhuǎn)化成了二氧化碳。通過比較水系統(tǒng)和沉積物-水系統(tǒng)中草甘膦的礦化度可知，沉積物在草甘膦的礦化過程中起著主導(dǎo)作用，推測可能是因為沉積物中含有較多的微生物種群。且在同樣的實驗條件下，低濃度(3 mg·L-1)的草甘膦礦化度高于高濃度(50 mg·L-1)的草甘膦，由于草甘膦濃度為50 mg·L-1時微生物需要更長的馴化時間，進(jìn)一步證實了草甘膦的礦化度與微生物種群有關(guān)[32]。

2.2.2 草甘膦在水環(huán)境中的富集

草甘膦的辛醇/水分配系數(shù)為-3.2(20 ℃時)[33]，因此推測草甘膦在水生生物群中有較低的生物富集因子(BCF)，然而富集研究顯示的結(jié)果并非如此。水生植物黃花水龍(Ludwigiapeploides)對水中的草甘膦的BCF為88.10 L·kg-1，沉積物中的草甘膦的生物-沉積物累積因子(BSAF)為7.61[22]。雜色蚓(Lumbriculvsvariegatus)在不同濃度的草甘膦中的BCF的變化范圍在1.4～5.9 L·kg-1fw之間，高于辛醇/水分配系數(shù)(logPow)的估計值[27]。在模擬水生態(tài)系統(tǒng)中，金藻魚和麥穗魚對14C-草甘膦的20 d的BCF分別為27.96 L·kg-1和45.79 L·kg-1，結(jié)果顯示14C-草甘膦在金藻魚和麥穗魚中有較強(qiáng)的生物富集作用[31]。

2.2.3 草甘膦在水體中的降解

草甘膦在水體中主要受到光降解作用。將1 mg·L-1的草甘膦去離子水溶液分別暴露于不同的光(鈉光、汞光和紫外光)下一周發(fā)現(xiàn)，長波長光對草甘膦沒有光降解作用，而紫外線光對草甘膦的光降解有顯著影響，半衰期為4 d。將2 000 mg·L-1的草甘膦去離子水溶液分別暴露于黑暗和紫外光下發(fā)現(xiàn)，在黑暗條件中草甘膦幾乎未降解，而暴露于紫外光下的草甘膦半衰期為3～4周。草甘膦在水中的降解產(chǎn)物主要是氨甲基磷酸(AMPA)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，且AMPA對光降解的穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于母體化合物，對生物降解也有相當(dāng)?shù)某志眯訹34]。

圖3 草甘膦在水中主要降解產(chǎn)物氨 甲基磷酸(AMPA)的結(jié)構(gòu)式Fig. 3 The structural formula of aminomethylphosphoric acid (AMPA), the main degradation product of glyphosate in water

草甘膦可在地表水中存在長達(dá)60 d，對很多水生生物都能產(chǎn)生一定的影響[35]。以高于推薦用藥量3～4倍的劑量將草甘膦施于魚塘，當(dāng)日水中殘留量為6.286 mg·L-1，1 d后下降90%左右，第6天降至0.003 mg·L-1，半衰期為0.61 d。草甘膦在自然魚塘的水環(huán)境中消失十分迅速；而在魚塘沉積物中，施藥后第1天的殘留量為水中濃度的5倍以上，其在水體中的半衰期約為1 d，表明草甘膦可迅速被池塘沉積物(底泥)吸附[36]。草甘膦除草劑在水體中的半衰期與水體中的植物體有關(guān)，有水葫蘆的水塘中草甘膦的半衰期比無水葫蘆的水塘中的半衰期短[37]。

3 2種除草劑對水生生態(tài)系統(tǒng)的毒性效應(yīng)(Toxic effects of two herbicides on aquatic ecosystems)

3.1 草銨膦對水生生態(tài)系統(tǒng)的毒性效應(yīng)

3.1.1 草銨膦對浮游植物的毒性效應(yīng)

藻類廣泛存在于各種天然水體中，以種類繁多、個體小、繁殖迅速、對毒物毒性敏感等特點成為了水生毒理學(xué)研究的試驗對象。藻類是水體中的初級生產(chǎn)者之一，其毒性效應(yīng)可以影響魚類等水生生物[38]。

據(jù)文獻(xiàn)報道，草銨膦對一些藻類的毒性效應(yīng)存在“低促高抑”現(xiàn)象。在研究草銨膦對銅綠假單胞菌的影響時發(fā)現(xiàn)，草銨膦對銅綠假單胞菌生長的影響具有劑量依賴性，低濃度的草銨膦(0.5 mg·L-1和1 mg·L-1)可以促進(jìn)銅綠假單胞菌的生長，而在高濃度(5 mg·L-1和10 mg·L-1)時，草銨膦可以通過誘導(dǎo)銅綠假單胞菌的丙二醛(MDA)含量，抑制其生長[14]。在研究草銨膦對銅綠微囊藻的影響機(jī)制時發(fā)現(xiàn)，低濃度的草銨膦(0.5 mg·L-1和1 mg·L-1)暴露對銅綠微囊藻的生長有促進(jìn)作用，且可顯著提高藻膽蛋白和類胡蘿卜素含量；而高濃度的草銨膦(5 mg·L-1和10 mg·L-1)暴露對銅綠微囊藻的生長有抑制作用，使藻MDA和電解質(zhì)泄露率(EL)顯著提高，破壞細(xì)胞膜完整性[39]。在研究草銨膦暴露對水生單細(xì)胞小球藻的毒性實驗中，與對照組相比，草銨膦暴露使小球藻產(chǎn)生了一定的氧化損傷，小球藻體內(nèi)的MDA含量、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性均顯著增強(qiáng)，這些氧化酶的升高可能有助于減輕氧化損傷。通過電鏡可觀察到有大部分葉綠體異常；在草銨膦暴露12 h后，小球藻中與光合作用有關(guān)的psaB、psbC和rbcL這3種光合基因的轉(zhuǎn)錄豐度降低[40]。

3.1.2 草銨膦對浮游動物的毒性效應(yīng)

在研究95%草銨膦原藥對大型溞的48 h急性毒性試驗中，草銨膦濃度范圍為0.1～102.4 mg·L-1，接觸藥液后0～8 h內(nèi)，大型溞無特別癥狀；8～24 h內(nèi)有部分大型溞出現(xiàn)刺激反應(yīng)遲鈍、游動緩慢等中毒癥狀；而24～48 h內(nèi)，高濃度中毒的大型溞對刺激反應(yīng)遲鈍。當(dāng)草銨膦濃度為6.4 mg·L-1和102.4 mg·L-1時，48 h時均只有一只大型溞死亡，由此可知，95%草銨膦原藥對大型溞的致死中濃度(LC50)均>102.4 mg·L-1，根據(jù)農(nóng)藥毒性等級劃分體系可知，95%草銨膦原藥對大型溞毒性為低毒[19]。

3.1.3 草銨膦對魚類的毒性效應(yīng)

斑馬魚屬熱帶魚類，由于其產(chǎn)卵量大、胚胎具有光學(xué)透明性、與人類基因組具有87%的相似性、在解剖學(xué)與分子水平上已證明與哺乳動物相似等特點，已成為研究水生生物毒性效應(yīng)的常用試驗對象，且斑馬魚的毒性試驗結(jié)果大部分適用于人類[41]，因此研究草銨膦對斑馬魚的毒性效應(yīng)十分必要。

在草銨膦對斑馬魚胚胎的免疫毒性的研究中發(fā)現(xiàn)，草銨膦在降低斑馬魚胚胎存活率的同時，還可引起胚胎的一系列形態(tài)畸形。當(dāng)草銨膦濃度為2 μg·L-1和4 μg·L-1時，在受精后48 h(48 hpf)與對照組相比，斑馬魚的胚胎存活率顯著低于對照組。當(dāng)草銨膦濃度升高至10 μg·L-1時，在72 hpf時胚胎存活率迅速降至60%。且草銨膦暴露可引起斑馬魚胚胎的一系列畸形，當(dāng)暴露于10 μg·L-1草銨膦中，在48 hpf時觀察到最突出的畸形是卵黃囊水腫，在4～10 μg·L-1草銨膦暴露下72 hpf時觀察到脊柱畸形[42]。在研究不同劑量的草銨膦對斑馬魚胚胎的毒性時發(fā)現(xiàn)，1.6 μg·L-1的草銨膦對斑馬魚胚胎有顯著致死作用、1.3 μg·L-1的草銨膦有顯著致畸作用，其中畸形表現(xiàn)為尾部彎曲和阻礙黑色素沉著[43]。胚胎致死可能與生殖細(xì)胞的相關(guān)基因有關(guān)，vasa基因和gcl基因是與生殖細(xì)胞發(fā)生有關(guān)的基因，是動物生殖細(xì)胞形成所必需的[44]。將斑馬魚暴露于1.3 mg·L-1的草銨膦中，處理組的vasa基因表達(dá)量明顯減少(僅為對照組的30%)[45]。

將海洋青鳉(Oryziasdancena)分別暴露于不同濃度的草銨膦農(nóng)藥Basta中28 d和42 d，觀察到魚體內(nèi)出現(xiàn)了多種病理變化，且嚴(yán)重程度隨藥物濃度和時間的增加而增加。暴露于Basta中28 d后，在2 mg·L-1處理組的個體中，可觀察到肝臟血竇擴(kuò)張，有部分白細(xì)胞浸潤；4 mg·L-1處理組個體在此基礎(chǔ)上還出現(xiàn)了干細(xì)胞固縮現(xiàn)象；8 mg·L-1處理組個體，除以上改變更嚴(yán)重、更頻繁外，嚴(yán)重的脂質(zhì)變性、水腫變性和壞死也存在。暴露于Basta中42 d的魚肝臟中，2 mg·L-1處理組的個體出現(xiàn)了水樣變性和肝細(xì)胞固縮，并伴有嚴(yán)重的白細(xì)胞浸潤和纖維化；4 mg·L-1處理組中魚的肝臟除表現(xiàn)出上述所有變化外，還有脂肪變性；8 mg·L-1處理組個體，除上述變化更嚴(yán)重外還觀察到壞死[46]。

在研究草銨膦對中華鳑鲏魚的急性毒性時發(fā)現(xiàn)，草銨膦濃度為35～43 mg·L-1時，前0～6 h在低濃度下中華鳑鲏魚運動情況與對照組相比無差異；但在較高濃度下，中華鳑鲏魚與對照組相比，顯得躁動不安，上下游動。隨著實驗時間的延長，中華鳑鲏魚大多在底層活動，活力逐漸減弱，游速變得緩慢甚至停止運動；時而側(cè)游，對外界刺激反應(yīng)很遲鈍，最后死亡。由此可知，隨時間和濃度的增加，草銨膦對魚體的毒性增大[47]。

3.1.4 草銨膦對其他水生生物的毒性效應(yīng)

據(jù)文獻(xiàn)報道，蝌蚪長期暴露于15 mg·L-1的草銨膦環(huán)境中，乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶受到抑制，蝌蚪的游泳能力受到影響[48]。對血液中微核紅細(xì)胞(ME)的評估是一種廣泛使用的檢測染色體損害的方法。將普通蟾蜍(Rhinellaarenarum)蝌蚪分別暴露于不同濃度(3.75、7.5和15 mg·L-1)的以草銨膦為活性成分的農(nóng)藥中，觀察微核紅細(xì)胞的頻率和其他紅細(xì)胞核的異常情況，與陽性對照組(40 mg·L-1環(huán)磷酰胺)和陰性對照組(去氯自來水)進(jìn)行評估和比較。結(jié)果顯示，所有實驗組和陽性對照組的48 h紅細(xì)胞核異常頻率均顯著高于陰性對照組，而僅陽性對照組和7.5 mg·L-1草銨膦的96 h紅細(xì)胞核異常頻率高于陰性對照組。實驗結(jié)果表明，暴露于以草銨膦為活性成分的農(nóng)藥中會使普通蟾蜍蝌蚪的微核紅細(xì)胞異常頻率增加[49]。

3.2 草甘膦對水生生態(tài)系統(tǒng)的毒性效應(yīng)

3.2.1 草甘膦對浮游植物的毒性效應(yīng)

草甘膦中的有機(jī)磷對光營養(yǎng)體是有毒的，但對抗草甘膦的浮游植物(如藻類)是有效的，且一定劑量濃度范圍的草甘膦有助于藻類的生長[50]。有研究發(fā)現(xiàn)，草甘膦對一些藻類的毒性效應(yīng)有“低促高抑”現(xiàn)象。在研究草甘膦對銅綠微囊藻和綠色微囊藻的毒性時發(fā)現(xiàn)，草甘膦可誘導(dǎo)銅綠微囊藻細(xì)胞的凋亡，并促進(jìn)銅綠微囊藻的毒素釋放；而草甘膦對綠色微囊藻的毒性效應(yīng)卻表現(xiàn)出明顯的劑量關(guān)系，高濃度(2、5和10 mg·L-1)時抑制綠色微囊藻的生長，低濃度(0.2 mg·L-1)時反而能刺激綠色微囊藻的生長[51]。在研究草甘膦異丙胺鹽對球形棕囊藻的刺激效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，高濃度(1～10 mg·L-1)的草甘膦異丙胺鹽可抑制球形棕囊藻細(xì)胞生長，而低濃度(0.001～1 mg·L-1)范圍內(nèi)的草甘膦異丙胺鹽可增加球形棕囊藻的細(xì)胞相對增長率，使藻體生長加快[52]。草甘膦異丙胺鹽對赤潮異彎藻具有明顯的毒性效應(yīng)，高濃度(10 mg·L-1)處理下可引起赤潮異彎藻細(xì)胞大量死亡，藻細(xì)胞密度以及葉綠素a和可溶性蛋白的含量顯著降低；而低濃度(0.001～1 mg·L-1)處理時，在培養(yǎng)的第3天就能夠顯著增加赤潮異彎藻的細(xì)胞密度，葉綠素a含量也明顯高于對照組，表現(xiàn)出毒物刺激效應(yīng)[53]。

3.2.2 草甘膦對浮游動物的毒性效應(yīng)

溞科生物是水生生物鏈中的關(guān)鍵成員，其繁殖周期短、易培養(yǎng)、對水中的有害物質(zhì)敏感，是一類較為理想的毒性試驗研究材料。研究草甘膦對大型溞和福壽螺的毒性時發(fā)現(xiàn)，草甘膦對大型溞的24 h和48 h的LC50分別為54.12 mg·L-1和51.12 mg·L-1，均屬于低毒；草甘膦對福壽螺的影響具有劑量關(guān)系，高濃度可抑制其生長，但相對低濃度(2 mg·L-1，即環(huán)境中的濃度)可促進(jìn)生長，且相對低濃度(10 mg·L-1)的草甘膦能促進(jìn)福壽螺卵提前孵化，降低福壽螺卵期受到其他傷害的風(fēng)險[54]。在研究95%草甘膦原藥對大型溞的急性毒性和21 d慢性毒性效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，其對大型溞的48 h半最大效應(yīng)濃度(EC50)為151.057 mg·L-1，毒性為低毒；慢性毒性試驗發(fā)現(xiàn)，草甘膦對大型溞的初次產(chǎn)幼溞的時間、數(shù)量、胎數(shù)及存活個體的平均體長都有顯著影響，其中3.125 mg·L-1的暴露濃度可顯著減少大型溞產(chǎn)幼溞數(shù)量和胎數(shù)，而暴露濃度為25 mg·L-1時可顯著延長大型溞初次產(chǎn)卵的時間[55]。

3.2.3 草甘膦對魚類的毒性效應(yīng)

斑馬魚現(xiàn)已成為毒理學(xué)研究的新型評價模型，草甘膦對斑馬魚的毒性效應(yīng)主要表現(xiàn)在生殖毒性和發(fā)育毒性中。

3.2.3.1 草甘膦暴露對斑馬魚的生殖毒性

精子和卵細(xì)胞的發(fā)育和質(zhì)量是評估生物生殖能力的重要評價標(biāo)準(zhǔn)。將斑馬魚分別暴露于不同質(zhì)量濃度的草甘膦(5 mg·L-1和10 mg·L-1)中24 h和96 h后，切除睪丸，分析精子質(zhì)量，與對照組相比，暴露損害了斑馬魚精子DNA的完整性，破壞了線粒體膜的完整性及其功能，降低了精子活力，從而大大降低了斑馬魚的生殖能力[56]。精子質(zhì)量的變化與基因表達(dá)密切相關(guān)。將斑馬魚暴露于草甘膦(0.01、0.5和10 mg·L-1)中21 d后，在10 mg·L-1時檢測到睪丸中hsd3b2、cat和sod1基因表達(dá)上調(diào)；草甘膦暴露影響了睪丸的類固醇激素合成，使得部分基因表達(dá)上調(diào)，從而對雄性斑馬魚的生殖功能產(chǎn)生了不利影響[57]。

雌性斑馬魚卵母細(xì)胞和相關(guān)基因表達(dá)的異常也是毒性效應(yīng)的表現(xiàn)。將斑馬魚卵巢體外暴露于草甘膦(65 μg·L-1)中15 d后，形態(tài)學(xué)研究與對照相比無明顯變化；但其卵母細(xì)胞直徑增加，可能與類固醇生成因子-1(SF-1)的表達(dá)有關(guān)；同時，卵巢超微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常，發(fā)現(xiàn)有同心膜和髓磷脂樣結(jié)構(gòu)，草甘膦對卵母細(xì)胞產(chǎn)生的這些不利影響直接影響到其繁殖功能[58]。將斑馬魚暴露于草甘膦中，發(fā)現(xiàn)其卵巢中cyp19a1與ers1基因表達(dá)顯著上調(diào)。cyp19a1上調(diào)的可能原因是草甘膦暴露引起類固醇激素的機(jī)制反饋，抑制了芳香化酶的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，增加了芳香酶以維持類固醇激素的比率；ers1上調(diào)是卵巢為維持雌激素通路產(chǎn)生的一種代償機(jī)制的結(jié)果；基因表達(dá)上調(diào)間接影響卵巢的功能，減少了產(chǎn)卵量[57]。

3.2.3.2 草甘膦暴露對斑馬魚的發(fā)育毒性

斑馬魚暴露于草甘膦(32.5、65和130 μg·L-1)中可引起斑馬魚的細(xì)胞毒性，直接影響到細(xì)胞膜的完整性，抑制線粒體的活動，使斑馬魚呼吸活動減少[59]。將4 hpf的斑馬魚暴露于1、5、10和100 mg·L-1質(zhì)量濃度的草甘膦中96 h后，觀察到高濃度暴露下斑馬魚的鰓部位活性氧簇(ROS)增加，而低濃度暴露下斑馬魚的ROS減少或無明顯改變。大量的ROS可誘發(fā)斑馬魚的細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致斑馬魚出現(xiàn)心包水腫、脊柱彎曲等器官畸形[60]。

草甘膦對水生生物存在潛在毒性，其對斑馬魚的生育毒性主要發(fā)生在早期[35]。將斑馬魚幼苗暴露于0、0.01、0.065和0.5 mg·L-1質(zhì)量濃度的草甘膦中96 h后，受精后7 d(7 dpf)時可觀察到其體長明顯縮短，且暴露于高濃度的草甘膦中還可觀察到眼距也明顯縮短[61]。將4 dpf的斑馬魚暴露于0～400 mg·L-1的草甘膦中，可觀察到體長縮短、眼睛變小、頭部縮小等形態(tài)損傷，且濃度越高，形態(tài)損傷越明顯；而當(dāng)草甘膦濃度達(dá)到600 mg·L-1時，斑馬魚胚胎將無法存活[62]。將斑馬魚胚胎暴露于草甘膦中，觀察24、48、72和96 h的發(fā)育毒性，發(fā)現(xiàn)暴露時間越長，其胚胎和幼苗的存活率越低，胚胎孵化率也隨時間增長而降低[63]。

心臟是生物體中最重要的器官之一，較大劑量有機(jī)磷農(nóng)藥會造成心臟的損害。將5 hpf的斑馬魚暴露于50 μg·L-1的草甘膦中培養(yǎng)至48 hpf，結(jié)果發(fā)現(xiàn)草甘膦可損害斑馬魚心臟發(fā)育，導(dǎo)致心房心室結(jié)構(gòu)異常、心臟循環(huán)無規(guī)律、內(nèi)臟逆位和心率失常[64]。

草甘膦對草魚、鰱魚和鯽魚的96 h-LC50分別為0.2518、0.2588和0.2599 mg·L-1，按現(xiàn)行農(nóng)藥對魚類毒性的分級標(biāo)準(zhǔn)，草甘膦屬于高毒性，且隨著時間的延長，草甘膦對這3種魚的急性毒性逐漸增高[65]。在不同類型的水體中，草甘膦對水生生物的毒性效應(yīng)也不一樣，有研究顯示，草甘膦對硬水中小鮭魚的毒性小于對軟水中小鮭魚的毒性[66]。

3.2.4 草甘膦對其他水生生物的毒性效應(yīng)

0.82～1.23 mL·L-1的41%草甘膦異丙胺鹽(水劑)可使黑斑蛙的肝臟、皮膚和腎臟中的SOD和CAT活性在30 d內(nèi)均有升高趨勢；而1.64～2.87 mL·L-1范圍內(nèi)0～20 d內(nèi)SOD和CAT的活性均有增強(qiáng)，而20～30 d內(nèi)活性降低，表現(xiàn)出劑量效應(yīng)和時間效應(yīng)[67]。

4 結(jié)論與展望(Conclusion and prospect)

(1)草銨膦和草甘膦均為滅生性廣譜除草劑，也是目前世界上使用最多的2種有機(jī)磷類除草劑，它們在水中的溶解度大，通過它們在水環(huán)境中降解行為的研究，發(fā)現(xiàn)2個農(nóng)藥在水環(huán)境中黑暗條件下降解都非常緩慢，自然光條件下降解也非常慢，在多地自然水體中均有檢測到草銨膦和草甘膦的殘留。2種農(nóng)藥在水環(huán)境中會對水生生物產(chǎn)生影響并通過生物累積和食物鏈傳遞給人類，給環(huán)境和人類健康帶來潛在威脅，因此研究2種農(nóng)藥在水環(huán)境中的污染狀況及其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律非常重要。草銨膦和草甘膦在水環(huán)境中的降解規(guī)律雖有相關(guān)報道，但它們在水環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究尚非常缺乏，尤其是在生物體中富集研究應(yīng)受到重視。

(2)關(guān)于2種除草劑對水生生態(tài)系統(tǒng)的毒性影響研究中，草甘膦的研究報道較草銨膦的略多，研究結(jié)果顯示，2種農(nóng)藥均對水環(huán)境中藻、魚和溞等典型生物的生長和發(fā)育具有一定毒性。2種農(nóng)藥的毒性研究中大多集中于較高濃度引起的急性毒性，對接近環(huán)境中污染物濃度的低劑量暴露情況研究較少，因此，開展環(huán)境濃度水平的低劑量暴露毒性研究是今后研究的重點。值得注意的是，2種農(nóng)藥在使用時，有時為了達(dá)到更好的防治效果，常與其他農(nóng)藥助劑或其他藥效的農(nóng)藥一起使用，因此，應(yīng)多關(guān)注農(nóng)藥在聯(lián)合用藥時的綜合影響。

(3)現(xiàn)代毒理學(xué)研究認(rèn)為，污染物與生物體之間的相互作用都始于分子水平，且在分子水平上生物體之間的共性最大，因此在分子水平上開展草銨膦和草甘膦污染環(huán)境的早期診斷和生態(tài)風(fēng)險評價會成為其毒理學(xué)研究的熱點之一。

(4)草銨膦是一種手性農(nóng)藥，L-草銨膦是活性體，D-草銨膦是無效體，由于對映異構(gòu)體間的生物學(xué)性質(zhì)迥異，為了對手性除草劑草銨膦對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險作出準(zhǔn)確評價，有必要在手性層面上深入研究草銨膦的環(huán)境行為和毒性效應(yīng)。

(5)希望更加重視農(nóng)藥對水環(huán)境及其生物的毒害效應(yīng)，在達(dá)到理想除草效果的前提下，可以考慮減小農(nóng)藥殘留和對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響。