草甘膦的水環(huán)境行為及其對(duì)水生生物毒性的研究進(jìn)展

高瑾，熊六鳳，阮記明，曾賢良，梁惜梅

江西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南昌330045

草甘膦(glyphosate)是一種內(nèi)吸傳導(dǎo)型廣譜滅生性有機(jī)磷類除草劑，具有無(wú)選擇性和活性強(qiáng)等特點(diǎn)，可用于單子葉和雙子葉雜草的防除[1-3]。因此，鑒于草甘膦良好的除草性，其在果園茶桑、橡膠園、農(nóng)田菜地、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)、森林防火隔離帶、邊境防火道以及鐵路機(jī)場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)、河道、公路綠化帶、草原改良及輪作地塊等化學(xué)除草中均得到廣泛應(yīng)用[4-5]。草甘膦的分子式為C3H8NO5P，純品為白色固體，具有高度親水性，溶解度為1×103～1.57×104mg·L-1，不易揮發(fā)[6-7]。草甘膦的主要存在形態(tài)為酸和鹽[8]，鹽形式的滅草活性比酸形式的高[9]，常見種類包括草甘膦銨鹽、草甘膦二銨鹽、草甘膦二甲胺鹽和草甘膦鉀鹽等。目前市場(chǎng)上最常用的商品是農(nóng)達(dá)[9]，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41%的草甘膦水劑，由草甘膦異丙胺鹽、水和表面活性劑2-苯氧乙基丙烯酸酯(POEA)組成[10]。

草甘膦在農(nóng)業(yè)除草及提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)效率方面發(fā)揮著巨大作用，然而草甘膦的頻繁使用可能會(huì)污染水環(huán)境，水環(huán)境中草甘膦污染物的殘留可能會(huì)危害非靶標(biāo)水生生物，嚴(yán)重威脅水生生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境安全[3]。本文在分析水環(huán)境中草甘膦的來(lái)源、污染現(xiàn)狀及環(huán)境行為的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡明草甘膦對(duì)水生生物的毒性效應(yīng)，并對(duì)未來(lái)研究的方向進(jìn)行展望，旨在為草甘膦的水生生態(tài)毒性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考依據(jù)，為合理使用草甘膦起到一定的指導(dǎo)作用。

1 水環(huán)境中草甘膦的來(lái)源和污染現(xiàn)狀(The sources and pollution occurrence of glyphosate in the aquatic environment)

1.1 水環(huán)境中草甘膦的來(lái)源

草甘膦在農(nóng)業(yè)除雜草中的應(yīng)用是水環(huán)境中草甘膦的主要來(lái)源之一，其在農(nóng)業(yè)噴灑施用過(guò)程中的地表徑流、直接過(guò)量噴灑或漂移會(huì)導(dǎo)致大量草甘膦進(jìn)入水環(huán)境中，大量研究表明，農(nóng)業(yè)中頻繁和長(zhǎng)期使用農(nóng)藥會(huì)導(dǎo)致地下水[5,11]和地表水環(huán)境[12-13]污染。此外，一些草甘膦合成工業(yè)或紡織工業(yè)的工業(yè)廢水及城鎮(zhèn)污水處理廠排放的廢水也是水環(huán)境中草甘膦的來(lái)源之一[14-18]，所排放的含草甘膦的廢水最后可能進(jìn)入海洋區(qū)域，特別是河口和沿岸地區(qū)[19]。水環(huán)境中殘留的草甘膦不但給水環(huán)境系統(tǒng)帶來(lái)了污染，而且可能會(huì)引起水生生物(植物、動(dòng)物和微生物等)的毒性效應(yīng)，其在水環(huán)境中的吸附遷移和發(fā)生目前已經(jīng)引起了社會(huì)高度關(guān)注。

1.2 水環(huán)境中草甘膦污染現(xiàn)狀

草甘膦在全球范圍內(nèi)推廣應(yīng)用已有40多年的歷史，且使用量大居農(nóng)藥之首，因而可通過(guò)各種途徑進(jìn)入到水環(huán)境中并造成不同程度的污染。草甘膦通過(guò)噴灑，可直接進(jìn)入大氣環(huán)境，雨水中的濃度可高達(dá)0.20～0.80 mg·L-1[20]。通過(guò)徑流，草甘膦可在地表水和地下水以及全球沉積物中被檢測(cè)到[21-23]，如在德國(guó)河口海岸帶海水中其濃度范圍在2.80×10-5～1.69×10-3mg·L-1之間[24]，而西太平洋海水樣本中其濃度在0.13～1.38 mg·L-1之間[25]，在美洲的土壤和水中也檢測(cè)到草甘膦的存在[26-27]，其中加拿大地表水的草甘膦濃度達(dá)到0.16 mg·L-1，阿根廷地表水的草甘膦濃度達(dá)到了0.70 mg·L-1。此外，據(jù)報(bào)道，在農(nóng)業(yè)盆地附近的不同河流和湖泊中草甘膦的濃度較高，如在阿根廷潘帕地區(qū)的淺水湖泊的地表水中檢測(cè)到草甘膦濃度高達(dá)4.52×10-3mg·L-1[28]，在布宜諾斯艾利斯北部的轉(zhuǎn)基因大豆種植區(qū)附近的溪流中檢測(cè)到的草甘膦含量在0.10～0.70 mg·L-1之間[27]。類似現(xiàn)象不只出現(xiàn)在國(guó)外，我國(guó)國(guó)內(nèi)也在不同的水環(huán)境中檢測(cè)到草甘膦的殘留。例如，廣州珠江水源地中通過(guò)離子色譜法檢測(cè)到草甘膦的濃度為0.19 mg·L-1[29]，重慶某魚塘水中草甘膦的殘留量高達(dá)1.20 mg·L-1[30]，甚至在浙江嘉興、杭州、舟山和金華等地的飲用水中也檢測(cè)到草甘膦的存在，濃度在6.50×10-5～5.93×10-3mg·L-1之間[31]。而與草甘膦生產(chǎn)或應(yīng)用相關(guān)的工業(yè)所排放的廢水中，草甘膦的殘留濃度最高可達(dá)0.75～0.90 mg·L-1[15,32]。此外，草甘膦的主要代謝物氨甲基磷酸(AMPA)也經(jīng)常在地表水[33]、地下水[34]和沉積物[35]中檢測(cè)到。

2 草甘膦的環(huán)境行為(Environmental behaviors of glyphosate)

草甘膦會(huì)隨著降雨形成的徑流進(jìn)入水源地或者通過(guò)滲透等途徑進(jìn)入到水環(huán)境中，然后在水環(huán)境中會(huì)通過(guò)吸附遷移、生物富集和降解等過(guò)程進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化，了解草甘膦的環(huán)境行為對(duì)于開展草甘膦的污染防治和防控具有非常重要的意義。

2.1 草甘膦的吸附-遷移行為

草甘膦和AMPA(降解產(chǎn)物)可能通過(guò)風(fēng)蝕作用轉(zhuǎn)移到大氣(空氣或雨水)中，由于草甘膦為非揮發(fā)性化合物，所以這2種物質(zhì)只能實(shí)現(xiàn)噴霧漂移或隨風(fēng)蝕沉積物遷移[36]，噴霧漂移例如在除草劑的噴灑過(guò)程中會(huì)發(fā)生[2]。沉積物中草甘膦的濃度直接受附近施用源的影響，且與降雨事件有關(guān)聯(lián)，通過(guò)表面雨水沖刷及風(fēng)蝕作用使得草甘膦從施用源向地表水遷移[27]。此外，草甘膦向地表水遷移是高度可變的，草甘膦在植物體內(nèi)不會(huì)發(fā)生降解，會(huì)通過(guò)植物的根系輸送入土壤，因此取決于土壤顆粒的吸附水平，且這種吸附結(jié)合又基于土壤化學(xué)和物理特性的變化而變化[37]，草甘膦或其降解產(chǎn)物可能作為溶質(zhì)直接遷移或與土壤膠體共遷移(膠體促進(jìn)或顆粒結(jié)合遷移)，并通過(guò)土壤中的地下徑流和地表徑流移動(dòng)，地下瀝出物最終通過(guò)排水系統(tǒng)進(jìn)入地表水，而地表徑流輸送的物質(zhì)會(huì)輸入到開放水域，如溪流和湖泊[38-39]。草甘膦在底泥上的吸附作用較弱，在水生態(tài)系統(tǒng)中主要通過(guò)生物轉(zhuǎn)化和分解作用實(shí)現(xiàn)遷移[40]。

2.2 草甘膦在水環(huán)境中的生物富集

生物富集是農(nóng)藥重要的環(huán)境行為之一，水生生物對(duì)草甘膦具有一定的生物富集能力。草甘膦在20 ℃時(shí)的辛醇/水分配系數(shù)(logKow)為-3.2[41]，在水生生物中被認(rèn)為其生物富集因子較低。朱國(guó)念等[42]通過(guò)模擬水域生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)14C-草甘膦進(jìn)入水系20 d時(shí)，其在金魚藻(CeratopyllumdemersumL.)和麥穗魚(Psudorasoboraparva)中的活度分別為241.91 Bq·kg-1和396.16 Bq·kg-1，表明14C-草甘膦在金魚藻和麥穗魚中有較強(qiáng)的富集作用。Wang等[43]研究發(fā)現(xiàn)盡管草甘膦在陽(yáng)光照射下3 d內(nèi)消失，但是水葫蘆中累積的草甘膦濃度在第14天時(shí)仍保持不變，而草甘膦在羅非魚(Oreochromismossambicus)和鯉魚(Cyprinuscarpio)體內(nèi)累積的濃度在2～7 d時(shí)沒有顯著變化，表明草甘膦在水葫蘆中有較強(qiáng)的富集作用，在羅非魚和鯉魚中富集作用較弱。

2.3 草甘膦的降解

由于草甘膦的大量使用造成水環(huán)境中的一定劑量的草甘膦及其代謝物殘留，會(huì)給水環(huán)境中的生物甚至人類的健康帶來(lái)潛在威脅，因此如何解決草甘膦的殘留是問(wèn)題的關(guān)鍵。草甘膦的降解可分為生物降解(其中最常見的是微生物降解)、氧化降解和光解等。

2.3.1 生物降解

生物降解被認(rèn)為是從水環(huán)境中去除有機(jī)污染物最有效且生態(tài)的方法之一，其中最常見的是微生物降解[44]。水環(huán)境中的草甘膦通過(guò)微生物代謝分解成更小的分子，從而獲得較高的去除率。草甘膦的微生物降解途徑主要有2種：一是草甘膦被微生物降解為氨甲基磷酸(AMPA)和乙醛酸，這2種代謝物又進(jìn)一步被降解為無(wú)機(jī)磷酸鹽、CO2和銨離子；二是肌氨酸途徑即草甘膦先被降解為無(wú)機(jī)磷酸鹽和肌氨酸，肌氨酸然后進(jìn)一步降解為甘氨酸[45-46]，甘氨酸經(jīng)絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶作用進(jìn)一步代謝為甲醛和甲醇[47]。有研究表明，這2種途徑同時(shí)存在于一些細(xì)菌中，如：蠟樣芽胞桿菌(Bacilluscereus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)等[46,48]。已有研究顯示對(duì)草甘膦降解效率較高的微生物包括假單胞菌屬(Pseudomonas)[49-52]、黃桿菌屬(Flavobacterium)[53]、鏈霉菌屬(Streptomycessp.)[54]、根瘤菌科(Rhizobiaceae)[55]和大腸桿菌(Escherichiacoli)[56]等。劉攀[57]篩選出對(duì)草甘膦極端抗性的菌株淡紫擬青霉菌(Paecilomyceslilacinus) JLC71364，其抗性可達(dá)1.01×105mg·L-1。Obojska等[58]觀察到一種嗜熱性鈣氧硅藻土桿菌T20 (GcilluscaldoxylosilyticusT20)在初始草甘膦濃度為169 mg·L-1時(shí)，該細(xì)菌在60 ℃時(shí)可實(shí)現(xiàn)超過(guò)65%的草甘膦去除率并表明微生物培養(yǎng)條件(包括溫度、初始pH值和草甘膦濃度等)的差異影響其降解性能。有研究也顯示，由于水中的微生物比土壤中的少，水中草甘膦的降解速度比土壤的慢得多[59]。

2.3.2 光催化降解

光催化降解草甘膦的特點(diǎn)是成本低、程序易操作、應(yīng)用廣且二次污染小[60]。光降解可分直接和間接光解2種，直接降解是在光子作用下與有機(jī)物直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)達(dá)到降解，間接降解其原理是在光的作用下，光催化劑吸收光子后發(fā)生能級(jí)躍遷即從基態(tài)躍遷成激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生·OH與有機(jī)物反應(yīng)，最終將草甘膦降解為H2O、CO2等無(wú)毒小分子[60]。研究表明，ZnO、TiO2等金屬氧化物納米半導(dǎo)體材料在光催化下可降解有機(jī)污染物[61-62]。趙碩偉[63]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)900 ℃煅燒的濃度為0.5×103mg·L-1的ZnO納米粒子，光催化降解草甘膦90 min后草甘膦的去除率達(dá)91.8%。杜沁媛[64]的研究中以TiO2和g-C3N4(半導(dǎo)體)為原料，用物理超聲法合成TiO2/g-C3N4二元復(fù)合光催化劑，結(jié)果表明添加0.1 g的質(zhì)量比為2∶8的TiO2/g-C3N4于100 mL濃度為5 mg·L-1的草甘膦溶液中且模擬太陽(yáng)光照射此體系120 min后，草甘膦的降解效率最佳，降解率可達(dá)到91%；而當(dāng)草甘膦溶液濃度是3 mg·L-1時(shí)，模擬太陽(yáng)光僅光照60 min，降解率就高達(dá)到98%；且在弱堿及中性條件下，降解率相對(duì)較高，pH=9時(shí)，降解率為98%；而在可見光照射下，TiO2/g-C3N4對(duì)草甘膦的降解效率比模擬太陽(yáng)光的降解效率低11%，表明體系中草甘膦溶液初始濃度、pH及光源影響草甘膦的降解效率。

2.3.3 氧化降解

氧化處理有機(jī)污染物的物理化學(xué)反應(yīng)中很少產(chǎn)生污染物，設(shè)備較簡(jiǎn)單且反應(yīng)條件溫和易控。處理水中草甘膦的高級(jí)氧化技術(shù)包括O3[65]、電極(DSA)氧化[66]、H2O2/UV[67]等化學(xué)方法。焦兆飛[68]研究發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用MnO2去除草甘膦時(shí)，MnO2的投入量越大、初始草甘膦濃度越低去除率越高，且利用電催化MnO2氧化降解草甘膦比單獨(dú)使用MnO2的效果更佳，更持久，對(duì)環(huán)境更友好。申元麗等[65]研究臭氧氧化降解草甘膦時(shí)發(fā)現(xiàn)其去除率與臭氧的投入量、草甘膦的初始濃度和初始的pH有關(guān)。楊帆等[69]采用次氯酸鈉氧化與鐵鹽沉淀組合的工藝處理草甘膦，研究表明當(dāng)次氯酸鈉溶液投入量為1.5 mL·L-1、pH=7、反應(yīng)1 h時(shí)草甘膦的降解率達(dá)到96.77%，且次氯酸鈉溶液氧化后加入n(Fe3+)∶n(P)為1.2∶1的鐵鹽沉淀(pH=5)時(shí)，可去除溶液中轉(zhuǎn)化的無(wú)機(jī)磷及剩余的草甘膦，總磷去除率>99%。周長(zhǎng)印[70]采用Fenton氧化法降解低濃度草甘膦，以納米零價(jià)鐵負(fù)載的D201 (FeD201)為催化劑，研究表明當(dāng)溫度為55 ℃、pH=5、H2O2濃度為170 mg·L-1、反應(yīng)1.5 h時(shí)，初始濃度為50 mg·L-1的草甘膦的降解率可達(dá)到98%以上。

3 草甘膦對(duì)水生生物的毒性(Toxicity of glyphosate on aquatic animals)

水生生物對(duì)草甘膦的敏感性較強(qiáng)，草甘膦的殘留會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)池塘和湖泊等水環(huán)境中的水生生物存在潛在毒性[71-72]，包括急性毒性[73]、神經(jīng)毒性[74]、氧化毒性[75]、遺傳毒性[76]和免疫毒性[77]等，草甘膦的殘留會(huì)對(duì)魚、蝦、貝等一些非靶標(biāo)生物造成危害，會(huì)威脅到水產(chǎn)養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展[19]，草甘膦對(duì)水生生物的負(fù)面影響因此受到了廣泛的關(guān)注[78]。

3.1 草甘膦對(duì)水生動(dòng)物的毒性

3.1.1 急性毒性

研究草甘膦對(duì)水生生物的急性毒性是理解接觸極限的關(guān)鍵點(diǎn)，目前已有較多關(guān)于草甘膦對(duì)水生動(dòng)物的急性毒性研究。草甘膦對(duì)非洲革胡子鯰(Clariasgariepinus)的急性毒性試驗(yàn)中，24、48、72和96 h的半致死濃度(LC50)值分別為34.72、31.90、27.40和24.60 mg·L-1，草甘膦暴露下的幼魚行為異常，例如，失去平衡、跳出水面、鰓蓋運(yùn)動(dòng)減少等，隨后死亡，且死亡率隨草甘膦暴露時(shí)間和濃度的增加而增加[73]。史建華等[79]在草甘膦對(duì)中華絨螯蟹(Eriocheirsinensis)的急性毒性試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)草甘膦在12、24、36和48 h時(shí)對(duì)中華絨螯蟹的LC50分別為18.91、16.67、13.99和12.09 mg·L-1，草甘膦對(duì)中華絨螯蟹的毒性為低毒[80]。然而，草甘膦對(duì)草魚(Ctenopharyngodonidella)、鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)和鯽魚(Carassiusauratusauratus)的96 h-LC50分別為0.2518、0.2588和0.2599 mg·L-1，毒性屬于高毒[81]。甚至有研究表明草甘膦對(duì)泥鰍(Misgurnusanguillicaudatus)等無(wú)鱗魚類的毒性更大，對(duì)泥鰍體內(nèi)的淋巴細(xì)胞分化有一定的影響，過(guò)量使用會(huì)導(dǎo)致泥鰍絕跡[82]。

3.1.2 神經(jīng)毒性

中樞神經(jīng)系統(tǒng)是神經(jīng)系統(tǒng)的重要組成部分，有傳遞、儲(chǔ)存和加工信息的功能，且神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)行為關(guān)系十分密切，可支配和控制動(dòng)物的全部行為[83]。膽堿能受體在整個(gè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中差異表達(dá)、基因表達(dá)的調(diào)控和神經(jīng)遞質(zhì)的釋放中均起重要的作用[84]。有機(jī)磷農(nóng)藥草甘膦可影響水生生物神經(jīng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)，從而產(chǎn)生神經(jīng)毒性作用[85]。有研究表明，氧化應(yīng)激、神經(jīng)遞質(zhì)分布和行為的變化是草甘膦對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的一些誘導(dǎo)效應(yīng)[86-87]。Faria等[88]研究發(fā)現(xiàn)，在濃度為3×10-4mg·L-1和3×10-3mg·L-1的草甘膦中暴露2周后，斑馬魚(Daniorerio)成魚的前腦多巴胺和血清素水平顯著增加，以及多巴胺能系統(tǒng)相關(guān)的基因如th1、th2、comtb和scl6a3的表達(dá)量下調(diào)，且大腦表現(xiàn)出氧化應(yīng)激，即過(guò)氧化氫酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性增加，谷胱甘肽(GSH)儲(chǔ)存量減少，且草甘膦暴露下的斑馬魚成魚表現(xiàn)出明顯的行為異常，表明低濃度的草甘膦暴露會(huì)誘發(fā)神經(jīng)毒性。Paganelli等[89]的研究表明，草甘膦除草劑的使用會(huì)引起爪蟾(Xenopustropicalis)神經(jīng)嵴發(fā)育和初級(jí)神經(jīng)元分化異常、后腦菱形圖案丟失、維甲酸途徑失調(diào)引起包括視泡減少和小頭畸形等，而最終導(dǎo)致爪蟾身體、大腦和眼睛發(fā)育異常。Roy等[90]研究草甘膦和農(nóng)達(dá)暴露對(duì)斑馬魚仔魚的影響，發(fā)現(xiàn)斑馬魚前腦和中腦pax2、pax6、otx2和ephA4基因表達(dá)量減少，即表明草甘膦和農(nóng)達(dá)制劑對(duì)前腦和中腦具有神經(jīng)毒性。乙酰膽堿酯酶(AchE)活性被用作神經(jīng)毒性的經(jīng)典生物標(biāo)志物[91-92]，有研究也發(fā)現(xiàn)，暴露于草甘膦的鯉魚(Cyprinuscarpio)，其體內(nèi)AchE的活性受到了抑制[93-94]，表明草甘膦對(duì)鯉魚具有明顯的神經(jīng)毒性作用。

3.1.3 氧化毒性

環(huán)境污染物草甘膦可影響生物機(jī)體的抗氧化防御系統(tǒng)，并通過(guò)產(chǎn)生活性氧對(duì)水生生物造成氧化損傷[95-96]。受到污染物的低濃度暴露時(shí)，為了使機(jī)體免受氧化損傷，抗氧化酶會(huì)被激活，消除過(guò)量的自由基；但當(dāng)污染物濃度超過(guò)機(jī)體耐受域值，多余未被清除的自由基會(huì)使細(xì)胞衰老加速，導(dǎo)致酶活降低[97]。有研究表明，氧化應(yīng)激可能是草甘膦對(duì)動(dòng)物毒性的機(jī)制之一[98]。例如，草甘膦亞致死劑量的暴露會(huì)誘導(dǎo)翠鱧(Channapunctatus)的氧化應(yīng)激，導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物(LPO)升高，抑制了抗氧化酶并且誘導(dǎo)遺傳毒性[99]。在急性接觸商業(yè)草甘膦制劑的蝌蚪中，發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GST)的活性降低[100]，同樣在相似濃度刺激下會(huì)導(dǎo)致條紋鯪脂鯉(Prochiloduslineatus)和克林氏鯰魚(Rhamdiaquelen)的GST的活性升高或降低[101-102]。Sobjak等[103]將克林氏鯰魚暴露于草甘膦中，發(fā)現(xiàn)12 h時(shí)膽堿酯酶(ChE)和谷胱甘肽還原酶(GR)的活性均受到誘導(dǎo)，72 h時(shí)，CAT、GR、LPO產(chǎn)物及ChE等均受到抑制，表明草甘膦的急性暴露能引起克林氏鯰魚抗氧化系統(tǒng)的異常變化和發(fā)育毒性。此外，Hong等[104]將日本沼蝦(Macrobrachiumnipponensis)暴露于0.35、0.70、1.40、2.80和5.60 mg·L-1的草甘膦亞致死濃度下9 h時(shí)，除0.35 mg·L-1濃度組外，其他處理組的SOD、CAT和總抗氧化能力均呈劑量和時(shí)間依賴性下降，而血清中丙二醛(MDA)、過(guò)氧化氫和蛋白質(zhì)羰基含量在2.80 mg·L-1和5.60 mg·L-1濃度下顯著升高，表明草甘膦對(duì)日本沼蝦具有顯著的氧化毒性作用。

3.1.4 遺傳毒性

水環(huán)境中的污染物作用于有機(jī)體時(shí)，可能會(huì)使其遺傳物質(zhì)在分子水平、染色體水平和堿基水平上受到各種損傷因而造成遺傳毒性。遺傳毒性分為DNA損傷、基因突變、染色體結(jié)構(gòu)和數(shù)目的改變[105-106]。草甘膦的遺傳毒性主要通過(guò)彗星試驗(yàn)、微核試驗(yàn)和紅細(xì)胞異常試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估，這些試驗(yàn)分別確定了DNA雙鏈斷裂的數(shù)量、誘發(fā)的染色體損傷和紅細(xì)胞核異常[107]。袁建軍等[108]研究發(fā)現(xiàn)在53.5 mg·L-1的草甘膦染毒8 d后，大彈涂魚(Boleophthalmuspectinirostris)紅細(xì)胞微核率及核異常率分別為17.00‰和21.33‰，均顯著(P<0.01)高于相應(yīng)對(duì)照值(13.67‰和13.33‰)，且隨草甘膦染毒濃度的增大，其紅細(xì)胞微核率及核異常率均顯著升高，表明草甘膦對(duì)大彈涂魚具有遺傳毒性。陳建華等[109]研究發(fā)現(xiàn)草甘膦能誘發(fā)斑馬魚外周血紅細(xì)胞微核及核異常，提示草甘膦對(duì)斑馬魚具有遺傳毒性。有研究表明，活性氧依賴的DNA損傷是草甘膦遺傳毒性的主要機(jī)制[110]之一。在10 mg·L-1的草甘膦中暴露6 h，條紋鯪脂鯉的DNA完整性就受到了較大的影響[77]，但隨時(shí)間的推移這些影響會(huì)減弱，表明草甘膦對(duì)DNA的損傷大多數(shù)發(fā)生在接觸后不久，且這種模式可以用DNA修復(fù)系統(tǒng)的參與和解毒途徑的激活來(lái)緩解[111]。也有研究發(fā)現(xiàn)，在濃度為0.005 mg·L-1的草甘膦溶液中暴露1 h后，牡蠣(OstreagigasThunberg)的精子中并未發(fā)現(xiàn)雙鍵斷裂，表明遺傳毒性的程度與物種、草甘膦的暴露濃度以及暴露時(shí)間有關(guān)[112]。

3.1.5 免疫毒性

在被污染物干擾的過(guò)程中，免疫系統(tǒng)的響應(yīng)可能是更敏感的生理反應(yīng)之一[113]。免疫系統(tǒng)通過(guò)清除外來(lái)物質(zhì)(病毒、細(xì)菌或寄生蟲)來(lái)幫助宿主保持體內(nèi)平衡，殺死異常細(xì)胞，排斥“非自身”成分[113]。污染物或外來(lái)物質(zhì)與免疫系統(tǒng)成分相互作用，干擾保護(hù)功能，被稱為免疫毒性[114]。外源性物質(zhì)可引起免疫抑制或刺激、自身免疫和抗病能力下降[115]。有研究表明，銀鯰(Rhamdiaquelen)在暴露于亞致死濃度的草甘膦后，細(xì)胞數(shù)量和吞噬指數(shù)顯著下降，因此除草劑在水中的存在可能會(huì)改變機(jī)體對(duì)細(xì)菌以及可能對(duì)其他水生微生物的天然免疫反應(yīng)[116]。有學(xué)者研究草甘膦除草劑對(duì)8月齡幼年歐洲海鱸(Dicentrarchuslabrax)鰓、腸和脾臟中il-1β、il-10和ho-1基因表達(dá)的影響，發(fā)現(xiàn)在647 mg·L-1的農(nóng)達(dá)暴露96 h時(shí)，歐洲海鱸腸道的il-1β和il-10細(xì)胞因子變化不顯著，但在鰓中這2種因子的水平顯著降低，ho-1基因的表達(dá)水平則在3種組織中都顯著增加，提示農(nóng)達(dá)對(duì)歐洲海鱸的免疫系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響[117]。有研究也顯示，太平洋牡蠣在環(huán)境相關(guān)濃度的草甘膦暴露7 d后，其血細(xì)胞的吞噬作用會(huì)降低，血細(xì)胞的功能下調(diào)，特別是抑制有吞噬作用基因的表達(dá)，還會(huì)增加對(duì)細(xì)菌攻擊的敏感性[118]。對(duì)鯉魚的研究表明，在104.15 mg·L-1的草甘膦中暴露168 h時(shí)，鯉魚腎臟中免疫球蛋白M(IgM)、補(bǔ)體C3和溶菌酶(LYZ)的轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生了改變，表明草甘膦可通過(guò)抑制IgM、C3和LYZ的表達(dá)以及通過(guò)損傷魚腎而對(duì)鯉魚產(chǎn)生免疫毒性[119]。

3.2 草甘膦對(duì)水生植物的毒性

草甘膦是一種滅生性除草劑，對(duì)水生植物具有重要的致毒作用。草甘膦會(huì)顯著下調(diào)沉水植物苦草(Vallisnerianatans)的葉綠素、類胡蘿卜素和可溶性蛋白含量及CAT活性，且黑藻(Hydrillaverticillata)對(duì)于草甘膦的敏感性高于苦草，可能會(huì)破壞水生植物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[120]。有研究表明，草甘膦對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成有直接的毒性[121]。研究表明0.08 mg·L-1的草甘膦會(huì)顯著降低浮萍的生長(zhǎng)率和葉綠素a熒光參數(shù)[122]，1 mg·L-1的草甘膦會(huì)影響浮萍的葉片的生長(zhǎng)速率和數(shù)量以及形態(tài)結(jié)構(gòu)[123]。另有研究表明，在溫室條件下，一定劑量的草甘膦抑制鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)、槐葉萍(Salvinianatans)等水生漂浮植物的生長(zhǎng)[124]，表明草甘膦對(duì)水生漂浮植物具有毒性。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，草甘膦會(huì)抑制銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)的生長(zhǎng)，影響蛋白質(zhì)的合成，并使抗氧化系統(tǒng)受到損傷[125-126]。王洪斌等[127]探索了草甘膦染毒對(duì)塔胞藻(Pyramidomonasdelicatula)和塔瑪亞歷山大藻(Alexandriumtamarense)這2種藻類的葉綠素含量以及MDA含量、SOD、CAT活性的影響，發(fā)現(xiàn)草甘膦濃度>6 mg·L-1時(shí)會(huì)抑制2種藻類細(xì)胞中葉綠素的含量，且隨草甘膦濃度升高葉綠素含量越低；SOD的活性表現(xiàn)出了先誘導(dǎo)后抑制的現(xiàn)象，CAT活性則表現(xiàn)出微弱的抑制效應(yīng)，表明草甘膦對(duì)這2種藻類有氧化毒性效應(yīng)。

3.3 草甘膦對(duì)水生微生物的毒性

水生微生物在生態(tài)系統(tǒng)中扮演重要角色，所以當(dāng)水環(huán)境接觸到草甘膦或許會(huì)影響某些水生微生物的群落結(jié)構(gòu)和生存[128]，然而，目前草甘膦對(duì)水生微生物的研究仍較為匱乏。雖有研究表明0.01 mg·L-1的草甘膦對(duì)河流微生物群落結(jié)構(gòu)有影響[129]，但與許多其他種類的農(nóng)藥一樣，草甘膦對(duì)水生細(xì)菌和原生動(dòng)物的毒性數(shù)據(jù)仍較為缺乏，大多數(shù)是關(guān)于藻類的[130]。最近的一項(xiàng)研究表明，草甘膦會(huì)延遲周生植物的定居，減少硅藻(Bacillariophyta)的豐度，并促進(jìn)淺水湖泊中藍(lán)藻的生長(zhǎng)[131]。有研究表明，草甘膦會(huì)與水生病原菌或病毒協(xié)同作用，降低魚類存活率[132]。海龜(Cheloniamydas)與4種安樂(lè)死的海龜腸道細(xì)菌(泛菌(Pantoea)、變形桿菌(Proteus)、葡萄球菌(Staphylococcus)及志賀氏菌(Shigella))混合培養(yǎng)物暴露于不同濃度的草甘膦下24 h，當(dāng)草甘膦的濃度>0.22 mg·L-1時(shí)，細(xì)菌密度顯著降低，當(dāng)草甘膦的濃度>1.76 mg·L-1時(shí)，4種海龜腸道細(xì)菌生長(zhǎng)受到顯著抑制且存活率下降，表明草甘膦對(duì)水生生物的腸道細(xì)菌也有毒性作用[133]。

4 總結(jié)與展望(Conclusion and prospect)

草甘膦在除草過(guò)程中受到廣泛使用，并會(huì)通過(guò)許多途徑進(jìn)入水環(huán)境中，對(duì)水環(huán)境及水生生物健康造成威脅。目前，草甘膦在水環(huán)境中的環(huán)境行為和對(duì)水生生物的毒性研究表明：草甘膦會(huì)通過(guò)各種途徑吸附-遷移并富集在水生生物體內(nèi)，其在水環(huán)境中降解速度非常緩慢，在多地水體中均檢測(cè)到草甘膦的殘留；草甘膦的殘留會(huì)對(duì)非靶標(biāo)水生生物造成危害，包括急性毒性、神經(jīng)毒性、氧化毒性、遺傳毒性和免疫毒性等。我國(guó)是草甘膦的使用大國(guó)，目前有關(guān)草甘膦的來(lái)源、污染現(xiàn)狀及水環(huán)境行為已得到較為深入的研究，但關(guān)于草甘膦對(duì)水生生物毒性作用方面的研究仍存在許多亟待解決的問(wèn)題：(1)國(guó)內(nèi)外對(duì)草甘膦的中間產(chǎn)物及其代謝產(chǎn)物對(duì)水生生物的毒性研究欠缺，因此開展這些物質(zhì)對(duì)非靶標(biāo)水生生物的毒性研究有利于全面地揭示草甘膦的致毒機(jī)理，是今后研究的重點(diǎn)之一；(2)目前用于草甘膦毒性效應(yīng)研究的水生生物種類較為局限，然而不同種類的水生生物對(duì)草甘膦的敏感性存在較大的差異，因此今后需進(jìn)一步加強(qiáng)草甘膦對(duì)多種水生生物或不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)水生生物毒性效應(yīng)的研究；(3)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，草甘膦與其他除草劑常常聯(lián)合使用以達(dá)到更好的防治效果，因此，在今后的研究中應(yīng)重視草甘膦聯(lián)合用藥對(duì)水生生物的毒性作用機(jī)制，才能為草甘膦的水生生態(tài)毒性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)，為草甘膦的合理使用提供理論指導(dǎo)。