溴氰菊酯的急性毒性效应与毒性机理研究进展

宋雪英, 刘伟健, 孙百惠, 张方娟, 李玉双, 赵晓旭

(1. 沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044;2. 莆田大学 生态环境及其信息图谱福建省高等学校重点实验室, 福建 莆田 351100)

拟除虫菊酯类农药是由除虫菊酯合成的新型第三代农药,具有高杀虫效力,且对鸟类和哺乳动物毒性低.自从有机磷农药被限制销售,拟除虫菊酯类农药的使用在过去的20年中显著增加,成为许多国家农业害虫和生活卫生害虫防治的首选.在波兰等欧洲国家,拟除虫菊酯类农药的使用量在2005—2010年间翻了一番,用量超过其他农药87 t[1].

溴氰菊酯是一种Ⅱ型合成拟除虫菊酯类农药,由于其具有高效低毒、对光和空气稳定、能被生物降解等特点,在全世界范围内被用作杀虫剂.溴氰菊酯是已知的最有效的拟除虫菊酯类杀虫剂之一,被广泛应用于玉米、蔬菜、果树、茶树等农业作物的灭虫,鱼类养殖中的害虫和寄生虫的消杀,人类生活中卫生除虫杀螨等.然而,随着溴氰菊酯杀虫剂的大量使用,其给环境和生物也带来了各种问题,例如,蔬菜和水果等农产品中溴氰菊酯的残留超标以及鱼类等水产品中农药的残留,都对人类健康构成一定的威胁[2-3].近年来,溴氰菊酯引起的环境问题已经被世界各国的学者广泛关注,因此,全面了解溴氰菊酯的生态毒性效应十分必要.

1 溴氰菊酯的理化性质

溴氰菊酯又名凯素灵、敌杀死、扑虫净等,其分子式为C22H19Br2NO2,化学名称为右旋-顺式-2,2-二甲基-3-(2,2-二溴乙烯基)环丙烷羧酸-(S)-溴乙氰基-3-苯氧基苄酯,分子量为505.21,结构式见图1.

溴氰菊酯存在3个不对称中心,因而有8个异构体,其中只有2种具有高活性[4],其含有酯键、氰基、卤素双键等官能团,由于有酯键的存在所以表现出对酸具有很好的稳定性.溴氰菊酯为白色斜方晶系针状结晶,熔点为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、二甲苯等有机溶剂[5],对光、热和空气稳定,在100 ℃以下24 h未见分解,150 ℃时稍有分解,190 ℃才见显著分解,储存在40 ℃环境中可以保持半年不分解[6].因此,溴氰菊酯在环境中的残留及其潜在的生态毒性效应引起生态环境领域专家的重视.

2 溴氰菊酯的靶标和半衰期

溴氰菊酯的主要作用靶标是神经细胞兴奋传导的基础----电压门控钠通道(voltage-gated sodium channels, VGSCs),作用机制是溴氰菊酯延长昆虫体内VGSCs的开放时间,使细胞膜持续去极化,因而出现运动失调后的中毒症状,即立刻痉挛迅速进入麻痹状态,最后瘫痪死亡[7-8].此外,溴氰菊酯还可作用于昆虫的其他靶标,如氯离子通道、ATP 酶、氨基丁酸受体、谷氨酸受体、酰胆碱受体,以及电压门控钙离子通道等.

迟恒等[9]发现溴氰菊酯在天然淡水中的半衰期为5.28 d,在天然海水中的半衰期为4.45 d,而在灭菌淡水中半衰期为5.99 d,在灭菌海水中半衰期为4.29 d,水体pH值和微生物种类和数量也影响着水中溴氰菊酯的降解.

溴氰菊酯在农业生产喷洒过程中,大约只有1%作用于靶标生物,其余则会进入土壤和水体中[10].溴氰菊酯进入土壤和水体中会经过一段时间才能被降解.王璞等[11]发现溴氰菊酯在苎麻中的半衰期为14.6 d,在土壤中的半衰期为12.4 d;宋国春等[12]发现溴氰菊酯在油麦菜中的半衰期为2.6～2.9 d,在土壤中的半衰期为7.5～8.2 d;王永康[13]发现溴氰菊酯在头花蓼中的半衰期为2.1～2.6 d,在土壤中的半衰期为3.3～3.4 d.上述各种作物土壤中溴氰菊酯的半衰期有所不同,这主要与环境因素和土壤微生物活性有关.土壤的pH值、有机质含量、温度、湿度等环境因素均影响溴氰菊酯的降解能力,如随着pH值的升高溴氰菊酯降解的半衰期缩短.土壤中的微生物种类和数量的多少也影响其降解速率,种类和数量越多其降解速率越快.研究表明,溴氰菊酯的施药浓度也直接影响其土壤半衰期,在大田土壤中,当以最大生产施药浓度施药,即低浓度时,溴氰菊酯的半衰期为20.4 d,以最大生产施药浓度的10倍施药,即高浓度时,半衰期为24.3 d[8].因此,溴氰菊酯的施药浓度越高半衰期越长.

3 溴氰菊酯的急性毒性

3.1 溴氰菊酯对水生动物的急性毒性

溴氰菊酯会因降水、灌溉水等淋溶作用而发生迁移,进入地表水甚至到达地下水,对水体造成污染,进而对水生生物造成毒害作用.徐捷等[14]在对水产品中溴氰菊酯残留量的检测时发现,在喷洒农药防虫的同时,溴氰菊酯对水体中的生物也造成了影响,对贝类的影响尤为突出,在所有检测中发现溴氰菊酯在贝类的检出率最高,达15%.

有关溴氰菊酯对大型溞、对虾、斑马鱼、大型鱼类等水生生物的急性毒性影响已有研究报导.彭方[4]发现多刺裸腹溞在溴氰菊酯胁迫下出现四处游动、逃离的现象,随后行动迟缓,活动受到抑制,溴氰菊酯也对其心肌细胞产生了氧化损伤,影响心肌正常功能.许贻斌等[15]发现溴氰菊酯会使菲律宾蛤仔鳃丝上皮细胞纤毛层萎缩、纤毛脱落,消化盲囊上皮细胞膨胀,出现包涵体样结构.Li等[16]发现斑马鱼幼鱼在溴氰菊酯胁迫下出现体长缩短、头眼面积减小和孵化率增加等现象,其头部、身体、心脏和尾部区域产生不同程度的凋亡,溴氰菊酯显著诱导血管内皮生长因子flk1和fli-1以及心肌发育相关基因myl7呈剂量依赖性下降(p<0.05),增加了斑马鱼幼鱼的趋触能力,引起了类似焦虑的行为.Ullah等[17]发现暴露在溴氰菊酯中的鲢鱼出现不同程度的行为失调,肝、鳃、脑、肌肉组织中总蛋白含量显著降低,全身皮质醇和血糖水平显著升高.Arslan等[18]研究发现,溴氰菊酯暴露可引起鲤鱼鳃板层细胞增生和炎症细胞浸润、充血、弥漫性积液,肝细胞变性和局灶性坏死,神经元坏死.

溴氰菊酯在不同染毒时间对不同营养级水生生物的急性毒性效应的半数致死浓度(LC50)详见表1.可以看出,随着时间的增加,水生生物LC50变小,溴氰菊酯表现出明显的时间-LC50效应关系.通过比较相同染毒时间不同物种的LC50数值可以发现,虾、多刺裸腹溞等节肢动物受到溴氰菊酯的毒害作用最大,其次为中华绒螯蟹,最后为大型鱼类.在48 h日本沼虾、凡纳对虾和多刺裸腹溞在极低质量浓度(0.123～0.184 μg·L-1)的情况下就已经达到了半数死亡,在相同时间下中华绒螯蟹达到半数死亡的质量浓度为2.319 μg·L-1,48 h的LC50是日本沼虾、凡纳对虾和多刺裸腹溞的12.6～18.9倍.比较不同种类的鱼类在96 h时的LC50数据发现,美洲鲥和鲤鱼均在较低质量浓度(分别为0.259和0.32 μg·L-1)达到半数死亡,其次是唐鱼、真鲷和齐口裂腹鱼(分别为1.217、1.500和2.589 μg·L-1),而鲫鱼和罗非鱼在96 h时LC50较高(分别为21.6和23.7 μg·L-1).

3.2 溴氰菊酯对土壤动物的急性毒性

溴氰菊酯在喷洒时没有作用到靶标的部分会进入土壤中,对土壤生物产生毒性效应.进入土壤,会对土壤动物种群的生存和繁殖造成影响.张大帆等[29]在对马铃薯腐烂茎线虫的研究中发现,溴氰菊酯对马铃薯腐烂茎线虫运动能力具有较强的抑制作用,其毒性高于丙溴磷与克百威,LC50为459.8 mg·L-1,溴氰菊酯质量浓度达200 mg·L-1时可抑制全部马铃薯腐烂茎线虫的摄食.

表1 溴氰菊酯对水生动物的LC50值Table 1 LC50 of deltamethrin to aquatic aminals

蚯蚓作为土壤中的大型动物,对土壤污染具有较好的指示作用.目前,针对溴氰菊酯的土壤生态毒理学研究主要集中在对蚯蚓的毒性研究,采用的方法包括滤纸法、人工土壤法和实际土壤法.梁茹晶[30]采用赤子爱胜蚯蚓(Eiseniafetida)滤纸48 h急性毒性试验研究时,得出蚯蚓48 h的 LC50为3 637.84 μg·cm-2;暴露在溴氰菊酯24 h后,600 μg·cm-2组蚯蚓环带肿胀,体长变长,300～500 μg·cm-2处理组蚯蚓出现反应迟钝、断节等现象;暴露48 h后,600 μg·cm-2处理组蚯蚓大部分死亡,其余出现行动迟缓、身体僵硬等现象,300～500 μg·cm-2组蚯蚓出现局部出血现象,100、200 μg·cm-2组蚯蚓行动变得迟缓.Shi等[31]采用人工土壤法对赤子爱胜蚯蚓的14 d急性毒性研究发现,溴氰菊酯对蚯蚓的LC50为432.9 mg·kg-1.梁茹晶等[30]在采用实际土壤(沈阳新民潮棕壤)进行的14 d土壤急性毒性试验时发现,14 d的LC50为196.6 mg·kg-1.刘伟等[32]发现不同的急性毒性试验接触方式会影响蚯蚓对溴氰菊酯的吸收,滤纸试验比土壤试验对蚯蚓毒性更大,在滤纸试验中溴氰菊酯直接粘附在滤纸表面,蚯蚓吸收速率和吸收量更大,而土壤试验中溴氰菊酯会被土壤胶体、有机质吸附,被微生物降解,降低了溴氰菊酯对蚯蚓的危害.同时,人工土壤与实际土壤的急性毒性差异因受到土壤有机质含量、pH值、胶体含量等的差异影响,相同时间的LC50值也存在一定的差异.

4 溴氰菊酯的毒性机理

4.1 溴氰菊酯对抗氧化酶系统的毒性效应

酶是由活细胞产生的能够对特定底物进行催化的有机物,是生物体内不可或缺的重要物质,生物体内拥有各种各样结构和功能不同的酶,它们参与生物体内各种化学反应,保证生物的正常生命活动.超氧化物歧化酶(SOD)是生物体内重要的抗氧化酶,可以清除生物体内的自由基,修复自由基对细胞的危害.王伟[25]在研究溴氰菊酯对齐口裂腹鱼(Schizothoraxprenanti)的毒性效应时发现,染毒1 d后鱼体内SOD活性在各质量浓度处理中均有提高,溴氰菊酯对齐口裂腹鱼产生了氧化胁迫,随后SOD活性下降,暴露 21 d 后,除高质量浓度处理组外,其余各组SOD活性均低于对照组,表现为抑制作用.这与彭方[4]对多刺裸腹溞的研究结果相同,用溴氰菊酯处理多刺裸腹溞24 h后,SOD活性呈上升趋势,这是由于外界对生物的刺激使得多刺裸腹溞产生SOD来缓解自由基对机体的伤害,SOD活性上升. Ullah等[17]发现暴露在溴氰菊酯中的鲢鱼,肝、鳃、脑、肌肉组织中活性氧、脂质过氧化和抗氧化酶活性显著升高,全身皮质醇和血糖水平显著升高,而脑、肝和肌肉组织中乙酰胆碱酯酶活性显著降低.Arslan等[18]研究发现,溴氰菊酯暴露可引起鲤鱼诱导型一氧化氮合酶(INOS)和8-羟基-2-脱氧鸟苷(8-OHdG)的激活.

Kuder等[33]对蚯蚓进行了滤纸接触实验以及人工土壤实验, 发现溴氰菊酯会对蚯蚓体内的过氧化氢酶(CAT)活性产生抑制作用, 并且随着暴露时间延长抑制作用增强. Shi等[31]采用人工土壤法研究溴氰菊酯对赤子爱胜蚯蚓(Eiseniafetida)的毒性发现,染毒42 d后,蚯蚓的生长抑制作用随暴露时间延长而增强,溴氰菊酯使蚯蚓的纤维素酶活性降低.

洪宇航等[34]发现,溴氰菊酯对中华绒螯蟹有很强的毒性,在1 d时溶剂组中中华绒螯蟹的CAT活性显著上升,之后活性开始下降,中华绒螯蟹的CAT活性上升可能是溴氰菊酯使中华绒螯蟹体内产生了过多的过氧化氢,引起中华绒螯蟹体内的保护机制使CAT活性上升,之后活性下降可能是溴氰菊酯已经对中华绒螯蟹产生了损伤.杨宗英等[35]在研究溴氰菊酯对中华绒螯蟹的试验中出现了类似的结果,溴氰菊酯在6 h后对中华绒螯蟹的CAT活性产生了抑制,在12 h后CAT活性显著上升,在1 d后CAT活性仍然持续维持高水平,在48 h后CAT活性下降,CAT活性的变化是中华绒螯蟹为了适应环境对自身做出了相应的调节,以抵消外界环境对其产生的影响.

4.2 溴氰菊酯对DNA分子水平的毒性效应

溴氰菊酯会对生物的DNA造成损伤,使其遗传物质在染色体水平、分子水平和碱基水平上受到各种损伤,从而产生遗传毒性效应[36]. 冷春梅等[37]采用RAPD技术和外周血嗜多染红细胞微核试验表明,3.0 μg·L-1以上质量浓度的溴氰菊酯会使罗非鱼的DNA发生变化,并且溴氰菊酯会诱导罗非鱼外周血红细胞产生微核,微核的发生率随暴露质量浓度的升高和暴露时间的延长具有明显的质量浓度效应和时间效应关系.

彗星实验能够通过细胞DNA损伤断裂的断链迁移距离来判断细胞DNA的损伤程度,DNA受损越严重,彗星的拖尾率和Olive尾距等会越长[38].郑惠东[23]通过彗星实验发现溴氰菊酯使真鲷肝胰脏组织出现了不同程度的淤血、细胞核浓缩、细胞坏死等病理性损伤,溴氰菊酯还可以直接作用于靶细胞DNA,导致DNA链条断裂和损伤.洪宇航等[34]通过彗星实验发现溴氰菊酯对中华绒螯蟹血细胞DNA有较强的损伤作用,彗星拖尾率、Olive尾距等与对照组相比显著增高(p<0.05),且拖尾率和Olive尾距随暴露时间的增加而升高,呈现明显的时间和剂量效应.佟俊旺等[39]通过对小鼠外周血淋细胞DNA的彗星实验发现同样结果,即随着溴氰菊酯质量浓度升高,彗星拖尾率和Olive尾距等变高.

4.3 溴氰菊酯的生殖毒性

溴氰菊酯会对生物胚胎的孵化速度、存活率产生影响.Parlak[40]发现溴氰菊酯会使斑马鱼胚胎/幼鱼存活率降低,处理组比对照组发病率增加,溴氰菊酯还会减慢斑马鱼卵的孵化速度,孵化速度随着质量浓度上升而下降,增加胚胎/幼鱼畸形的概率,在质量浓度为10 mg·L-1时心包水肿很高,2.5 mg·L-1时,机体畸形程度较高,溴氰菊酯还会引起细胞凋亡,细胞凋亡随着溴氰菊酯质量浓度的上升而上升.Kuder等[33]发现溴氰菊酯染毒处理的斑马鱼胚胎/幼体死亡率增加,孵化时间延迟,孵化胚胎百分比降低,心跳率增加,血流减少,身体和眼睛色素沉着并呈剂量依赖性增加,心包和卵黄囊水肿,在孵化的胚胎中发现了尾巴变形.

溴氰菊酯会对生物的睾丸、生精量等产生影响.余红民等[41]发现溴氰菊酯染毒组大鼠睾丸每日生精量下降,大鼠睾丸组织中磷酸化AR蛋白表达水平和萎缩生精小管数较高,生精小管数减少、周长缩短.Desai等[42]发现雄性瑞氏白化小鼠在溴氰菊酯处理45 d后,其睾丸、附睾尾端和精囊组织重量显著下降,精子数、精子活力和睾丸3b和17b HSD的活性显著下降,附睾尾端唾液酸和精囊果糖含量下降,对睾丸进行切片观察,发现睾丸结构呈管状变形,曲细精管中缺乏生殖细胞,肾小管空泡变性和生精小管严重坏死,睾丸间质细胞变性,间质间隙增大,在间隙中也观察到空泡化.Ekaluo等[43]在研究雄性白化大鼠时发现类似结果,溴氰菊酯使大鼠的精子数、精子活力和血清促性腺激素降低.

5 结 语

溴氰菊酯在水体、土壤和农产品中的残留及其对生物体产生的生态毒性效应受到越来越多的关注.溴氰菊酯的暴露直接导致水生和土壤动物酶活性、遗传物质和生殖系统等遭到一定程度的威胁,随着溴氰菊酯的使用量增加,进入环境中的溴氰菊酯必将对人类的健康造成危害.在今后的研究中应该继续重视溴氰菊酯对生物的毒性效应,筛选特异性强的生物标志物,同时在生产中应合理施用溴氰菊酯,减少其对环境的破坏和对生物体的损伤.