2018, Vol. 20
2. 浙江大学 农药与环境毒理研究所，杭州 310058
2. Institute of Pesticide and Environmental Toxicology, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
随着应用的日益广泛，农药已成为环境污染的主要来源之一，水生环境和其他环境层中残留的农药均会对生物带来风险[1-3]。螺虫乙酯 (spirotetramat) 是具有双向内吸传导性的杀虫剂，通过抑制靶标酶乙酰辅酶A羧化酶 (ACCase) 的活性而干扰脂肪的生物合成，最终导致昆虫死亡[4]。其对刺吸式口器害虫的防治效果明显，与其他杀虫剂无交互抗性[5]，对蚜虫、全爪螨等害虫均有较好的防治效果，且持效期较长[6-7]，并能显著降低雌性成虫繁殖能力，从而达到控制害虫种群数量的效果[8-9]。此外，螺虫乙酯经叶片处理还能防治隐蔽害虫 (如根蚜)，从而保护植物的新发组织[4]。据调查，螺虫乙酯将以更多制剂形式、更大数量投放市场[10]，因此，研究螺虫乙酯对环境的影响势在必行。
已有研究表明，螺虫乙酯可影响非靶标生物的行为及其生理生化功能。如：其可诱导斑马鱼Danio rerio的细胞凋亡[11]；破坏斑马鱼体内的氧化还原平衡[12]；可引发斑马鱼雌鱼和中华蟾蜍Bufo gargarizans蝌蚪产生氧化应激反应，造成机体氧化损伤[13] ；可降低鲶鱼Silurus asotus胚胎的孵化率，并干扰幼鱼游动的协调能力[14]。因此，螺虫乙酯可能损伤非靶标生物的寿命、繁殖及代谢过程，对人类以及其他生物有潜在的不利影响[11-14]。
大型溞Daphnia magna因其对环境变化的高敏感性、以及繁殖周期短和容易培养等特点被广泛应用于水生生态毒性研究中[15]。有报道指出，螺虫乙酯对网纹溞Ceriodaphnia dubia的48 h-LC50值为23.8 mg/L[16]。但目前尚未见螺虫乙酯对大型溞急性及慢性毒性的研究报道。鉴于此，笔者依据经济合作与发展组织 (OECD) 化学品测试准则，通过测定不同浓度螺虫乙酯对大型溞急性活动的抑制及慢性繁殖的影响，研究了螺虫乙酯对大型溞的急、慢性毒性及其对大型溞种群的影响。
1 材料与方法 1.1 药剂与主要仪器98.7%螺虫乙酯 (spirotetramat) 原药 (由拜耳作物科学公司提供)；丙酮 (分析纯) 购于杭州双林化工试剂厂。
单道可调量程移液器 (德国艾本德股份公司)；SMZ-140体视显微镜 (中国麦克奥迪实业集团有限公司)；尼康Eclipse 80i显微镜 (日本尼康公司)；Xutemp生物人工气候箱 (杭州雪中炭恒温技术有限公司)。
1.2 试验生物大型溞Daphnia magna (浙江大学农药与环境毒理研究所引种的62 D. M纯品系生物株)，于人工气候箱中培养，控制温度为20 ℃ ± 1 ℃，光周期16 L : 8 D，饲养密度为每50 mL培养液[17]饲养1只母溞。每2 d更换1次培养液 (M4)，每天喂食小球藻Chlorella。小球藻参照OECD化学品测试准则“201”中绿藻的要求培养[18]。投饵密度为2.0 × 105~3.0 × 105 cells/mL，每天监测小球藻的密度，待其稀释到投饵密度后再喂食。挑选出生6~24 h幼溞进行毒性试验。
1.3 试验方法 1.3.1 急性毒性试验参照文献方法[19]进行。根据预试验结果，设置螺虫乙酯的质量浓度分别为12.5、25.0、37.5、50.0和62.5 mg/L (母液用助溶剂丙酮配制)，同时设空白对照组和溶剂对照 (0.01%丙酮) 组。每只烧杯 (100 mL) 中加入50 mL供试药液和5只幼溞作为一个处理，每浓度组和对照组各设4个平行处理，共28个处理。试验期间温度及光照与培养条件一致，不喂食受试溞。分别在试验开始后24 h和48 h观察记录各试验组中溞的活动受抑制情况，48 h记录试验数据后终止试验。
1.3.2 慢性毒性试验参照文献方法[20]进行。根据急性毒性试验的结果设计3个暴露浓度，分别约为48 h-EC50值的1/100、1/50和1/10，另设空白对照组。由于所设置的浓度低于螺虫乙酯在水中的溶解度[5]，稀释农药时无需助溶剂，因此试验设计中不设溶剂对照，每次配制药液均用培养液直接稀释母液。在100 mL烧杯中加入50 mL供试药液，每只烧杯放入1只幼溞 (F0代)，每个处理组用20头幼溞，即20个烧杯。采用半静态试验，每隔48 h更换1次试验溶液。每日投喂新鲜小球藻 (2.0 × 105~3.0 × 105 cells/mL)。从每个处理组母溞所生的幼溞 (F1代) 中各挑选20只进行子代21 d暴露试验，其他条件与F0代处理相同，作为F1代染毒试验；同时在每个试验处理组F0代母溞所生幼溞 (F1代) 中各挑选20只，分别置于50 mL空白培养液中，进行子代21 d恢复试验，其他条件与以上的F1代染毒试验相同，作为F1代恢复试验。
试验期间每24 h观察1次，将新生的幼溞及时取出，并记录每只母溞的初次产溞时间、初次产溞数、蜕壳次数、产胎数和死亡率，计算整个试验期间产溞次数和总产溞数。分别于F0代及F1代试验第21天时，在显微镜下测量大型溞体长。采用Lotka方程计算内禀增长率 (rm)[21]。
1.4 数据处理运用IBM SPSS Statistics 19数据处理软件中的Probit模块，求得螺虫乙酯对大型溞的48h-EC50值，采用Duncan检验法比较对照组与农药处理组间的差异显著性，结果采用平均值 ± 标准差表示。
2 结果与分析 2.1 螺虫乙酯对大型溞急性活动的抑制作用本研究结果表明：螺虫乙酯对大型溞的48h-EC50值为46.55 mg/L，95%置信区间为41.79~51.77 mg/L；剂量-效应方程为y=1.42x – 15.95 (相关系数r为0.918 0)，依据《化学农药环境安全评价试验准则第 13 部分：溞类急性活动抑制试验》[22]，螺虫乙酯对大型溞属低毒化合物。
2.2 螺虫乙酯对大型溞21 d染毒试验结果表1中列出了F0代、F1代染毒试验和F1代恢复试验中大型溞初次产溞时间与初次产溞数。结果显示：螺虫乙酯可影响F0代大型溞的初次产溞时间，其中4.7 mg/L浓度组显著 (P < 0.05) 延长了初次产溞时间，同时，F 0代母溞初次产溞数也受到明显抑制。F1代染毒后其初次产溞时间均有不同程度的延迟，其中4.7 mg/L浓度组显著迟于对照组；F1代持续染毒后，初次产溞数量均明显下降，且呈现剂量-效应关系。F1代在无毒培养液中恢复培养后 (恢复组)，初次产溞时间和初次产溞数与对照组相比均无明显差异。与F0代相比，F1代0.47、0.94 mg/L染毒处理组初次产溞时间明显推迟，初次产溞数明显降低；经0.47、0.94 mg/L螺虫乙酯处理的F0代所产的F1代，在恢复试验时初次产溞时间明显推迟。
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表 1 螺虫乙酯对大型溞初次产溞时间及初次产溞数的影响 Table 1 Effect of spirotetramat on first brood time and first brood number of D. magna |
由表2中数据可以看出：经4.7 mg/L螺虫乙酯处理的F0代大型溞，每头母溞21 d平均总产溞数显著降低，仅为对照组的80%。在F1代染毒试验中，0.47、0.94和4.7 mg/L染毒组21 d单雌产溞总数均显著低于对照组，且存在明显的剂量-效应关系；4.7 mg/L处理组产胎数显著降低。F1代恢复组的单雌产溞数及产胎数与对照组相比则无显著差异，表明螺虫乙酯处理F0代大型溞不会影响F1代恢复组的增殖。F1代染毒及恢复组与F0代染毒组进行对比，F1代染毒的单雌产溞数均显著低于F0代染毒组，F1代恢复组中仅4.7 mg/L处理组的产溞数无显著变化；F1代染毒组中0.47、0.94 mg/L处理的单雌产胎数显著低于同浓度处理的F0代染毒组，F1代恢复组中仅母代为0.94 mg/L处理组的产胎数显著低于F0代染毒组。
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表 2 螺虫乙酯对大型溞单雌产溞数和产胎数的影响 Table 2 Effect of spirotetramat on number of offspring per adult and number of broods of D. magna |
F0代中各处理组大型溞的体长及蜕壳次数与对照组相比均没有明显差异 (表3)。F0代中不同浓度处理组的溞所产的F1代，无论进行染毒或恢复处理，21 d后大型溞的平均体长均明显比对照组短；各处理组溞的蜕壳数无明显差异。
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表 3 螺虫乙酯对大型溞21 d体长和蜕壳次数的影响 Table 3 Effect of spirotetramat on body length and number of cumulative molts of D. magna |
表4中列出了大型溞在不同浓度螺虫乙酯暴露下，21 d后F0代染毒、F1代染毒及F1代恢复试验的死亡率，以及采用Lotka方法计算得到不同处理组的内禀增长率 (rm)。结果显示：F0代染毒、F1代染毒以及F1代恢复试验中死亡率最高的均为4.7 mg/L处理组，说明母代经螺虫乙酯暴露后子代继续暴露会增加子代的死亡率，恢复组死亡率虽低于其母代染毒组及F1代染毒组，但仍高于无药物处理的对照组。rm可表述大型溞种群瞬时增长的能力，是种群繁衍能力的指标之一。用螺虫乙酯持续暴露可降低F0代大型溞的rm值，F1代恢复组大型溞由于脱离了有毒环境的胁迫而使得rm恢复正常。因此，一定浓度的螺虫乙酯持续暴露会影响大型溞种群的繁衍能力。
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表 4 螺虫乙酯对大型溞死亡率和内禀增长率的影响 Table 4 Effect of spirotetramat on mortality and innate rate of increase of D. magna |
3 结论与讨论
F0代大型溞在螺虫乙酯中的21 d慢性毒性暴露试验结果表明，螺虫乙酯可影响大型溞的生长发育及繁衍，螺虫乙酯处理可延迟F0代大型溞初次产溞时间，并减少母溞初次产溞数量和平均产溞总数。大型溞的体长是评价慢性毒性的重要指标之一[23]。本研究结果表明，在所有指标中，螺虫乙酯对大型溞21 d体长的影响最为明显，将经螺虫乙酯暴露后产生的大型溞后代 (F1代溞) 放入无螺虫乙酯的环境 (F1代恢复组)，其平均体长仍显著低于对照组。将F1代大型溞持续暴露于不同浓度的螺虫乙酯中21 d，各处理组大型溞平均产溞数显著下降，且产胎次数明显减少，同时其初次产溞时间被推迟，初次产溞数量显著下降。而螺虫乙酯对大型溞的蜕壳次数影响并不明显，因此在以后的实验中可去除这一指标。本研究表明，F0代大型溞受螺虫乙酯暴露影响后，其产生的后代 (F1代) 行为更易受农药的影响，这可能与F0代溞体内的脂类生物合成及代谢失衡、激素水平发生变化，导致后代发育受影响有关[24-25]。
目前，螺虫乙酯在中国主要登记用于番茄、柑橘、黄瓜、辣椒、梨、苹果等旱地作物上防治烟粉虱、红蜘蛛、蚧壳虫等害虫[26]。在正常条件下，螺虫乙酯在土壤中有一定的移动性[27]，其在水中也有一定持留性，当pH值为7时，半衰期分别为8.5 d (25 ℃) 和13 d (20 ℃)[28]，而大型溞的生育周期约为7 d，因此，水中残留的一定浓度的螺虫乙酯可能会影响1~2代大型溞的生存和繁育，对其种群安全具有潜在的威胁，存在一定的水生生态风险。
| [1] | POLIDORO B A, COMEROS-RAYNAL M T, CAHILL T, et al. Land-based sources of marine pollution: pesticides, PAHs and phthalates in coastal stream water, and heavy metals in coastal stream sediments in American Samoa[J]. Mar Pollut Bull, 2017, 116(1-2): 501–507. doi:10.1016/j.marpolbul.2016.12.058 |
| [2] | ROSSA P D, JANNOYER M, MOTTES C, et al. Linking current river pollution to historical pesticide use: insights for territorial management?[J]. Sci Total Environ, 2017, 574: 1232–1242. doi:10.1016/j.scitotenv.2016.07.065 |
| [3] | LAI W Y. Pesticide use and health outcomes: evidence from agricultural water pollution in China[J]. J Environ Econom Manage, 2017, 86: 93–120. doi:10.1016/j.jeem.2017.05.006 |
| [4] | ERNST B, ALFRED E, REINER F, et al. Movento, an innovative ambimobile insecticide for sucking insect pest control in agriculture: biological profile and field performance[J]. Crop Protection, 2009, 28(10): 838–844. doi:10.1016/j.cropro.2009.06.015 |
| [5] |
张庆宽. 双向内吸性新杀虫剂螺虫乙酯的开发[J]. 农药, 2009, 48(6): 445–447.
ZHANG Q K. Discovery, synthesis and development of a new ambimobile insecticide spirotetramat[J]. Agrochemicals, 2009, 48(6): 445–447. |
| [6] |
宫庆涛, 耿军, 武海斌, 等. 3种果树蚜虫有效防治药剂及剂量筛选[J]. 植物保护, 2016, 42(5): 225–229.
GONG Q T, GENG J, WU H B, et al. Screening of effective pesticides and doses against three kinds of fruit aphids[J]. Plant Protect, 2016, 42(5): 225–229. |
| [7] |
焦蕊, 李立涛, 于丽辰, 等. 三种杀螨剂及其复配对苹果全爪螨的田间防效[J]. 北方园艺, 2017(4): 109–111.
JIAO R, LI L T, YU L C, et al. Effects of three kinds of miticides and their compounds against Panonychus ulmi Koch in field [J]. North Horticult, 2017(4): 109–111. |
| [8] | MARCIC D, MUTAVDZIC S, MEDJO I, et al. Spirotetramat toxicity to immatures and sublethal effects on fecundity of female adults of Tetranychus urticae Koch [J]. Zoosymposia, 2011, 6: 99–103. |
| [9] | MARCIC D, PETRONIJEVIC S, DROBNJAKOVIC T, et al. The effects of spirotetramat on life history traits and population growth of Tetranychus urticae (Acari: Tetranychidae) [J]. Exp Appl Acarol, 2012, 56(2): 113–122. doi:10.1007/s10493-011-9500-2 |
| [10] |
杨琳琳, 段洁. 杀虫、杀螨剂螺虫乙酯的专利技术现状分析[J]. 农药, 2016, 55(5): 320–323.
YANG L L, DUAN J. Analysis of patent technology of insecticide and acaricide: spirotetramat in China[J]. Agrochemicals, 2016, 55(5): 320–323. |
| [11] |
李江, 赖柯华, 冯青, 等. 螺虫乙酯对斑马鱼的急性毒性及细胞凋亡的影响[J]. 热带农业科学, 2015, 35(5): 45–49.
LI J, LAI K H, FENG Q, et al. Effects of spirotetramat on acute toxicity and apoptosis of zebra fish[J]. Chin J Trop Agric, 2015, 35(5): 45–49. |
| [12] |
毛晨蕾, 王珏, 江盛菊, 等. 螺虫乙酯对雌性斑马鱼的毒性及氧化应激效应[J]. 农药学学报, 2014, 16(3): 300–306.
MAO C L, WANG J, JIANG S J, et al. Toxicity of spirotetramat and oxidative stress response in female zebrafish (Danio rerio) [J]. Chin J Pest Sci, 2014, 16(3): 300–306. |
| [13] | YIN X H, JIANG S J, YU J, et al. Effects of spirotetramat on the acute toxicity, oxidative stress, and lipid peroxidation in Chinese toad (Bufo bufo gargarizans) tadpoles [J]. Environ Toxicol Pharmacol, 2014, 37(3): 1229–1235. doi:10.1016/j.etap.2014.04.016 |
| [14] | AGBOHESSI P T, TOKO I I, HOUNDJI A, et al. Acute toxicity of agricultural pesticides to embryo-larval and juvenile African catfish Clarias gariepinus [J]. Arch Environ Contaminat Toxicol, 2013, 64(4): 692–700. doi:10.1007/s00244-012-9871-3 |
| [15] |
庄德辉, 梁彦龄, 邓冠强. 氯化高汞对大型溞的慢性毒性[J]. 水生生物学集刊, 1984, 8(4): 449–456.
ZHUANG D H, LIANG Y L, DENG G Q. Toxicity of mercuric chloride to Daphnia magna Straus, with special emphasis on long-term tests [J]. Acta Hydrobiol Sin, 1984, 8(4): 449–456. |
| [16] | CHEN X D, STARK J D. Individual-and population-level toxicity of the insecticide, spirotetramat and the agricultural adjuvant, destiny to the cladoceran, Ceriodaphnia dubia [J]. Ecotoxicology, 2010, 19(6): 1124–1129. doi:10.1007/s10646-010-0495-y |
| [17] |
罗特B, 张甬元. 试验用大型溞(Daphnia magna)的培养方法
[J]. 环境科学, 1987, 8(3): 28–30.
ROTTER B, ZHANG Y Y. Culture of laboratory Daphnia magna [J]. Environ Sci, 1987, 8(3): 28–30. |
| [18] | Organisation for Economic Co-operation and Development. Method 201 guideline for testing of chemicals, Alga sp. Acute immobilisation Test[S]. Paris: OECD, 2004. |
| [19] | Organisation for Economic Co-operation and Development. Method 202 guideline for testing of chemicals, Daphnia sp. Acute immobilisation test[S]. Paris: Environment Health and Safety Publications, 2004. |
| [20] | Organisation for Economic Co-operation and Development. Method 211 guideline for testing of chemicals, Daphnia sp. Daphnia magna reproduction test[S]. Paris: Environment Health and Safety Publications, 2004. |
| [21] |
林昌善. 动物种群数量变动的理论与试验研究 Ⅱ. 杂拟谷盗Tribolium confusum (H.)的内禀增长能力(rm)的研究
[J]. 动物学报, 1964, 16(3): 323–338.
LIN C S. The theoretical and laboratory studies of animal population dynamics II. A study of innate capacity for increase (rm) of Tribolium confusum (H.) under certain experimental conditions [J]. Acta Zool Sin, 1964, 16(3): 323–338. |
| [22] |
化学农药环境安全评价试验准则 第13部分: 溞类急性活动抑制试验: GB/T 31270.13—2014[S]. 北京: 中国标准出版社, 2015.
Test guidelines on environmental safety assessment for chemical pesticides―Part 13: Daphnia sp. acute immobilisation test: GB/T31270.13—2014[S]. Beijing: Standards Press of China, 2015. |
| [23] | TOUMI H, BOUMAIZA M, MILLET M, et al. Effects of deltamethrin (pyrethroid insecticide) on growth, reproduction, embryonic development and sex differentiation in two strains of Daphnia magna (Crustacea, Cladocera) [J]. Sci Total Environ, 2013, 458-460: 47–53. doi:10.1016/j.scitotenv.2013.03.085 |
| [24] |
吴慧明. 螺虫乙酯对雄性大鼠毒性及其机制研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2013.
WU H M. Toxicity and toxic mechanism of spirotetramat in male rats[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013. |
| [25] | FALEIRO F, NARCISO L. Lipid dynamics during early development of Hippocampus guttulatus seahorses: searching for clues on fatty acid requirements [J]. Aquaculture, 2010, 307(1-2): 56–64. doi:10.1016/j.aquaculture.2010.07.005 |
| [26] |
刘刚. 目前在我国登记的螺虫乙酯产品[J]. 农药市场信息, 2017(14): 38.
LIU G. Currently registered ethyl snail products in China[J]. Pestic Market News, 2017(14): 38. |
| [27] |
杜芳. 螺虫乙酯在大豆和土壤中的消解动态及最终残留研究[D]. 沈阳: 沈阳农业大学, 2016.
DU F. Study on degradation dynamic and residual behavior of spirotetramat in soybean and soil[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2016. |
| [28] |
张建功. 螺虫乙酯的合成、衍生及生物活性研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2012.
ZHANG J G. Study on synthesis process of snirotetramat and bioactivitv structure relationship of its derivatives[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012. |