上海海洋大学学报  2021, Vol. 30 Issue (5): 821-827    PDF    
罗氏沼虾养殖塘草甘膦残留特征及生态风险评估
沈路遥1, 彭自然1, 何文辉1, 冯敏婕1, 戴习林2     
1. 上海海洋大学 海洋生态与环境学院, 上海 201306;
2. 上海海洋大学 水产与生命学院, 上海 201306
摘要:为了解罗氏沼虾养殖环境中草甘膦除草剂的残留特征及其生态风险,于2019年5-10月,对上海市金山区3口罗氏沼虾养殖塘养殖水、沉积物及塘埂土样品中草甘膦的质量浓度进行监测,并采用商值法对养殖水和沉积物中草甘膦的生态风险进行评估。结果显示:养殖周期内,养殖塘水中草甘膦的检出率为46.7%,最大残留质量浓度为57 μg/L; 虾塘沉积物及塘埂土中草甘膦的检出率分别为83.3%和77.8%,最大残留质量浓度分别为1 149 μg/kg和5 057 μg/kg。生态风险评估结果显示,养殖周期内养殖水中残留草甘膦对所选敏感生物的生态风险等级主要为无明显风险和中等风险,沉积物中残留草甘膦对所选敏感生物的生态风险等级主要为中等风险和低风险。研究表明,金山区罗氏沼虾养殖环境中草甘膦的残留水平与国内外其他地区相比处于中等水平,主要来源为塘埂除草时草甘膦除草剂的使用,养殖塘水及沉积物中残留草甘膦对罗氏沼虾养殖存在潜在风险。
关键词罗氏沼虾    养殖池塘    草甘膦    残留特征    生态风险评估    

罗氏沼虾养殖塘多为土基池塘,塘埂及坡岸易生杂草,为方便行走及保护塘埂,在投苗前和养殖生产期间,一般会对塘埂及干塘中的杂草进行清除。由于传统的人工除草方式费时费力,养殖户多使用化学除草剂进行除草。草甘膦是一种内吸传导型有机磷类除草剂,具有用药成本低、传导性强、低毒、广谱等特点,是全球作物保护市场销售额最大的农药品种。草甘膦可通过抑制5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合酶(EPSPS)的活性,使莽草酸途径中芳香族氨基酸及其衍生物合成受阻,进而导致植物死亡。由于动物不存在莽草酸途径,草甘膦被认为是一种低毒且对动物无害的除草剂。然而,越来越多的研究表明土壤中的草甘膦会通过多种途径进入水体,并对水生非靶标生物有潜在毒性[1]。研究[2]发现沼虾(Macrobrachium potiuna)暴露于草甘膦质量浓度为6.5 μg/L的溶液中14 d,可观察到其肝胰腺管腔退化、上皮收缩、组织肥大和细胞坏死迹象。雄性沼虾暴露于草甘膦质量浓度为65 μg/L的溶液中7 d可影响其内分泌系统,导致蜕皮甾体受体(ECR)和蜕皮抑制激素(MIH)的过分表达[3]

目前,水产养殖环境污染物检测多集中在重金属、抗生素、杀虫剂类农药等方面,对除草剂尤其是草甘膦的研究较少。鉴于草甘膦在农业环境中使用广泛,且可能对沼虾产生不良影响,以上海市罗氏沼虾养殖塘为研究对象,在养殖周期内对养殖水、沉积物和塘埂土样品中残留草甘膦进行监测,并采用商值法对养殖水及沉积物中草甘膦的生态风险进行评估,以了解罗氏沼虾养殖环境中草甘膦的残留特征及其生态风险,为养殖池塘除草剂合理使用及降低养殖风险提供参考。

1 材料与方法 1.1 试剂和仪器

试剂包括草甘膦标准溶液(购自美国Supelco公司,ρ =1 000 μg/mL), 9-芴甲基氯甲酸酯标准品(购自美国Sigma公司,纯度≥99.0%), 乙腈、甲醇、二氯甲烷、磷酸、正己烷均为液相色谱纯, 盐酸、二水合柠檬酸三钠、十水合四硼酸钠、十二水合磷酸钠为分析纯。

仪器包括岛津LC-20AD高效液相色谱仪,岛津RF-10AXL荧光检测器、Inertsil ODS-3(5 μm,4.6×250 mm)色谱柱、Oasis HLB(6cc,500 mg)固相萃取柱等。

1.2 样品采集

采样地点位于上海市金山区漕泾镇某特种水产养殖基地。所选3口罗氏沼虾养殖池塘(T1、T2、T3)均为土基养殖塘,单塘面积0.467 hm2,有效水深1.3 m,塘埂宽2.0 m、塘长100 m、塘宽50 m、坡比为1∶1,放养密度67.5万尾/hm2。2019年3口罗氏沼虾养殖塘的养殖周期为5月11日至9月28日。5月至9月,每月11日对养殖塘养殖水、塘埂土和沉积物进行现场采样,并采用HACH便携式多参数水质分析仪对养殖塘水温、溶解氧、pH等水质指标进行测定。10月11日对干塘后的塘埂土、塘底质进行采样。沿养殖塘四角距岸1 m处用采水器采集表层养殖水样,混匀后装入聚乙烯瓶。用铁铲对塘埂表层土壤(0~10 cm)多点采样,混合后装入塑料密封袋中。用采泥器对沉积物多点采样,混合后装入塑料密封袋中。样品当日运回实验室,于4 ℃避光冷藏保存,3日内完成样品前处理工作。

1.3 测定方法

水样、土壤及沉积物样品中草甘膦的测定分别参考《水质草甘膦的测定高效液相色谱法》(HJ 1071—2019)[4]和《土壤和沉积物草甘膦的测定高效液相色谱法》(HJ 1055—2019)[5]

1.4 质量控制与质量保证

采用外标法进行定量,草甘膦系列标准工作溶液质量浓度为0、5、10、20、50、100、200 μg/L,该质量浓度范围内所得标准曲线线性良好,回归系数为0.997 9~0.999 8。水样中草甘膦的方法检出限为2 μg/L,土壤和沉积物中草甘膦的方法检出限为20 μg/kg,所有样品均设置一个平行样。

1.5 生态风险评价

采用商值法对养殖水及沉积物中草甘膦除草剂的生态风险进行评价。风险商值(risk quotient,RQ)为物质的环境检出浓度与预测无效应浓度(redicted no effect concentration, PNEC)的比值,其中PNEC为半数致死效应浓度(LC50)或半数效应浓度(EC50)与风险因子(assessment factor, AF)之商,采用慢性毒性数据时AF的取值为100,采用急性毒性数据时AF的取值为1 000。根据风险评价标准,污染物的生态风险被分为4个等级:RQ<0.01,为无明显风险;0.01≤RQ<0.1,为低风险;0.1≤RQ<1,为中等风险;RQ≥1,为高风险[6]

由于草甘膦对水生生物的沉积物毒性效应数据较少,研究采用相平衡分配法由水体预测无效应浓度计算得到沉积物预测无效应浓度,以进行沉积物草甘膦生态风险评估。

    (1)

式中:PNECsed为沉积物预测无效应浓度,μg/kg;PNECwater为水体预测无效应浓度,μg/L;Koc为草甘膦的标化分配系数,L/kg,本研究中取值为3 540.49 L/kg [7]ωoc为沉积物中有机碳质量分数,研究中取值为0.786%[8]

2 结果 2.1 草甘膦残留状况

罗氏沼虾养殖塘(T1、T2、T3)养殖水、沉积物及塘埂土中草甘膦残留状况见图 1~3。5月至9月,养殖水中草甘膦的检出率为46.7%,平均浓度为6 μg/L。养殖水中草甘膦残留主要集中在5月至7月,其中5月T1、T2和T3养殖水中均有草甘膦检出,浓度范围为5~14 μg/L。受强降雨影响,8月养殖塘水中草甘膦均未检出。9月仅T2养殖塘水中有草甘膦检出,浓度为57 μg/L。5月至10月养殖塘沉积物中草甘膦检出率为83.3%,平均含量为261 μg/kg;塘埂土中草甘膦的检出率为77.8%,平均含量为1 012 μg/kg。5月至7月3口养殖塘沉积物及塘埂土中均有草甘膦检出,5月T1塘沉积物及塘埂土中草甘膦残留量最高,分别为1 149 μg/kg和5 057 μg/kg。养殖环境中草甘膦残留水平主要受施药行为及环境迁移转化的影响。由于养殖塘杂草生长情况、养殖户除草剂施用习惯及塘埂利用方式不同,3口罗氏沼虾养殖塘草甘膦喷洒次数及用量会存在一定差异,进而影响其在塘埂土、沉积物及养殖水中的残留分布。

图 1 养殖水中草甘膦的浓度 Fig. 1 The concentration of glyphosate in aquaculture water
图 2 养殖塘沉积物中草甘膦的含量 Fig. 2 The content of glyphosate in sediment
图 3 养殖塘塘埂土中草甘膦的含量 Fig. 3 The content of glyphosate in pond ridge soil

草甘膦尚未纳入我国《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)及《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)管理,但在我国《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)[9]中的限值为0.70 mg/L,本研究中养殖水草甘膦残留浓度均未超过该限值。与我国其他地区相比,罗氏沼虾养殖水中草甘膦最高残留浓度介于贵州省饮用水源地及云南省梯田生产区之间,见表 1。国内沉积物及土壤环境中草甘膦残留水平的研究较少,与国外相比,金山区罗氏沼虾养殖塘沉积物中草甘膦的浓度高于阿根廷河流及湖泊沉积物,养殖塘埂土中草甘膦最高残留浓度介于阿根廷农田土壤及希腊农村及城市土壤之间,见表 2。总体上,罗氏沼虾养殖环境中草甘膦的残留水平处于中等水平。

表 1 我国不同地区水体中草甘膦残留情况 Tab.1 Glyphosate residue in water in different regions of China
表 2 不同地区土壤及沉积物中草甘膦残留情况 Tab.2 Glyphosate residue in soil and sediment of different areas
2.2 草甘膦来源分析

塘埂土中草甘膦的主要来源为草甘膦除草剂的直接施用。5月和6月塘埂土中有较高的草甘膦残留(图 3),且现场采样过程中观察到杂草有枯黄现象。经询问,养殖户在塘埂除草过程中使用了草甘膦除草剂。塘埂土中的草甘膦可通过地表径流进入沉积物及养殖水体,并在沉积物及水相中进行分配。BENTO等[16]研究发现,土壤草甘膦向非靶标区域的颗粒结合迁移率为施用量的9.4%,水溶性迁移率为2.8%。本研究中虾塘塘埂约占养殖塘总面积的12%,土壤草甘膦向养殖水体及沉积物中的迁移有限。由图 1图 2可知,5月养殖塘水中草甘膦浓度较高,可能与进水前塘内土壤施用过草甘膦有关,进水后沉积物中的草甘膦部分迁移至养殖水所致。由图 2图 3可知,6月至7月受梅雨季雨水影响,养殖塘塘埂土中草甘膦含量有明显下降,而沉积物中草甘膦含量有所上升。降雨促进了塘埂土中草甘膦的生物降解过程,也增加了其向沉积物中的迁移。8月T2养殖水及沉积物中草甘膦未检出,8—9月T2塘埂土中草甘膦残留水平较低,但9月T2养殖水及沉积物中草甘膦浓度有明显升高。草甘膦施用于水体后会被沉积物大量吸附,使沉积物中草甘膦浓度升高。由于草甘膦可用于清除水产养殖池塘中丝状绿藻等藻类[17],不排除养殖户将草甘膦制剂直接用于养殖水体的情况。10月,3口养殖塘沉积物中均有草甘膦检出,除来源于塘埂土及养殖水外,排水时水体扰动引起底层沉积物中草甘膦的内源释放也可能是其来源之一。

2.3 草甘膦生态风险评估

绿藻、硅藻、水溞等浮游生物是虾类的天然饵料,通过查询美国生态毒理数据库ECOTOX(网址:https://cfpub.epa.gov/ecotox/)和文献资料获得相关水生生物急性毒性数据,并计算得到PNECwaterPNECsed,见表 3。水体草甘膦风险商值(RQwater)和沉积物中草甘膦的风险商值(RQsed)分别由3口罗氏沼虾养殖塘5月至9月养殖水及沉积物中实测草甘膦浓度与表 3中各敏感生物的PNECwaterPNECsed计算得到,见表 4表 5

表 3 草甘膦水生生物急性毒性数据及PNEC Tab.3 Acute toxicity data and PNEC value of glyphosate in aquatic organisms
表 4 养殖塘水中残留草甘膦的风险商值 Tab.4 Risk quotient of residual glyphosate in aquaculture pond water
表 5 养殖塘沉积物中残留草甘膦的风险商值 Tab.5 Risk quotient of residual glyphosate in aquaculture pond sediment

表 4可知,养殖周期内养殖水中残留草甘膦对所选敏感生物的生态风险主要为无明显风险和中等风险,占比分别为53.3%和23.8%,其次是低风险和高风险,占比分别为13.3%和9.5%。5月投苗当日,养殖水中残留草甘膦的生态风险主要为中等风险,其中对尼罗米虾仔虾存在中等及高风险。9月T2养殖塘水残留草甘膦对所选生物均存在高风险。MENSAH等[24]采用物种敏感性分布(SSD)推导得到用于保护当地水生生物的草甘膦制剂的长期水质基准,其限值为0.002(N.D.~0.021)mg/L。由于罗氏沼虾营底栖生活,除暴露于养殖水体中的草甘膦外,其与塘底的频繁接触也增加了其对沉积物中草甘膦的暴露。由表 5可知,5月至9月养殖塘沉积物中残留草甘膦对所选敏感生物的生态风险主要为中等风险和低风险,占比分别为50.5%和21.0%,其次是无明显风险和高风险,占比分别为20.0%和8.6%。其中,高风险主要出现在5月T1塘及7月和9月T2塘。作为周边土壤及水体中草甘膦的重要归宿,应重视沉积物中草甘膦的污染水平及其内源释放对水生生物的影响。此外,由现场水质数据分析发现,养殖周期内三口罗氏沼虾养殖水中9月T2水体pH和溶解氧含量较低,水体施用草甘膦或可增加罗氏沼虾缺氧风险。在罗氏沼虾养殖期内使用草甘膦除草剂除存在潜在生态风险外,还存在一定的食用风险。研究[25]发现金鱼藻和麦穗鱼对14C-草甘膦20 d生物富集系数分别为27.96和45.79,麦穗鱼对藻类的摄食可使草甘膦在鱼体内的积累增加。由于浮游生物是罗氏沼虾的天然饵料,草甘膦可能会通过食物链在罗氏沼虾体内累积。

为防范相关风险,建议虾塘尽可能采用机械或手工方式除草或将塘埂用水泥或石板进行硬化。当采用草甘膦等除草剂时应严格控制使用剂量和频度。塘埂施用草甘膦除草应在晴天进行,干塘施用草甘膦可在杂草死亡后进水冲洗塘底以减少残留。在罗氏沼虾养殖期间应避免将草甘膦制剂直接施用于养殖水中。

3 结论

以上海市金山区3口罗氏沼虾养殖塘为研究对象,得到如下结论:(1)养殖周期内,养殖水、沉积物和塘埂土中草甘膦的检出率分别为46.7%、83.3%和77.8%,最大残留值分别为57 μg/L、1 149 μg/kg和5 057 μg/kg。(2)草甘膦残留水平与其他地区相比处于中等水平,主要来源为虾塘除草过程中草甘膦除草剂的使用。(3)生态风险评估表明,养殖周期内养殖水体及沉积物中残留草甘膦对罗氏沼虾养殖存在潜在风险。(4)建议虾塘合理使用草甘膦除草剂以规避相关风险。为更好了解水产养殖环境中草甘膦的来源及其食用风险,在以后的研究中可增加对周边农业环境中草甘膦残留情况的调查并对水产品中草甘膦的含量进行检测。

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Residual characteristics and ecological risk assessment of glyphosate in Macrobrachium rosenbergii culture ponds
SHEN Luyao1, PENG Ziran1, HE Wenhui1, FENG Minjie1, DAI Xilin2     
1. College of Marine Ecology and Environment, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
2. College of Fisheries and Life Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China
Abstract: Residual characteristics and ecological risk of glyphosate in the culture environment of Macrobrachium rosenbergii(M. rosenbergii)were studied. From May to October 2019, the concentrations of glyphosate in aquaculture water, sediment and ridge soil samples of three M. rosenbergii ponds in Jinshan District of Shanghai were monitored, and the ecological risk of glyphosate in aquaculture water and sediment was assessed by the risk quotient method.Results show that the detection rate of glyphosate in aquaculture water was 46.7%, and the maximum residue value was 57 μg/L. The detection rate of glyphosate in culture pond sediment and ridge soil was 83.3% and 77.8%, and the maximum residue value was 1 149 μg/kg and 5 057 μg/kg, respectively. The results of ecological risk assessment showed that the ecological risk level of glyphosate in aquaculture water to the sensitive organisms was mainly no obvious risk and medium risk, while the ecological risk levels in sediment were mainly medium risk and low risk. Research shows that the residual level of glyphosate in the culture environment of M. rosenbergii in Jinshan was at the middle level compared with other areas at home and abroad, and the main source was the use of glyphosate in pond ridge weeding.The residual glyphosate in aquaculture water and sediment had potential risks to M. rosenbergii.
Key words: Macrobrachium rosenbergii     aquaculture pond     glyphosate     residual characteristics     ecological risk assessment