高亞平蔣增杰杜美榮房景輝姜娓娓方建光

(1.中國科學院海洋研究所, 青島 266071; 2.中國水產科學研究院黃海水產研究所, 農業(yè)部可持續(xù)發(fā)展重點開放實驗室,青島 266071; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

除草劑撲草凈和阿特拉津對海草與大型藻類的毒性比較

高亞平1,3蔣增杰2杜美榮2房景輝2姜娓娓2方建光2

(1.中國科學院海洋研究所, 青島 266071; 2.中國水產科學研究院黃海水產研究所, 農業(yè)部可持續(xù)發(fā)展重點開放實驗室,青島 266071; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

陸地徑流等可引起海域中除草劑濃度升高, 從而威脅海洋大型植物——海草和大型藻類的生長。以葉綠素熒光為主要指標測定除草劑阿特拉津和撲草凈的低、中、高(1、5和25 μg/L)濃度對4種常見海草：大葉藻(Zostera marina L.)、叢生大葉藻(Z.caespitosa M.)、矮大葉藻(Z.japonica Aschers.& Graebn.)、紅須根蝦形藻(Phyllospadix iwatensis M.)和2種常見大型藻類：孔石莼Ulva lactuca L.和海索面Nemalion helminthoides的光合抑制。結果顯示, 低濃度1 μg/L的撲草凈和5 μg/L的阿特拉津即對矮大葉藻、孔石莼和海索面產生了顯著的光合抑制, 抑制率約而7.54%—12.97%; 大葉藻、叢生大葉藻和紅須根蝦形藻的撲草凈和阿特拉津的顯著作用濃度為5 μg/L, 在相同濃度下, 撲草凈的光合抑制較阿特拉津更強, 同時, 矮大葉藻及兩種大型藻類較其他3種海草成體對除草劑作用更為敏感。

撲草凈; 阿特拉津; 海草; 大型藻類; 葉綠素熒光; 毒性作用

除草劑在世界農業(yè)生產中發(fā)揮著重要的作用,然而在其大大節(jié)約勞動力、提高作物經濟產出而被大量使用的同時, 由于相對較高的溶解度和殘留時間[1], 使得除草劑在經地表或地下徑流后, 進入水生系統(tǒng), 因而常在世界各除草劑使用國的水生系統(tǒng)中被檢出, 威脅水生生物生存與水生環(huán)境的健康[2,3]。除草劑污染程度及危害的研究多集中在淡水水域[4—8], 在沿海海域中研究較少[9—12]。但據估計, 在全球所使用的除草劑等農藥中, 至少2%流入了沿海水域中, 對沿海生物構成威脅。研究發(fā)現,除草劑敵草隆是引起澳大利亞Mackay地區(qū)紅樹林頂梢枯死的原因[11]。Kennedy等[12]歷時5年的跟蹤監(jiān)測證明, 大堡礁海區(qū)除草劑對珊瑚、海草和底棲硅藻存在影響。

與紅樹林和珊瑚礁同為三大典型海洋生態(tài)系的海草系統(tǒng)是淺海生態(tài)系中最豐富最重要的系統(tǒng)之一, 它們極具初級生產力, 構成多種海洋食物鏈的基礎部分, 大大地增加周圍環(huán)境的生物多樣性,并在維持淺海環(huán)境的健康穩(wěn)定方面發(fā)揮著重要作用[13—16]。而大型藻類作為淺海生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 亦是重要的物質基礎, 在能量流動、物質循環(huán)和信息傳遞中發(fā)揮著不可替代的作用[17,18]。在除草劑殘留于淺海環(huán)境的背景下, 海草或藻類衰退是否和除草劑有關需要引起關注。Correll等[19]最早研究過除草劑阿特拉津對大葉藻和另外3種河口沉水植物的影響, 結合河流內檢出濃度, 分析認為除草劑可能會影響切薩皮克灣的海草等植物。Ralph[20]也經實驗對比過苯基二甲脲、阿特拉津、西瑪津、草甘膦4種除草劑對喜鹽草Halophila ovalis的毒性大小; Haynes等[21]發(fā)現, 最低0.1 μg/L的敵草隆即引起喜鹽草和摩羯大葉藻Zostera capricorni光合有效量子產量的下降, 因此昆士蘭近岸海草可能受到了除草劑潛在的威脅。Chesworth等[22]在研究兩種除草劑對大葉藻的影響中發(fā)現1051和敵草隆的葉綠素熒光Fv/Fm10 d暴露下的EC50(引起Fv/Fm被抑制50%的除草劑濃度)分別為1.1和3.2 μg/L。

阿特拉津(Atrazine)和撲草凈(Prometryn)為兩種均三嗪類除草劑, 我國從20世紀80年代初開始使用, 由于其較大的極性、水溶性和穩(wěn)定性, 降雨時可由徑流入海, 從而污染淺海環(huán)境。徐英江等[23]采用液相色譜串聯質譜法對萊州灣海域43個站位表層海水中13種三嗪類除草劑及脫乙基阿特拉津進行了調查研究。阿特拉津、撲草凈、撲滅津、莠滅凈、脫乙基阿特拉津的檢出率分別為100%、97.7%、51.2%、100%和93.0%, 平均濃度分別為31.3、6.49、1.57、12.4和9.14 ng/L[23]。

在淺海環(huán)境除草劑殘留的背景下, 我國環(huán)境除草劑對海草及大型藻類等威脅的相關研究不足, 本實驗擬以北方淺海4種常見海草: 大葉藻(Z.marina)、叢生大葉藻(Z.caespitosa)、矮大葉藻(Z.japonica)、紅須根蝦形藻(Phyllospadix iwatensis)和2種常見大型藻類: 孔石莼Ulva lactuca和海索面Nemalion helminthoides為研究對象, 利用靈敏、快速、無損傷的葉綠素熒光技術作為其光和作用的指示, 分析撲草凈、阿特拉津的毒性, 為我國淺海環(huán)境的保護及相關管理政策的制定提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 海草和大型藻類的采集與培養(yǎng)

海草和大型藻類采集海草大葉藻、叢生大葉藻、紅纖維蝦形藻及2種大型藻類孔石莼和海索面取自山東桑溝灣楮島海域, 矮大葉藻取自桑溝灣八河港海域, 取材料點水深0.5—5.5 m, 底質為泥沙及巖礁底質。為使海草植株一致, 大葉藻僅挑選具6個節(jié)間的枝條; 矮大葉藻挑選具5個節(jié)間的枝條; 由于叢生大葉藻和紅纖維蝦形藻呈簇狀, 小心將3—5個枝條分成一簇。所有枝條除去附著生物。孔石莼和海索面取大小相近的完整個體。

材料培養(yǎng)數據計算及統(tǒng)計分析4種海草成體及2種藻類置于16 L玻璃缸內, 室內15℃培養(yǎng)。培養(yǎng)基質為原位帶回的基質。光照150 μmol/ (m2·s),光鯰暗12h鯰12h, 充氣培養(yǎng), 各組實驗材料在適應72h后用于實驗。

主要試劑和儀器美國Accustandard阿特拉津和撲草凈標準品; 德國Walz水下調制葉綠素熒光儀Diving-PAM。

1.2 實驗方法

在前期預實驗基礎上, 撲草凈和阿特拉津的實驗濃度為: 1、5和25 μg/L, 分別測定4種海草和2種大型藻類在以上濃度組中暴露1h、10h、24h、48h和72h的葉綠素熒光Fv/Fm, 計算由于除草劑結合或損傷PSII系統(tǒng)D1蛋白而產生的對Fv/Fm抑制率,抑制率=(Fv/Fm對照–Fv/Fm處理)/Fv/Fm對照。

1.3 數據處理

數據用SPSS 19.0對通過方差齊性檢驗(Modified Levene’s test)的部分進行單因素方差分析(ANOVA), 采用多SNK-q檢驗比較對照組及不同濃度組撲草凈和阿特拉津對不同海草及藻類的光合抑制;對未通過方差齊性檢驗的利用進行獨立樣本Kruskal-Wallis檢驗; 顯著水平為0.05。

2 結果

如圖 1所示, 在72h的除草劑暴露過程中, 隨時間的延長光合抑制逐漸加重, 至24h時趨于穩(wěn)定。與阿特拉津相比, 撲草凈對4種海草和2種藻類的光合抑制作用更大。大葉藻、叢生大葉藻和紅纖維蝦形藻在阿特拉津作用下均未在1 μg/L時發(fā)現顯著的光合抑制, 5 μg/L時, 光合作用抑制顯著(P<0.05),抑制率平均為6.89%—8.94%; 5 μg/L的撲草凈亦對3種海草產生了顯著的光合抑制(P<0.05), 平均抑制率為14.58%—19.79%, 25 μg/L的抑制率則為41.31%—46.32%; 同一除草劑相同濃度對該3種海草的光合抑制并未發(fā)現顯著的種間差異。但矮大葉藻在1 μg/L的撲草凈作用下即引起顯著的光合抑制(P<0.05), 5 μg/L的撲草凈即使得光合作用抑制達40.74%, 顯著高于同濃度撲草凈對其他3種海草的光合抑制(P<0.05); 25 μg/L的撲草凈對矮大葉藻的光合抑制率則為69.85%, 相同濃度阿特拉津對矮大葉藻的毒性作用比其他3種海草稍高, 最高濃度25 μg/L的阿特拉津對矮大葉藻的抑制率為28.53%。

阿特拉津對孔石莼和海索面的最低效應濃度均是5 μg/L, 撲草凈對孔石莼和海索面的最低效應濃度則均為1 μg/L, 孔石莼和海索面亦對撲草凈更為敏感, 尤其是海索面, 在5 μg/L的撲草凈作用下,其光合作用抑制比為30.65%, 而25 μg/L下, 則高達73.46%, 顯著高于孔石莼及除矮大葉藻外的3種海草(P<0.05)。

3 討論

阿特拉津和撲草凈對北方常見的4種海草和2種大型藻類產生光合抑制, 隨濃度的升高, 抑制作用增強, 且相對于阿特拉津, 撲草凈的抑制作用更大; 相對于大葉藻、叢生大葉藻和紅纖維蝦形藻,矮大葉藻和2種大型藻所受的光合抑制作用更強,顯示它們在環(huán)境中為更敏感的種類。

圖 1 阿特拉津A (1、5和25 μg/L)和撲草凈P (1、5和25 μg/L)72h作用中對大葉藻(A)、叢生大葉藻(B)、紅纖維蝦形藻(C)、矮大葉藻(D)、孔石莼(E)、海索面(F)Fv/Fm的抑制Fig.1 Fv/Fminhibition of atrazine (1, 5 and 10 μg/L) and prometryn (1, 5 and 10 μg/L) on Z.marina (A), Z.caespitosa (B), P.iwatensis (C), Z.japonica (D), U.lactuca (E), N.helminthoides (F) during 72h exposure

隨著農藥等化學品在農業(yè)生產上的廣泛應用,它們所帶來的生態(tài)與環(huán)境問題日益嚴重, 影響范圍已由陸地擴大至海洋。阿特拉津和撲草凈通過阻斷電子從質醌QA向QB的傳遞, 從而使植物光和作用受阻。1 μg/L的撲草凈即引起了矮大葉藻、孔石莼和海索面顯著的光合抑制, 抑制率約7.54%—12.94%, 1 μg/L阿特拉津未對受試的海草和藻類產生顯著的光合抑制, 在相同濃度下, 撲草凈的毒性作用大于阿特拉津, 表明其環(huán)境毒性更強。這與Wilkinson等[24]的研究一致, 在其對十種PSⅡ除草劑對喜鹽草Halophila ovalis的研究中發(fā)現, 24h的除草劑暴露中, 11 μg/L的撲草凈引起喜鹽草有效光合量子產量ΔF/F′m的降低50%, 而相同抑制程度下的阿特拉津為22 μg/L; 在對柵藻Scenedesmus vacuolatus的研究中, 撲草凈和阿特拉津的引起ΔF/F′m被抑制50%的濃度分別為12.5和38.8 μg/L[25]。2種除草劑的毒性大小應于其本身在生物體內的擴散速率等化學特性相關。在本實驗中5 μg/L的阿特拉津引起了大葉藻、叢生大葉藻和紅纖維蝦形藻顯著的光合抑制, 這在Macinnis-Ng等[26]對海草Z.capricorni的研究中亦有發(fā)現, 其研究發(fā)現10 μg/L的阿特拉津作用10h引起了Z.capricorni成體有效光量子產量ΔF/F′m的顯著下降, 而Gao等[27]則發(fā)現4 μg/L的阿特拉津顯著抑制了大葉藻成體的Fv/Fm。在本研究中, 矮大葉藻相對其他3種海草成體所受毒性更大, 這可能與其葉表薄、對除草劑吸收作用強有關, 同樣的敏感性趨勢亦曾在Magnusson等[27]的研究中發(fā)現, 即個體小的種類對除草劑更為敏感,所受除草劑毒性更大。同樣, 在Gao等[27]的研究中亦發(fā)現, 相對于大葉藻成體, 大葉藻的幼苗所受阿特拉津的抑制作用更強, 這表明在淺海環(huán)境中存在除草劑污染時, 部分小型種類會首先受到威脅。

由于目前除草劑對非靶標環(huán)境生物的影響多集中在淡水植物, 對大型藻類的研究非常少, 可比較的數據有限。撲草凈與阿特拉津毒性大小在藻類上的相似體現應與2種物質本身結合蛋白的能力有關。三嗪類PSⅡ除草劑具有較高的水溶性, 因而非常容易被植物吸收, 同時在植物體中也有著較高的富集, 這在意大利Sacca di Goro瀉湖石莼U.rigida的植物體中有著明顯體現[29]。

盡管撲草凈和阿特拉津等引起的光合抑制在停止除草劑暴露后會得到恢復, 如Macinnis-Ng等[26]在研究中發(fā)現阿特拉津等作用4d后, 將卡氏大葉藻(Z.capricorni)置入清水中, 其光合作用可恢復, 但在水交換低, 污染嚴重的河口地區(qū), 海草暴露于除草劑污染中的時間會相對較長, 極有可能對海草造成不可逆性損傷, 而部分海草種類可能受損傷更大。尤其在多種除草劑在環(huán)境中同時存在時, 往往會存在毒性效應的疊加甚至協(xié)同, 從而對非靶標生物構成更大的威脅[24,25]。

我國近年來撲草凈使用量不斷增大, 尤其是在沿海海域更為明顯, 因此其帶來的生態(tài)風險需引起重視。同時盡管包括歐盟在內許多國家都停止了阿特拉津的生產和使用, 但在我國阿特拉津依然使用量很大, 并在環(huán)境中不斷被檢出, 對淺海環(huán)境的影響亦需要準確評估。本實驗就阿特拉津和撲草凈對淺海水生植物的光合抑制作用進行了初步研究, 除室內短期模擬實驗外, 野外長期跟蹤監(jiān)測有待開展, 同時在生理和代謝水平上的毒性影響亦需要深入開展。

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COMPARISON OF THE HERBICIDE ATRAZINE AND PROMETRYN’S TOXICITY ON SEAGRASS AND SEAWEED

GAO Ya-Ping1,3, JIANG Zeng-Jie2, DU Mei-Rong2, FANG Jing-Hui2, JIANG Wei-Wei2and FANG Jian-Guang2
(1.Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2.Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture, Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fisheries Science, Qingdao 266071, China; 3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Herbicide that applied to agriculture can contaminate estuarine and costal ecosystems through overspray, ground-water leachate and runoff to impair the health of seagrass and seaweed.This study investigated the toxic effects of herbicide atrazine (1 μg/L, 5 μg/L and 25 μg/L) and prometryn based on the photosystem II (PSII) inhibition on four species of seagrass (Zostera marina, Z.caespitosa, Z.japonica and Phyllospadix iwatensis M.) and 2 species of seaweed (Ulva lactuca L., Nemalion helminthoides) in north China.Results showed that the maximum quantum yield of Z.japonica.U.lactuca L., N.helminthoides and Z.marina L seedlings depressed significantly at 1 μg/L prometryn and 5 μg/L atrazine after 72h exposure, and Z.marina, Z.caespitosa and P.iwatensis depressed at both 5 μg/L prometryn and atrazine.At the same concentration, prometryn showed higher toxicity than atrazine for all species.Z.japonica and the two seaweed were more sensitive to herbicide then others.

Prometryn; Atarzine; Seagrass; Seaweed; Chlorophyll a fluorescence; Toxicity

Q948.8

A

1000-3207(2017)04-0930-05

10.7541/2017.116

2016-07-07;

2016-11-21

國家自然科學基金項目(41306117和41676147); 中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金(20603022013020和2060302201517102-2)；政府間國際科技創(chuàng)新合作重點專項(2016YFE0112600)資助 [Supported by the National Natural Science Foundation of China (41306117 and 41676147); the Special Scientific Research Funds for Central Non-profit Institutes, Yellow Sea Fisheries Research Institutes (20603022013020 and 2060302201517102-2)]; the Key Program for International S&T Cooperation Projects of Intergovernment (2016YFE0112600)]

高亞平(1983—), 女, 山東聊城人; 助理研究員; 主要從事海洋生物生態(tài)研究。E-mail: gaoyaping8640@163.com

方建光(1954—), 男, 研究員; 主要研究方向為海水養(yǎng)殖生態(tài)。E-mail: fangjg@ysfri.ac.cn