王冰潔 姜蕾 潘波 劉迎 林勇

摘 ?要??蚯蚓是土壤健康的關鍵指示生物，為了更好地評價草甘膦對土壤無脊椎動物的影響，本研究采用土壤法測定草甘膦對蚯蚓的急性毒性;用不同濃度的草甘膦分別測定不同暴露時間下對蚯蚓超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、谷胱甘肽S轉移酶、乙酰膽堿酯酶活性的影響。結果顯示，土壤法測定草甘膦對蚯蚓的LC₅₀>1000?mg/kg;在草甘膦的影響下，隨著暴露時間的延長，蚯蚓SOD酶活力有著先增高后下降的趨勢，CAT酶活力呈現(xiàn)著先下降后升高的趨勢，隨著時間和濃度的增長POD酶活力在草甘膦的影響下有逐漸下降的趨勢;相對于空白對照，處理組AChE酶活力在草甘膦暴露14 d時顯著降低。研究結果將為合理評價和監(jiān)測草甘膦造成的土壤污染水平提供科學依據(jù)。

關鍵詞 ?草甘膦;蚯蚓;急性毒性;酶活力中圖分類號??X171.5??????文獻標識碼??A

Effect of Glyphosate on the Activities of Antioxidase Enzymes and Acetylcholinesterases in Vivo?Earthworm

WANG Bingjie^1，2， JIANG Lei^1，2*， PAN Bo^1，2， LIU Ying^1，2， LIN Yong^1，2*

1. Environment and Plant Protection Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China; 2.?Key Laboratory of Integrated Pest Management of Tropical Crops， Ministry of Agriculture & Rural Affairs， Haikou， Hainan 571101， China

Abstract ?Earthworm （Eisenia fetida） is one of the key bio-indicators of soil health. To evaluate the effects of glyphosateon soil invertebrates， the acute toxicity of glyphosate to earthworms were determined by artificial soil test. Effects of different concentrations of glyphosate on the activities of superoxidedismutase （SOD）， catalase （CAT）， peroxidase （POD）， glutathions S-transferase （GST） and acetylcholinesterase （AChE） in earthworms were measured at different exposure durations. The results of artificial soil test showed that theLC₅₀of glyphosate to earthworms was greater than 1000 mg/kg （7 d， 14 d）， indicating that the acute toxicity of glyphosate was low to earthworms. With the increase of glyphosate concentrations and exposure time， the activity of SOD in earthworms increased first and then decreased; the activity of CAT in earthworms decreased first and then increased; and the activity of POD in earthworms kept decreasing. Compared to the control， the activity of AChE in earthworms exposed to glyphosate reduced significantly after 14 days. The results would provide a scientific basis for rational evaluation and monitoring of soil pollution level caused by glyphosate.

Keywords ?glyphosate; earthworm; acute toxicity; enzyme activity

DOI10.3969/j.issn.1000-2561.2019.09.019

草甘膦屬內吸傳導廣譜滅生性除草劑，對多年生深根性雜草地下組織有很強的破壞能力，能直接殺死雜草的根系，在抑制農地雜草、保護農作物生長方面發(fā)揮了巨大的作用，是目前世界上使用量最大的除草劑，廣泛用于防除一年生和多年生雜草^[1-3]。伴隨著草甘膦的大量使用，源源不斷的草甘膦進入土壤;有研究表明，進入土壤中的農藥一方面通過淋溶作用向下遷移進入地下水造成水污染，另一方面通過作物根部吸收進入農作物，對其生長發(fā)育造成脅迫，影響農作物產量和品質，甚至通過食物鏈進入人體，進而為害人類健康^[4-8]。

蚯蚓作為土壤環(huán)境中主要的動物類群，對維持土壤肥力起到重要作用，更是生態(tài)系統(tǒng)健康與否的重要指示生物。有大量文獻表明研究農藥對蚯蚓行為的影響對可持續(xù)農業(yè)的發(fā)展具有重要的意義^[9]。農藥污染物對蚯蚓在個體、細胞和分子等不同生命層面都會產生毒理學作用。研究表明，草甘膦對蚯蚓的急性毒性較低，其LC₅₀值為6.3?mg/mL，屬低毒級^[10]，并且有研究表明，草甘膦在土壤中濃度為996 ?g/kg時，對蚯蚓沒有影響^[11]。

除草劑可以誘導機體產生氧化應激反應^[12]，而蚯蚓體內有一系列的氧化防御機制，如抗氧化酶，包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）和谷胱甘肽S轉移酶（GST）^[13]，其中GST也可參與解毒代謝^[14];蚯蚓乙酰膽堿酯酶（AChE）活性的變化是農藥暴露研究的生物標志物之一^[15-16]。

本研究以蚯蚓為主要實驗材料，通過土壤法研究除草劑草甘膦對蚯蚓的毒性和致死效應;并進一步研究蚯蚓超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、谷胱甘肽S轉移酶（GST）和乙酰膽堿酯酶（AChE）活力在不同濃度草甘膦作用下的變化，研究結果將為科學地評價農藥安全性提供基礎數(shù)據(jù)支持。

1??材料與方法

1.1 材料

1.1.1 ?供試動物?赤子愛勝蚓（Eisenia fetida）購自天津成功蚯蚓養(yǎng)殖場，購置的蚯蚓以發(fā)酵的牛糞經滅菌后作為飼料，于室溫（20～25?℃）下飼養(yǎng)。選用環(huán)帶明顯、體重為300～500 mg的成熟健康蚯蚓作為測試材料。實驗前先把預培養(yǎng)的蚯蚓用蒸餾水洗干凈，放在有濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中，使蚯蚓清腸、吐泥24 h^[17]。

1.1.2 ?供試土壤??實驗土壤采用人工土壤：68%的石英砂、20%的高嶺土、10%的泥炭蘚、2%碳酸鈣，調節(jié)pH為6.0±0.5，各組分總質量為500?g。

1.1.3 ?供試藥品和試劑 ?草甘膦原藥（95%），麥克林公司;酶活性檢測試劑盒，南京建成生物工程研究所;其他試劑均購于西隴化工有限公司。

1.2方法

1.2.1??人工土壤法毒性實驗??急性毒性實驗中，根據(jù)預實驗結果設置草甘膦染毒土壤濃度為0、200、400、600、800、1000 mg/kg。染毒方法按照化學品對蚯蚓毒性試驗國家標準（GB/T 21809-2008）進行，將500 g人工土壤放入1 L的燒杯中加入175 mL用去離子水溶解的草甘膦，充分混勻使其達到所設定的濃度，同時設水為空白對照，每個處理3個重復。然后將10條清腸24 h的健康蚯蚓放入染毒土壤的燒杯中，用紗布封口，防止蚯蚓逃逸。將蚯蚓放入人工氣候箱內[溫度（20±1）℃，濕度80%±2%，光照強度為800 lx，光暗比14 h∶10 h]培養(yǎng)，分別在第7天和第14天觀察記錄蚯蚓的死亡數(shù)。

1.2.2 ?草甘膦對蚯蚓體內酶活性的影響 ?為了進一步了解除草劑草甘膦對赤子愛勝蚓的毒性效應，采用人工土壤法研究了草甘膦脅迫對赤子愛勝蚓氧化防御系統(tǒng)酶SOD、CAT、POD 活性及谷胱甘肽-S轉移酶和乙酰膽堿酯酶活性的影響。根據(jù)草甘膦田間使用量和急性毒性的實驗結果設置6個濃度，分別為0、2、10、50、150、450 mg/kg，實驗條件和方法同1.2.1節(jié)，每個濃度設置3 個重復。分別在培養(yǎng)第3、7、14、21 天隨機從每份土壤中取出2條蚯蚓用于酶活性測定，在整個實驗周期內未見蚯蚓死亡。

粗酶液的提取和蛋白含量的測定：將清腸24?h的蚯蚓用去離子水洗凈，吸干水分，稱重，放入預冷的25 mL玻璃勻漿器中，然后加入9倍體積預冷的生理鹽水，冰浴研磨成10%的組織勻漿，在-80?℃的超低溫冰箱中保存，以備SOD、POD、CAT、GST和AChE活性測定。蛋白含量采用Bradford^[18]的方法測定，以牛血清蛋白（BSA）作為標準蛋白，在595 nm下測定樣品的吸光度。SOD、CAT、POD、GST和AChE活性的測定均按照南京建成試劑盒說明書進行。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析，所有實驗結果表示為平均數(shù)±標準偏差（Mean±SD），利用單因素方差分析法（one-way ANOVA）中post hoc-LSD法進行對照組和濃度組之間的差異顯著性分析，并用GraphPad Prism 7軟件繪圖。

2??結果與分析

2.1 草甘膦對蚯蚓急性毒性

在實驗的第7、14天檢查死亡率，發(fā)現(xiàn)對照和處理組均沒有出現(xiàn)蚯蚓死亡現(xiàn)象，即研究結果顯示LC₅₀>1000 mg/kg。

2.2草甘膦對蚯蚓體內抗氧化酶活性的影響

2.2.1??對蚯蚓體內SOD活性影響 ?草甘膦對赤子愛勝蚓SOD活性影響如圖1所示，在暴露第3天和第7天時各濃度草甘膦處理組SOD酶活性均顯著高于空白對照組，暴露第3天時濃度為50?mg/kg草甘膦處理的酶活力最高，較對照提高了25.48%。暴露第7天時，與對照相比，濃度為10、150、450 mg/kg處理時蚯蚓體內SOD活性顯著提高（P<0.01），分別提高了40.18%、38.76%和40.03%。在10、50、150和450 mg/kg濃度下暴露第14天時，蚯蚓體內SOD酶活性顯著下降，分別較對照下降了41.12%、34.47%、39.48%和43.62%。在暴露第21天時各濃度草甘膦處理組與空白對照組均無顯著差異。

2.2.2??對蚯蚓體內CAT活性影響??草甘膦對赤子愛勝蚓CAT活性影響如圖2 所示，在暴露第3天時只有濃度為2 mg/kg草甘膦處理的CAT活性顯著高于空白對照組。暴露第7天時，各濃度草甘膦處理組CAT活性均顯著高于空白對照組，分別提高了33.64%，73.89%、36.61%、45.16%和60.77%，其中濃度為10 mg/kg草甘膦處理組的CAT酶活力最高。暴露第14天時，只有濃度為10 mg/kg時CAT活性顯著增高，提高了76.21%。在暴露第21天時各濃度草甘膦處理組與空白對照組均無顯著差異。

2.2.3??對蚯蚓體內POD活性影響??草甘膦對赤子愛勝蚓POD活性影響如圖3所示，在暴露第3天和第7天時各濃度草甘膦處理組與空白對照組均無顯著差異。暴露第14天時草甘膦濃度為50和450 mg/kg的處理組POD酶活力降低，分別較對照下降了16.83%和35.76%。暴露第21天時，濃度為150和450 mg/kg草甘膦處理組酶活力降低，分別較對照下降了22.69%和21.60%。

2.2.4??對蚯蚓體內GST活性影響??草甘膦對赤子愛勝蚓GST活性影響如圖4所示，在暴露第3天時，草甘膦濃度為2、50、150和450 mg/kg的處理組CAT酶活力顯著低于空白對照組，分別降低了29.64%、14.87%、29.07%和36.29%，濃度為450 mg/kg草甘膦處理組GST酶活力最低。暴露第7天時，濃度為50和450 mg/kg草甘膦處理組GST酶活性顯著低于空白對照組，分別下降了36.52%和44.10%。暴露第14天時，各濃度草甘膦處理組GST酶活性均顯著低于空白對照組，分別下降了35.75%、47.95%、68.76%、57.93%和64.13%。暴露第21天時，濃度為50、150和450?mg/kg的草甘膦處理組GST酶活性均顯著低于空白對照組，分別下降了46.58%、70.35%和73.63%。

2.2.5??對蚯蚓體內AChE活性影響??草甘膦對赤子愛勝蚓AChE活性影響如圖4所示，在暴露第3天和第7天時，只有在草甘膦濃度為150 mg/kg的處理組AChE酶活性顯著低于空白對照組，分別降低了48.31%和29.46%。暴露第14天時，各濃度草甘膦處理組AChE酶活性均顯著低于空白對照組，分別下降了16.89%、34.43%、43.33%、35.63%和49.64%。在暴露第21天時各濃度草甘膦處理組AChE活性與空白對照組均無顯著差異。

3??討論

蚯蚓急性毒性研究在蚯蚓生態(tài)毒理學研究中具有重要的意義，通過急性毒性實驗可以得出化學品對蚯蚓直接致死率與劑量之間的關系，明確化學品對蚯蚓的毒性等級^[19]。人工土壤法測定蚯蚓毒性實驗，模擬了蚯蚓的生活環(huán)境，可為化學品對蚯蚓的毒性評價提供較為準確的結果^[20]。根據(jù)國家蚯蚓急性毒性實驗標準，本研究采用人工土壤法測定了草甘膦對赤子愛勝蚓的急性毒性。研究結果顯示草甘膦原藥在第7天和第14天時對蚯蚓的LC₅₀大于1000 mg/kg，屬于低毒級，該研究結果與Wang等^[21]的報道相一致。

本研究中，在暴露第3天和第7天時各濃度草甘膦處理組SOD酶活性均顯著高于空白對照組。第3天，50?mg/kg草甘膦濃度時SOD酶活性為最高，而后活性降低，說明暴露第3天時，蚯蚓產生了明顯的應激反應。而暴露14 d時，在10、50、150和450 mg/kg濃度下，蚯蚓體內SOD酶活性顯著下降。隨著時間的延長和濃度的增大，SOD酶活性均呈現(xiàn)先增高再降低的趨勢。前期SOD活性增強的原因可能是為了維持機體自身的氧化平衡，蚯蚓體內抗氧化防御系統(tǒng)被激活，刺激SOD的合成來清除過多的氧自由基，而后出現(xiàn)下降的原因可能是蚯蚓機體內環(huán)境穩(wěn)態(tài)遭到破壞，機體受損程度增強，體內的自穩(wěn)機制被打亂，而導致SOD酶活力下降^[22-23]。該結果與已有研究中草甘膦對蚯蚓體內SOD酶活性的影響隨濃度和時間遞增整體呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢相符^[24-25]。然而也有研究表明水生生物凱氏小球藻（Chlorella kessleri）暴露于40～70 mg/L草甘膦時SOD活性顯著提高，未發(fā)現(xiàn)SOD活性顯著下降現(xiàn)象^[26]。

CAT和POD可以有效地協(xié)同將SOD歧化自由基產生的過氧化氫分解，從而消除其對生物體的氧化毒害^[27]。在本研究中，暴露第3天和第7天時，草甘膦脅迫下蚯蚓體內CAT活性顯著高于空白對照，而之后與對照無顯著差異（圖2）。而草甘膦脅迫下的POD活性在暴露前期與對照無顯著，隨著暴露時間的延長，在第14天和第21天，高濃度脅迫下POD活性顯著低于空白對照（圖3）。這可能是由于隨著暴露時間的延長，因草甘膦降解而生物有效性降低，對蚯蚓的氧化脅迫逐漸減少，CAT活性逐漸恢復至對照水平，POD則繼續(xù)承擔清除高濃度草甘膦脅迫下蚯蚓體內H₂O₂的任務，大量POD被消耗從而表現(xiàn)出酶活性持續(xù)低于對照水平的現(xiàn)象。然而也有研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓在被草甘膦污染的土壤中暴露7 d后，對過氧化氫酶（CAT）活性無顯著影響^[25]，但與本研究結果一致的是在暴露第14天和第21天CAT活性逐漸恢復至對照水平;而在21 d時，空白對照組SOD明顯降低，POD活性明顯提高，是由于人工土壤中未添加其他食物，導致蚯蚓生命活力降低，產生更多的氧自由基，SOD消耗歧化自由基產生過氧化氫，為維持機體平衡，POD酶活力增高來清除蚯蚓體內的H₂O₂。

本研究發(fā)現(xiàn)，草甘膦處理后顯著降低了GST酶活力（圖4）。有研究顯示，草甘膦處理28 d后，Octolasioncyaneum GST活性被抑制^[28]，然而在草甘膦暴露24 h和98?d后，條紋鯪脂鯉（Prochilodus lineatus）GST活性升高^[29]。然而空白對照組蚯蚓GST酶活力也會隨著時間的延長而降低，蚯蚓生命活力降低，為保護蚯蚓免受氧化損傷，消耗GST酶來清除體內的脂類過氧化物^[30]。本研究發(fā)現(xiàn)草甘膦對蚯蚓AChE酶活力有抑制作用，這可能歸因于草甘膦屬于有機磷類除草劑，其作用機理是抑制膽堿酯酶活性，膽堿酯酶失去分解乙酰膽堿的能力，導致乙酰膽堿在體內積蓄過多而中毒^[31];而乙酰膽堿酯酶活性的變化與氧化應激和細胞內離子穩(wěn)態(tài)的變化有關^[32-33]，研究結果與宋欣媛等^[24]和Hac kenberger等^[25]報道一致。

本研究結果表明草甘膦對赤子愛勝蚓低毒。在受試濃度范圍草甘膦對蚯蚓體內SOD、CAT、POD、GST和AChE活性均有不同程度影響，但隨著暴露時間的延長，14 d后草甘膦對蚯蚓的氧化脅迫基本消失，說明供試濃度內草甘膦不會對蚯蚓造成明顯的氧化損傷。本研究僅確定了草甘膦原藥對蚯蚓的急性毒性和短期內氧化脅迫的影響，但草甘膦農藥制劑復雜，商品農藥中的助劑或其他成分也可能比草甘膦活性成分對蚯蚓有更大的毒性作用^[34-35]，并且有研究表明，長期使用草甘膦除草劑的土壤中發(fā)現(xiàn)蚯蚓種類、密度和生物量均減少^[36]。所以進一步研究草甘膦慢性毒性對蚯蚓本地物種的生長發(fā)育和繁殖的影響，可以更好地了解其對生態(tài)系統(tǒng)的影響。

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