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        噻蟲嗪和噻蟲胺對鳥類的急性毒性與風險評估

        2022-09-21 10:33:24陳蓓蓓陳迎麗陳貴廷廖朝選
        生物安全學報 2022年3期
        關(guān)鍵詞:懸浮劑

        魏 杰, 陳蓓蓓, 何 鈺, 陳迎麗, 陳貴廷, 廖朝選*

        1貴州省檢測技術(shù)研究應用中心,貴州 貴陽 550014; 2貴州省分析測試研究院,貴州 貴陽 550014

        病蟲害是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素,農(nóng)藥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的生產(chǎn)資料。使用殺蟲劑是害蟲防治的主要措施,新煙堿類殺蟲劑可通過與昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)的煙堿型受體結(jié)合,阻礙生物體正常的神經(jīng)信息傳遞并導致其癱瘓死亡,具有高效、廣譜、內(nèi)吸性等優(yōu)點,在殺蟲劑中具有非常重要地位(楊屹,2021)。據(jù)報道,2016年新煙堿類農(nóng)藥的銷售額達30億美元,占全球殺蟲劑銷售額的18.2%。新煙堿類農(nóng)藥的大量使用及不合理施用,不僅會造成生態(tài)環(huán)境污染,還會對環(huán)境中的鳥類產(chǎn)生毒害作用,嚴重時可導致鳥類種群滅絕,影響生物多樣性,導致未知的生態(tài)風險(楊慧等,2020; 游泳等,2014; 張琪等,2020)。研究發(fā)現(xiàn),荷蘭多個地區(qū)的鳥類種群數(shù)量不斷下降與當?shù)氐乇硭行聼焿A類農(nóng)藥濃度逐年升高有關(guān)(Hallmannetal.,2014)。Ertletal.(2018)也發(fā)現(xiàn)新煙堿類農(nóng)藥的使用對德克薩斯州農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)的山齒鶉ColinusvirginianusLinnaeus種群產(chǎn)生負面影響,該類農(nóng)藥還會導致鳥類出現(xiàn)反應遲鈍、發(fā)育異常及器官損傷等亞致死效應(張琪等,2020)。

        噻蟲嗪與噻蟲胺是第二代新煙堿類殺蟲劑,可通過接觸、胃毒、植物內(nèi)吸產(chǎn)生作用,對蚜蟲等刺吸式口器害蟲具有更好的防效。2016年這2種農(nóng)藥在全球銷量額分別達10.6億和3.8億美元,位居新煙堿類殺蟲劑銷售額第一和第三(張琪等,2020; Maienfischetal.,2001)。然而,二者在高效防治害蟲的同時,也對環(huán)境生物構(gòu)成了嚴重危害。由于新煙堿類殺蟲劑對昆蟲的煙堿乙酰膽堿受體(nicotinic acetylcholine receptors, nAChRs)具有良好的親和力,噻蟲嗪和噻蟲胺對蜜蜂ApisceranaceranaFabricius、赤眼蜂TrichogrammachilonisIshii等昆蟲的接觸毒性、經(jīng)口毒性受到廣泛關(guān)注,其高毒性和高風險性得到了明確的認識(韓文素等,2020; 張唯偉等,2019; Tomizawa & Casida,2005)。

        新煙堿類殺蟲劑與鳥類的nAChRs親和力較小(Tomizawa & Casida,2005),常認為其對鳥類的危害較小。但有研究表明,噻蟲嗪對鳥類急性毒性雖為低毒,卻存在長期風險,可能影響鳥類生長(何宗哲等,2021; 楊淞霖,2017)。商賀陽等(2018)研究發(fā)現(xiàn),在種子處理場景下,噻蟲嗪對鳥類的急性風險和短期風險不可接受,但在無意攝取場景(顆粒劑型)下風險可接受。Broetal.(2016)研究發(fā)現(xiàn),灰鷓鴣FrancolinuspondicerianusGmelin因頻繁接觸與取食農(nóng)田內(nèi)新煙堿農(nóng)藥處理的谷物,導致其卵中噻蟲嗪和噻蟲胺濃度高達0.067 mg·kg-1,對鳥繁殖產(chǎn)生了一定影響。噻蟲嗪與噻蟲胺的不同劑型產(chǎn)品在不同的應用場景下可能具有不同的毒性和風險,為評估其對鳥類的風險,以農(nóng)藥登記模式生物日本鵪鶉CoturnixjaponicaTemminck & Schlegel為研究對象,分別測試噻蟲嗪和噻蟲胺的原藥(technical material,TC)、懸浮劑(suspension concentrate, SC)和種子處理懸浮劑(suspension concentrate for seed treatment, FS)對日本鵪鶉的急性毒性,結(jié)合田間用藥信息與原藥對鳥類的短期飼喂和繁殖毒性數(shù)據(jù),對噻蟲嗪和噻蟲胺的懸浮劑和種子處理懸浮劑進行初級風險評估,以期為指導2種新煙堿農(nóng)藥在鳥類保護中的正確施用提供科學依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗生物

        日本鵪鶉:種蛋購自江西恒衍禽業(yè)有限公司。種蛋購入后,于實驗室孵化并馴養(yǎng)至30 d用于試驗。飼養(yǎng)環(huán)境條件為濕度:50%~75%;溫度:35~38 ℃(0~7 d鳥齡)、30~32 ℃(8~14 d鳥齡)、25~28 ℃(>14 d鳥齡)。試驗前7 d該批次鵪鶉未發(fā)生死亡,試驗時鳥齡30 d,體重(100±10) g,整批次鳥羽毛光亮,健康活潑。

        1.2 供試農(nóng)藥

        98%噻蟲嗪TC (山東海利爾化工有限公司),98%噻蟲胺TC (河北威遠生物化工有限公司);30%噻蟲嗪SC (四川潤爾科技有限公司):登記在水稻OryzasativaL.上防治稻飛虱NilaparvatalugensStal,田間最大施藥量18 g·hm-2,每季作物噴霧施用1次,安全間隔期14 d;20%噻蟲胺SC(柳州市惠農(nóng)化工有限公司):登記在水稻上防治稻飛虱,田間最大施藥量150 g·hm-2,每季作物噴霧施用1次,安全間隔期21 d;42%噻蟲嗪FS和46%噻蟲胺FS (杭州宇龍化工有限公司):登記在玉米ZeamaysL.上分別防治蚜蟲和灰飛虱LaodelphaxstriatellusFallén,田間最大施藥量分別為280和230 g·100 kg-1種子,每季作物拌種施用1次。

        1.3 鳥類急性毒性測試方法

        鳥類急性毒性試驗參照《化學農(nóng)藥環(huán)境安全評價試驗準則》進行(中華人民共和國農(nóng)業(yè)部,2014)。

        先以2倍濃度級差設置4個處理組,按照正式試驗條件和方法進行預試驗,獲取供試農(nóng)藥引起試驗用鳥50%死亡的濃度范圍。結(jié)果顯示,空白對照組中試驗鵪鶉未發(fā)生死亡及異常行為;設置的250、500、1000、2000 mg·kg-1的處理組中,試驗鵪鶉的死亡率分別為0、0、10%、80%(98%噻蟲嗪TC),10%、70%、100%、100%(98%噻蟲胺TC),10%、50%、100%、100%(30%噻蟲嗪SC),20%、70%、100%、100%(20%噻蟲胺SC),50%、100%、100%、100%(42%噻蟲嗪FS),0、0、10%、80%(46%噻蟲胺FS)。再參照預試驗結(jié)果,分別設置5個處理組(濃度見表1)開展正式試驗。每個處理組10只鳥,雌雄各一半,不設重復,噻蟲嗪SC和FS、噻蟲胺SC和FS使用去離子水配制成所設濃度后,對試驗用鳥進行稱重,按每100 g體重1 mL劑量使用注射器由低濃度至高濃度對鳥進行灌喂供試藥液;噻蟲嗪TC和噻蟲胺TC使用膠囊灌胃法,將試驗用鳥稱重標記后,稱取對應鳥體重的供試農(nóng)藥并裝入膠囊中,對鳥進行灌喂含藥膠囊,并設置空白對照,飼喂無農(nóng)藥污染的飼料及飲用水,每隔24 h觀察并記錄中毒癥狀和死亡數(shù),試驗周期為7 d,試驗溫度25~28 ℃、相對濕度50%~75%和光暗比L∶D=16∶8。

        表1 供試農(nóng)藥處理組濃度Table 1 Concentration of test pesticide treatment group

        1.4 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

        使用Excel對毒性試驗結(jié)果進行統(tǒng)計,并用SPSS 19.0軟件計算半致死劑量(median lethal dose,LD50)、回歸方程及95%置信限。

        1.5 毒性等級劃分

        參照《化學農(nóng)藥環(huán)境安全評價試驗準則》(中華人民共和國農(nóng)業(yè)部,2014)進行毒性等級劃分:劇毒(LD50≤10 mg·kg-1)、高毒(10 mg·kg-1

        1.6 初級風險評估

        參照《農(nóng)藥登記環(huán)境風險評估指南》 (農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司,2016),采用產(chǎn)品的急性毒性試驗數(shù)據(jù)或歐盟公開數(shù)據(jù)庫中鳥類短期飼喂和繁殖毒性數(shù)據(jù),分別計算噻蟲嗪和噻蟲胺對鳥類的急性(acute)、短期(short-term)和長期(long-term)預測無效應劑量(predictd no effect dose, PEND)。結(jié)合田間推薦用藥量和農(nóng)藥使用方法,預測噻蟲嗪和噻蟲胺對鳥類的急性、短期和長期預測暴露劑量(predicted exposure dose,PED)。通過PED/PNED計算相應風險商值(risk quotient, RQ) :以RQ≤1為風險可接受;RQ>1為風險不可接受。根據(jù)Health and Consumer Protection Directorate-General發(fā)布的報告顯示,噻蟲嗪和噻蟲胺對鳥類的短期飼喂LD50分別為>2503、>752 mg·kg-1·d-1,對鳥類繁殖的長期無可見作用劑量(no observed effect dose, NOED)分別為29.4、56.8 mg·kg-1·d-1,以此數(shù)據(jù)進行鳥類短期和長期的風險分析。

        1.6.1 噴霧場景預測暴露劑量計算 30%噻蟲嗪SC和20%噻蟲胺SC的農(nóng)藥標簽施用方式為噴霧,因此選擇在噴霧場景下分別計算對鳥類的急性、短期和長期的PED。計算公式分別為:

        PEDacute=FIRBW·d×RUD90×AR×MAF90×10-3

        PEDshort-term=FIRBW·d×RUDmean×AR×MAFmean×10-3

        PEDlong-term=PEDshort-term×ftwa

        式中:FIR為食物攝食量(food intake rate),F(xiàn)IRBW·d為每克體重每日食物攝食量;RUD為單位殘留量(residue per unit dose),RUD90或RUDmean為食物農(nóng)藥殘留量(第90百分位或算數(shù)平均值);AR為施用量(application rate),以AR為單位面積農(nóng)藥最高施藥劑量;MAF為多次施藥因子(multiple application factor),MAF為RUD對應的多次施藥因子;twa為時間加權(quán)平均(time weighted average),以ftwa為時間加權(quán)平均因子,默認值0.53。

        1.6.2 種子處理場景預測暴露劑量計算 42%噻蟲嗪FS和46%噻蟲胺FS施用方法為拌種染毒,因此選擇在種子處理暴露場景下分別計算對鳥類的急性、短期和長期的PED。計算公式分別為:

        PEDacute或PEDshort-term=FIRBW·d×ARS×10

        PEDlong-term=PEDacute×ftwa

        式中:ARS為單位質(zhì)量種子的最高農(nóng)藥使用劑量。

        1.6.3 預測無效應劑量計算 根據(jù)噻蟲嗪和噻蟲胺SC或FS試驗終點急性經(jīng)口LD50、短期飼喂LD50、長期繁殖NOED與不確定性因子(uncertainty factor, UF)分別計算急性、短期和長期PNED。計算公式:

        式中:EnP為毒性試驗終點(endpoint);UF為不確定性因子(急性與短期UF=10,長期UF=5)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 試驗終點和毒性等級

        在急性經(jīng)口毒性試驗中,空白對照未出現(xiàn)死亡和異常行為,噻蟲嗪與噻蟲胺對鵪鶉都具有一定毒害作用,均會導致試驗鵪鶉出現(xiàn)精神萎靡、羽毛豎立和蓬松、平躺等中毒癥狀。由表2可知,各供試農(nóng)藥處理組1~5的鵪鶉死亡率分別為10%、30%、50%、60%、80%(98%噻蟲嗪TC),20%、30%、50%、60%、80%(98%噻蟲胺TC),20%、40%、50%、70%、90%(30%噻蟲嗪SC),20%、30%、50%、60%、70%(20%噻蟲胺SC),20%、30%、50%、60%、80%(42%噻蟲嗪FS),10%、20%、40%、60%、70%(46%噻蟲胺FS)。

        表2 日本鵪鶉7 d的死亡率Table 2 7 day death rate of C. japonica

        由表3可知,98%噻蟲嗪TC、30%噻蟲嗪SC和42%噻蟲嗪FS對日本鵪鶉的7 d-LD50分別為1500、481、266 mg·kg-1,根據(jù)毒性等級標準劃分為低毒、中毒、中毒,可見,噻蟲嗪懸浮劑和種子處理懸浮劑對日本鵪鶉的毒性高于原藥;98%噻蟲胺TC、20%噻蟲胺SC和46%噻蟲胺FS的7 d-LD50為369、397和1569 mg·kg-1,對鵪鶉的毒性等級依次為中毒、中毒、低毒。這表明噻蟲胺種子處理懸浮劑對日本鵪鶉的毒性低于懸浮劑和原藥,2種農(nóng)藥的毒性結(jié)果說明,原藥通過添加不同的輔助劑加工成不同劑型農(nóng)藥后可能增加或降低其對生物的危害。

        表3 供試農(nóng)藥對鵪鶉的毒性數(shù)據(jù)分析Table 3 Analysis of toxicity data of tested pesticides to C. japonica

        2.2 初級風險評估

        如表4所示,在噴霧場景下,噻蟲嗪和噻蟲胺對鳥類的急性、短期和長期RQ分別為8.95×10-3、7.85×10-4、1.77×10-2(30%噻蟲嗪SC)和9.04×10-2、2.18×10-2、7.64×10-2(20%噻蟲胺SC),2種農(nóng)藥的懸浮劑產(chǎn)品在作物上噴霧施用后對鳥類的急性、短期和長期RQ均<1,風險均可接受。在種子處理場景下,噻蟲嗪和噻蟲胺對鳥類的急性、短期和長期RQ分別為31.6、3.36、75.7(42%噻蟲嗪FS)和4.40、9.18、32.2(46%噻蟲胺FS),噻蟲嗪和噻蟲胺的種子處理懸浮劑產(chǎn)品對鳥類的急性、短期和長期RQ>1,風險不可接受。

        表4 供試農(nóng)藥對鳥類的風險商值與風險表征Table 4 Risk quotient and risk characterization of tested pesticides on

        3 討論

        預試驗和正式試驗的環(huán)境條件滿足日本鵪鶉正常生長,空白對照組試驗鵪鶉均未發(fā)生死亡及異常行為。根據(jù)預試驗結(jié)果推測,引起日本鵪鶉50%死亡的濃度范圍分別為1000~2000 mg·kg-1(98%噻蟲嗪TC和46%噻蟲胺FS) ,250~500 mg·kg-1(98%噻蟲胺TC、20%噻蟲胺SC和42%噻蟲嗪FS),250~1000 mg·kg-1(30%噻蟲嗪SC)。正式試驗中,98%噻蟲嗪TC、98%噻蟲胺TC、30%噻蟲嗪SC、20%噻蟲胺SC、42%噻蟲嗪FS和46%噻蟲胺FS對日本鵪鶉的半致死劑量7 d-LD50分別為1500、369、481、397、266和1569 mg·kg-1,介于預試驗預測的50%死亡濃度范圍。參照試驗準則,供試農(nóng)藥對試驗日本鵪鶉的毒性等級依次低毒、中毒、中毒、中毒、中毒和低毒,說明本研究中噻蟲嗪與噻蟲胺的3種劑型產(chǎn)品對日本鵪鶉均存在一定毒害作用。噻蟲嗪的懸浮劑和種子處理懸浮劑對日本鵪鶉的急性毒性高于原藥,可能是制劑產(chǎn)品中輔料具有一定的毒性或增加了有效成分的吸收。吳若函等(2016)測試的25%噻蟲嗪水分散粒劑對日本鵪鶉的急性經(jīng)口毒性LD50為243 mg·kg-1,鄧兆榮(2013)采用噻蟲嗪原藥加工制備的20%噻蟲嗪懸浮劑對鳥類的急性經(jīng)口毒性LD50為163 mg·kg-1,相關(guān)研究結(jié)果也與本研究相似,制劑毒性高于原藥。噻蟲胺的懸浮劑產(chǎn)品與原藥毒性相當,而種子處理懸浮劑的毒性低于原藥,可能是制劑產(chǎn)品和工藝日益更新,種子處理懸浮劑產(chǎn)品的技術(shù)更加優(yōu)化,原藥制備為產(chǎn)品后毒性有所降低。

        噻蟲嗪和噻蟲胺的懸浮劑直接噴霧于植株表面,會在植物表面殘留,另有部分漂移至土壤或吸收進入植物體內(nèi);2種農(nóng)藥的種子處理懸浮劑包裹于種子表面,與種子一起進入土壤,并經(jīng)根系吸收、轉(zhuǎn)運分布于各組織,這可能導致鳥類攝食植物葉片、種子或土壤而發(fā)生暴露風險。故僅根據(jù)毒性判定供試農(nóng)藥施用后對鳥類的風險具有一定局限,應結(jié)合田間用藥量與施用方式等綜合評估風險。

        在懸浮劑噴霧場景下,30%噻蟲嗪SC和20%噻蟲胺SC對鳥類急性、短期和長期暴露的RQ<1,對鳥類的風險可接受。在種子處理場景下,42%噻蟲嗪FS與46%噻蟲胺FS對鳥類急性、短期和長期暴露的RQ均>1,風險不可接受。噻蟲嗪和噻蟲胺的懸浮劑對鳥類的風險可接受,說明該農(nóng)藥在農(nóng)田施用后對鳥類較為安全,可根據(jù)用藥指導正常使用,而噻蟲嗪與噻蟲胺種子處理懸浮劑對鳥類的風險不可接受,說明玉米種子經(jīng)供試農(nóng)藥處理且施用在田間后可能對鳥類產(chǎn)生危害。在種子處理場景中,種子播種后盡可能覆土或覆膜,減少種子直接暴露被鳥類取食,在鳥類保護區(qū)域應避免使用噻蟲嗪和噻蟲胺種子處理懸浮劑,以減輕農(nóng)藥施用對鳥類的危害。

        自然界中鳥的種類繁多,不同鳥類對毒物的敏感度不同,本研究中鳥的種類有限,且供試農(nóng)藥對鳥類的短期飼喂和長期繁殖的實際毒性數(shù)據(jù)尚缺乏。為了更完善、準確地評估新煙堿農(nóng)藥噻蟲嗪和噻蟲胺對鳥類的暴露風險,還需使用不同種類的鳥,同時結(jié)合田間實際殘留數(shù)據(jù)開展高級風險評估。

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