新烟碱类杀虫剂对白符跳虫毒性的研究

来源:用户上传      作者:蔡鑫 常菊花 黄浩

　　摘要 目前新烟碱类杀虫剂已经成为全球使用最广泛的一类杀虫剂。白符跳虫（Folsomia candida）是多年来国内外土壤生态安全评估中普遍使用物种之一。国内有关新烟碱类杀虫剂对白符跳虫毒性的研究报道甚少，国外已有部分关于新烟碱类杀虫剂对白符跳虫毒性的研究报道，从新烟碱类杀虫剂对白符跳虫的急性毒性、慢性毒性、繁殖毒性等方面进行阐述，为新烟碱类杀虫剂污染的生态风险评价提供理论依据。
　　关键词 新烟碱类杀虫剂;白符跳虫;急性毒性;慢性毒性;繁殖毒性
　　Abstract Neonicotinoid insecticides have become the most widely used type of insecticides in the world. Folsomia candida is one of the most commonly used species in the assessment of soil ecological safety at home and abroad for many years. No research on the toxicity of neonicotinoid insecticides to F. candida had been reported in China. Some studies had been reported on the toxicity of neonicotinoid insecticides to F. candida. The acute toxicity， chronic toxicity and reproductive toxicity of neonicotinoids insecticides on population dynamics on F. candida were reviewed in this paper， which provided a theoretical basis for the evaluation of ecological risk of neonicotinoid insecticides.
　　Key words Neonicotinoid insecticides;Folsomia candida;Acute toxicity;Chronic toxicity;Reproductive toxicity
　　農药作为植物保护的一种最广泛的使用手段对农作物的增产增收发挥着不可替代的作用，但是随着农药的大量使用，施药后带来的土壤污染不可小觑。研究表明农药使用后，80%～90%的农药会最终进入到土壤中。土壤被农药污染后，其性能会发生改变，土壤中的节肢动物、原生动物、环节动物和微生物的生长发育都会受到影响。白符跳虫（Folsomia candida）是国内外土壤生态安全评估中普遍使用物种之一[1]。白符跳虫经常被用于生态毒理试验，包括繁殖试验[2]、重金属暴露试验[3]和急性毒性试验[4]。该研究拟调查新烟碱类杀虫剂对白符跳虫的急性毒性、慢性毒性、繁殖毒性，为新烟碱类杀虫剂污染的生态风险评价提供理论依据。
　　1 新烟碱类杀虫剂研究现状
　　新烟碱类杀虫剂目前已经成为全球使用最广泛的一类杀虫剂[5]。新烟碱类杀虫剂是从1991年开始进入市场的，以吡虫啉为代表[6]。新烟碱类杀虫剂的作用机理是其作为烟碱乙酰胆碱受体（nAChRs）激动剂与乙酰胆碱受体选择性结合，与昆虫乙酰胆碱（ACh）产生竞争，阻断中枢神经正常传导，进而导致昆虫麻痹、死亡[7]。新烟碱类杀虫剂具有触杀、胃毒、拒食和驱避作用，受到农化市场的青睐[8]。该类杀虫剂既可有效地防治蔬菜、水稻和果树等重要经济作物上的蚜虫、粉虱、叶蝉、飞虱、蓟马和蝽等刺吸式害虫，也可用于寄生虫和卫生害虫，如蜚蠊、苍蝇和白蚁的防治[9]。所有的新烟碱杀虫剂根据其化学结构可以分为3类：第一类是N-硝基胍[包括吡虫啉（imidacloprid）、噻虫嗪（thiamethoxam）、噻虫胺（clothianidin）、呋虫胺（dinotefuran）];第2类是硝基甲基[包括烯啶虫胺（nitenpyram）和硝虫噻嗪（nithiazine）];第3类是氰胺[包括啶虫脒（acetamiprid）和噻虫啉（thiacloprid）][10]。90%的新烟碱类杀虫剂可能会残留于土壤中，从而对非靶标生物产生潜在的风险[11-12]。
　　新烟碱类杀虫剂虽为烟碱激动剂，但与烟碱型乙酰胆碱受体的作用方式与烟碱不同，造成了其对哺乳动物和昆虫之间的选择性。新烟碱类杀虫剂一般对鸟类、鱼类、哺乳动物毒性低，但是其对非靶标生物的毒性不尽相同。蚯蚓是土壤生态系统中一种重要的污染指示监测动物。王凯[13]研究发现蚯蚓对噻虫胺、噻虫啉、啶虫脒和烯啶虫胺非常敏感，暴露14 d后半致死浓度LC50分别为0.93、2.68、2.69、4.34 mg/kg。李二兰等[14]研究发现家蚕添食不同浓度吡虫啉药液后的慢性中毒过程中，蚕体的生长发育、取食行为、对食物的利用和消化吸收等均发生了显著变化。邓丽等[15]研究4种新烟碱类杀虫剂对大型溞急性活动抑制的影响，结果表明噻虫嗪、吡虫啉、噻虫胺和烯啶虫胺对大型溞的急性毒性分别为剧毒、高毒、中毒和低毒。Saber[16]研究发现吡虫啉对卷蛾赤眼蜂（Trichogramma cacaoeciae）成蜂具有较高毒性风险。新烟碱类杀虫剂虽然有非常良好的市场开发背景，但是又面临着其对蜜蜂等传粉昆虫的危害所引起世界范围内的极大关注[17]。大量研究发现新烟碱类杀虫剂可导致蜜蜂取食、筑巢、回巢等行为发生改变，是诱发蜂群崩溃综合征（colony collapse disorder，CCD）的关键因素[18]。吴迟等[19]研究发现吡虫啉、烯啶虫胺、噻虫嗪、呋虫胺对蜜蜂的急性接触毒性均为高毒。 　　2 白符跳虫研究进展
　　跳虫有很长的进化史，是土壤中分布最广泛的节肢动物之一。跳虫主要取食真菌、细菌以及动植物残体。在全球分布极广，种群密度很大，在雨林中尤其丰富，是土壤中最重要的分解者之一[20]。作为土壤生态系统中不可或缺的一部分，对各种土壤污染物敏感的跳虫，其丰度和多样性被广泛应用于评价土壤污染物的环境影响。生态毒理学研究推荐一种无脊椎动物——白符跳虫（Folsomia candida）为模式生物（图1）。白符跳虫世代周期短，具有很高的繁殖率，而且很容易饲养，所以它非常适合实验室测试[21]。白符跳虫的基因组是二倍体，由7对染色体组成[22]。白符跳虫属于弹尾纲，广泛分布于世界各地的土壤和落叶层中。白符跳虫对土壤生态系统的功能具有重要意义，它们有助于分解有机物质，通过微生物的作用加速有机物的降解，从而刺激营养素的循环[23]。白符跳虫能在干旱、寒冷、缺氧等环境中，通过调节自身渗透压、脂肪酸和心脏收缩率等机能适应环境变化，但其是对化学物质最敏感的一种跳虫[24]。白符跳虫在取食过程中，其体表、腹管以及肠道等部位都会接触到有毒物质，任何化学污染物以及外界的干扰都会对白符跳虫产生一定的影响，因而白符跳蟲是多年来国内外土壤生态安全评估中普遍使用物种之一。
　　国际标准化组织（ISO）于1999年出版了一套针对白符跳生态毒性测试的准则，对死亡率和繁殖毒性试验进行了具体规范[25]。常用的研究方法是将这种跳虫暴露于污染土壤中，进行一系列成套测试来检测各种污染物在土壤中的生物累积、对其的行为影响等[2]。这些测试评估一系列有机和无机污染物的毒性，并进行生物测定，来评价被土壤的污染及污染的修复情况。
　　3 新烟碱类杀虫剂对白符跳虫的急性毒性
　　Akeju[26]研究了啶虫脒和噻虫啉对4种土壤无脊椎动物（白符跳虫、蚯蚓、捕食螨、白色蚯蚓）的毒性，结果发现相比其他3种无脊椎动物，白符跳虫对新烟碱类杀虫剂最为敏感。急性毒性试验观察指标是死亡率来计算LC50，Alves等[27]测定了一种噻虫嗪制剂（有效成分含量是35%）对白符跳虫的急性毒性，结果表明LC50>1 000 mg/kg干土，为低毒。比较存活率和生殖率，发现噻虫嗪毒性（LC50是0.32～0.35 mg/kg干土）与吡虫啉毒性（LC50是0.44～0.47 mg/kg干土）相当[28]。噻虫嗪在昆虫乙酰胆碱受体nAChRs上的结合位点有些与吡虫啉的相同，这也部分解释了它们的毒性，但是噻虫嗪也具有一些自己独特的结合位点[29]。在植物或昆虫体内，噻虫嗪可以代谢成噻虫胺[30]，但是噻虫嗪和乙酰胆碱受体nAChRs亚基上的结合位点与噻虫胺的结合位点不相同[31]。另外，实验室条件比如温度和光周期（光/暗）都可能会影响白符跳虫的新陈代谢，导致不同报道中测定的吡虫啉的毒性不相同[4]。不能根据新烟碱类杀虫剂短期的实验室毒性测定结果来推测长期的田间防效[32]，原因目前还不清楚。
　　4 新烟碱类杀虫剂对白符跳虫的慢性毒性
　　化合物对白符跳虫的慢性毒性一般通过28 d（从幼虫到成虫，到后代1～2周大小）毒性试验来测定[2]。尽管28 d毒性试验包括重要阶段和敏感阶段，但是无法确定后代暴露在这种化合物下的潜在风险（比如亚致死效应）。实际上，农药污染土壤是一种长期暴露，所以短期毒性试验可能不足以评估农药的长期接触影响。吡虫啉和噻虫啉在田间的施药量分别是活性成分5～400 g/hm2和144～216 g/hm2，这主要取决于作物的不同[33]。吡虫啉在实验室土壤中的降解半衰期是106～293 d，在欧洲田间的降解半衰期是40～288 d[34]，田间重复使用新烟碱类杀虫剂可能导致新烟碱类杀虫剂在土壤中的残留浓度逐渐增加，从而对土壤无脊椎动物产生潜在的长期影响。Tennekes等[35]研究表明吡虫啉和噻虫嗪具有延迟毒性，所以这些化合物的累积效应需要进行长时间的暴露试验来评估。慢性毒性观察指标一般用生殖率或者对生长发育的影响，或者NOEC（最大无作用浓度）和LOEC（最低观察效应浓度）。生殖的慢性毒性试验测的噻虫嗪NOEC为1 mg/kg[28]。
　　5 新烟碱类杀虫剂对白符跳虫的繁殖毒性
　　目前，已经有很多关于吡虫啉和噻虫啉对白符跳虫的繁殖毒性效应的研究报道。对吡虫啉和噻虫啉对白符跳虫3代毒性效应进行研究，结果表明，吡虫啉对白符跳虫F0代的毒性[LC50=0.44 mg/kg（干土），EC50=0.29 mg/kg（干土）]比噻虫啉[LC50=9.0 mg/kg（干土），EC50=1.5 mg/kg（干土）]的毒性更大;噻虫啉LC50/EC50比吡虫啉的更大，说明噻虫啉更容易影响白符跳虫的繁殖;试验一开始时在土壤中加入吡虫啉药剂，3代试验结果表明：白符跳虫持续暴露在吡虫啉中3代，吡虫啉对白符跳虫每代存活率和繁殖率的影响保持不变，这可能是因为吡虫啉在土壤中的残效期比较长;但是噻虫啉恢复了，这可能是因为噻虫啉在土壤中很快被降解[36]。De等[6]通过3代（P，F1和F2）白符跳虫来评估土壤中新烟碱类杀虫剂噻虫嗪原药和制剂Actara（25%的有效成分）对白符跳虫的毒性，结果表明，对于亲本（P）来说，噻虫嗪原药对白符跳虫的毒性与制剂Actara比较不存在显著性差异;对于F1和F2代来说，噻虫嗪原药和制剂Actara对白符跳虫的LC50>0.37 mg/kg干土;对于F1来说，噻虫嗪制剂Actara的繁殖毒性[EC50=0.16 mg/kg（干土）]比原药[EC50=0.23 mg/kg（干土）]的毒性更大;对于F2来说，噻虫嗪原药[EC50=0.30 mg/kg（干土）]和制剂Actara[EC50>0.37 mg/kg（干土）]对白符跳虫的繁殖毒性不存在显著性差异。多代试验结果表明，噻虫嗪的毒性略有下降;噻虫嗪原药和制剂Actara的毒性类似，说明制剂Actara中的添加成分不会增加其毒性。 　　多代试验更适合用来评估化合物的亚致死效应和种群恢复的潜能。根据研究目标不同，多代毒性试验的设计可以不相同：比如土壤中加入有毒污染物一次，然后每代更新有毒土壤以便继续暴露，或者暴露后转移到清洁土壤上面，以便暴露后去污等[11，37]。多代测试试验，只在试验开始时在土壤中加入污染物，中间不更换土壤，目的是研究测试化合物的降解性和测试生物种群的恢复情况。Van等[11]研究表明白符跳虫暴露于噻虫啉，三代之后白符跳虫的种群具有恢复的潜能。新烟碱类杀虫剂不仅会导致昆虫死亡，还会改变昆虫的行为或者繁殖率下降，最终导致种群数量下降[30]。Kreutzweiser等[38]报道了亚致死剂量的吡虫啉可能对非靶标生物无脊椎动物产生不利影响。
　　6 展望
　　新烟碱类杀虫剂自问世以来，为农业作出了很大的贡献，新烟碱类杀虫剂能够防治对常规杀虫剂产生抗性的害虫，且持效性好，对刺吸式口器害虫防效好。但是，自从发现此类药剂对蜜蜂毒性影响之后，人们开始普遍关注，为此欧盟于2013年起暂停新烟碱类杀虫剂使用3年。所以，要积极开展科学研究，通过结构改造或修饰、剂型研究、施药时间选择、使用方法等方面的研究，尽可能地降低此类药剂对蜜蜂的不良影响。
　　农药的毒性效应与农药的吸收、分布、代谢、排泄等密切相关，所以测定农药的毒性需要考虑生物体的暴露途径，比如暴露在水中还是土中。OECD推荐的标准毒性试验中所使用的人工土壤和天然土壤还是有区别的，区别主要在于含有不同类型的有机质和黏土含量不同，OECD推荐的人工土壤中含有65%的黏土，比天然土壤中含量大，所以黏土对药剂的吸附性不能忽视。
　　在开展新烟碱类杀虫剂毒性试验时，需要考虑以下几个问题：①什么浓度导致白符跳虫死亡;②什么浓度导致白符跳虫生殖力下降;③不同饲养方式或不同生命阶段，白符跳虫致死情况等;④长期毒性试验中浓度选择要考虑这种药剂在田间实际残留浓度，将来应该更加接近田间的实际情况来开展试验;⑤从生理生化和分子生物学等方面来深入评价白符跳虫对新烟碱类杀虫剂的摄入、代谢和中毒机制;⑥研究新烟碱类杀虫剂和其他药剂联合使用时的毒性效应。
　　安徽農业科学 2020年
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