土壤重金屬農(nóng)藥對(duì)蚯蚓毒性的研究進(jìn)展

丁天元 馬舒樂 張永鵬

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232000)

蚯蚓是土壤中生物量最大無脊椎動(dòng)物[1]，在生態(tài)系統(tǒng)中起著十分重要的作用，經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)將蚯蚓視為標(biāo)準(zhǔn)受試生物[2]。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定了蚯蚓評(píng)價(jià)土壤環(huán)境質(zhì)量與化合物測(cè)試方法草案[3]。蚯蚓的體重、卵數(shù)、致死率等指標(biāo)都可以作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和化合物毒性的參考指標(biāo)，但隨著生態(tài)毒理研究的深入，部分指標(biāo)不能滿足化合物微量環(huán)境下土壤生態(tài)毒理的評(píng)價(jià)，而蚯蚓體內(nèi)酶對(duì)環(huán)境因子的變化更為敏感，是一種評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和化合物毒性更高效方法。

抗氧化酶系統(tǒng)是由超氧化物歧化酶SOD、過氧化氫酶CAT、過氧化物酶POD、谷胱甘肽過氧化物酶GST-Px所組成。超氧化物歧化酶是蚯蚓體內(nèi)重要的氧化還原酶，清除蚯蚓體內(nèi)的超氧陰離子O2-，過氧化物酶、谷胱甘肽過氧化物酶清除蚯蚓體內(nèi)的H2O2，消除外源性污染物所造成的蚯蚓脂質(zhì)過氧化反應(yīng)。本文在概述蚯蚓抗氧化酶系在作為敏感的生理生化指標(biāo)反應(yīng)蚯蚓受到的外源性污染，同時(shí)總結(jié)了不同外源性污染對(duì)蚯蚓抗氧化酶系的影響，以期為蚯蚓抗氧化酶系含量變化來判斷土壤污染物的類型提供參考。

1 重金屬對(duì)蚯蚓抗氧化酶系的影響

隨著我國近年來工農(nóng)業(yè)活動(dòng)發(fā)展，大量金屬制品和金屬化合物在生活生產(chǎn)中使用，使土壤中富集的重金屬含量不斷上升。蚯蚓作為土壤中生物量最大無脊椎動(dòng)物，大量重金屬進(jìn)入土壤后，必然會(huì)對(duì)蚯蚓生長、攝食、繁殖等行為造成阻礙，并且蚯蚓體內(nèi)酶也會(huì)對(duì)重金屬產(chǎn)生響應(yīng)，不同重金屬及其在土壤中含量對(duì)蚯蚓抗氧化酶表現(xiàn)出不同的影響和作用機(jī)質(zhì)。

急性毒性研究表明，土壤中鉛、鉻、銅、汞、鐵、鎘、鋁等重金屬對(duì)蚯蚓體內(nèi)酶活性有著不同抑制作用，進(jìn)而導(dǎo)致蚯蚓體內(nèi)氧化損傷。蚯蚓培養(yǎng)在含鉛土壤中，其SOD、POD、CAT酶活性分別呈現(xiàn)出暴露初期3種酶呈激活作用，但隨著暴露時(shí)間增長，POD、CAT活性呈現(xiàn)出隨鉛濃度增加出現(xiàn)抑制作用[4]。而鉻則是隨著暴露時(shí)間增長，POD、CAT活性呈現(xiàn)出隨鉛濃度增加出現(xiàn)抑制作用[4]。李瑩等[5]研究中，200mg·kg-1銅濃度下堆肥45d后，相較于對(duì)照組，蚯蚓體內(nèi)SOD、CAT酶活性及MDA含量顯著增加。唐浩等[6]研究表明，在48d暴露時(shí)間內(nèi)，汞對(duì)蚯蚓SOD酶活性有明顯的抑制性；對(duì)CAT酶活性波動(dòng)較大，暴露期間激活和抑制作用交替出現(xiàn)；而GST-Px酶受到汞一定的抑制作用。陳旭等[7]指出，納米鐵濃度在10～100mg·kg-1時(shí)，CAT、SOD和GSH-Px酶無響應(yīng)，但在在500～2000mg·kg-1時(shí)都呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)。丁龍等[8]研究指出，SOD、CAT酶活性隨有效態(tài)鎘濃度升高基本呈現(xiàn)先降低、再升高和再下降波浪式變化，而POD酶活性則呈現(xiàn)“U”型劑量效應(yīng)。

重金屬對(duì)蚯蚓毒性作用受到土壤中酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量等各種因素制約[9]，在不同地域土壤中理化性質(zhì)差異決定著重金屬形態(tài)及對(duì)蚯蚓毒性強(qiáng)弱。李澤姣等[9]研究指出，偏酸性的黑龍江土壤中鉻主要以HCrO4-的形態(tài)存在，而偏堿性的江蘇土壤主要以CrO42-形態(tài)存在。同時(shí)，蚯蚓對(duì)重金屬富集的選擇性決定了不同重金屬對(duì)蚯蚓的毒性有差異，張聰?shù)萚4]在比較3種類型土壤中發(fā)現(xiàn)，赤子愛勝蚓對(duì)鉛富集系數(shù)小于1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)鉻的富集程度(富集系數(shù)>7.9)。土壤中生物質(zhì)炭的存在也可以促進(jìn)某些重金屬離子向溶解態(tài)轉(zhuǎn)化，加強(qiáng)蚯蚓對(duì)重金屬富集作用[5]。

2 農(nóng)藥對(duì)蚯蚓抗氧化酶系的影響

農(nóng)藥作為日常生活生產(chǎn)中重要組成部分，農(nóng)業(yè)中常被用于除草、抑制菌體細(xì)胞分裂，抑制昆蟲神經(jīng)功能、促進(jìn)動(dòng)植物生長等方面。農(nóng)藥大量使用令病蟲害大大降低、作物增產(chǎn)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益。但是農(nóng)藥施用于土壤后約有80%殘留在土壤中[10]，進(jìn)入土壤后的農(nóng)藥移動(dòng)性差，其生物活性可持續(xù)幾月或幾年不等；長期大面積、大劑量使用農(nóng)藥會(huì)造成其在土壤中持續(xù)累積。而蚯蚓是土壤中生物量最大的生物，表皮角質(zhì)層薄，且表皮分布較多腺孔，對(duì)土壤中農(nóng)藥污染比其他土壤動(dòng)物敏感[11]，抗氧化酶系統(tǒng)可及早對(duì)其做出預(yù)警。

土壤中農(nóng)藥殘留一般有異惡草酮、2,4-二氯苯氧乙酸、草甘膦、氨磺樂靈、丁氟螨酯、氯氰菊酯、魚藤酮、藜蘆堿、氟蟲雙酰胺、三唑磷、精喹禾靈、四環(huán)素、金霉素、毒死蜱、壬基酚聚氧乙烯醚、多菌靈、異惡草酮、敵百蟲等。張榜軍等[12]研究表明，2,4-D對(duì)蚯蚓的抗氧化防御系統(tǒng)均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。王冰潔等[13]指出，暴露前期(3～7d)SOD酶活性于對(duì)照有著顯著增強(qiáng)，隨時(shí)間推移活力逐漸下降。這是蚯蚓受到2,4-D脅迫為維持氧化平衡激活抗氧化防御系統(tǒng)，隨脅迫時(shí)間增加機(jī)體穩(wěn)定機(jī)質(zhì)打破導(dǎo)致酶活力下降。而POD活性在暴露前期與對(duì)照無顯著，在后期高濃度POD活性顯著高于對(duì)照組。說明草甘膦會(huì)隨著時(shí)間增加，在土壤中逐漸降解而對(duì)蚯蚓的毒理作用減弱了。魏凌霄等[14]研究發(fā)現(xiàn)，SOD、GST酶對(duì)氨磺樂靈的毒性作用最為敏感，氨磺樂靈低濃度促進(jìn)SOD、GST酶活性，隨濃度提升酶活性被抑制。因?yàn)榈蜐舛劝被菢缝`作用機(jī)體使O2-增加，隨著時(shí)間和濃度增大，O2-超過機(jī)體承受范圍導(dǎo)致酶活性先升后降。

農(nóng)藥脅迫蚯蚓造成脂質(zhì)過氧化令抗氧化酶活性發(fā)生變化與多方面有關(guān)[15]。當(dāng)農(nóng)藥脅迫蚯蚓導(dǎo)致其體內(nèi)ROS含量激增，抗氧化酶活性會(huì)被激活來消除過量的ROS[16]。此外，農(nóng)藥還會(huì)抑制蛋白質(zhì)和蚯蚓體內(nèi)基因的表達(dá)，使細(xì)胞受到氧化損傷，造成細(xì)胞凋亡。張榜軍等[12]研究表明，2,4-D抑制了蚯蚓ANN基因表達(dá)和TCTP、HSP70蛋白活性，消弱蚯蚓的抗氧化防御能力，使蚯蚓出現(xiàn)氧化損傷。農(nóng)藥還能通過影響土壤生態(tài)環(huán)境，使蚯蚓生命活動(dòng)必需微量元素改變或使蚯蚓體內(nèi)微生物群落多樣性遭到破壞，致使富集到蚯蚓體內(nèi)污染物難以降解[17]。

3 聯(lián)合毒性對(duì)蚯蚓抗氧化酶系的影響

由于工業(yè)活動(dòng)和農(nóng)藥的復(fù)配使用，實(shí)際土壤中含有多種重金屬和農(nóng)藥成分，以及農(nóng)藥在降解過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，使得土壤中蚯蚓體內(nèi)抗氧化酶系實(shí)際上受到多種外源性因子的復(fù)合脅迫。抗氧化酶活性受到的聯(lián)合效應(yīng)常與化合物種類、作用時(shí)間、化合物間濃度比相關(guān)[18]，化合物間不同的結(jié)構(gòu)對(duì)酶產(chǎn)生不同的機(jī)理。蘇連水等[18]研究指出，三唑磷和氟氯氰菊酯雖然都抑制神經(jīng)器官，但是前者抑制生物乙酰膽堿酯酶，而后者干擾神經(jīng)細(xì)胞膜的Na+通道，兩者對(duì)抑制蚯蚓的生命活動(dòng)產(chǎn)生協(xié)同作用。也有研究發(fā)現(xiàn)，不同比例外源性污染物復(fù)合作用對(duì)蚯蚓作用效果有差異，李遠(yuǎn)偉等[19]研究表明，50mg·kg-1Cu和100～200mg·kg-1La3+復(fù)合脅迫下，蚯蚓SOD酶活性隨時(shí)間呈顯著上升趨勢(shì)；在50mg·kg-1Cu和400～600mg·kg-1La3+及800mg·kg-1La3+復(fù)合脅迫時(shí)，SOD酶則分別呈先升后降和先升后降再升再降2種變化趨勢(shì)。徐冬梅等[20]研究證明，菲和鉻(Ⅵ)在不同的復(fù)合比例下對(duì)蚯蚓抗氧化酶活性的作用時(shí)間不同，復(fù)合組1(鉻(Ⅵ)∶菲=77.4∶19.4)和復(fù)合組2(鉻(Ⅵ)∶菲=97.0∶24.3)中蚯蚓SOD酶活性在第3天相比對(duì)照(鉻(Ⅵ)∶菲=0∶0)呈顯著抑制狀態(tài)，第7～14天相比對(duì)照無顯著變化；但復(fù)合組3(鉻(Ⅵ)∶菲=123.0∶30.8)SOD酶在3～7d無顯著變化，在14d呈激活狀態(tài)。同時(shí)，因?yàn)轵球緦?duì)不同污染物的代謝順序不同，導(dǎo)致蚯蚓體內(nèi)不同時(shí)間段內(nèi)農(nóng)藥的濃度和比例不同，造成蚯蚓體內(nèi)抗氧化酶活性隨時(shí)間變化。綜上可知，污染物間對(duì)蚯蚓的聯(lián)合效應(yīng)，要具體的視其種類、作用時(shí)間、復(fù)合比例而定。

4 結(jié)語

目前，土壤中關(guān)于重金屬和農(nóng)藥殘留對(duì)于蚯蚓體內(nèi)抗氧化酶系活性影響研究較多，但是大多是單個(gè)重金屬和單個(gè)農(nóng)藥成分對(duì)蚯蚓抗氧化酶的影響，研究多個(gè)重金屬、農(nóng)藥的復(fù)合影響較少，并且農(nóng)藥中成分復(fù)雜，在土壤中降解過程也會(huì)產(chǎn)生中間產(chǎn)物，有的文獻(xiàn)僅研究農(nóng)藥中1種成分對(duì)蚯蚓影響，因此關(guān)于重金屬和農(nóng)藥等對(duì)于環(huán)境的生態(tài)毒性需要進(jìn)一步研究。