草甘膦在環境介質中的殘留及對環境生物的影響

沈文靜，劉來盤，劉 標

（生態環境部南京環境科學研究所，南京 210042）

草甘膦，化學全稱為N-磷酸甲基甘氨酸，化學式為C3H8NO5P，純品為非揮發性白色無臭固體，主要存在形態為酸和鹽類，熔點為230℃。溶于水，難溶于乙醇、乙醚和苯等有機溶劑，穩定性好，不可燃、不爆炸。20世紀70年代，人們發現該物質具有廣譜除草功能。1974年，孟山都公司研發了草甘膦的商業產品‘農達’并將其推向市場，開啟了將草甘膦作為除草劑大規模使用的序幕[1]。

草甘膦是一種內吸傳導型、廣譜滅生性有機膦類除草劑，通過競爭性地與植物體內5-烯醇式丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶（5-EPSP合酶）結合而抑制其活性，使得芳香族氨基酸合成代謝受阻，最終導致植物死亡[2]。草甘膦由于具有非選擇性強、除草效果好等優點而被廣泛使用，特別是隨著耐草甘膦轉基因作物的大面積種植，草甘膦已成為目前全球使用量最大的除草劑[3]。

本文總結了國內外關于草甘膦在土壤和水體中的降解、殘留及其對土壤生物、水生/兩棲動物、昆蟲和鳥類等環境生物的影響的研究結果，以期為草甘膦在我國大面積使用后的環境安全管理提供科學參考。

1 耐草甘膦轉基因作物的研發與草甘膦的大規模應用

20世紀90年代以來，轉基因作物的田間種植規模逐漸擴大，2019年全球共種植轉基因作物面積達1.9億hm2，耐除草劑性狀的作物占到轉基因作物總種植面積的88%，其中耐草甘膦性狀占絕大部分[4]。據估算，2020年草甘膦的全球使用量在60萬～75萬t，預計到2025年，其使用量在74萬～92萬t，快速上漲態勢明顯[5]。耐草甘膦轉基因作物的大規模推廣既提高了生產效率，降低了除草成本，具有顯著經濟效益，又因其他長殘留除草劑使用量的減少而減輕了對水體和土壤的污染[6]。耐草甘膦轉基因作物在帶來收益的同時，也會引起多種環境問題。長期大量使用單一草甘膦除草劑，會導致雜草抗性的產生和發展，威脅草甘膦的持續使用。截至2021年，全球共有48種雜草對草甘膦產生抗性[7]。另外，隨著草甘膦的大量施用，其在農田及周邊土壤和水域中不斷累積，并隨著降水、侵蝕及徑流進入河流湖泊、地下水、甚至是海洋中，威脅著生物多樣性及生態環境安全。

2 草甘膦在環境介質中的殘留

草甘膦進入土壤后與土壤顆粒結合緊密，在土壤中具有較低移動性和淋溶性，其污染水體的風險較低[8-9]。以比利時居民區為對象的研究結果顯示，從雨水排放口中截獲的草甘膦總量不足使用量的0.5%，說明絕大部分草甘膦留存在土壤中[10]。進入土壤和水體等環境中的草甘膦易發生水解、光解和微生物降解，其中微生物降解是草甘膦在自然環境中的主要降解方式。微生物降解草甘膦主要有2種途徑，一是草甘膦在轉氨酶的作用下C-N鍵氧化斷裂生成中間產物氨甲基磷酸（AMPA），這是主要的降解途徑；二是草甘膦在C-P鍵裂解酶的作用下生成肌氨酸，后者可直接被微生物利用[11]。

2.1 草甘膦在土壤中的殘留

受土壤顆粒、pH、有機質含量、溫度和含水量等多因素復合影響，草甘膦在不同土壤中的半衰期差異較大（1～151 d），不同調查結果也顯示草甘膦在土壤中殘留水平波動幅度較大[12-13]。由于長期使用草甘膦，阿根廷潘帕地區農田中的草甘膦和AMPA殘留量分別達到2 299±476μg/kg和4 204±2 258μg/kg。據研究者推算，每使用5次草甘膦，每1 kg土壤將增加1 mg草甘膦[14]。在使用草甘膦42 d后，湖南、浙江和廣西地區不同類型土壤中的草甘膦殘留量在130～910μg/kg，不同地區紅壤中的殘留量有顯著差異，pH值可能是影響草甘膦殘留量的關鍵因素[15]。斯里蘭卡農田土壤中的草甘膦和AMPA殘留檢出率均為100%，殘留濃度分別為270～690μg/kg和2～8μg/kg，研究者認為土壤顆粒中陽離子（Fe3+和Al3+）與草甘膦形成絡合物，是草甘膦大量殘留的關鍵[16]。表1匯總了近年來全球不同地區土壤中的草甘膦和AMPA殘留量數據[16-22]，其中農田及其周邊土壤中的草甘膦和AMPA殘留量大，檢出率高。Karasali等[22]報道在印度城市土壤中的草甘膦和AMPA也有一定的檢出率和殘留量，可能是由園林綠化所用的草甘膦殘留擴散引起的。因此，我們不僅需要關注農田中的草甘膦和AMPA殘留情況，也需要對城市、公園綠地等人類聚集場所加強監測力度[23]。

表1 不同國家土壤中的草甘膦及其代謝產物AMPA殘留數據

2.2 草甘膦在水體中的殘留

由于草甘膦使用量大，降雨、侵蝕等過程也會將土壤中的草甘膦和AMPA淋溶沖刷至水體。越來越多的報道表明，草甘膦已經廣泛存在于各種天然水域和沉積物中[24-25]。表2匯總近年來全球不同地區地表水和地下水中的草甘膦和AMPA殘留情況[16-32]，由此可以看出不僅農田周邊水體的草甘膦和AMPA殘留量大、檢出率高，大型河流、入海口也存在較高的檢出率，說明草甘膦可通過徑流運輸擴散至全球水體中。綜合亞洲、歐洲、北美洲、南美洲、大洋洲等地區的報道，目前全球水體中的草甘膦和AMPA最大殘留量分別在1.69～427μg/L和0.6～397μg/L（表2）。波羅的海入海河口中的草甘膦和AMPA檢出率均高達90%以上，殘留量分別在0.03～1.69μg/L和0.05～4.16μg/L，而不同地點殘留量隨著水體中鹽濃度的增加而下降，說明草甘膦已經由內陸河流向海洋擴散[26]。采自我國10個省份地區196個地表水樣品中的草甘膦和AMPA檢出率分別為14.3%和15.8%，最高殘留量分別為32.49μg/L和10.31μg/L；694個地下水樣品中的草甘膦和AMPA檢出率分別為1.01%和0.86%，最高殘留量分別為2.09μg/L和5.13 μg/L[29]。我國地下水中的草甘膦和AMPA殘留量相比地表水處于低水平，但仍有少量檢出，說明地表水和土壤中的草甘膦和AMPA殘留存在向地下水滲透的風險。地表水中溶解和顆粒吸附的草甘膦和AMPA會沉積到水體底部[21,24]，沉積物中這2種物質的生物降解要慢于地表水中[21,24-25]。許多研究顯示，沉積物中的草甘膦和AMPA濃度要高于采集于同一位置的水體[14,16,19,33]。由于水體中草甘膦和AMPA殘留濃度受降雨、徑流等因素影響，而沉積物相對穩定且降解慢，因此沉積物中的污染物濃度更能體現水體受污染的歷史和程度。

表2 不同國家水體中的草甘膦及其代謝產物AMPA殘留數據

3 草甘膦對環境生物的影響

雖然動物體內因無莽草酸途徑而不受草甘膦急性滅生毒性的影響[34-35]，但越來越多的研究結果顯示，草甘膦及其商業化產品對土壤動物、水生生物、兩棲動物、昆蟲和鳥類等環境生物具有氧化應激、遺傳毒性、神經毒性和生長毒性等不利作用[23,36-39]。草甘膦商業化產品配方中用以提高活性成分滲透性的佐劑被認為對環境生物的影響更大[40-42]。

3.1 草甘膦對土壤動物的影響

土壤中的無脊椎動物（蚯蚓、線蟲等）不可避免地會遇到草甘膦及其代謝產物并受其影響。法國土壤中的草甘膦和AMPA殘留檢出率分別為88%和58%（n=120），對應地點采集的蚯蚓組織中草甘膦和AMPA殘留檢出率分別達到74%和38%，說明草甘膦和AMPA在蚯蚓組織內的累積量高于預期[43]。表3匯總了近年來關于草甘膦及其商業化產品對土壤動物影響的研究報道[42-46]，以及相關文獻中的結果顯示，草甘膦及其商業化產品雖然很少導致蚯蚓死亡，但對蚯蚓的組織器官、具有重要生理功能的酶活性、進食和運動行為等均產生不利影響[47-50]。長時間暴露在草甘膦商業化產品‘農達’（推薦使用劑量）中對南美岸蚓（Pontoscolex corethrurus）的體重和繁殖均產生顯著不利影響[44]。3種蚯蚓暴露在‘農達’（115.49 mL/m2）中8 w后，蚯蚓腸道細菌群落發生巨大變化，泛菌屬（Pantoea）、腸桿菌屬（Enterobacter）和假單胞菌屬（Pseudomonas）這3個屬的相對豐度由不足1%上升至80%，說明草甘膦影響了蚯蚓腸道微生物群落組成，但其生物學效應還有待進一步研究[46]。暴露在草甘膦商業化產品‘Touchdown’（含量3%～10%）0.5 h后，秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）體內的電子傳遞鏈復合物Ⅱ（琥珀酸脫氫酶）受到抑制，ATP水平降低，過氧化氫含量增加，說明該產品對秀麗隱桿線蟲具有一定的神經毒性[46]。

表3 草甘膦對土壤動物的生物學效應

3.2 草甘膦對水生生物的影響

水生溞類全生命史均生活在水中，高繁殖率和快速的世代更替使得水生溞類對環境變化反應敏感迅速。大型溞（Daphnia magna）已經成為水生生態毒理學模式生物[51-52]。根據表4匯總的溞類研究報道[53-57]及大量相關研究發現，草甘膦及其商業化產品會影響水生溞類行為、生長發育和繁殖等，并具有遺傳毒性[58-60]。持續暴露在高濃度‘農達’（25 mg/L和50 mg/L）下，大型溞連續4個世代的初始繁育時間均推遲，新生溞數量均顯著降低，第4代的新生溞數量相對于1～3代有所提升，說明對其顯示出一定的適應性[53]。暴露在1 mg/L草甘膦下，大型溞（4種不同基因型）的細胞DNA損傷顯著，腸道微生物群落組成結構發生變化，損害和變化程度依據基因型的不同而有所差異[61]。暴露在草甘膦商業化產品‘Faena’（0～3.15 mg/L）下，Daphnia exilis產生的后代即使在正常環境中，其生長也受到不利影響，說明草甘膦可能具有遺傳毒性[56]。

魚類可用于評估環境污染物的潛在風險[62]。結合表4匯總的關于魚類的研究報道[63-67]及相關文獻，發現草甘膦對魚類毒性效應主要表現在生化生理、內分泌、行為、生殖發育毒性和遺傳毒性等多個方面[68-71]。斑馬魚（Danio rerio）、鳉魚（Jenynsia multidentate）和鯉魚（Cyprinus carpio）等多種魚類暴露在不同濃度草甘膦及其商業化產品中，均被發現行為異常，表現為社交、探索、記憶能力下降，游動模式改變，甚至影響到性行為，這些均說明了受試魚對草甘膦的焦慮及其逃避傾向[65,72-74]。斑馬魚胚胎暴露于草甘膦（0.05～10.000μg/L）下120 h，胚胎的腦電生理信號改變，運動能力下降，神經傳遞失調，同時還引起發育過程中神經血管畸形[63]。胡孟牙漢魚（Odontesthes humensis）暴露在農達（3.68 mg/L）下24 h，魚體內發生氧化應激反應，產生DNA損傷、細胞凋亡等現象[66]。虹鱒（Oncorhynchus mykiss）親代（F0）暴露在草甘膦（1μg/L）條件下，F1代的生長生殖未受到影響，但是F2代頭部變大以及發育早期細胞色素氧化酶活性降低，說明魚類接觸草甘膦會導致后代發育異常并增加對病毒的易感性[75]。草甘膦和AMPA對斑馬魚幼魚具有遺傳毒性，兩者的最低影響濃度均為1.7 mg/L[76]。

兩棲動物的皮膚具有高滲透性，允許氣體、水和離子交換，外界有害物質也可以通過皮膚擴散進體內，特別是在胚胎和幼體階段受到的毒害，會持續影響后續生長、發育和繁殖，因此兩棲動物很容易受到水中化學品的影響[77-79]。表4匯總了近年來關于草甘膦及其商業化產品對兩棲動物胚胎和蝌蚪影響的報道[80-84]，結果顯示草甘膦可以影響兩棲動物的胚胎活性，具有致畸性、內分泌干擾作用和遺傳毒性。長時間暴露在草甘膦商業化產品（2.5 mg/L）下，會導致蝌蚪發育畸形、DNA損傷和激素紊亂；乙酰膽堿酯酶（AChE）和丁酰膽堿酯酶（BChE）活性顯著增加，顯示草甘膦商業化產品可能具有神經毒性[85]。草甘膦降解產物AMPA影響了刺蟾蜍（Bufo spinosus）胚胎存活率，推測可能是氧化應激引起胚胎死亡；低濃度AMPA（0.07μg/L）對胚胎發育和孵化形態相比高濃度（3.6μg/L）影響更大[80,86]。急性毒性試驗存活下來的斑綠蛙（Lithobates pipiens）在其蝌蚪發育成熟后，存在顱面、口腔畸形和眼睛異常等缺陷[81]。彗星試驗和微核試驗表明，草甘膦商業化產品對阿根廷本地蟾蜍（Rhinella arenarum）的成體可能具有遺傳毒性和致突變性，并對暴露個體及其后代產生長期負面影響[88]。

表4 草甘膦對水生生物的生物學效應

3.3 草甘膦對昆蟲的影響

蜜蜂等傳粉昆蟲是維持生態系統和農業生產力的關鍵因素。蜜蜂通過噴霧擴散、污染漂浮物和食物殘留等多種途徑接觸到草甘膦[89-90]。結合表5匯總的各品種蜜蜂研究結果[91-95]及越來越多的文獻表明，草甘膦和AMPA對蜜蜂的生存、感官和認知能力、繁殖、腸道微生物群落等帶來不利影響[96-99]。取食含有5 mg/L草甘膦的蔗糖溶液后，歐洲熊蜂（Bombus terrestris）的體溫調節能力受到抑制，個體維持種群育雛溫度的能力降低25%以上[100]。取食含有6.6μL/mL草甘膦商業化產品（30%，w/w）的蔗糖溶液后，意大利蜜蜂（Apis mellifera）和中華蜜蜂（Apis cerana）的免疫系統、消化系統、神經系統、氨基酸和碳水化合物代謝以及生長發育均受到不利影響，但中華蜜蜂受到影響程度較輕，對草甘膦商業化產品的抗性更好[93]。長時間（20 d）經口取食低濃度草甘膦（10μg/L），發現其顯著降低了意大利蜜蜂的存活率，對蜜蜂的解毒與抗氧化應激、神經系統、新陳代謝以及免疫等產生了系統性不利影響；短時間暴露在高濃度‘農達’（3.6 mg/L）下，意大利蜜蜂取食行為受到抑制，學習、記憶以及攀爬能力下降[96,101]。蜜蜂依靠其腸道微生物群落實現食物加工、免疫系統調節和防御病原體等多種功能。在飼喂含有5 mg/L草甘膦的蔗糖溶液5 d后，蜜蜂的腸道微生物群落發生顯著變化，4種主要腸道細菌阿爾維斯諾德格拉斯菌（Snodgrassella alvi）、雙歧桿菌屬（Bifidobacterium spp.）、乳酸桿菌屬（Lactobacillus spp.），厚壁菌門（Firmicutes）的相對和絕對豐度下降，這種變化使得蜜蜂易感染粘質沙雷菌（Serratia marcescens）并導致其死亡[99]。草甘膦商業化產品和表面活性劑聚乙氧基化牛脂胺（POEA）通過增強細胞凋亡來降低細胞活力，從而抑制黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）的繁殖力，故相比草甘膦，后兩者對黑腹果蠅更具毒性[102]。

表5 草甘膦對昆蟲的生物學效應

3.4 草甘膦對鳥類的影響

隨著草甘膦用量的增加，越來越多的鳥類攝取含有草甘膦殘留的食物，從而受到草甘膦的影響[103]。草甘膦可以通過鳥類的攝食而轉移到蛋中，這對鳥類繁殖（產蛋率、孵化率和胚胎發育情況）具有負面效應，對成體的正常生理活動也造成一定干擾[104-108]（表6）。長時間（52 w）飼喂日本鵪鶉（Coturnix japonica）（160 mg/kg，農達），草甘膦和AMPA在肝臟內積聚，影響了肝臟抗氧化酶活性和肝臟解毒功能，同時降低雄性日本鵪鶉在青春期的血漿睪酮水平，改變腸道微生物組成[104]。母雞被飼喂含47 mg/kg草甘膦的飼料，所產雞蛋的胚胎死亡率顯著提高，胚胎發育明顯延遲，胚胎體積減少；雛雞的脛骨長度和軟組織體積減少，而骨骼體積增加，上述異常表型在暴露停止2 w后所產蛋的發育過程中消失[109]。飲食暴露（46.8 mg/kg）5 w后，在公雞的血漿和精液中均能檢出草甘膦和AMPA，精子活力和DNA甲基化程度均顯著降低，這些負面影響在飲食暴露停止2 w后消失[110]。

表6 草甘膦對鳥類的生物學效應

4 展望

近年來，我國轉基因產業化進程加快，截至2022年底，我國自主研發的8個轉基因大豆、玉米品系獲得了生產應用安全證書，其中7個品系具有草甘膦抗性。隨著轉基因大豆、玉米品種審定標準的出臺，我國轉基因作物商品化種植規模不斷擴大。耐草甘膦轉基因作物的大面積種植必然帶來大面積使用草甘膦現象，大量進入環境中的草甘膦及其代謝產物將對環境生物和生態安全帶來沖擊。越來越多的研究表明，草甘膦及其代謝產物AMPA會對土壤生物、水生生物等環境生物的生長、發育和繁殖帶來不利影響，特別是草甘膦還可能具有遺傳毒性和內分泌干擾物作用。為了管理和控制草甘膦大規模應用可能產生的環境風險，建議采取如下應對措施：一是建立適合我國實際情況的草甘膦及其代謝產物在各類環境介質（水、土壤、空氣）中的限值。目前，我國尚未建立土壤中草甘膦的殘留限值標準，GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》中的草甘膦限值參照美國標準，設定為700μg/L，遠遠高出歐盟0.1μg/L標準，且與環境實際值背離。我國地域遼闊，不同地區的土壤質量、溫度和降水等環境因素存在巨大差異，草甘膦在不同地區的降解和殘留規律也可能有很大差異，通過建立草甘膦及其代謝產物在各類環境介質中的限值，可確保在環境安全的前提下為國家轉基因產業發展政策的制定提供依據。二是根據我國環境生物的特點，遴選適合草甘膦生態毒理評價需求的本土模式生物。目前，我國生態毒理模式生物基本源自國外，獲得的測試結果未必適用于本土物種和環境，而開發本土物種作為生態毒理模式生物，能夠更貼近我國生態環境的實際情況，為草甘膦的風險管理提供可靠的數據。三是開展關于草甘膦對環境影響的大規模調查，制定草甘膦環境風險管控的技術標準。

在當前我國大規模種植耐草甘膦轉基因作物的背景下，我們相信通過制定相應的環境風險管控措施并予以實施，能有效降低草甘膦在環境中的殘留水平，減少其對環境生物產生的毒性影響，為保護綠色生態環境提供科學合理的技術支持。