手性农药甲霜灵对水生生物的毒性效应及机制研究

摘要

手性农药是人类合成的手性化合物中重要的组成部分，由于农业生产的需要，大量新型的具有更高生物活性的单一对映体手性农药被应用到其中。目前全球市场上商业化的农用化学品中有28％为手性化合物，以纯活性体或高含量活性体为制剂上市的手性农药市场份额已占市场总值的14％。R-甲霜灵作为新型的单一对映体农药比rac-甲霜灵的用量更低、活性更强。但近年来的研究表明，手性化合物的不同对映体不仅具有不同目标生物活性，而且对非目标生物的效应也会有很大差异。然而就当前来看，世界范围内对该种农药的登记和批准仍然是以其外消旋体的环境数据维持，这势必会造成错误的风险评判，因此研究单一对映体农药对环境生物的效应就很有必要。
　　 本论文以手性农药rac-甲霜灵和R-甲霜灵为研究对象，沿着水生牧食物链(四尾栅藻－大型蚤－斑马鱼)分别考察了两者对几种水生生物的急性毒性、长期毒性、亚致死效应；以及对斑马鱼不同生命阶段(胚胎－仔鱼－成鱼)的发育毒性；在致毒机理上进行了初步探讨，研究结果表明：
　　 ①rac-甲霜灵和R-精甲霜灵对四尾栅藻96h生长抑制的IC50分别为222.89±1.18mg/L和19.95±1.12mg/L，后者的毒性大大高于前者，而且S-和R-对映体在暴露中存在一种拮抗效应。低剂量下(0.05～0.5mg/L)，前者对四尾栅藻的生长有较为明显的刺激作用，而后者没有。
　　 ②rac-甲霜灵和R-甲霜灵对大型蚤(Daphnia magna)急性毒性测定结果表明后者的毒性是前者7～10倍，根据毒性评定的标准R-甲霜灵可以归为急性III类农药，而rac-甲霜灵则为无毒类农药。长期暴露的结果表明前者在浓度较低时就对大型蚤的生长和繁殖有显著的影响，而后者浓度较高时才有作用，R-甲霜灵对大型蚤的长期风险要比rac-甲霜灵大。
　　 ③rac-甲霜灵和R-甲霜灵对胚胎不同发育阶段毒性指标有明显差别，后者比前者在较低的暴露浓度就能对胚胎的几种效应指标产生效应。胚胎在Ohpf、8hpf、24hpf暴露于两者的72h孵化率的EC50分别为32.49、49.98、30.81mg/L和111.59、135.91、97.15mg/L，24hpf暴露最为敏感。胚胎24hpf脱壳后的暴露导致毒性效应增强，表明胚胎外壳的保护作用不是导致两者毒性差异的主要原因。Ohpf暴露后，rac-甲霜灵和R-甲霜灵在胚胎体内的积累随时间不断增高，24h后有下降趋势，但两者积累速率无显著性差异，说明外层膜对两者的不具有对映选择性吸收作用。
　　 ④rac-甲霜灵和R-甲霜灵对斑马鱼仔鱼抑制的24h-EC50分别为138.70±5.71mg/L，76.40±5.10mg/L，24h和96h-LC50分别为234.11±5.72mg/L，141.29±3.08mg/L和220.74±5.31mg/L，131.08±3.96mg/L，毒性几乎相差一倍。仔鱼死亡过程都伴有明显的心包囊水肿和组织损伤，通过分析在两者暴露下的仔鱼体内超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)的相关性，结果表明R-甲霜灵对仔鱼的胁迫程度更强，导致毒性效应的原因可能跟仔鱼体内代谢导致的氧化胁迫程有关。
　　 ⑤rac-甲霜灵和R-甲霜灵对斑马鱼成鱼急性毒性的24h的LC50分别为258.47和237.67mg/L，96h的LC50分别为241.98和227.38mg/L。后者比前者的急性毒性稍大，依据毒性评定标准，两者都属于低毒农药。亚致死浓度下两者对斑马鱼成鱼体内Na+，K+-ATP酶和Ca2+－ATP酶活性无论在诱导时间和诱导强度上都表现出不同的作用方式，说明体内作用的差异。
　　 整体来看，R-甲霜灵对水生生物的毒性明显大于rac-甲霜灵，沿着水生食物链两者的毒性都变的越来越小，毒性差异也越来越小，说明低营养级水生生物对甲霜灵的手性结构更敏感。两者对斑马鱼不同生命阶段的毒性差异明显，发育初期对胁迫更敏感，由于手性差异导致的效应差异也更明显。由于R-甲霜灵与rac-甲霜灵的手性结构差异性，导致前者对非靶水生生物的风险更大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

第一节 手性的定义

第二节 手性化合物的应用及环境相关研究

1.2.1 手性农药

1.2.2 手性药物

1.2.3 其他手性化合物及污染物

第三节 手性污染物的环境行为及效应研究

1.3.1 动力学降解模型

1.3.2 手性分子的三点作用模型

1.3.3 手性分析技术

1.3.4 手性污染物在环境中的对映选择性降解

1.3.5 手性污染物毒理学研究进展

第四节 甲霜灵的研究现状

1.4.1 甲霜灵的性质

1.4.2 甲霜灵在环境中的对映选择性降解研究

1.4.3 甲霜灵的水生生态风险

1.4.4 甲霜灵对人体健康的风险

1.4.5 生态风险评定的挑战

第五节 本论文的立题依据、目的和意义

1.5.1 立题依据

1.5.2 研究的目的

1.5.3 研究意义

1.5.4 创新点

参考文献

第二章 R-甲霜灵和rac-甲霜灵对四尾栅藻的生长抑制

第一节 引言

第二节 材料和方法

2.2.1 实验仪器

2.2.2 测试生物和试剂

2.2.3 四尾栅藻的培养和准备

2.2.4 藻液中rac-甲霜灵与R-精甲霜灵浓度检测

2.2.5 生长抑制试验

2.2.6 数据处理与分析

第三节 结果和讨论

2.3.1 rac-甲霜灵与R-精甲霜灵在测试溶液中浓度的变化

2.3.2 rac-甲霜灵与R-精甲霜灵浓度对四尾栅藻的96h生长抑制

2.3.3 rac-甲霜灵与R-精甲霜灵浓度对四尾栅藻细胞的损伤

2.3.4 效应差异分析

第四节 本章小结

参考文献

第三章 R-甲霜灵和rac-甲霜灵对大型蚤的毒性

第一节 引言

第二节 材料和方法

3.2.1 实验主要仪器

3.2.2 测试生物和试剂

3.2.3 实验生物培养

3.2.4 静态急性毒性试验

3.2.5 慢性毒性试验方法

3.2.6 数据处理和分析

第三节 结果和讨论

3.3.1 R-甲霜灵和rac-甲霜灵在暴露溶液中浓度的变化

3.3.2 R-甲霜灵和rac-甲霜灵对D.magna急性毒性

3.3.3 R-甲霜灵和rac-甲霜灵对D.magna慢性毒性

第四节 本章小结

参考文献

第四章 R-甲霜灵和rac-甲霜灵对斑马鱼胚胎的发育毒性

第一节 引言

第二节 材料与方法

4.2.1 试验仪器

4.2.2 实验试剂与生物

4.2.3 暴露溶液的配置

4.2.4 胚胎发育毒性实验

4.2.5 rac-甲霜灵和R-甲霜灵在胚胎体内积累测定

4.2.6 数据处理和统计分析

第三节 结果和讨论

4.3.1 rac-甲霜灵和R-甲霜灵对胚胎不同毒性终点的效应

4.3.2 rac-甲霜灵和R-甲霜灵对胚胎的72孵化率的影响

4.3.3 rac-甲霜灵和R-甲霜灵对胚胎的致死毒性

4.3.5 脱壳后rac-甲霜灵和R-甲霜灵对胚胎发育72h后体长的影响

4.3.6 rac-甲霜灵和R-甲霜灵在胚胎体内的积累

第四节 本章小结

参考文献

第五章 R-甲霜灵和rac-甲霜灵对斑马鱼仔鱼的SOD和CAT活性的影响

第一节 引言

第二节 材料与方法

5.2.1 实验仪器

5.2.2 测试试剂和生物

5.2.3 暴露过程

5.2.4 SOD和CAT酶活性的测定

5.2.5 数据分析和统计

第三节 结果和讨论

5.3.1 斑马鱼仔鱼的形态学变化

5.3.2 rac-甲霜灵和R-甲霜灵对斑马鱼仔鱼的抑制效应

5.3.3 rac-甲霜灵和R-甲霜灵对斑马鱼仔鱼的致死毒性

5.3.4 rac-甲霜灵和R-甲霜灵对斑马鱼仔鱼的SOD活性影响

5.3.5 rac-甲霜灵和R-甲霜灵对斑马鱼仔鱼的CAT活性影响

5.3.6 效应差异分析

第四节 本章小结

参考文献

第六章 R-甲霜灵和rac-甲霜灵对斑马鱼成鱼的急性毒性及ATP酶活性的影响

第一节 引言

第二节 材料和方法

6.2.1 实验仪器

6.2.2 实验试剂和生物

6.2.3 静态急性毒性实验方法

6.2.4 亚致死浓度的暴露

6.2.5 数据分析和处理

第三节 结果和讨论

6.3.1 rac-甲霜灵及R-甲霜灵在暴露溶液中浓度的变化

6.3.2 rac-甲霜灵及R-甲霜灵对斑马鱼成鱼24h和96h急性毒性

6.3.3 rac-甲霜灵及R-甲霜灵对斑马鱼Ca2+-ATP酶酶活性的影响

6.3.4 rac-甲霜灵及R-甲霜灵对斑马鱼Na+，K+-ATP酶活性的影响

6.3.5 效应差异分析

第四节 本章小结

参考文献

第七章 结论和展望

第一节 结论

第二节 展望

致谢

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