除草剂禾草灵对水稻与蓝藻的对映选择性毒理研究

摘要

芳氧苯氧丙酸类除草剂目前大部分以外消旋形式广泛使用，其作用机理、环境风险的研究都是从外消旋体层面、针对靶标生物展开的。手性除草剂在对映体水平上，对非靶标生物的毒理与环境风险知之甚少。研究手性除草剂对映体水平上的生态毒理和环境行为，以最大限度的减缓、控制或修复农药残留物对生态系统的影响，对手性农药的合理使用和正确评价生态安全均有重要的意义。
　　 本文基于目前手性除草剂禾草灵的手性生态效应研究，选用了水稻、蓝藻为模式植物（水稻为非靶标有益植物，蓝藻为非靶标有害植物），分别从生长影响如EC50、植物生理如光合作用、细胞形态变化、蓝藻群落变化、氧化损伤、藻毒素释放等方面，阐述了禾草灵对植物的对映选择性毒性。另一方面，植物对禾草灵的降解也进行了初步探讨。
　　 禾草灵酸对非靶标植物产生了对映选择性毒性。Rac-，R-，S-禾草灵酸对水稻幼苗的EC50结果表明，对根，R-禾草灵酸比S-禾草灵酸毒性更大；而对叶，S-禾草灵酸比R-禾草灵酸毒性更大。根比叶更敏感。希尔反应活力同样说明了两个对映体对叶绿体产生不同的影响。
　　 在水稻根系中三种化合物的降解表现出了不同的特性。降解特性与化合物的毒性存在着一定的联系。不同浓度的化合物在水稻根系中的降解半衰期差异不明显。
　　 在实验室浓度设置下，各种形式的禾草灵酸对铜绿微囊藻的生物量呈现一定的表观刺激作用，但从蛋白含量的先增后减、藻的颜色由原来的蓝绿色逐渐变为黄绿色，我们初步判定这种刺激并不是正面刺激，生物量的增加可能是由一些不正常的细胞所组成的。群体现象的发生表明禾草灵对铜绿微囊藻产生了一定的毒性，藻细胞形成群体能够更有效地抵御逆境环境，更大可能的增加存活率。电镜照片说明了细胞内细胞器的变化，细胞发生程序性死亡。几种化合物的毒性排序为rac-禾草灵酸>禾草灵酯＞R禾草灵酸>S-禾草灵酸。
　　 对于另外三种芳氧苯氧羧酸类除草剂，同样观察到细胞密度与蛋白含量之间的不统一现象。这一类除草剂在环境中对非靶标有害植物蓝藻产生了很大的影响，并且存在手性差异，有必要对它们进行关注和研究。
　　 从ROS和MDA结果来看，禾草灵对铜绿微囊藻产生了氧化胁迫，但在两天内还没有表现出氧化损伤（从SOD结果来看），这跟化合物的浓度和作用时间有一定的关系。在处理短期内，刺激了SOD的增加，可能是短期的氧化胁迫导致了SOD的早期增加。当氧化胁迫的增加破坏了抗氧化系统清除自由基的能力，细胞生理过程就会遭到破坏，导致细胞凋亡(PCD)或坏死。在同样浓度(5mg/L)下，rac-禾草灵酸对细胞的破坏最大，其次是R-禾草灵酸，再次是S-禾草灵酸，最后是禾草灵酯。Rac-禾草灵酸导致细胞氧化胁迫增加，部分细胞坏死，部分发生PCD，而其他三个化合物则促使细胞发生PCD。氧化损伤在细胞凋亡的过程中起到一定的促进作用。几种化合物对铜绿微囊藻的损伤程度为rac-禾草灵酸>R-禾草灵酸>S-禾草灵酸>禾草灵酯。
　　 在5mg/L各种形式的禾草灵的处理下，藻毒素MC-LR的含量影响以及随时间的变化结果表明，禾草灵在一定程度上影响了MC-LR的合成与释放，两个对映体之间存在着差异，R-禾草灵酸比S-禾草灵酸刺激效应更强，时间更早。藻外释放的实验数据表明，rac-禾草灵酸的影响较大，并且刺激产生的MC-LR含量很高。藻内含量几种化合物差别不明显，但与空白之间差异显著。总量上来看，R-禾草灵酸刺激最显著。
　　 结合禾草灵的有效除草形式R-禾草灵酸，和我们的实验结果，R-禾草灵酸虽然是有效的除草形式，但它同时对环境中的蓝藻毒性也更强，在蓝藻很容易爆发的今天，单一使用R-禾草灵酸可能并不是最优的选择。农药的合理使用必须得到广泛关注，无论是农作物生产，还是环境保护，大量残留的农药会给环境带来很大的负担。进行手性层面的研究虽然不能直接指导农药的合理使用，但在环境安全评估中却显得越来越有必要。