农药对藻类的生态毒理学研究_毒性机理及其富集和降解

第7卷第6期1999年12月

环境科学进展

ADVANCES IN ENV IRONM EN TAL SCIENCE

Vol.7,No.6

Dec.,1999农药对藻类的生态毒理学研究

Ⅱ:毒性机理及其富集和降解

Ξ

沈国兴　严国安　彭金良　严雪

(武汉大学环境科学系,武汉430072)

摘　要

随着对农药污染认识的深入,农药对生态系统的初级生产者———藻类毒性以及毒性机制

的研究不断增多。农药对藻类的毒性在于破坏藻类生物膜的结构和功能、影响藻类的光合作

用、改变呼吸作用以及固氮作用,影响藻类的生理进程并改变其生化组分。开展农药对藻类

毒性机理的研究,揭示农药结构—活性关系,对农药的研制和应用,评价农药的生态风险,减

少农药对藻类的毒害是重要的。在自然环境中还发现藻能富集和降解农药。因此,对于这些

藻来说,农药对藻类的毒害作用和藻类对农药的富集和降解作用可能同时存在。本文综述了

农药对藻类的毒性机理以及藻类对农药的富集和降解作用。

关键词:农药　藻类　毒性机理　富集　降解

一、前 言

在日常施用农药的过程中,只有大约1%作用于靶生物,其余的或残留于土壤,或通过径流进入水域,影响土壤和水体中的生物。过去大量的报道见于农药对鸟类、无脊椎动物、鱼类、哺乳动物的影响及其毒理学研究,对毒性机理的研究更集中于靶生物和哺乳动物。现在已经知道,有机磷和甲基氨基甲酸酯类杀虫剂抑制动物神经系统中乙酰胆碱酯酶的活性,其中有些杀虫剂还与植物细胞脂膜上的一些活性位点发生作用;拟除虫菊酯类、甲基氨基甲酸酯类和另外一些杀虫剂抑制微体多功能氧化酶系统,这些酶能催化以有毒物质为底物的反应,是重要的解毒酶[1]。一般认为除草剂作用于质体的Hill反应、线粒体的电子传递和光合作用,脂溶性除草剂作用于生物膜[2]。近年来,随着农药对藻类毒性效应研究的重视,农药对藻类致毒机理的研究逐渐深入。农药对藻类的毒性因农药品种和藻类的不同而不同,机理较为复杂。从分子水平了解农药对藻类毒性机理,对于评价农药的生态风险,开发低生态风险的农药具有重要意义。

农药对藻类的毒性,涉及农药在环境中的降解[3]。现在发现在自然环境中有一些藻也能富集和降解农药。因此研究藻类对农药的降解,对于揭示农药在生态系统中的迁移、

Ξ国家自然科学基金及国家重点实验室开放基金资助项目

本文承中国科学院水生生物研究所研究员刘永定先生指导并提出许多宝贵意见,谨致谢忱

转化过程,具有重要的理论意义,同时为去除环境中包括农药在内的有机污染物提供一条新途经。并且随着基因工程技术的发展,引入外源基因改变藻细胞的细胞膜和细胞壁的结构,增强藻类富集农药的能力;还可以通过引入外源基因,增强藻类降解农药的能力。

二、农药对藻类的毒性机理

11农药对生物膜的作用机理

藻类的生物膜包括细胞质膜、类囊体膜和线粒体膜等。因为生物膜主要是由磷脂和蛋白质组成,因此脂溶性农药易于通过细胞质膜,而水溶性大分子农药则难于通过细胞质膜。农药若破坏细胞质膜不仅直接损害藻细胞,而且使环境中的其它有毒物质顺利进入细胞,从而加大了对藻的毒害。藻类的类囊体膜是藻进行光合作用的场所,农药损害类囊体膜也会影响藻类光合作用。而线粒体是藻类合成能量的场所,线粒体功能的异常,会引起藻类的呼吸、生长等一系列的生理学改变。

农药作用于生物膜一般有三个途径:(1)与膜上蛋白质作用改变通透性;(2)通过物理化学作用影响流动性;(3)直接改变膜所需的A TP ,影响膜的生物合成。许多农药正是通过影响细胞生物膜的结构和功能,改变藻的生理生化过程,从而毒害藻类细胞。

有机磷杀虫剂乐果、敌百虫、2,42D 、伏杀磷、久效磷、对硫磷和谷硫磷对藻的毒性在于影响生物膜的正常功能。乐果作用于藻类类囊体膜的脂质,使其排列混乱,影响膜的流动性,PBS (藻胆蛋白)从PS Ⅱ(光系统II )反应中心漏出,抑制类囊体膜上的A TPase 活性,导致光合作用电子传递受阻,PS Ⅱ荧光增强而光合作用放氧减少[4]。敌百虫影响质膜的选择透过性,使依赖于质膜运输的营养物进入细胞的量减少[5]。2,42D 可能是通过改变细胞膜的通透性,增加营养物的供给,促进藻的生长[5]。有人实验了把异质物从侧面插入生物膜的液─固界面,可产生侧面的交互压缩和扩展,引起通透性的变化,从而影响生物膜的生理功能、酶及载体活性和膜融合过程[6]。敌百虫,2,42D 等农药影响细胞膜也许正是作为异质物作用于细胞膜的结果。Netrawali 和G andhi [6]研究了伏杀磷对莱哈衣藻的细胞损伤机制,发现伏杀磷的毒害作用在于破坏了细胞膜的化学完整性,浓度为1×10-3mol/L 时2hr 即使藻细胞膜出现“伤口”,其后的2～3hr “伤口”扩大,胞内蛋白质漏出,致使细胞死亡,在22hr 相当多的细胞被破坏。对硫磷和谷硫磷可能使膜磷脂分子C -H 键活动增强,减弱了键间范德华力,降低了脂质的粘合,使脂质无序性增加,影响膜的功能[7]。

通常认为除草剂的毒性在于其破坏光合作用,但现在也发现一些除草剂作用于藻细胞生物膜。Mattoo 等[8]认为莠去津对藻的毒性在于切断电子传递链,致使细胞内产生自由氧,自由氧与酶作用而影响脂肪酸代谢,增加饱和脂肪酸向不饱和脂肪酸的转变从而破坏生物膜,增强膜的流动性。苯氟磺胺、碘苯腈、苯脲类、除草定和S 2三嗪类与小球藻的脂质相作用,同时还作用于A TP 的氧化和/或产生过程[2]。莠丹通过抑制长链脂肪酸的形成而作用于脂质的生物合成过程[9]。

21农药影响藻类光合作用的机理

很多除草剂能影响藻的光合作用,但不同的除草剂作用于光合作用的部位不同,作用

2

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机理也各异。

三嗪类除草剂被认为作用于光合作用PS Ⅱ[10]。西玛津、杀草快、DBM IB 、莠去津、除

草定、敌草隆阻碍光合作用电子传递。西玛津阻碍PS ⅡHill 反应电子传递[11]。杀草快被认为作用于光系统I 的电子传递过程[12]。DBM IB 是质体醌的类似物,与质体醌相竞争,在低浓度下抑制质体醌的氧化[10]。Schafer 等[13]认为莠去津、除草定和敌草隆与质体竞争PS Ⅱ复合体的32K Da 蛋白,若它们占据靶位点,则向质体的电子传递被抑制。Butltr 等[11]认为莠去津与西玛津一样阻碍Hill 反应电子传递。也有认为敌草隆阻碍电子从B 向Q 的移动,还有认为敌草隆可能作用于PS Ⅱ的氧化过程或直接与叶绿体PS Ⅱ反应中心P680作用,甚至还有认为可能同时作用于PS Ⅱ氧化和还原两个方面[2]。

2,42D 被认为作用于叶绿体光呼吸过程[14],但有人认为是由于降低了水的光解或与电子传递链相作用阻碍了CO 2的固定,还有人认为是由于减少了光合作用O 2的释放[15]。草甘膦抑制叶绿素前体S 2aminolevulinic acid (ALA )的合成,影响光合作用[16]。伏草隆能抑制普通小球藻、纤细裸藻和土生绿球藻的光合作用[17]。

杀虫剂也作用于藻类的光合作用。乐果改变类囊体膜的流动性,抑制光合作用电子传递,从而影响光合作用,同时使呼吸作用增强[4]。毒死蜱、倍硫磷和双硫磷通过抑制Hill 反应降低藻光合作用活性[11]。也有人认为倍硫磷和双硫磷抑制藻光合作用O 2的产生[21]。甲基对硫磷作用于光合作用电子传递链[18]。二嗪磷降低小球藻、衣藻和裸藻光合作用A TP 产量。杀螟松和毒死蜱抑制鱼腥藻和管链藻CO 2的摄入[21]。有机氯杀虫剂毒杀芬、艾氏剂、狄氏剂和DD T 也是光合作用抑制剂[11]。

有些农药能改变藻类叶绿素的含量,同时也意味着影响光合作用。Bhunia 等[18]发现杀草丹可使灰色念珠藻叶绿素a 的含量减少97%,在浓度为2和4mg/L 时分别下降56%和74%;甲基对硫磷也能降低灰色念珠藻叶绿素a 的含量。早在1985年Pandey [19]就报道了敌稗抑制蓝藻叶绿素a 的合成,进而抑制光合作用。西维因能以剂量活性方式减少灰色念珠藻叶绿素a 的含量[20]。

31农药对藻类呼吸作用的影响

Casida [1]认为许多杀虫剂是通过与真核生物线粒体能量产生过程相作用,而影响呼吸作用的。Mohapatra 等[4]发现有机磷农药乐果在10～300(mol/L 时,能增强聚球藻的呼吸作用。也有人发现乐果能增强湖泊藻类种群整体的呼吸作用,并认为是由于A TP 产量和O 2消耗量比率下降的缘故。杀虫灵在20～300mg/L 浓度下,对鱼腥藻PCC7119的呼吸作用稍有促进,这被认为是光合作用的补偿机制[5]。Yamana 和Morita [22]观察到二甲基有机磷杀虫剂增加藻类的呼吸作用,而降低离体线粒体总A TP 含量。Bhunia 等[20]发现氨基甲酸酯类杀虫剂西维因浓度大于10mg/L 时,藻的呼吸作用明显上升。以目前的实验结果来看,有可能增强蓝藻呼吸作用的是呼吸作用电子传递解偶联剂,它能减小A TP 酶的活性,增强类囊体内外p H 梯度[4]。Davis 和Smith [23]认为很多农药增强呼吸作用可能在于呼吸作用的增强起动了一系列保护免受化学品影响的机制,如农药的吸收,富集,降解和转出细胞。

41农药对藻类固氮作用的影响

蓝藻是一类具有很强固氮能力的藻。土壤中的蓝藻是土壤生物肥力的主要来源,其

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