农药与藻类互作的研究进展

孔玄庆　郭军　金晨钟　欧晓明　吴晓峰　彭秧锡　金雯昕

摘要 藻类是水生态系统中非常重要的初级生产者，随着近年来农药的使用量越来越大，对水生生态系统的污染与危害也越来越严重。从农药对藻类生长的影响、农药对藻类的毒性作用机理、藻类对水体中农药的净化作用等方面阐述了农药与藻类互作的研究进展，以期为正确认识农药对水生态的污染，保护水生态系统和农药安全评价等提供参考。

关键词 藻类；农药；互作；研究进展

中图分类号 X592.032.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）05-0222-03

Abstract The algae are the primary producers in the aquatic ecosystem，its function is very important. As time goes on，the use of pesticides is increasing，so the pollution of the aquatic ecosystem is becoming more and more serious，it has threatened human health. The research progress of interaction between pesticides and algae were elaborated from effects of pesticides on the growth of the algae，mechanism of toxication of pesticides on the algae and purification of pesticides in aquatic ecosystem by the algae etc，so as to provide reference for correctly handling the pollution of pesticides on aquatic ecosystem，protection of aquatic ecosystems and evaluation of the safety of pesticides.

Key words the algae；pesticides；interaction；research progress

农药是指在农业生产中，为了防治危害农作物敌害的天然或人工合成的化学物质。它具有高效、经济、简便、快速等特点，能有效防治各种病虫草鼠害，我国具有13亿人口，并且每年都在持续增长，但我国耕地面积只有1.22亿hm2，人均耕地只有926.67 m2，不到世界平均水平的40%，且耕地面积在不断的减少[1]。病虫草鼠害对农作物的影响非常大，如果不采取措施，就会导致严重的减产，然而使用农药是效果好又简便的办法，因此为了满足人们对粮食的需求，保证粮食的供应稳定，从而通过大量使用农药、推广高产的品种等方法来提高单位面积的产量是十分重要和迫切的[2]。

农药的大量使用，导致人们的生活环境受到严重污染，人们所使用的农药，没有完全被利用，我国受到农药污染的农业土地面积约1 600万hm2[3]，对水体的污染同样严重，全国109 700 km河流中有70.6%的河流已经被农药污染[4]。农药污染水体的途径主要有3条：一是土壤中的农药残留随着雨水流入河流；二是农药喷施过程中直接污染河流，还有包装袋残留农药进入水体污染，施药工具清洗用水含有農药进入水体污染；三是农药生产商的工业废水，还有一些做了农药实验的残留废液直接倒入下水道污染水体。

藻类在水生态系统中起着非常重要的作用，它们是水生态系统中的初级生产者，通过光合作用能制造有机物，供水里的鱼、虾等生物食用，还能产生氧气，地球上约70%的氧都是藻类产生的，不仅可供水里面的生物呼吸，还能供其他生物使用。藻类个体体积小、易获得、繁殖快、比面积大，并且对有害物质非常敏感，因此可以在短时间内得出某种实验物质对藻类的影响结果，是一种很好的测试生物，藻类不仅可以用来监测水体是否受到污染以及污染的程度，还能用来对化学药品进行风险评估，做生物测定。让人们能更好地认识农药对生态系统结构和功能的整体效应，充分地揭示农药在生态系统中的迁移和转化规律，对维护生态系统的健康也具有非常好的理论价值。

1 农药对藻类生长的影响

农药的化学结构决定了农药的生理活性和毒性，不同的农药或同种农药不同的浓度对藻类的影响有区别，同种农药对不同的藻类影响结果也存在很大的差异，因为不同的藻类，它们的细胞结构、细胞大小以及细胞内的分泌物和各种酶等生化组分都存在一定的差异[5]，所以不同的藻类对相同的有毒物质表现出不同的反应。农药对藻类的毒性还会受到环境因子的影响，如pH值、光照等。一般情况下，低浓度的农药会促进藻类的生长，高浓度的农药能抑制藻类的生长[6]。对于生长影响的试验，一般都是采用不同浓度的药剂与藻液混合，在0、24、48、72、96 h时来测量藻细胞的浓度，从而可以得出不同浓度的农药对藻生长的影响，并且能算出不同时间的EC50值。再根据《化学农药环境安全评价试验准则》中的第14部分：藻类生长抑制试验的规定，可以评价出某种农药对藻的毒性。

1.1 抑制生长

Ma等[7]研究发现烯草酮、苄嘧磺隆等12种农药对蛋白核小球藻和斜生栅藻的生长都有抑制作用。Wong[8]发现草甘膦浓度为2 mg/L和2，4-D浓度为20 mg/L时明显抑制四尾栅藻的生长，高于20 mg/L的草甘膦和高于200 mg/L的2，4-D会完全抑制四尾栅藻的生长。达到相同作用时2，4-D的浓度是草甘膦的10倍，说明草甘膦的毒性强。欧晓明等[9]研究表明，硫肟醚对蛋白核小球藻细胞的生长具有一定的抑制作用，药剂的浓度越高抑制的程度也就越大，以丙酮为溶剂时96 h-EC50为3.14 mg/L，以乙酸乙酯为溶剂时为25.2 mg/L。农药发挥毒性作用的效果与它们所用的溶剂也有关系，并且还很明显，因为有机溶剂对藻类的生长也有影响。陈传红[10]发现丁草胺和啶虫脒对亚心形扁藻和杜氏盐藻的生长主要表现为抑制作用，丁草胺对这2种藻类的96 h-EC50的值分别为0.047、7.574 mg/L，啶虫脒对这2种藻类的96 h-EC50的值为108.151、13.348 mg/L。这也证明了不同的农药作用不同的藻类，产生的效果也不同。胡双庆等[11]试验得出吡虫清、吡嗪酮、恶草酮和精喹禾灵4种农药对斜生栅列藻的生长具有明显的抑制作用，抑制的程度和农药浓度呈正相关。张兴川[12]也做了3种农药与蛋白核小球藻的试验，结果表明马拉硫磷、杀螟丹、噻虫嗪对蛋白核小球藻的96 h-EC50分别为12.0、2.51、3.27 mg/L，这3种农药对蛋白核小球藻的生长有明显的抑制作用和浓度也有关系。吴丽[13]也证明了高效氯氰菊珠、灭幼脲和有机磷农药敌敌畏对铜绿微囊藻的生长也有抑制作用。刘 涛等[14]研究发现斜生栅藻生长受到高效氯氰菊酯的抑制，随着浓度的增加抑制效果增强，96 h-EC50的值为2.87 mg/mL，当高效氯氰菊酯的浓度超过10 mg/L时，斜生栅藻的生长完全受到抑制。张雪娇[15]通过试验表明高浓度的溴氰菊酯（0.8 mg/L以上）明显地抑制小球藻生长，对硫磷也抑制藻的生长，其96 h-EC50分别为0.805、48.640 mg/L。由此表明菊酯类农药和有机磷类农药对同样的藻的半数最大效应浓度有很大的区别。综上所述，不同的农药对不同的藻种都能起到抑制作用，浓度不同，抑制的程度也不同，生物对于生活环境的变化都具有一定的自我调节功能，去适应环境的改变，当水体中有农药时，藻类会自我调节，当环境中农药的作用超过了自我调节能力就会影响抑制藻类的生活生长，甚至是死亡。总的来说，农药对藻类生长的抑制都是随着农药浓度的上升抑制程度就越厉害，甚至是可以达到完全抑制的效果。

1.2 促进生长

Wong[8]发现浓度比较低的2，4-D（0.02、0.20 mg/L）和低浓度的草甘膦（0.02 mg/L）可以促进四尾栅藻的生长。陈传红[10]研究表明低浓度的丁草胺可以促进杜氏盐藻的生长，低浓度的啶虫脒也可以促进亚心形扁藻的生长。吴丽[13]通过用低浓度的高效氯氰菊酯、灭幼脲和有机磷农药敌敌畏与铜绿微囊藻的单细胞藻株混合培养，发现不同的农药有着不同的促进作用，它们对铜绿微囊藻的生长促进的浓度范围分别为0.01～1.00、0.01～0.10、0.1～1.0 mg/L。张雪嬌[15]的研究结果表明，低浓度的溴氰菊酯（≤0.4 mg/L）能刺激小球藻的生长，其生长速度明显的高于对照组。张 宇等[16]研究表明，普通的小球藻暴露在低浓度的高效氯氰菊酯下，会出现生长速度稳步增长的现象。岳文浩[17]试验结果表明，在单种培养的条件下，当氯氰菊酯的浓度小于或等于0.01 mg/L时对海洋微藻的生长具有明显的促进作用，锥状斯氏藻在氯氰菊酯浓度小于或等于0.01 mg/L时也表现为促进生长。沈 宏等[18]研究表明，早滇池水体中加入一些低浓度的甲胺磷（0.8、1.6、3.2 mg/L）和辛硫磷（0.02、0.06、0.10 mg/L）都能不同程度地促进微囊藻的生长。ZHOU等[19]研究发现，低浓度的辛硫磷和低浓度的乐果可以被微囊藻作为生长必须的磷源而利用，这样也能促进它们的生长。结合以上所述，低浓度的农药都能一定程度促进藻类的生长繁殖，因为浓度过低，对藻的毒害较小，对藻可能有一种刺激作用，能刺激藻的各种生理机能和各种反应，让它们变得更强从而促进藻的生长。低浓度的农药藻类可以在短时间内适应，并作出相应的反应，降解有害的物质，农药的毒害作用小于降解作用，所以藻类能正常生长，还可以把低浓度的农药污染源转化为自身生长繁殖需要的营养源，比如有机磷农药就可能会分解出磷元素供藻类生长，进而能促进藻类的生长，人们称这种在低浓度的农药下促进生长的现象叫“毒物的兴奋效应”。

2 农药对藻类的毒性作用机理

由于农药对水体的污染越来越严重，人们越来越重视农药对藻类的毒性实验研究，并且越来越深入，农药对藻类的作用机理非常复杂，研究农药的作用机理，对于把握这种农药有着非常重要的作用，总的来说可以归结为以下几个方面。

2.1 对藻类生物膜的影响

藻类的生物膜包含了细胞膜和细胞质里面细胞器的膜，细胞膜是控制物质的进出，如果生物膜受到破坏，控制物质进出就会受到影响，一些有害的物质随意进入到藻细胞中，有害的物质也不能及时排出体外，更重的是线粒体膜和叶绿体膜，它们破坏会严重影响呼吸作用和光合作用，甚至是导致藻的死亡。Altuntasa等[20]研究发现，一些有机磷农药能使藻细胞产生大量的活性氧，比如对硫磷、久效磷和辛硫磷，导致藻细胞膜脂氧化，对藻细胞造成严重的伤害。姜彬慧等[21]试验研究表明，随着溴氰菊酯浓度的增加，蛋白核小球藻的细胞表面出现严重的裂纹现象，这很明显地说明了这是对生物膜的一种严重破坏。早在20世纪90年代，Netrawali等[22]就研究发现了伏杀磷对莱哈衣藻的致毒机理就是破坏了藻细胞细胞膜的完整性，使胞内膜出现伤口，导致了细胞内蛋白质的露出，最终导致了细胞的死亡。

2.2 对光合作用的影响

光合作用是植物生命活动中非常重要的生理反应，它们能消耗CO2，生成O2和能量供各种生命活动使用。许多农药都能影响藻类的光合作用，但是它们的作用方式各有不同。特别是除草剂，很多都是通过抑制光和色素的含量来影响光合作用从而影响杂草的生长。光合色素中的类胡萝卜素不仅仅是一种和光合作用有关的色素，它还是一种内源抗氧化剂，吸收细胞内的剩余能量，防止膜被氧化[23]。上述中讲到农药对生物膜的影响，如果是破坏了和光合作用有关的生物膜，同样影响光合作用，比如叶绿体膜。除此之外，Chen等[24]研究显示，乐果通过抑制念珠藻细胞叶绿素a的合成，显著地降低了光合作用的效率。因为光合作用是在细胞内的叶绿体上进行的，其中叶绿体中要有叶绿素才能正常的运行，抑制叶绿素的合成也就是影响光合作用。张雪娇[15]也试验证明了高浓度的溴氰菊酯让小球藻的叶绿素含量显著降低。刘碧云等[25]研究发现，丙体六六六对叶绿素的影响与对藻密度等等影响一致，都是随着药剂浓度的增加抑制效果增强。也就是说药剂的浓度越大，对光合作用的影响也越大，主要原因就是农药对光合色素的含量有着非常重要的影响，不光是让光和色素的含量降低，还能影响各种色素的比例成分，能破坏叶绿素a和叶绿素b的固有结构，从而从根本上影响藻类的光合作用。蔡卓平[26]试验研究发现，高浓度的草甘膦不仅显著地降低了微藻叶绿素a的含量，同时高浓度的草甘膦还降低了中肋骨条藻和赤潮异弯藻PSII最大光能转化效率（Fv/Fm）、PSII实际光能转化效率、光合电子传递效率等，这同样也起到了影响藻类的光合作用。

2.3 对藻类生化成分的影响

对于这方面的研究，从生理生化的角度出发，必须非常深入且仔细认真地去探索才能得到正确的结论，根据不同生化指标的变化，有助于更加清晰地认识农药的作用方式。在有害物质的胁迫下，细胞内的活性氧自由基会急剧增加，细胞抗氧化能力会降低，为了维持正常，细胞内的抗氧化酶的活性被诱导发生变化[27]，主要有过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT），所以可以根据酶的活性变化来分析某种农药对藻类的影响。许超[28]用6个不同浓度的高效氯氰菊酯对小球藻进行试验，发现各处理组中可溶性蛋白含量和丙二醛（MDA）含量都呈先上升后下降的曲线规律。刘碧云等[26]研究结果表明，丙体六六六对斜生栅藻的超氧化物歧化酶（SOD）的影响，浓度为0.02 mg/L时达到峰值，然后下降，在2 mg/L时其活性只有对照组的38.18%，还发现丙二醛（MDA）的变化与SOD的变化有一定的相关性，当SOD急剧下降时，MDA的含量上升较快。欧晓明等[29]通过新农药硫肟醚对蛋白核小球藻的试验，发现藻细胞内的2种清除活性氧的关键酶均有明显的变化，分别是超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD），在低浓度时，蛋白质的含量增加，2种酶的活性也增强，但随着浓度的增加，藻内蛋白质的含量减少，SOD和POD的活性也相应的降低。陈传红[10]做了农药丁草胺和吡虫脒对2种藻的毒性试验，结果表明杜氏盐藻在这2种低浓度农药的作用下，能提高SOD和POD的活性，高浓度时为抑制，对于亚心形扁藻，SOD在对照组附近波动比较大，而POD的活性前期一般表现为抑制，而后开始恢复，这也说明了亚心形扁藻比杜氏盐藻的自我调节和自我恢复能力要强。葛 顺等[30]发现，毒死蜱在前期短时间内，低浓度作用下能促进可溶性蛋白、MDA含量的上升，但慢慢的呈下降的趋势。这也说明了可容蛋白和MDA对毒死蜱非常的敏感。总的来说，农药浓度越高，对各生化成分的抑制作用也就越强，但浓度低的时候同样有低幅度的增加，随着时间的推移再降低，当藻内SOD和POD的活性降低，对农药的抵抗就会变弱，清除O2-能力变差，就会导致活性氧的积累，细胞膜被氧化，控制物质进出就会受影响，最终导致细胞死亡。

3 藻类对水体中农药的净化作用

藻类对水体的净化主要表现在对水中农药的富集和降解，农药的降解过程中，又有它的自然降解部分，自然降解包含了水解和光解，所以在测试过程中必须得考虑这部分的因素。例如，屠云杰等[31]就研究了蛋白核小球藻和水华鱼腥藻对三氯杀虫酯的吸附和降解，发现去除毒性作用都很明显，生物降解和生物吸附是农药逸散的主要因素，水解作用小，光解基本可以忽略。

3.1 藻类对农药的富集作用

許多藻类对农药都有一定的富集作用，不同的藻种，富集的能力不同，通过研究藻类富集水体中的农药，既能了解农药在水生态系统中的迁移，还能通过富集能力强的藻去净化水体，减少农药直接对其他生物的影响，但藻类是水生态系统中的初级生产者，是食物链中的起始端，其富集的农药越多，在食物链中的各营养级也会含有的越多。Jin等[32]研究发现，在短时间内，莱茵衣藻能富集大量的扑草净从而藻的鲜重增加。欧晓明等[33]研究表明，蛋白核小球藻对硫肟醚具有一定的富集能力，初始浓度为20、100、400 mg/L时，其富集量分别在24、48、48 h达到最大，分别为11.58、15.15、16.42 mg/g FW，慢慢开始减少，120 h后，又随时间的延长而增大。李爱民[34]发现莱茵衣藻、纤细裸藻和聚球藻对三唑啉都具有很好的富集效果，富集量分别达到63.2、88.0、45.4 μg/g（湿重）。王晨[35]研究表明，栅藻细胞对甲草胺和乙草胺的生物富集系数分别是在572～915和376～1 068之间，这也就是说斜生栅藻对氯乙酰胺类除草剂有很强的生物富集能力。陈传红[10]还证明了亚心形扁藻对丁草胺具有明显的富集作用，初始浓度为3 mg/L和6 mg/L时，最大富集系数分别为1 922和1 048。

3.2 藻类对农药的降解作用

藻类除了能富集水体中的农药，还能通过降解来净化水体，不同的农药降解的能力也不同。降解可能是把农药分解，但分解的产物可能对藻类的生长有帮助，但也可能分解为继续对藻类有害的物质。欧晓明等[33]试验证明蛋白核小球藻具有降解硫肟醚的能力，初始浓度为20、100、400 mg/L时，5 d内日平均降解量分别为34.55、13.20、3.63 mg/L，其降解动力学方程可用二级反应动力学非常好地拟合。李爱民[34]研究发现莱茵衣藻、纤细裸藻和聚球藻对三唑啉具有降解效果，在初始浓度为10 mg/L，8 d时间内，降解率分别为35.3%、44.6%和9.8%，纤细裸藻的生物降解符合一级反应动力学方程，聚球藻和莱茵衣藻符合二级反应动力学方程。张兴川[12]研究表明蛋白核小球藻对马拉硫磷、杀螟丹和噻虫嗪都有很好的降解作用。司友斌等[36]研究说明铜绿微囊藻对苯酚有一定的降解作用，5 d的降解率达到67.6%。张 莹等[37]研究分析表明，斜生栅藻在初始浓度为1×105个/mL时，可以在22 h内将浓度为0.02～0.10 mg/L的磷全部去除，可以净化水体，防治污染。藻类降解农药，可以把农药降解为无毒的化合物或者能够供自身生长需要的磷源和氮源。很久以前，就有人试验证明了，藻能将DDT降解为DDD和DDE[38]，还能将艾氏剂转化为狄氏剂，优点还能进一步降解为反-艾氏二醇[39]。

4 结语

农药对水体的污染，其中影响最大的是藻类，藻类吸附农药，然后通过食物链的富集，最终影响到我们人类的生活健康。目前，农药与藻类相互作用的的研究还不全面，还有很大的空白，需要人们去努力。通过研究藻类和农药的相互作用，可以对农药的毒性进行一个评论，还能筛选出低毒易降解的农药进行生产和使用。藻类对农药有富集和降解的作用，可以用来净化水体中的农药污染，使用易降解的农药对环境的污染会小很多。农药的用量越大，防治效果可能会好一点，但是对环境的污染也越大，在水体中对藻类、对水生生物的毒性也越大，所以在施药中，最好用最适剂量，大力推广使用低毒、高效、低残留的农药。研究农药的致毒机理，从分子角度出发，通过藻类的各种生化组分的变化，可以知道不同的农药是通过怎样的途径来起到作用以及藻类在农药胁迫下有什么样的反应，这对于开发和选择农药有非常重要的意义，进一步深入研究农药与藻类的相互作用，对农药的使用、食品安全、生态环境的保护都有着非常重要的意义。

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