宋文阳, 竺浩杰, 徐笑笑, 刘 鹏, 尹晓辉, 刘训悦
(浙江农林大学 现代农学院,杭州 311300)
三唑类杀菌剂 (triazole fungicides,TFs) 是一类广谱、高效、低残留、长效、内吸传导性好,同时兼具保护和治疗作用的杀菌剂,通过影响菌体细胞膜上麦角甾醇的合成而发挥作用,可防控包括子囊菌、担子菌、半知菌等真菌病害,是目前最具潜力的杀菌剂种类之一,在作物病害防治上应用广泛[1-3]。目前常用的三唑类杀菌剂主要有三唑酮、苯醚甲环唑、戊唑醇、烯唑醇、腈菌唑、丙环唑、氟硅唑及氟环唑等。根据QYResearch数据统计,2019 年世界农药市场份额中,三唑类杀菌剂占了全球总杀菌剂的17.6%,全球销售额为32.12 亿美元,已成为世界范围内使用最广泛的杀菌剂类型之一。然而,由于三唑类杀菌剂光化学性质较稳定,生物降解率也较低,故而容易在环境中残留,造成面源污染,对非靶标生物产生不利影响,甚至可能对人体健康产生一定的威胁[4-7]。研究发现,三唑类杀菌剂可在土壤、水体、动植物及人体中产生一定的残留[8-10]。例如,在2022年抽样检查的香蕉中发现了苯醚甲环唑残留,其残留量为0.0554 mg/kg[11];王燕燕等[12]2022 年对广州市市场销售的115 种蔬菜进行丙环唑残留检测,测得其残留量均值为0.89 mg/kg,检出率为21.74%,值得一提的是,在该次抽样调查中,丙环唑在叶菜类蔬菜中的平均残留量高达2.62 mg/kg。
此外,三唑类杀菌剂还可对哺乳动物、昆虫、鸟类以及一些土壤无脊椎动物产生毒性,危害生态环境安全[13-15]。通过查询欧盟农药分类信息(https://www.efsa.europa.eu/en) 发现,苯醚甲环唑、戊唑醇、氟环唑、丙环唑、粉唑醇、环丙唑醇和氯氟醚菌唑这7 种三唑类杀菌剂中,戊唑醇、丙环唑和环丙唑醇未能排除对水生生物的急性和慢性毒性风险,氟环唑未能排除对水生生物的慢性毒性风险。根据GB/T 31270—2014《化学农药环境安全评价试验准则》[16]的研究方法,对以上7 种三唑类杀菌剂进行富集性评价,其中粉唑醇为低富集性,其余6 个品种均表现为中等富集性[17]。三唑类杀菌剂的生物富集性使得其在水生生物体内的残留量增加,因而增大其对水生生物的毒性风险,例如导致水生生物的氧化损伤、代谢紊乱、发育不良等。本综述拟从急性毒性、氧化应激毒性、发育毒性、遗传毒性、内分泌干扰作用、对机体代谢的影响及联合作用毒性等多方面、多层次概述三唑类杀菌剂暴露对鱼类、两栖类、溞类和藻类等水生生物的毒害作用,旨在为三唑类杀菌剂在农业生产上的科学合理应用提供理论指导,并为后续三唑类杀菌剂的环境生态学研究提供参考。
三唑类杀菌剂因其具有特定的作用靶点,一直在杀菌剂市场中占据重要地位[18]。喷施后未被植物有效吸收利用的杀菌剂,易随降雨及地表径流等进入江河湖泊中并不断累积,进而污染水环境[19]。由于三唑类杀菌剂在全球范围内的长期大量使用,导致很多地区水域中都检测到了该类药剂的残留。表1 列举了已报道的部分地区中三唑类杀菌剂的残留情况,从中可以看出,以农业生产为主的地区三唑类杀菌剂残留量较高,如在美国的大农场附近、南美的秘鲁、欧洲以及中国的九龙江水域附近都发现了三唑类杀菌剂的残留。除此之外,在中国东北城市沈阳采集的河水和废水中也检测到了腈菌唑的残留[20]。我国是农业大国,三唑类杀菌剂的残留情况不容小觑,因此要严格监测,预防因三唑类杀菌剂残留而出现的环境问题,为生态环境的保护和污染治理提供可行的实施方案。
表1 水生生态环境中三唑类杀菌剂的残留现状汇总Table 1 Summary of residue concentrations of triazole fungicides (TFs) in aquatic environments
已有大量试验研究为三唑类杀菌剂对环境生物的毒性效应评价提供了数据支撑。如通过组织病理学研究分析三唑类杀菌剂对水生生物的致畸作用;通过氧化损伤相关指标研究分析其对水生生物的氧化应激作用毒性;通过对水生生物的代谢组学、转录组学、基因组学等研究进行毒性机制探讨等。
表2 列出了几种常见三唑类杀菌剂对水生生物的急性毒性效应。从中可看出,不同三唑类杀菌剂对同种水生生物的毒性作用不同,而同一种三唑类杀菌剂对不同水生生物的毒性效应也存在差异。如,三唑醇对斑马鱼的96 h-LC50值为23.61 mg/L,根据OECD 实验准则的毒性分级标准,表现为低毒,而丙环唑对斑马鱼的96 h-LC50值为2.47 mg/L,表现为中毒;三唑酮对虹鳟鱼的毒性最低,而对稀有鮈鲫的毒性最高,苯醚甲环唑对花鲤的毒性最低,对斑马鱼的毒性最高。化学物质暴露可能会引起生物行为发生变化,通过行为分析可以直观地看出生物体受到环境介质毒力影响的情况[26]。例如将斑马鱼分别暴露于200 ng/L 和500 ng/L 的戊唑醇中96 h 后,发现斑马鱼自主活动减少并出现畸形[27],暴露于5 mg/L 的三唑酮中则可使斑马鱼产生盘旋行为[28]。
表2 常见三唑类杀菌剂对不同水生生物的急性毒性效应Table 2 The acute toxicity of triazole fungicides (TFs) on different aquatic organisms
暴露于三唑类杀菌剂中的水生生物通常会出现不同程度的发育异常。淡水鱼暴露于0.5 mg/L丙环唑中96 h,会导致其组织、器官发生病理学变化,如初级/次级鳃片出现萎缩、浸润及炎症,肝细胞出现空泡化以及肾坏死等[43]。苯醚甲环唑暴露引起斑马鱼肝脏出现肿瘤性坏死,戊唑醇暴露可引起斑马鱼肝脏的液泡化,使得肝细胞之间的界限变模糊[44]。因此,一定浓度的三唑类杀菌剂暴露会引起水生生物组织器官发生病变,干扰其正常生理功能,产生不同程度的毒性效应。研究发现,部分三唑类杀菌剂还可以干扰核酸翻译和表达,进而影响个体生长发育过程,如造成胚胎生长迟缓、致畸、器官功能不全或异常,甚至死亡。据报道,将斑马鱼暴露于不同浓度的戊菌唑 (penconazole) 中,会导致斑马鱼胚胎出现不同程度的发育异常,如孵化延迟、生存率和心率降低[45];而苯醚甲环唑暴露可使斑马鱼胚胎发育出现形态学畸形,如心包水肿、卵黄囊水肿、脊柱变形和卵黄囊畸形 (图1)[46]等。
图1 苯醚甲环唑暴露引起斑马鱼胚胎的畸形[46]Fig.1 The teratogenesis of Danio rerio (zebrafish) embryos after difenoconazole exposure [46]
表3 概括了常用三唑类杀菌剂对几种常见水生生物的发育毒性。其中,斑马鱼胚胎暴露于100µg/L 的丙环唑中会降低其存活率并诱导色素衰减,在胚胎和仔鱼中出现心包水肿,且在斑马鱼胚胎中可以观察到心脏区域血细胞弥漫,心包区域的血液发生聚集,氧化呼吸发生变化,基础呼吸降低50%,寡霉素诱导的ATP 相关呼吸降低70%,质子渗漏降低30%,非线粒体呼吸降低50%,表明丙环唑暴露可以诱导斑马鱼色素减退,破坏线粒体生物能量[47]。将斑马鱼暴露于0.1 mg/L的三唑酮会导致形态畸形,包括心包水肿,循环异常,严重的静脉血栓,静脉窦 (SV) 和球茎之间的距离增加,心动过缓和心输出量显著降低[48]。丙硫菌唑暴露会降低斑马鱼胚胎中的谷胱甘肽水平,增加丙二醛含量,进而对斑马鱼胚胎产生一系列毒性效应,包括孵化抑制、体长缩短、心包囊肿和卵黄囊肿[49-50]。此外,三唑类杀菌剂暴露还会诱导斑马鱼胚胎相关基因表达的变化,如己唑醇、环唑醇、三唑酮、腈菌唑和三唑醇会影响斑马鱼体内视黄醇代谢及cyp26a1基因的表达,其中己唑醇、环唑醇和三唑酮暴露下cyp26a1基因的表达量较对照组上调了2.5 倍以上[51]。此外,三唑类杀菌剂暴露对其他水生生物的发育也会产生不同程度的影响。如不同浓度戊唑醇暴露可影响大型溞的存活、繁殖和生长[52];三唑酮暴露可以通过改变非洲爪蟾HPT 轴相关基因的表达,扰乱其甲状腺分泌功能,延缓甲状腺激素依赖型两栖动物的变态发育过程,造成其生长发育迟缓[53]。
表3 三唑类杀菌剂暴露对水生生物的发育毒性Table 3 Developmental toxicity of triazole fungicides (TFs) to aquatic organisms
氧化应激可以反映机体氧化与抗氧化作用是否失衡,一般由外界刺激产生,其表征指标为活性氧(ROS)含量,是常用的环境检测指标[63]。研究发现,作为环境污染物之一的三唑类杀菌剂可以引起水生生物的氧化应激和氧化损伤 (表4)。以斑马鱼为例,将受精后2 h 的斑马鱼胚胎暴露于质量浓度为0.05 和0.5 mg/L 的戊唑醇中,活性氧生成增加;在0.5 mg/L 时,谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)活性降低,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、谷胱甘肽S-转移酶(GSTs)和天冬氨酸转氨酶(AST)/丙氨酸氨基转移酶(ALT)在暴露和净化阶段活性均显著升高[64-65]。将稀有鮈鲫暴露于三唑酮中,会诱导鮈鲫体内ROS 的积累,提高GPx、SOD 和CAT 的活性[66]。鲤鱼暴露于苯醚甲环唑会导致心肌纤维肿胀和炎症细胞的增加,导致抗氧化酶CAT、SOD和GSH-Px 活性升高[67]。线粒体是细胞中重要的细胞器,有研究发现,线粒体不仅与 ROS 的产生有关,还参与对细胞凋亡的调控[68]。用 100 µg/L的戊唑醇处理斑马鱼胚胎,显示基础呼吸约减少60%,表明耗氧量受损或资源分配发生变化[69],并且证明了氧化应激是导致细胞损伤的重要因素[70]。暴露于高浓度 (0.850 mg/L) 丙硫菌唑中会降低斑马鱼胚胎的存活率并影响其孵化,诱导心包和卵黄囊水肿,导致氧化应激和p53 基因表达增加,从而导致细胞凋亡[49]。将斑马鱼成鱼和胚胎暴露于一定浓度的苯醚甲环唑溶液中,发现斑马鱼成鱼肝脏和胚胎中SOD、CAT 和GPx 的活性显著下降,同时伴随着这些酶的编码基因表达水平显著下调;MDA 含量测定发现,经苯醚甲环唑暴露后,斑马鱼成鱼肝脏出现了明显的脂质过氧化[32]。
表4 三唑类杀菌剂暴露对水生动物的氧化应激毒性Table 4 Oxidative stress effects of triazole fungicides (TFs) on aquatic animals
遗传毒性是指环境中的理化因素作用于有机体,使其遗传物质在染色体水平、分子水平和碱基水平上受到各种不利影响,从而造成的毒性损伤。例如细胞内ROS 含量的增加可使其直接攻击碱基、脱氧核糖核酸 (DNA) 的脱氧核苷酸骨架等细胞成分,引起DNA 链断裂、碱基修饰、DNA-DNA交联、DNA-蛋白质交联和其他氧化性DNA 损伤,诱发遗传毒性[82]。将斑马鱼暴露于0.5 μg/L 和10 μg/L的丙硫菌唑中,会导致性腺指数和形态受损,成年斑马鱼的生育能力降低,F1胚胎发育异常,其潜在机制正是由于卵子和精子中性激素含量和DNA 甲基化发生了改变[83]。斑马鱼暴露于丙环唑中120 d 后,其类固醇激素、下丘脑-垂体-性腺-肝(HPGL) 轴和DNA 甲基化相关基因的表达均受到影响,17β-雌二醇和卵黄原蛋白水平升高,表明丙环唑暴露导致的DNA 甲基化可影响亲代斑马鱼的受精和繁殖能力,进而使子代发育异常[84]。戊唑醇暴露对绿藻、月牙藻和微绿球藻均具有一定的遗传毒性,可造成DNA 分子单链水平的损伤,并导致不同部位蛋白质含量的失衡[85]。目前,针对环境污染物对模式生物基因影响层面的研究越来越多,探明基因表达的变化,结合相关生物酶及蛋白活性的变化,将有助于进一步了解三唑类杀菌剂对水生生物产生毒性的潜在机制。
内分泌干扰化学品 (EDC) 是指可干扰野生动物和人体内分泌系统 (或激素系统) 的化合物。EDC 可以通过多种作用机制调节内分泌系统,并可能导致癌性肿瘤、出生缺陷和其他发育障碍。动物研究表明,其中许多不利影响通常是永久性的,并且一些 EDC 可以充当表观遗传调节剂,从而导致潜在的隔代影响[86]。部分三唑类杀菌剂已被确定为具有内分泌干扰特性,而三唑类杀菌剂在多地水生生态系统中都有检测到,其残留水平可能会干扰水生生物的内分泌功能。Li 等[87]在成年斑马鱼的卵巢中发现了戊唑醇的组织特异性生物蓄积,表明其存在导致内分泌紊乱的潜在风险。Poulsen 等[88]研究发现,经戊唑醇暴露后,非洲爪蟾血浆和性腺中的类固醇类激素含量均发生了变化。与对照组相比,高剂量丙环唑暴露组非洲爪蟾脑内芳香化酶活性显著增高,表明丙环唑对其甲状腺系统有刺激作用,且变态2 个月后,低剂量组雄性的睾丸大小、精子和苗勒氏管成熟度均比对照组有不同程度降低,而丙环唑处理组雄性斑马鱼肝脏体细胞指数则有所增加[89]。Yu 等[90]将斑马鱼胚胎分别暴露于己唑醇和戊唑醇中,发现受精后120 h 的胚胎中甲状腺素 (T4) 水平显著降低,而三碘甲状腺原氨酸 (T3) 浓度显著升高,表明己唑醇和戊唑醇会影响斑马鱼幼鱼甲状腺相关激素的分泌。而将热带爪蟾蝌蚪暴露于戊唑醇中发现,戊唑醇会导致热带爪蟾蝌蚪的T3、T4 激素水平上升,且在2 mg/L 质量浓度下暴露7 d 后,his、ttr、tshr和dio2基因表达水平相较于对照组有显著上升,暴露21 d 后,除dio3外,其余6 个下丘脑-垂体-甲状腺(HPT) 轴相关基因表达水平均有显著上升,甲状腺激素水平变化和HPT 轴相关基因的表达水平差异,说明戊唑醇对热带爪蟾存在明显的甲状腺内分泌干扰作用[91]。Liang 等[92]将斑马鱼暴露于苯醚甲环唑中,发现其体内T4 水平明显降低,T3 水平无明显变化;促甲状腺激素释放激素(CRH)、促甲状腺激素(TSH)、转甲状腺素蛋白(TTR)、碘甲腺原氨酸脱碘酶(DIO1 和DIO2)、尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶(UGT1ab)的转录水平均上调,而甲状腺球蛋白(TG)、钠/碘同向转运体(NIS)和甲状腺激素受体的转录水平则无明显变化。将斑马鱼暴露于三唑酮中,同样会改变其HPT 轴相关基因的表达,并影响甲状腺激素的合成,破坏甲状腺的正常生理功能[93];将非洲爪蟾暴露于三唑酮中也发现其体内甲状腺激素 (T4、T3) 浓度有下降的现象[94]。
代谢紊乱是指机体对物质的消化、吸收、排泄出现病理性变化,由于供需不平衡而导致的一种不良状态。细胞内各种代谢途径如糖酵解途径、三羧酸 (TCA) 循环、电子转移体系等对维持细胞稳态十分重要。因此,毒理学试验中可通过将葡萄糖、乳酸、氧化型辅酶/还原型辅酶(NAD(P)/NAD(P)H)、谷胺酰胺、谷氨酸等代谢产物作为指标来进行评价和研究。将大型溞暴露于戊唑醇中,发现随着戊唑醇浓度的增加,大型溞应对有毒物质产生的相关能量升高,在暴露于0.52 mg/L 的戊唑醇中时,大型溞的代谢功能受到损害,导致脂质和蛋白质含量降低[95]。在230 mg/L 的戊唑醇中暴露7 d 和14 d 后,雄性斑马鱼体内葡萄糖、乳酸、胆固醇和甘油三酯水平升高,表明戊唑醇可对斑马鱼产生多种破坏性生理作用,导致其代谢异常[96]。将斑马鱼暴露于70 mg/L 的烯唑醇中,发现其缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、丙氨酸、乳酸和胆碱含量增加,葡萄糖、肌酸和牛磺酸含量降低,即烯唑醇干扰了能量代谢、氨基酸代谢和脂质代谢[97]。而将虹鳟鱼暴露于丙环唑中,出现了明显的蛋白水解酶和淀粉酶活性受抑制现象;此外,暴露于500 μg/L 丙环唑的虹鳟鱼肠道中,能量代谢参数 (Na+-K+-ATPase) 受到了显著抑制[98]。
苯醚甲环唑在一定浓度下可促进微藻生长,改变水生微生物群落的结构和组成,同时,水生微生物可以通过对外源性物质的生物降解和代谢、脂质代谢等微生物功能调节来减少苯醚甲环唑暴露的影响[99]。关于三唑类杀菌剂对藻类毒性的研究发现,腈菌唑、丙环唑和戊唑醇都能抑制藻类生长,影响蛋白质结构和组成,还可破坏其类囊体膜,阻碍蛋白质和叶绿素a 的合成,最终抑制藻类生长[100]。不同异构体的叶菌唑 (triadimenol)会影响水华微囊藻Microcystis flos-aquae的叶绿素a 和类胡萝卜素含量、光化学效率、快速光反应曲线、光能利用效率和蛋白质含量[101]。还有研究证明,三唑类杀菌剂会影响斑马鱼肠道微生物菌群的变化。例如,苯醚甲环唑可以增加肠道微生物群落如厚壁菌、气单胞菌、肠杆菌和拟杆菌等的丰度,而这些肠道菌的变化可能与斑马鱼发育过程中的脂质代谢有关[102]。
此外,三唑类杀菌剂在光催化或生物体酶的作用下会转化为一系列代谢物 (triazole fungicide products,TPs),而有些代谢物的毒性与母体相当,甚至更高[103]。如丙硫菌唑易在环境中降解成脱硫丙硫菌唑,脱硫丙硫菌唑更易迁移到水体等环境中,半衰期较母体更长,对靶标生物的毒性也更大[104]。苯醚甲环唑的初级代谢产物苯醚甲环唑醇会在斑马鱼体内发生生物累积,且在雌性斑马鱼中的生物蓄积量大于雄性[58]。因此,对于三唑类杀菌剂的毒理学研究,不但要关注杀菌剂母体的影响,还要关注其代谢物尤其是有毒代谢产物的毒性效应和机理。
自然环境中农药残留常常与环境中的其他污染物质共存,关于复合污染的联合毒性评价存在诸多不确定性。针对三唑类杀菌剂与其他农药联合暴露毒性的研究较多,其中可能有协同也可能有拮抗作用。有研究表明,戊唑醇和苯醚甲环唑联合暴露对斑马鱼的毒性可能存在拮抗作用,混合物对成年斑马鱼的急性毒性与药剂单独处理相比表现为累加效应,对肝脏的联合毒性则小于药剂单独处理效应的累加,并且混合物对性腺和肠道菌群的毒性作用也比两种单剂处理的累加毒性有所降低。转录组学和代谢组学研究进一步表明,混合物可以诱导更多的差异表达基因 (DEGs)来调节参与能量代谢、类固醇激素生物合成、视黄醇代谢和微生物代谢的途径,平衡能量代谢和供应,维持类固醇激素和视黄酸水平,进一步降低戊唑醇和苯醚甲环唑对斑马鱼肝脏和性腺的毒性作用[105]。Wang 等[106]研究了戊唑醇和联苯菊酯对斑马鱼的联合毒性,发现无论是在胚胎期、仔鱼期、幼鱼期和成鱼期,戊唑醇和联苯菊酯组合对斑马鱼的急性毒性均表现为协同效应,进一步评估了与氧化应激、细胞凋亡、免疫系统和内分泌系统相关的 16 个基因在mRNA 水平上的表达,发现其中有些基因发生了较大变化,与药剂单独作用相比,联合处理组cas3和p53的表达水平明显下调,cas9的表达水平则明显上调。Levine等[107]研究发现,丙环唑会增强对硫磷对水生物种的急性毒性。丁草胺和三唑酮联合暴露则对影响斑马鱼胚胎发育以及导致甲状腺内分泌紊乱都具有协同作用[108]。阿维菌素与苯醚甲环唑的联合毒性研究表明,复合农药暴露表现出偏离非独立作用模型的剂量水平依赖——低剂量时表现为拮抗作用,高剂量时则表现为协同作用[109]。腈菌唑与噻虫嗪联合暴露对斑马鱼胚胎发育的影响也表现出协同作用[110]。与单一药剂暴露相比,氟咯菌腈与三唑酮联合暴露组斑马鱼胚胎ERa、Tnf、IL和bax4 个基因表达量的变化更显著,表现出协同作用[111]。
三唑类杀菌剂因具有高效、广谱性、持效期长等优点,使其在防治病害、提高粮食产量和品质方面发挥着不可替代的作用,是目前最有发展前景的杀菌剂类型之一。随着三唑类杀菌剂的长期大量使用,在各地水体中已多次检测到该类药剂的残留,尤其是农业发达的地区残留情况更甚。不可否认三唑类杀菌剂在农业生产中的贡献,同样也不可忽视其带来的环境污染问题。水体中的三唑类残留物会对水生生物及水环境造成一定的危害,影响鱼类、两栖类和溞类等水生生物的健康,同时对藻类的生长也会产生一定的促进或抑制效果。此外,三唑类杀菌剂对环境生物的影响形式多样,不仅会导致生物个体畸形、生长受阻、器官组织病变,还会影响生物代谢和引起内分泌失调,甚至造成基因突变。水生生态风险评估在水环境生态修服和建设中至关重要,未来必定向更高层次发展。展望农药水生生态环境风险评估未来的发展,笔者认为以下几方面的研究还有待加强:
1) 对三唑类杀菌剂代谢产物的研究较少,尤其是探究代谢产物对水生生物毒性的研究更少,因此需要进一步研究明确代谢物的毒性,以便更系统地评估三唑类杀菌剂的毒性。
2) 自然界中生物物种及残留农药的种类均不是单一存在的,目前有关三唑类杀菌剂对藻类、溞类、鱼类及两栖类等单一物种的毒性已有较多研究报道,但还应从生态系统的角度,对处于不同营养级的生物综合进行毒性评估。此外,目前关于不同种三唑类杀菌剂之间以及三唑类与其他污染物质之间联合毒性的研究较少。后续应加强对多种相关生物的综合评价以及对多种污染物质联合暴露毒性效应的研究,并在暴露浓度选择上尽可能贴近环境浓度。
3) 在风险表征方面,需要探索更多适用于生物体内三唑类杀菌剂含量的定量分析方法,以便为表征暴露和效应评估提供必要的基础数据,但是目前有关定量分析方法的研究还较少。此外,现有调查数据已证实,三唑类杀菌剂在水环境中存在较为广泛的残留,未来随其大规模施用可能还存在一定程度的残留累积,但如何缓解三唑类杀菌剂残留造成的风险还有待进一步研究。