Research progress on toxicological effects of pesticides on earthwormsVk2知覽論文網
BAO Xin CHEN Xiaojun MENG ZhiyuanVk2知覽論文網
College of Plant Protection, Yangzhou University School of Guangling, Yangzhou University
Vk2知覽論文網 Abstract：Pesticides will inevitably enter the soil environment through droplet splash drift, pesticide packaging residue, pesticide processing leakage and organism excretion during use, which will bring potential environmental risks to soil organisms. As the main biological group in the soil，earthworms are the most suitable model organisms for assessing the risk of pesticide toxicity. Based on the current research on the toxicological effects of pesticides on earthworms，this review summarized the ways of pesticides entering the soil and their residues in the soil, the enrichment and elimination behaviors of pesticides in earthworms, the toxic effects of pesticides on earthworms, such as growth and reproductive toxicity, cytotoxicity, neurotoxicity, genotoxicity and oxidative stress, and emphatically reviewed the latest progress of transcriptomics, metabonomics and microbiology in revealing the mechanism of pesticide induced earthworm toxicity. This review will provide necessary data support for soil ecological risk assessment of pesticides, and provide basis for risk management and remediation of pesticide pollution in soil.Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網 Keyword：Pesticide toxicology; earthworm; bioconcentration; toxicity effects; mechanism;Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
農藥作為農業生產中最重要的生產要素之一，在保障農產品質量安全中發揮著重要的作用。土壤不僅是植物生長的主要依托，還是耕地產能、糧食安全和環境保護的重要支撐[1,2]，更是農藥施用過程中最容易進入的環境介質之一[3]。已有研究指出包括有機氯類、有機磷類、新煙堿類農藥在內的諸多農藥在土壤中殘留的事實[4,5,6]。同時，大量研究發現農藥可以明顯影響土壤的生態功能。比如丙硫菌唑及其脫硫代謝物可以抑制土壤中脫氫酶、過氧化氫酶和脲酶的活性[7]。此外，氟醚菌酯、乙草胺和莠去津等農藥不僅可以影響土壤脫氫酶和脲酶的活性，還改變了土壤微生物的多樣性[8,9]。蚯蚓是土壤環境中生物量最大的動物類群[10]，其可以通過挖洞、攝食等活動來疏松土壤、促進養分循環以及改善土壤肥力[11]。此外，蚯蚓在土壤無機物和有機物的分解中也發揮著重要作用[12]，是陸生生物與土壤生物之間污染物傳遞的橋梁。因此，蚯蚓在毒理學研究中常被作為評價土壤污染程度的重要模式生物[13]。其中，赤子愛勝蚓Eisenia fetida和安德愛勝蚓Eisenia andrei因較短的生命周期、較強的行動能力、繁殖能力和降解能力而在生態毒理學研究中被廣泛使用，也是農藥土壤環境風險評估的標準測試生物[14,15,16]。近年來，隨著社會經濟持續發展，人們對生態環境安全提出了更高要求，農藥對蚯蚓生態毒性效應及其潛在機制的研究備受關注。目前，已有大量研究證實了農藥污染會對蚯蚓的生殖生長[17]、組織結構[18]、神經傳遞[19]等方面造成不利影響。此外，隨著科學技術的不斷發展，轉錄組學、代謝組學和微生物組學等組學技術可以在較短時間內檢測生物體內的核酸、蛋白質、內源性代謝物、微生物等生物信息的變化，徹底改變了農藥毒理學的研究體系，以促進對農藥毒性效應分子機制的理解[20,21,22,23]。目前，已有一些研究利用組學技術創新性地從基因、代謝物或微生物水平探究了農藥對蚯蚓的致毒機理[24,25,26]。本文回顧了農藥進入土壤的途徑及其在土壤中的殘留現狀、農藥在蚯蚓體內的富集與消除，重點歸納總結了農藥對蚯蚓產生的毒性效應及其作用機制，旨在為農藥的土壤生態風險評估提供數據支撐，為農藥在實際農業生產中的應用以及土壤污染管理提供合理的建議。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
1 農藥進入土壤的途徑及其在土壤中的殘留現狀Vk2知覽論文網
1.1 農藥進入土壤中的途徑Vk2知覽論文網
農藥對土壤的污染可以分為直接污染和間接污染兩種形式。截至2020年底，中國水稻、小麥、玉米三大糧食作物的農藥利用率僅為40.6%[26]，這意味著大部分農藥未能沉積于靶標而流失?，F階段，農藥主要以莖葉噴霧的方式施用于防治對象，因此大量的農藥霧滴會以飛濺、漂移、滾落等形式流失到土壤、水體等環境中[27]。此外，拌種法、土壤處理法等施藥方法更是直接將土壤作為農藥的儲存和集散場所[28]。同時，在農藥生產過程中，加工機械、運輸管道、儲存單元等加工流程中的農藥泄露，是土壤環境中殘留農藥的來源之一[29]。而作為典型社會源危險廢物的農藥包裝廢棄物，若未得到妥善的處理，也將是農藥進入土壤環境中的潛在形式[30]。還有研究發現，毒氟磷進入大羽白肉雞體內后，主要通過排泄物排出體外[31]，由此可以提出農藥還可能通過動物排泄物間接進入土壤環境。此外，前人還在德國的城市環境以及農業環境的地表水中發現了草甘膦、AMPA、吡氟草胺等農藥的殘留[32]。也有相關研究在中國的水環境、地表沉積物中發現了有機氯農藥殘留[33,34]，因此被污染的灌溉水源以及地表沉積物等土壤改良物質同樣也可能是農藥進入土壤的載體之一?？偟膩碚f，農藥可能通過施藥過程的遺失、加工儲運過程的泄露、土壤改良物質、生物體的排泄、農藥廢棄包裝等多種形式進入土壤環境（圖1）。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
1.2農藥在土壤中的殘留現狀Vk2知覽論文網
有機氯類農藥由于在環境中滯留時間長，降解速度慢以及歷史使用量大等原因，其在環境中的檢出率一直居高不下[35]。魏雪芬等調查發現，蘭州西固區土壤中的8種有機氯農藥異構體（OCPs）的檢出率均達到了100%[36]。梁曉暉等也在雷州半島土壤中檢測出了10種OCPs殘留，其中六六六（HCHs）和七氯是該地區的主要有機氯類污染物，在土壤中的殘留濃度分別為23.83~111.51和11.01~25.95 ng/g[37]。Tao等在2018-2020年間采集了北京麥田土壤，也在其中檢測出了HCHs、DDTs等有機氯農藥殘留，其中DDTs保持了穩定的檢出頻率，2020年在土壤樣本中檢測到了21中農藥殘留，其中p,p’-DDE的檢出率達到100%，最大殘留濃度為546.0 μg/kg，吡蟲啉以90%的檢出率位居新煙堿農藥第一，最高殘留濃度為532.6 μg/kg[4]。同時，2017~2018年間的韓國有機氯農藥土壤調查結果顯示，在韓國150個農業土壤樣品中有機氯農藥的檢出率為96%，其中DDT和硫丹的檢出濃度較高，平均檢出濃度分別為0.31和0.33 ng/g[38]。土壤對有機磷農藥具有吸附和結合殘留成分的作用，因此有機磷農藥在土壤中也具有較高的殘留風險[39,40]。Li等在調查有機磷農藥在中國的分布特征時發現，有機磷農藥在溫室土壤和露天土壤中的檢出濃度范圍分別為22.1~335和9.93~303 ng/g[5]，平均檢出濃度分別達到了108 ng/g和57.9 ng/g，同時調查結果顯示有機磷農藥在中國東北部、北部和中部地區殘留量較高。Pan等采集并檢測了241份長江三角洲農業土壤，發現9種有機磷農藥的檢出率達到了93%，總檢出濃度范圍為3.0~521 ng/g，平均檢出濃度為64.7 ng/g。其中，樂果的檢出率最高，為80.9%，平均殘留濃度達到50.8 ng/g[41]。新煙堿類殺蟲劑因其獨特的作用機理以及廣譜、高效的殺蟲活性，已在農業中廣泛使用[42]，并逐漸在土壤污染因子中占據主要地位[43]。在山東省濟陽縣的設施番茄土壤中，調查人員檢測出了較高濃度的噻蟲嗪和吡蟲啉，其濃度均值分別為0.107和0.233 mg/kg。此外，在設施黃瓜土壤中同樣檢測出較高濃度的噻蟲嗪和吡蟲啉，其濃度均值分別為1.18和0.126 mg/kg[44]。Wu等在山東省壽光市的番茄大棚土壤和黃瓜大棚土壤中分別檢出了7種和6種新煙堿類殺蟲劑，總檢出濃度范圍分別為0.731~11.383和0.363~19.224 μg/kg，同時發現表層土壤中的新煙堿類殺蟲劑的殘留量高于中下層土壤[6]。Bonmatin等采集了菲律賓3個省份的67份土壤樣品，新煙堿類殺蟲劑的檢出率達到78%，其中吡蟲啉檢出頻率最高，平均檢出濃度為0.56 μg/kg。同時指出柑橘土壤中的新煙堿類農藥殘留濃度是其他3種土壤的130倍，平均殘留濃度達到了113.5 μg/kg[45]。除此之外，研究人員在中國江蘇、重慶、浙江、廣東、廣西、福建、云南等地的土壤中還檢測出了8種擬除蟲菊酯類農藥殘留，其中氯氰菊酯在這些地區土壤中的檢出率最高[46]。為了評估中國長江三角洲地區農業土壤中擬除蟲菊酯類農藥的殘留狀況，Deng等對所采集的中國長江三角洲地區農業土壤樣品進行了檢測，發現了甲氰菊酯、氯氰菊酯、溴氰菊酯以及三氟氯氰菊酯在該地區的殘留，4種農藥的平均檢出濃度分別為4.92、1.10、0.89和0.20 ng/g，其中氯氟氰菊酯的檢出率最高，達到63.9%[47]。同樣，調查人員在江蘇省的農業土壤和茶園土壤中也檢測出了高效氯氟氰菊酯、聯苯菊酯等擬除蟲菊酯類農藥，在這兩種土壤中的擬除蟲菊酯類農藥殘留總量分別為27.1~50.7和56.9~97.0 ng/g[48]。Silva等檢測了317個歐洲農業土壤樣品中76種農藥的殘留水平，在80%的土壤中檢測出了農藥殘留，在所有的土壤樣品中，最大單個農藥殘留量為2.05 mg/kg，最大農藥總殘留量為2.87 mg/kg，其中草甘膦及其代謝物AMPA、DDT及其代謝物、啶酰菌胺、氟環唑、戊唑醇的檢出濃度及檢出率較高[49]。手性農藥由于其獨特的手性結構，在土壤中的降解行為存在較大差異，其土壤殘留風險也備受關注。Shen等調查了我國農業土壤中的甲霜靈、敵草胺、滅菌唑、葉菌唑等手性農藥的殘留情況，發現甲霜靈、敵草胺、滅菌唑、葉菌唑的最大檢出濃度分別為16.67、32.99、207.39、71.83 ng/g，其中觀察到了R-甲霜靈、R-滅菌唑、葉菌唑-1和葉菌唑-4的特異性殘留[50]（表1）。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
表1部分地區土壤中的農藥殘留分別特征Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
2 農藥在蚯蚓體內的富集與消除Vk2知覽論文網
2.1 農藥在蚯蚓體內的富集行為Vk2知覽論文網
蚯蚓暴露于土壤環境中，可通過被動擴散和攝食作用將土壤中的農藥吸收并積累于體內，從而通過食物鏈等途徑威脅更高等級生物。被動擴散作用主要是指農藥通過土壤溶液穿透蚯蚓體表進入體內，而攝食作用則是土壤中的農藥通過蚯蚓的攝食過程進入體內[51]。Belfroid等[52]基于兩種吸收途徑建立了預測蚯蚓體內疏水性有機化合物吸收積累的模型，借此模型可以通過化合物的油水分配系數（log Kow）來預測蚯蚓吸收和積累農藥的方式。Jager等建立的相關預測模型還進一步指出隨著有機化合物疏水性的增強，當log Kow接近5，尤其是大于6時蚯蚓通過腸道吸收有機化合物將是其主要吸收途徑[53]。例如在正常環境下，甲霜靈[54]、乙氧呋草黃[55]和α-六氯環己烷[56]的log Kow分別為1.6、2.7和3.9，因此皮膚暴露可能是這3種農藥進入蚯蚓的主要途徑。蚯蚓部分的內臟分泌物也有利于物質的消化，從而增加農藥等有機物在液相內的溶解度，同時使蚯蚓臟器內液相物質的極性降低，利于農藥在蚯蚓臟器脂肪的累積[51]。除此之外，Chevillot等還提出了農藥與蚯蚓體內結構蛋白等蛋白質的結合也是一種蚯蚓富集農藥的潛在機制[57]。生物濃縮因子（BCF）、生物富集因子（BAF）、生物-土壤富集因子（BSAF）在OECD317中被確定為用來描述污染物在蚯蚓體內富集過程的重要因子，并成為農藥在蚯蚓體內富集評估的重要指標[58]。溴敵隆隨著暴露時間的增加也能在蚯蚓體內富集，10、20 mg/kg土壤處理組的蚯蚓的富集濃度均在暴露第14天達到最大值，同時BAF隨著土壤中暴露濃度增加而減小，表明溴敵隆在蚯蚓體內的富集與暴露濃度有關[59]。除此之外，楊廣斌等[60]在控制毒死蜱疊加污染和一次污染的暴露總濃度均為4、12、20 mg/kg的前提下，根據BSAF的結果證明，毒死蜱以多次疊加污染的方式暴露更易在蚯蚓體內富集。Goto等為了評估二甲戊靈和氟樂靈在Eisenia spp.和Pheretima spp.兩種亞洲常見蚯蚓中的富集能力，通過吸收和消除試驗計算出兩種除草劑在蚯蚓體內的動力學生物積累因子（BAFk），證明了Pheretima spp.對二甲戊靈和氟樂靈吸收較慢、消除較快，由此認為Pheretima spp.對該兩種除草劑富集風險較低[61]。Hartnik等[62]研究發現在為期50 d的α-氯氰菊酯暴露試驗期間，挪威和丹麥土壤中蚯蚓體內的α-氯氰菊酯濃度一直保持著上升趨勢，而Diao等[63]的研究顯示α-氯氰菊酯在中國北京土壤中暴露10 d后，蚯蚓體內α-氯氰菊酯濃度就開始下降并達到了穩定水平。因此，污染方式、蚯蚓種類、土壤性質差異等因素也會對農藥在蚯蚓中富集與消除行為產生潛在影響。此外，Wang等研究發現手性農藥滅菌唑和丙硫菌唑在蚯蚓體內的富集行為存在對映體選擇性，其中S-滅菌唑和R-丙硫菌唑在蚯蚓體內優先富集[64]。同時，Chang等根據高效氯氟氰菊酯暴露28 d期間的對映體分數（EF）結果發現，（+）-高效氯氟氰菊酯在蚯蚓體內優先富集[65]。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
2.2 農藥在蚯蚓體內的消除行為Vk2知覽論文網
蚯蚓還可進一步通過體內的相關酶系統或腸道菌群降解所富集的農藥[66]。李冰等研究發現敵百蟲對蚯蚓體內的解毒酶羧酸酯酶（CarE）有誘導作用，其中0.04 g/L的敵百蟲可誘導蚯蚓體內CarE活性達到最大[67]。還有相關研究表明，蚯蚓體內的Ⅰ相代謝酶細胞色素酶（CYP450）和Ⅱ相代謝酶谷胱甘肽硫轉移酶（GST）在毒死蜱的降解過程中發揮了重要作用[68]。蚯蚓在受到硫丹脅迫后，蚯蚓腸道中的Rhodococcus MTCC 6716菌株可在15 d內將97%的硫丹降解為無毒的硫丹二醇和硫丹硫酸酯[69]。研究人員基于16S rRNA分析結果，提出蚯蚓體內的紅球菌和芽孢桿菌可將DDT降解，使毒性降低，并通過試驗證明了菌株的降解率分別達到88.36%和85.22%[70]。Owagboriaye等研究發現Alma millsoni、Eudrilus eugeniae、Libyodrilus violaceus 3種蚯蚓均可富集草甘膦，其中Alma millsoni的BAF在整個試驗周期均小于1，而Eudrilus eugeniae、Libyodrilus violaceus兩種蚯蚓的BAF值在第8周均大于1，同時Eudrilus eugeniae、Libyodrilus violaceus兩種蚯蚓可加快土壤中草甘膦的消除速度，因此研究者認為這兩種蚯蚓可用來治理被草甘膦污染的土壤[71]。Cao等研究發現異噁草酮在蚯蚓體內富集較快，第3天即達到富集最大值，同時通過消除試驗發現在1 d內3個濃度處理組（10、40、160 mg/kg）分別有74%、75%、80%的異噁草酮被消除[72]。孫宇涵將富集聯苯三唑醇21 d后的蚯蚓置于空白土壤上，發現前3 d蚯蚓體內的聯苯三唑醇濃度迅速下降，3 d后與土壤中的聯苯三唑醇的濃度基本達到平衡[73]。同時，前人研究還發現兩種氟蟲腈對映體在蚯蚓體內的半衰期分別為3.3 d和2.5 d，7 d后分別有76%和85%的氟蟲腈消除[74]。乙氧呋草黃對映體在蚯蚓體內的降解半衰期更短，僅為1.8 d[55]。Zhou等根據α-六氯環己烷在蚯蚓體內的快速消除特性，還提出蚯蚓的腸道排泄是α-六氯環己烷在蚯蚓體內快速消除的原因之一[56]。因此，蚯蚓富集農藥后，由于農藥性質差異以及蚯蚓自身排泄等的差異，農藥在蚯蚓體內的降解半衰期有較大差異。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
總之，蚯蚓主要通過攝入污染土壤及皮膚接觸等兩種途徑吸收土壤中的殘留農藥。在蚯蚓接觸農藥的初期，蚯蚓體內農藥量一般會呈現上升趨勢并在某暴露節點達到峰值。隨后在蚯蚓體內代謝酶和微生物等的作用下，經過積累、轉化和凈化等多個過程，使得農藥在蚯蚓和土壤之間的分配達到平衡，最終使蚯蚓體內農藥含量趨于穩定。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
3 農藥對蚯蚓的毒性效應Vk2知覽論文網
3.1 生長生殖毒性Vk2知覽論文網
大量研究表明，農藥會對蚯蚓的生長過程產生影響，其中生長率、體重、行為形態變化常被用來評估農藥對蚯蚓生長毒性[75]（表2）。3個不同濃度（5、25和30 mg/kg）的溴氰菊酯暴露均能顯著降低蚯蚓的體重，并且蚯蚓體重的降低程度與溴氰菊酯的暴露濃度和時間呈正相關[17]。為了更為全面地評估氟草胺、嗪草酮、戊炔草胺等三種除草劑對蚯蚓的影響，Travlos等通過土壤暴露試驗發現這3種除草劑均不同程度地降低了蚯蚓的體重并且影響蚯蚓的存活率[76]。此外，呋喃丹的暴露會導致蚯蚓呈現蜷縮掙扎、環節腫大和糜爛的癥狀[77]。王喆發現蚯蚓在殺菌劑甲霜靈和精甲霜靈暴露下，出現了環節腫大、滲液出血的現象[78]。蚯蚓作為寡毛綱雌雄同體生物，生殖活動主要包括交配、精液交換、繭內受精結繭等[79]。研究發現，吡蟲啉對蚯蚓具有較高的生殖毒性，可以顯著抑制蚯蚓的繁殖[80]。Ge等通過人工土壤法進行了吡蟲啉、噻蟲胺、烯啶蟲胺、啶蟲脒、呋蟲胺、噻蟲啉等六種新煙堿類殺蟲劑的暴露試驗，發現6種供試農藥的暴露均可以不同程度地抑制蚯蚓的繭產量、重量以及孵化數[81]。此外，還有研究發現，40、80 mg/kg的乙草胺暴露15 d會引起蚯蚓精子數量的減少[82]。毒死蜱以10 mg/kg及以上的濃度暴露后，蚯蚓精子細胞核濃縮、桑葚胚受損且數量減少[83]。Omar等還發現了馬拉硫磷處理赤子愛勝蚓后，蚯蚓受精卵中的精子分布異常，精囊中細胞增殖加快，精原細胞中DNA發生斷裂[84]。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
3.2 神經毒性Vk2知覽論文網
長期以來，農藥對蚯蚓的神經系統的影響受到廣泛關注（表2）。眾所周知，有機磷類、氨基甲酸酯類、沙蠶毒素類殺蟲劑對蚯蚓的神經系統威脅較大[85,86]。乙酰膽堿酯酶（AchE）是生物體神經傳導過程中的關鍵酶，是農藥毒理學研究中重要的生物標志物[87]。除草劑甲草胺暴露會降低蚯蚓AchE活性，其中甲草胺暴露24 h，對蚯蚓AChE活性的抑制率最高，達到91.99%[88]。此外，新煙堿類殺蟲劑戊吡蟲胍以50和100 mg/kg的濃度暴露也導致了蚯蚓的AchE活性降低[89]。Mazzia等通過測定蚯蚓內側巨纖維的神經傳導速度（NCV）來評價氨基甲酸酯類殺蟲劑抗蚜威對蚯蚓的神經毒性，發現抗蚜威以0.66、3.3 mg/kg的濃度暴露后，在第3、4和7 d誘導蚯蚓的NCV顯著降低。同時還發現抗蚜威所誘導的蚯蚓NCV變化和AChE活性的改變顯著相關[86]。為了研究吡蟲啉暴露下蚯蚓的逃逸行為，研究者還記錄了蚯蚓在接觸吡蟲啉后的初始逃逸距離和逃逸速度，發現10、20 mg/L的吡蟲啉會破壞蚯蚓的神經系統，抑制其逃逸行為[90]。此外，Huslystyi等還在細胞水平上發現了吡蟲啉導致蚯蚓神經元標志物特異性烯醇化酶（NSE）的表達降低，證明吡蟲啉還造成了蚯蚓神經細胞的紊亂[91]。Liu等[87]發現25 mg/kg的己唑醇暴露可以顯著地抑制蚯蚓體內AchE的活性，證明己唑醇對蚯蚓的神經傳導過程具有潛在影響。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
3.3 細胞毒性Vk2知覽論文網
蚯蚓的體腔細胞是一種具有免疫活性的細胞，在鑒定和消除外來物質、免疫反應、吞噬作用等方面具有重要作用[92]。已有研究表明，化學物質可通過真皮影響體腔細胞，并誘導蚯蚓體腔細胞的凋亡[93,94]。作為一種具有系統滲透性的殺菌劑，抑霉唑暴露72 h后，蚯蚓體腔細胞的密度隨著抑霉唑濃度的增加而增加，研究人員還根據細胞學染色結果發現抑霉唑暴露48 h后，蚯蚓體腔液中變形細胞的比例顯著增加[95]。此外，Correia等評估了抑霉唑的光催化降解產物對赤子愛勝蚓的毒性作用，發現蚯蚓在暴露于18、35和90 min的抑霉唑光降解溶液（PDT-18、35和90）48 h后，體腔細胞中油細胞的比例顯著增加[96]。He等研究發現兩種濃度的苯并烯氟菌唑暴露14 d后，蚯蚓體內吞噬細胞的活性顯著提高，同時細胞功能受損[97]。Li等將乳酸脫氫酶（LDH）作為反應蚯蚓細胞膜通透性的生物標志物，通過體外細胞毒性試驗發現五氯硝基苯的暴露導致蚯蚓細胞膜通透性受損。同時，五氯硝基苯的暴露濃度和蚯蚓體內的LDH水平呈線性關系[18]。此外，中性紅保留時間（NRRT）作為溶酶體膜損傷程度的評價指標，可以反應蚯蚓受到農藥影響后在亞細胞水平上發生的變化[98]。隨著毒死蜱暴露濃度和時間的增加，蚯蚓NRRT逐漸下降，證明毒死蜱暴露對蚯蚓的溶酶體膜造成了損傷[83]。Xiao等在發現乙草胺破壞了蚯蚓溶酶體膜完整性的同時，還提出NRRT可以作為蚯蚓受到乙草胺脅迫的預警信號，并建立了NRRT和土壤中乙草胺殘留濃度的關系模型[82]?？偟膩碚f，農藥對蚯蚓的細胞毒性主要包括細胞密度和活性的變化、細胞膜通透性的改變以及溶酶體膜損傷等方面（表2）。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
3.4 遺傳毒性Vk2知覽論文網
DNA作為遺傳信息的載體，易受到生命體內部或外部因素的影響而造成損傷[99]。彗星試驗（單細胞凝膠電泳法）是一種能快速地在單細胞水平上檢測DNA損傷的測試方法[100]，其被廣泛應用于農藥對蚯蚓遺傳毒性的評價（表2）。Liu等根據彗星試驗的測定結果，發現硫丹誘導了蚯蚓DNA鏈斷裂[101]。Yao等研究發現，除0.5 mg/kg處理組外，1.5、5和50 mg/kg處理組蚯蚓的OTM值（Olive尾矩）均顯著高于對照組，證明苯并烯氟菌唑造成了蚯蚓DNA損傷[102]。此外，殺菌劑噻呋酰胺也可導致蚯蚓細胞核出現大量拖尾，DNA呈蓬松狀。同時，噻呋酰胺對蚯蚓OTM值的影響存在劑量依賴效應[103]。除了導致蚯蚓DNA拖尾長度和OTM顯著增加外，還有研究發現當莠去津的質量濃度達到2.5 mg/L時，蚯蚓體腔細胞大部分的DNA遷出細胞核，導致細胞核呈現鏤空狀，造成DNA損傷[104]。蚯蚓在5、10 mg/kg的氟苯蟲酰胺暴露7 d后，蚯蚓DNA的OTM值隨著染毒劑量的增加和暴露時間的推移而升高，并顯著高于對照組[105]。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
3.5 氧化應激Vk2知覽論文網
氧化應激是由于蚯蚓體內抗氧化防御系統受到抑制以及活性氧（ROS）的過量產生并超過了內源性抗氧化能力而引起的毒性效應[106]，其進一步會誘導蚯蚓脂質過氧化、蛋白質損傷、DNA損傷以及細胞凋亡[92]。其中，丙二醛（MDA）作為脂質過氧化的最終產物，在破壞細胞膜結構的同時還會進一步導致蛋白質、核酸聚合，誘導細胞毒性[107]。當ROS積累至一定程度時，還會進攻DNA分子中的鳥嘌呤堿基的第8位碳原子而產生8-羥基脫氧鳥苷（8-OHdG）。與此同時蚯蚓體內的抗氧化酶系統被激活，降低蚯蚓體內過氧化氫（H2O2）等ROS的積累，以達到自身防御作用[108]（圖2）。蚯蚓對于農藥造成的氧化損傷主要通過提高抗氧化酶活性來實現機體防御，因此超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等主要抗氧化酶的活性是評價蚯蚓受農藥影響后體內氧化應激水平的重要指標[109]（表2）。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
張程將蚯蚓暴露于不同濃度的氟嘧菌酯后，發現潮土、紅土、黑土3種不同性質土壤中的氟嘧菌酯均可導致蚯蚓體內的ROS含量升高，誘導蚯蚓產生氧化應激[110]。Liu等研究發現，25 mg/kg的己唑醇暴露7 d和14 d后，均可以顯著增加蚯蚓體內ROS的水平，證明己唑醇導致蚯蚓氧化損傷[87]。蚯蚓在受到溴氰蟲酰胺刺激后，其體內ROS含量改變，產生氧化應激，同時蚯蚓體內8-OHdG含量的改變表明溴氰蟲酰胺還導致了蚯蚓的DNA損傷[108]。Qiao等還基于蚯蚓在溴氰蟲酰胺刺激下蛋白羰基（PCO）的含量升高的變化，證明溴氰蟲酰胺暴露造成了蚯蚓蛋白質的氧化損傷[111]。肟菌酯的暴露也會導致蚯蚓體內ROS積累，顯著改變SOD、CAT等抗氧化酶的活性，同時研究人員通過計算綜合生物標志物反應指數（IBR）發現棕色土壤中的肟菌酯對蚯蚓所產生的氧化應激要大于人工土壤[112]。在為期28 d的三酮類除草劑硝磺草酮暴露期內，蚯蚓ROS含量均顯著高于對照組且呈現出先升高后降低的趨勢，同時基于SOD、CAT、POD活性的變化，表明蚯蚓抗氧化酶系統被激活以清除過量的ROS，其中CAT和POD的活性在28 d接近對照水平進一步表明二者最終共同清除了蚯蚓體內過多的ROS[113]。研究人員發現，精甲霜靈的暴露也會導致蚯蚓體內ROS含量的升高，在第21、28天由于抗氧化酶的作用使ROS含量相較于前兩周開始下降，以緩解精甲霜靈所誘導的氧化損傷[114]。此外，0.125、0.25、0.5、1 μg/cm2的二甲吩草胺-p暴露48 h后蚯蚓體內的ROS含量并沒有發生顯著改變，表明蚯蚓自身的抗氧化酶系統仍能及時清除產生過量的ROS[15]。魏凌霄等基于實時熒光定量PCR技術（RT-qPCR）發現除草劑2,4-D的暴露改變了蚯蚓hsp70和crt基因表達水平，證明蚯蚓氧化應激的產生[115]。為了評估毒死蜱對蚯蚓生態風險，Farsani等發現在毒死蜱暴露的第4、8天，19.2和38.4 mg/kg處理組蚯蚓的MDA含量顯著升高[116]。Fang等[117]也發現了蚯蚓在氟啶蟲胺腈暴露7 d以后，體內MDA的含量顯著升高。上述這些研究強調了毒死蜱和氟啶蟲胺腈的暴露除了可以導致蚯蚓脂質發生過氧化作用，還可以誘發蚯蚓細胞毒性。此外，作為解毒酶系統中清除過氧化物的關鍵酶[108]，GST在蚯蚓受到多菌靈的干擾后活性顯著提高，進而降低多菌靈對蚯蚓造成的氧化損傷[118]。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
4 基于組學技術的農藥對蚯蚓致毒機制的研究Vk2知覽論文網
4.1 基于轉錄組學的農藥對蚯蚓致毒機制的研究Vk2知覽論文網
轉錄是遺傳信息從DNA轉向RNA的過程，是調控生物體基因表達的重要方式之一。轉錄組學是一門在整體水平上研究機體細胞中基因轉錄情況及轉錄調控規律的學科，其可以從轉錄水平上揭示生物受到脅迫后整個基因組表達情況[119]。轉錄組學的核心技術是轉錄組測序，即利用測序儀器對試驗樣品的全部轉錄產物進行測序，以獲取遺傳序列信息[120]。目前，已有3代測序技術問世，其中以Illumina為主要測序平臺的第2代測序技術在蚯蚓毒理學研究中應用較多。在獲得轉錄組測序結果并篩選出差異表達基因（DEGs）后，研究人員還可基于京都基因和基因組百科全書（KEGG）、基因本體功能（GO）等數據庫對DEGs進行功能注釋，進而從基因表達的層面闡述試驗變量對蚯蚓生物學功能的影響[23]。此外，還有一些研究為了明確差異表達轉錄產物的表達水平，還使用RT-qPCR評估了差異表達基因轉錄產物的豐度差異[120]。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
已有研究表明，農藥可以通過影響蚯蚓不同代謝通路中相關基因的表達水平，進而對蚯蚓造成不利影響。Li等利用轉錄組測序技術分析了暴露于嗪草酮和戊唑醇后蚯蚓的基因表達譜，發現兩種農藥導致了Ankyrin-2、Chitinase、Scavenger receptor、Cytochrome P450等與神經系統、免疫系統、氧化應激相關的基因異常表達，證明了嗪草酮和戊唑醇誘導蚯蚓產生神經毒性、免疫毒性以及氧化應激[23]。張程運用RNA-seq對氟嘧菌酯處理后蚯蚓的轉錄組進行探究，0、0.1、1、2.5 mg/kg 4種濃度的處理組共篩選出27個共同的DEGs，同時基于27個DEGs的KEGG富集分析結果表明，氟嘧菌酯影響了蚯蚓體內蛋白質的折疊、分類和降解，信號轉導，免疫以及細胞生長相關的途徑，此外還根據血管生成素的基因表達量的下降發現蚯蚓的血液循環受到干擾[110]。1 mg/kg和10 mg/kg的溴氰蟲酰胺可分別誘導蚯蚓體內960和1212個基因表達異常，其中氨基糖、核苷酸糖相關基因表達上調，而類固醇激素生物合成和蛋白質消化吸收通路的相關基因表達下調，證明溴氰蟲酰胺影響了蚯蚓體內糖類、蛋白質和脂質的生物合成及其吸收與轉化過程[111]。Liu等基于轉錄組分析結果發現己唑醇（HEX）暴露可以使得蚯蚓體內20多個生物途徑發生變化，其中S-(+)-HEX對蚯蚓類固醇的生物合成、花生四烯酸代謝和細胞周期等過程的影響比R-(-)-HEX大。研究人員通過Illumina Novaseq 6000對蚯蚓樣品的cDNA進行測序，發現25、50 mg/kg的氟吡呋喃酮共同顯著改變了蚯蚓的880個基因表達，并使用KEGG數據庫注釋了蚯蚓DEGs功能，同時針對與熱休克蛋白（HSP）、AchE、細胞色素P450酶相關的DEGs通過RT-qPCR進行了驗證，發現氟吡呋喃酮暴露后顯著影響了蚯蚓的信號轉導、物質合成與代謝、細胞進程以及解毒等通路，進一步破壞蚯蚓的神經系統、糖脂代謝以及誘導蚯蚓細胞損傷與凋亡[121]。Zhang等[122]根據轉錄組學分析結果發現戊唑醇暴露后蚯蚓Annetocin的mRNA表達降低而干擾蚯蚓的產卵過程，引發生殖毒性（表3）。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
4.2 基于代謝組學的農藥對蚯蚓致毒機制的研究Vk2知覽論文網
代謝組學作為繼基因組學、轉錄組學和蛋白質組學之后發展起來的一種新的組學方法[10]，主要通過研究生物體內源性代謝產物相對含量的變化，從整體水平上研究生物體的代謝變化[123]。目前已廣泛應用于毒理學、醫學、食品等領域中[124,125,126]?，F階段，代謝組學主要依靠核磁共振波譜（NMR）、氣相色譜-串聯質譜（GC-MS/MS）、液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）等平臺檢測生物體氨基酸、脂肪酸、碳水化合物、維生素和脂類等內源性代謝產物[127,128,129]。代謝組學作為一種高通量、高靈敏度的分析方法，在完成樣品檢測工作后會產生大量數據。因此，研究人員常通過多元統計分析進行代謝組學的數據處理工作[130]。具體來說，基于主成分分析（PCA）、偏最小二乘法-判別分析（PLS-DA）、正交偏最小二乘法判別分析（OPLS-DA）等模式識別方法來篩查試驗組間的差異代謝物，初步評估試驗變量對生物體代謝譜的影響。最后，利用KEGG、人類代謝組學數據庫（HMDB）等公共數據庫解釋差異代謝物的生物學功能，以進一步評估試驗變量對生物體的分子作用機制[123]。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
農藥在引起蚯蚓代謝過程發生改變后，基于代謝組學技術可以闡述農藥干擾蚯蚓特定代謝途徑的機制[131]。Dani等利用1H NMR分析平臺發現，亞致死劑量的莠去津抑制了蚯蚓的整體代謝水平，誘導蚯蚓體內的麥芽糖、延胡索酸、蘋果酸、蘇氨酸、谷氨酸、精氨酸、谷氨酰胺、ATP等物質發生顯著變化。同時，研究人員進一步指出莠去津通過抑制蚯蚓ATP的合成而擾亂了蚯蚓的能量代謝[24]。借助主成分分析結果，蚯蚓在接觸吡蟲啉后代謝水平較對照組顯著改變且與吡蟲啉暴露濃度無關，此外基于谷氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、肌苷等代謝物水平的改變，表明吡蟲啉影響了蚯蚓的糖異生以及ATP的合成過程[132]。還有研究利用GC-MS/MS平臺，借助多變量分析，研究了克百威對蚯蚓的代謝擾動，其中葡萄糖、半乳糖、酪氨酸、纈氨酸、甘氨酸、丙氨酸、鳥氨酸、絲氨酸、苯丙氨酸、氨基酸等代謝物對克百威的暴露表現出顯著波動，證明克百威可以顯著干擾蚯蚓的蛋白質和糖類代謝過程[130]。Zhang等利用非靶向代謝組學闡釋了甲霜靈和精甲霜靈對蚯蚓代謝過程的選擇性作用差異主要是精甲霜靈對蚯蚓的三羧酸循環和尿素循環產生的干擾較大[133]。根據一維和二維NMR代謝組學研究結果，研究人員發現硫丹及其代謝物硫丹硫酸鹽誘導蚯蚓體內谷氨酸循環代謝產物以及亞精胺發生顯著波動，從而導致蚯蚓產生神經中毒和細胞凋亡[134]。為了明確氯氰菊酯對蚯蚓的代謝擾動，Ch等基于GC-MS/MS的代謝組學技術發現氯氰菊酯影響了蚯蚓體內22種代謝產物，導致蚯蚓神經元代謝發生明顯變化，同時增加了糖原和脂肪酸的消耗，進而影響蚯蚓體內正常的生理生化過程以及誘導神經毒性[135]。還有研究發現，氟啶蟲胺腈激活了蚯蚓體內的能量代謝和尿素循環，但抑制了核苷酸的代謝，其被認為是造成蚯蚓DNA損傷的因素[117]。楊曉霞等基于代謝組學發現草甘膦暴露會導致蚯蚓糖酵解及三羧酸循環減弱，氨基酸代謝受損，嘌呤代謝紊亂，細胞滲透功能受損，對蚯蚓的正常生長產生明顯毒副作用[136]?？傊?，代謝組學可揭示農藥暴露后蚯蚓體內代謝譜的波動，同時進一步發現了農藥暴露對蚯蚓糖類、脂類代謝、尿素循環等過程的潛在作用機制（表3）。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
4.3 基于微生物組學的農藥對蚯蚓致毒機制的研究Vk2知覽論文網
蚯蚓的腸道是一個接近于厭氧狀態的微環境，其中的菌群具有富集碳、氮、磷元素的能力[137]。農藥的脅迫與蚯蚓腸道菌群的特征具有復雜的相互依賴性。宏基因組學是一種通過功能基因篩選或測序分析研究特定環境中微生物的新方法[138]，用于對樣本中所包含的微生物基因組進行功能性和序列性的分析。其中，擴增子測序技術逐漸成為環境微生物組學的主要研究手段[139]。目前，已有大量研究基于宏基因組學研究農藥對蚯蚓腸道微生物的結構和豐度的影響。Zhu等通過微生物組分析發現，蚯蚓腸道中變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteria）以及泉古菌門（Crenarchaeota）的相對豐度隨著氯丹暴露濃度的增加而增加，而浮霉菌門（Planctomycetes）和綠彎菌門（Chloroflexi）的相對豐度則呈相反趨勢，同時研究人員對蚯蚓腸道菌群進行遺傳功能注釋后，發現氯丹暴露會刺激蚯蚓體內免疫、蛋白質合成、葡萄糖、脂質、氨基酸代謝和硝酸鹽轉化等相關功能[25]。此外，前人的研究還發現，蚯蚓體內放線菌門下芽生球菌（Blastococcus）、諾卡氏菌（Nocardioides）、節桿菌（Arthrobacter）和放線菌（Gaiella）豐度的增加對于氟磺胺草醚在蚯蚓體內的生物富集起推動作用，而芽孢桿菌（Bacillus）、微枝形桿菌（Microvirga）、羅爾斯通菌（Ralstonia）豐度的減少則證明蚯蚓在暴露于氟磺胺草醚后蚯蚓代謝能力的下降[140]?；诩{米孔測序結果，研究人員發現毒死蜱暴露后蚯蚓腸道菌群α、β多樣性顯著改變，其中蚯蚓腸道細菌群落受毒死蜱的影響較真菌群落更顯著[141]。Astaykina等基于宏基因組學分析結果，發現嗪草酮、吡蟲啉和苯菌靈可以顯著改變蚯蚓腸道菌群的結構與豐度，主要表現為變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）、浮霉狀菌（Planctomyces）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、藍菌門（Cyanobacteria）的相對豐度增加，放線菌門（Actinobacteria）的相對豐度降低。同時，研究表明放線菌門豐度的降低是蚯蚓代謝能力下降的因素之一，此外還鑒定出了蚯蚓腸道中Verminephrobacter、Acinetobacter、Candidatus Udaeobacter、Pseudochrobactum等細菌是對嗪草酮、吡蟲啉和苯菌靈的敏感菌群[142]。最近的一項研究還發現多菌靈會富集蚯蚓腸道中放線菌門下特定菌群，同時還發現多菌靈的暴露誘導了蚯蚓腸道內四環素類、利福霉素類和糖肽類抗生素抗性基因（ARGs）豐度的增加[143]?？偟膩碚f，目前基于微生物組學的農藥對蚯蚓的毒理學研究大多位于對腸道微生物組成與豐度的探究層面，基于產生豐度差異的微生物群結合前人研究闡述了農藥對蚯蚓代謝能力影響的作用機制（表3）。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
5 總結與展望Vk2知覽論文網
農藥進入土壤環境后，會對蚯蚓產生不同程度的影響，部分農藥即使在較低濃度下也會對蚯蚓的生長、發育、繁殖等過程產生不同層次的毒性，對土壤生態環境具有潛在風險?，F階段，農藥對蚯蚓的毒性研究重心主要集中于生長生殖毒性、遺傳毒性、細胞毒性、神經毒性、氧化應激等方面（圖3）。依據此類研究數據，對于部分高殘留、對蚯蚓高毒性農藥的使用需要進行嚴格規范管理，以期進一步降低農藥對蚯蚓的毒性影響。與此同時，目前農藥對蚯蚓的毒理學效應研究仍然是片面的，人們需要一種全新的手段進行農藥對蚯蚓毒理學效應的評估，并根據研究結果科學地評估相關農藥的土壤環境風險。此外，組學技術在環境毒理學的應用為農藥對蚯蚓致毒機制的探究作出了重大貢獻（圖3），但組學技術在闡述其中相關機制的過程中仍有較大的發展空間。轉錄組學雖然改變了傳統的對單個基因的研究模式，轉而從轉錄水平上揭示部分農藥對蚯蚓的作用機制，但仍需進一步完善各種蚯蚓的基因組測序以及相關基因注釋等工作，同時需要解決蚯蚓中相關蛋白mRNA的豐度與蛋白本身含量或活性的關系不一致等問題，以期為蚯蚓的基因功能分析以及農藥對蚯蚓的致毒機制探究提供堅實的工具[144,145]。相較于其他組學技術，代謝組學技術雖然可以完整地反應出蚯蚓代謝水平的變化，但受制于檢測技術，在研究中并無法真正實現對蚯蚓全部代謝物的檢測以及對其代謝通路的精準定位[10]。更重要的是，單一的組學技術并不能完全闡述農藥對蚯蚓的致毒機制，而多組學技術在該領域的應用將是未來機制探究的主流手段。正如現階段微生物組學的發展，便為多組學技術的應用提供了重要的發展思路。事實上，微生物組學囊括了宏基因組學、代謝組學等其他檢測手段，基于多種檢測技術對蚯蚓腸道等微生物進行分析[146]。同樣地，突破其他單一組學技術的弊端，從代謝水平、轉錄水平、基因水平、蛋白質水平等其他層面進行綜合探究，將組學技術進行有意義地結合，對于全面的闡述農藥對蚯蚓的致毒機制具有現實意義。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
除此之外，雖然已有大量研究揭示了農藥對蚯蚓的毒性效應，并利用組學技術初步探索了農藥對蚯蚓的致毒機制，但現階段農藥對蚯蚓的毒理學研究仍集中于對單一農藥的毒性評估，忽視了農業生產活動中其它因素的影響。從農藥使用層面而言，大多數研究將農藥原藥作為供試藥劑來評估農藥的生態環境風險，而忽視了現實生產中農藥劑型對蚯蚓毒性的潛在影響。此外，納米農藥具有提高農藥利用率、生物活性、延長持效期等能力，成為近年來農藥研究的熱點[147]，但其對于蚯蚓的毒性效應仍迫切地需要進一步的探究。從土壤污染層面而言，Shen等[148]在中國太湖地區的土壤中同時檢測出了農藥DDT、HCH以及重金屬Cd、Cr、Cu等的殘留。張俊麗等[149]在分析中國陜西省渭南市種植業面源污染現狀時還發現，2017年當地農用地膜的回收率僅為47.9%，具有較大的土壤殘留風險。因此，重金屬、殘留地膜等其它污染源與農藥對蚯蚓的復合侵染在毒理學領域更具有實際意義[150,151]?，F有研究證實聚苯乙烯塑料會破壞蚯蚓腸道細胞，誘導蚯蚓產生氧化應激，并對蚯蚓的繁殖產生不利影響[152,153]。除此之外，重金屬作為土壤中的另一種污染源也會在蚯蚓體內富集，并對蚯蚓的腸道組織、抗氧化酶系統等產生影響[154,155,156]。但是，目前關于農藥與微塑料、重金屬等其它土壤污染物共暴露對蚯蚓的毒性影響研究較少，其對蚯蚓的復合毒性亟待進一步評估。因此，農藥與其它土壤污染物的復合毒性評估及其機制探究將是未來農藥的土壤生態毒理學效應研究的熱點之一。Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
（責任編輯：金淑惠）Vk2知覽論文網 Vk2知覽論文網
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