典型有机磷农药对大型溞、水丝蚓和锦鲫的毒性及降解机理研究

论文摘要

有机磷农药（OPPs）具有高效、快速、广谱、半衰期短（几天至几十天）、易降解等特点,已经作为有机氯农药的替代产品在除草、杀虫及杀菌等农业生产领域广泛应用,占农药总用量的50%以上。然而,随着OPPs的不断使用,暴露出了很多环境问题,如高残留、毒性强等。农田土壤中的残留农药容易被雨水冲刷和地表径流,对地下水、地表水、江河、湖泊以及近岸海域等造成了严重污染,对水生生物产生毒性效应,进而威胁生态环境和人类健康。因此,本论文对农业使用广泛的OPPs开展生物毒性及氧化去除两方面的研究工作,以期为有机磷农药对水生生物毒性机理和风险评价等方面提供参考依据。具体从以下几方面展开:（1）研究了9种典型OPPs（乐果、乙酰甲胺磷、敌百虫、敌敌畏、辛硫磷、草甘膦、毒死蜱、丙溴磷、杀扑磷）对水生生物大型溞（Daphnia magna）和霍普水丝蚓（L.hoffmeisteri）的急性毒性的测定和定量结构活性相关（QSAR）模型的建立。毒性结果发现这两种水生生物对OPPs的生物敏感性不同,对于大部分的OPPs而言,D.magna比L.hoffmeisteri更为敏感,并且两者的急性毒性数值具有很好的相关性。另外采用密度泛函理论（DFT）和比较分子场分析（CoMFA）方法研究了这些化合物的结构与毒性的关系,建立了QSAR方程。结果显示,OPPs对Daphniamagna和L.hoffmeisteri的毒性主要都与化合物的电子性质（尤其是P原子的电正性）有关。综合生物安全分数结果与单一生物毒性相比,毒性顺序存在区别,也进一步说明,评价某污染物的毒性时,需综合考虑不同生物的差异。（2）采用锦鲫鱼（Carassiu auratus）作为水生模式动物评估了9种常用的OPPs的氧化应激效应毒性。选取的OPPs浓度为0.1 mg/L和1 mg/L（乐果、乙酰甲胺磷、敌百虫、敌敌畏、辛硫磷）及0.1 mg/L和0.01 mg/L（草甘膦、毒死蜱、丙溴磷、杀扑磷）,暴露时间分别为4天和15天。首先测定了鱼体肝脏中超氧化物歧化酶（SOD）、还原型谷胱甘肽（GSH）和丙二醛（MDA）等三个氧化应激指标。结果表明,暴露4天后,草甘膦、毒死蜱和杀扑磷显著诱导增强了SOD酶活性,而随着暴露时间延长15天后,草甘膦、毒死蜱和杀扑磷呈现出抑制效应。对于GSH和MDA,几乎所有暴露组均表现出相似的趋势,即在4d时显著增强,而15d后被明显抑制。这主要是由于锦鲫在长时间暴露后可以产生过量的活性氧（ROS）,最终导致鱼体肝脏氧化损伤。最后采用综合生物标志物响应指数法（IBR）来评估OPPs的总体氧化损伤效应。结果发现,OPPs对鱼体肝脏的氧化损伤的大小顺序为:丙溴磷>毒死蜱≈草甘膦>辛硫磷>敌敌畏>敌百虫。（3）选取乙酰胆碱酶（AChE）作为神经毒性的生物标志物,研究了 OPPs对锦鲫脑中AChE活性的抑制作用。将锦鲫在不同浓度下暴露,分别测定其AChE的活性,并分析AChE的活性与暴露农药的种类、浓度和时间之间的相关性。同时,利用Surflex-Dock分子对接技术将9种OPPs分别与乙酰胆碱酶进行对接。结果发现,除丙溴磷外,其余OPPs打分最高的构象都与受体间有氢键形成,且在返回的20个构象中,未形成氢键的个数都在10以下,说明了氢键在OPPs对AChE的抑制中有重要作用。研究发现,形成氢键的氨基酸存在于活性口袋的各区域（催化三联体、胆碱结合位点、氧阴离子洞和外周阴离子位点）。由此我们推测各农药与受体乙酰胆碱酶作用时存在差异。（4）采用高铁酸钾（Fe（Ⅵ））氧化技术研究对硫磷（PTH）的降解机理和毒性变化情况。在[Fe（Ⅵ）]:[PTH]=15:1,T=25℃,pH=7.0的条件下,结果发现5mg1的PTH在30s内的去除率达到99%,另外水质因子HC03-、Ca2+、Cu2+、Fe3+和HA等对Fe（Ⅵ）氧化PTH的去除率有一定的抑制作用。采用LC-Q-TOF-MS对反应过程中的中间产物进行鉴定,共发现6种氧化产物,其反应路径是以酯键断裂和硫氧取代反应为主。此外,采用发光细菌评估了 Fe（Ⅵ）氧化PTH过程中反应溶液的毒性变化情况,发现Fe（Ⅵ）氧化过程可以有效降低水体中PTH的潜在生态风险。（5）进一步研究了Fe（Ⅵ）氧化毒死蜱（CPF）的降解机理并考察了环境因子对其去除效率的影响。首先研究了pH值、氧化剂量、温度、典型阴阳离子、腐植酸（HA）等一系列环境因素对去除效率的影响,结果表明添加Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-、Fe3+、Cu2+和NH4+对Fe（Ⅵ）氧化CPF的降解效率均无影响,但Ca2+、Mg2+和HA会显著抑制CPF的降解率。通过LC-MS分析和毒性评估结果表明,P=S键的氧化、C-O键的断裂和羟基取代反应是Fe（Ⅵ）降解毒死蜱的三个主要反应路径,并且该氧化技术对水体中毒死蜱的毒性去除非常有效。根据分子轨道理论计算得到CPF的前线电子密度和总电荷分布,进一步验证了反应路径的准确性。此外,考察了毒死蜱在实际环境水体中的氧化降解,发现1μM的毒死蜱在自来水、河水和合成废水三种不同类型的实际水体中也能够高效的去除。（6）利用零价铁（Fe0）活化过硫酸钠（PS）技术有效降解有机磷农药杀螟硫磷（FNT）。实验发现Fe0的加入显著提高了 PS对FNT的氧化效率,淬灭实验结果表明SO4-是导致FNT在Fe0/PS体系中降解的主要活性物种。水体中普遍存在的腐殖酸（HA）和HC3-对Fe0/PS体系中FNT的降解存在明显抑制作用。通过HPLC-MS分析检测到12种FNT的降解产物,其中大部分为羟基化衍生物。通过理论计算FNT分子的最高占有轨道电荷密度2∑（CriHOMO）2值成功地预测了SO4-攻击FNT分子的活性位点。最后,EPA推荐的ECOSAR毒性预测程序表明,Fe0/PS处理技术可以明显降低水体中FNT的生态毒性效应。综上所述,本研究的前三部分是针对有机磷农药的水生生物毒性进行研究,并建立了系列有机磷农药生物毒性的QSAR模型和综合生物标志物响应指数,可以有效的预测其他大量有机磷农药的生物毒性,可为实际应用提供参考。后三部分对三类高毒性的有机磷农药进行氧化降解研究,系统探索了它们在水环境中的降解过程以及毒性变化情况,研究发现,高铁酸盐和过硫酸盐氧化技术能够高效降解去除有机磷农药,且实际环境水体中的水质因子不同程度的影响了降解过程,同时发现在降解过程中其生物毒性也明显降低。这些结果可为实体环境中有机磷的环境转化行为及归趋提供参考信息,具有实际环境意义。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 有机磷农药对环境的污染现状

1.2 有机磷农药的毒性研究现状

1.3 有机磷农药的降解研究

1.4 理论计算在污染物致毒机理及转化过程中的应用

1.4.1 理论计算在污染物转化过程中的应用

1.4.2 理论计算在污染物致毒机理中的应用

1.5 研究目的与研究内容

1.5.1 研究目的和意义

1.5.2 研究内容

1.5.3 技术路线图

第2章 OPPs对大型溞和霍普水丝蚓的急性毒性:QSAR、种间关系及综合评价研究

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 材料与药品

2.2.2 D.magna毒性实验

2.2.3 L.hoffmeisteri毒性实验

2.2.4 2D-QSAR方法

2.2.5 3D-QSAR方法

2.2.6 统计分析方法

2.2.7 综合生物安全分数

2.3 结果与讨论

2.3.1 2D-QSAR分析

2.3.2 3D-QSAR分析

2.3.3 生物敏感性和种间毒性关系比较

2.3.4 基于IBS的毒性评价

2.4 本章小结

第3章 9种OPPs对锦鲫的氧化应激效应研究

3.1 引言

3.2 材料和方法

3.2.1 仪器与试剂

3.2.2 生物暴露实验

3.2.3 生物样本准备

3.2.4 生物标志物指标测定

3.2.5 IBR计算

3.2.6 数据分析

3.3 结果和讨论

3.3.1 抗氧化酶的变化

3.3.2 综合生物标志物响应指标评价

3.4 本章小结

第4章 OPPs对锦鲫乙酰胆碱酶毒性机理研究

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 试剂与仪器

4.2.2 生物样本准备及AChE酶活性测定

4.2.3 数据分析

4.2.4 分子结构模拟

4.2.5 分子对接和构象识别

4.3 结果与讨论

4.3.1 OPPs对AChE活性抑制影响

4.3.2 对接可靠性评价

4.3.3 Surflex-Dock打分结果

4.3.4 氢键作用

4.4 本章小结

第5章高铁酸钾氧化对硫磷的研究

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 试剂

5.2.2 实验方法

5.2.3 分析方法

5.2.4 毒性鉴定

5.3 结果与讨论

5.3.1 影响因素研究

5.3.2 氧化机理

5.3.3 氧化产物及路径

5.3.4 PTH及其氧化产物毒性

5.4 本章小结

第6章高铁酸钾氧化毒死蜱的研究

6.1 引言

6.2 材料与方法

6.2.1 试剂及仪器

6.2.2 实验方法

6.2.3 分析方法

6.2.4 计算方法

6.2.5 毒性鉴定

6.3 结果与讨论

6.3.1 Fe（Ⅵ）氧化降解毒死蜱的反应动力学

6.3.1.1 pH的影响

6.3.1.2 水中共存组分的影响

6.3.1.3 HA的影响

6.3.2 实际水体中毒死蜱的去除

6.3.3 氧化产物鉴定

6.3.4 反应机理

6.3.5 毒性评估

6.4 本章小结

0）活化过硫酸盐降解杀螟硫磷的研究'>第7章零价铁粉（Fe⁰）活化过硫酸盐降解杀螟硫磷的研究

7.1 引言

7.2 材料与方法

7.2.1 试剂

7.2.2 实验方法

7.3 结果与讨论

0对PS降解FNT的影响'> 7.3.1 Fe⁰对PS降解FNT的影响

0催化PS氧化FNT的影响'> 7.3.2 实验条件对Fe⁰催化PS氧化FNT的影响

7.3.3 氧化产物及路径

7.3.4 毒性评价

7.4 本章小结

第8章研究结论与展望

8.1 本论文主要结论

8.2 本论文的创新点

8.3 不足与展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 柳红霞

导师: 王遵尧

关键词: 有机磷农药,水生生物毒性,分子对接,理论计算,氧化降解,机理

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,农业科技

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用,农业基础科学

单位: 南京大学

基金: 在国家自然科学基金(编号:21577063和41071319),国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07506-001-02)

分类号: X592;X171.5

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