除草剂（阿特拉津、乙草胺）对胶州湾浮游植物及微生物群落的生态效应

Atrazine and acetochlor are two most frequently detected herbicides in nature waters. Previous studies have indicated that these two herbicides may exert inhibitory effects on growth and physiological characteristics of some phytoplankton and microbes significantly, which may then influence the material and energy metabolism in water environments. However, most of these reports are toxicology testing of these herbicides under pure culture conditions, with few studies investigating their community ecological effects in aquatic ecosystems, especially in coastal water. In this project, modern molecular ecology techniques (high-throughput sequencing, Biolog and flow cytometry ) are employed to assess the ecological effects of atrazine and acetochlor on phytoplankton and microbes in Jiaozhou Bay as follows:1) the distribution of atrazine and acetochlor in Jiaozhou Bay and their half-life periods; 2) the abundance, structural and function (metabolic fingerprints, chlorophyll a content and fluorescence parameters) changes of size fractionated phytoplankton and microbes; 3) the synergistic toxicity of atrazine and acetochlor to phytoplankton and microbes. The implementation of the project will increase people’s understanding of the environmental toxicity of the two herbicides in coastal ecosystems and have important scientific significance in evaluating their environmental effects.

阿特拉津和乙草胺是水体中检出率最高的两种除草剂。已有研究表明两种除草剂对部分浮游植物和微生物的生长及生理特征具有显著抑制作用，进而可能影响到水环境中的物质循环和能量代谢过程。目前有关阿特拉津和乙草胺对浮游生物影响方面的研究大多为单一物种的毒理实验，关于其对水生态系统（尤其是近海环境）在整个群落水平上的生态毒理效应了解极少。本项目拟选取胶州湾为研究地点，借助高通量测序、Biolog、流式细胞术等现代分子生态学技术，从以下方面开展研究：1）阿特拉津、乙草胺在胶州湾水体中的水平分布及半衰期；2）阿特拉津、乙草胺对不同粒级浮游植物/微生物群落结构、丰度、功能（代谢指纹图谱、叶绿素a含量及光合生理状态）的影响；3）阿特拉津、乙草胺对浮游植物、微生物的联合毒性。该项目实施将增加人们对两种除草剂在近海生态系统的环境毒性效应的了解，并对科学评价其环境影响具有重要的科学意义。

随着世界人口的快速增长和工业化进程的加快，除草剂滥用现象日益严重，每年都有大量的除草剂残留通过地下水或地表径流进入海洋。然而，除少数特殊环境（如澳大利亚大堡礁）外，人们对除草剂的全球沿海污染状况及其对海洋生物（特别是浮游植物）在自然环境浓度下的负面影响知之甚少。通过对10种三嗪类除草剂在我国渤海和黄海海域分布的实地调查，发现三嗪类除草剂的总浓度可能高达6.61 nmol/L。基于“浓度累加”模型，除草剂同系物的毒性通常是累积的，这十种三嗪类除草剂的联合毒性可对近海代表性硅藻-三角褐指藻Pt-1的叶绿素a荧光强度产生13.2%的抑制作用，这相当于阿特拉津在14.08 nmol/L的当量浓度下的毒性。在这该等效浓度下，阿特拉津可显著抑制光合系统II（Fv/Fm）的最大量子效率和三角褐指藻Pt-1的营养吸收。转录组分析表明，与光合作用和碳代谢有关的多种代谢途径（Calvin循环、三羧酸循环、糖酵解/糖异生等）受到严重干扰，最终可能影响沿海水域的初级生产力。在群落水平上，阿特拉津在该等效效应浓度下引起浮游植物群落的变化：硅藻受到严重抑制，而甲藻的相对丰度则显著增加，这不仅会削弱近海初级生产力，同时也促进了赤潮的发生。与直接毒性相比，阿特拉津对浮游细菌的间接毒性更为显著。除了浮游细菌群落结构的变化外，阿特拉津还降低了海洋细菌的碳代谢，威胁着近岸海域的微食物环过程。此外，藻细胞可显著富集阿特拉津（生物富集因子69.6-118.9），除草剂分子在藻类细胞中大量积累，威胁到海洋食物网，甚至人类的食品安全。除草剂污染可能是一个被忽视的全球变化对海洋生物的威胁，值得更多的关注。