从分子到组织层面视角：评估氟吡菌酰胺对赤子爱胜蚓的毒性与生态风险

《Journal of Hazardous Materials》：Molecular to Tissue-Level Perspective: Evaluating the Toxicity and Ecological Risk of Fluopyram to Eisenia fetida

　　

摘要

氟吡菌酰胺是一种琥珀酸脱氢酶抑制剂（SDHI）杀菌剂，施用于土壤以防治线虫病害。然而，其对蚯蚓等非靶标土壤生物体的毒性仍知之甚少。我们假设氟吡菌酰胺暴露会通过激活氧化应激和破坏肠道微生物稳态，诱导赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）产生多层次毒性。为了验证这一假设，我们研究了氟吡菌酰胺对赤子爱胜蚓的生态毒理学效应。结果表明，氟吡菌酰胺在赤子爱胜蚓肠道中显著积累（2.73?mg?kg^-1），导致生长和繁殖受到抑制。此外，它诱导活性氧显著增加，激活氧化应激并改变相关酶活性和基因表达。转录组分析证实，氧化应激是通过 c-Jun N 端激酶（JNK）信号通路诱导的。同时，蚯蚓的消化功能受损，其特征是消化酶活性降低和肠道微生物群落结构改变。此外，分子生态网络分析表明，氟吡菌酰胺破坏了肠道微生物网络的复杂性和稳定性。综上所述，氟吡菌酰胺通过触发 JNK 通路介导的氧化应激和扰乱肠道菌群平衡，在赤子爱胜蚓中诱导多毒性，这证实了我们最初的假设。本研究丰富了赤子爱胜蚓的毒理学数据库，并为科学评估氟吡菌酰胺的土壤生态风险提供了更全面的理论基础。

引言

健康的土壤对于支持可持续农业发展至关重要，而农药在这一过程中发挥着关键作用 [1]。每年，大量农药被施用于农田以控制作物病虫害。根据国家统计数据（http://www.stats.gov.cn/)），2021 年全国农药消费量为 1,239,200 吨。

氟吡菌酰胺是由拜耳作物科学公司开发的一种琥珀酸脱氢酶抑制剂（SDHI）杀菌剂和杀线虫剂。自 2012 年上市以来，它已在 60 多个国家登记，并应用于包括葡萄、香蕉、苹果、蔬菜和作物在内的 70 多种作物，用于防治各种真菌病害和线虫 [2]。根据中国农药信息网（http://www.chinapesticide.org.cn/)），目前中国共登记了 199 种氟吡菌酰胺产品。推荐施用量根据作物和施用方法而异：沟施或土壤灌根为 900–1245?mL?ha?1，根灌每株 0.02–0.04?mL，叶面喷雾为 1005–1245?mL?ha^-1。氟吡菌酰胺的大面积广泛使用不可避免地带来了环境和生态问题 [3]。田间施用后，氟吡菌酰胺已在农业土壤中广泛检出。根据粮农组织/世界卫生组织联合农药残留专家组（JMPR）评估，田间施用后，前 15?cm 土层中的初始氟吡菌酰胺残留量范围为 0.111 至 0.286?mg?kg^-1 [4]。Suchi 等人 [5] 报告称，在黄瓜田土壤灌根施用后第 15^th 天，土壤残留量为 0.123–0.184?mg?kg^-1。此外，氟吡菌酰胺在土壤中表现出高持久性，在 0.5–5?mg?kg^-1 施用量下半衰期为 64.2 至 93.6 天，在温室条件下为 87–231 天，根据土壤类型和条件不同，最长可达 207–887 天 [6], [7], [8]。这种长期的环境持久性强调了评估其对非靶标土壤生物体慢性毒性的必要性。

然而，目前对其对非靶标土壤生物体的生态毒理学效应的认识仍严重有限。现有的氟吡菌酰胺研究主要集中在其杀线虫功效或其对秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）的毒性，有报告指出氟吡菌酰胺可诱导该模式生物产生氧化应激、肠道损伤和细胞凋亡 [9]。与此同时，几种其他 SDHI 杀菌剂，包括氟噻唑吡乙酮 [10]、氟吡菌胺 [11] 和苯并吡菌胺 [12]，已被证实对蚯蚓具有毒理效应，如氧化应激、组织病理损伤和生长抑制。然而，氟吡菌酰胺对蚯蚓（土壤健康的关键生物指标）的特异性毒性尚未得到系统研究。此外，据报道 SDHI 杀菌剂可诱导非靶标生物体产生线粒体功能障碍、氧化应激和发育延迟；然而，所涉及的具体分子信号通路在很大程度上仍未确定 [13]。

蚯蚓是分布广泛、对维持土壤功能重要的代表性土壤动物 [14]。赤子爱胜蚓是一种能反映土壤污染和识别污染物毒性的蚯蚓物种，被广泛用作评估农药在土壤环境中生态安全的模型 [15]。

因此，在本研究中，我们采用标准人工土壤测试方法，以氟吡菌酰胺为污染物，以赤子爱胜蚓为模式生物，评估氟吡菌酰胺的土壤环境风险。从个体（致死率和生长）、生化（氧化应激和神经毒性生物标志物）、转录组（差异基因表达和通路分析）以及肠道组织病理学等多个角度研究了氟吡菌酰胺对赤子爱胜蚓的毒性。目的是阐明其毒理机制，为环境风险评估提供理论基础，从而支持氟吡菌酰胺在农业实践中的科学和安全应用。

章节摘要

试剂与材料

氟吡菌酰胺（C₁₆H₁₁ClF₆N₂O，纯度 96%；CAS: 658066-35-4）购自拜耳公司（德国）。活性氧（ROS）、丙二醛（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽 -S 转移酶（GST）、乙酰胆碱酯酶（AChE）、琥珀酸脱氢酶（SDH）以及纤维素酶和胃蛋白酶的生化试剂盒均购自南京建成生物工程研究所（中国江苏）。8-羟基 -2′-脱氧鸟苷（8-OHdG）购自上海恒远

赤子爱胜蚓中氟吡菌酰胺的积累

蚯蚓主要栖息在土壤中，不仅摄入水分和营养物质，还会从土壤中生物积累农药和外源性污染物，从而增加体内化学负荷和潜在的不良反应 [26]。如图 S1 所示，在第 14 天，20?mg?kg^-1处理组中赤子爱胜蚓肠道组织中的氟吡菌酰胺浓度最高（2.73 ± 0.07?mg?kg^-1）。在表皮中，相同处理组表现出 1.0 ± 0.07?mg?

结论

本研究调查了氟吡菌酰胺对赤子爱胜蚓的毒性效应。结果表明，氟吡菌酰胺暴露改变了核心肠道微生物群的丰度，特别是与纤维素降解和短链脂肪酸产生密切相关的放线菌门和变形菌门。这些微生物功能的破坏可能导致蚯蚓代谢功能障碍和能量供应不足。同时，氟吡菌酰胺在肠壁细胞中的积累

环境意义

作为一种广泛使用的 SDHI 杀菌剂，氟吡菌酰胺的环境归趋和土壤生态风险引起了越来越多的关注。本研究通过阐明该杀菌剂对蚯蚓的多层次毒性效应，为评估其对土壤生态系统的潜在威胁提供了关键的科学证据。蚯蚓被誉为土壤中的“生态系统工程师”，在有机质分解、养分循环和土壤结构维持方面发挥着不可替代的作用。我们的

CRediT 作者贡献声明

薛燕南: 调查，数据整理。刘双: 撰写 – 原稿，方法论，调查，数据整理，概念化。夏晓明: 撰写 – 审阅与编辑，监督，资源获取。王金华: 调查。黄国浩: 调查。葛燕: 撰写 – 审阅与编辑。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文报告的工作。

刘双|薛燕南|葛燕|黄国浩|王金华|夏晓明

山东农业大学植物保护学院，中国山东泰安 271018