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《中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)》 2018年
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桑沟湾除草剂生态风险评估及其对海草的生态毒理作用研究

高亚平  
【摘要】:近几十年来除草剂的发明和使用大大节约了劳动力,在世界农业中发挥了重要作用。然而在其大量使用的同时,部分除草剂通过地上径流/地下水进入河口和浅海生态系统,威胁着非靶标植物——海草的健康。尤其是自上个世纪以来,气候变化和人类活动胁迫下海草床面积已严重衰退,因此除草剂对海草的威胁更加受到关注。为保护我国海草资源,本研究以桑沟湾为主要研究地点,对海草的生态功能——固碳、改善环境及提供食物来源方面进行了初步分析;对桑沟湾的除草剂残留及其生态风险进行了评估,对比了残留浓度较高的除草剂阿特拉津和扑草净对4种海草的毒性作用,研究了阿特拉津长期暴露下,常见海草——鳗草(Zostera marina L.)的生理、有性繁殖及代谢的响应,并对高温下鳗草的代谢响应及高温和除草剂对鳗草的共同作用进行了探究。该工作将为我国海草的保护提供理论依据,从而在管理浅海环境的相关法律法规的制定上保护海草生态系统。主要研究结果如下:1)桑沟湾海草的生态功能评估对山东桑沟湾楮岛海区鳗草床的生物量、初级生产力和组织碳含量进行了调查研究,计算了其初级生产力固碳;对围堰池塘中鳗草区和裸露砂质底质区的温度、溶氧进行了比较测定,分析了刺参及其潜在食物源的同位素特征,并与邻近自然海域草场系统进行了对比。结果显示,楮岛海区鳗草生物量年度变化为313.5-769.3g DW·m~(-2);初级生产力年度内为2.0-6.4 g DW m~-22 d~(-1);总组织含碳量为35.5%;来自海草初级生产力的固碳贡献约为543.5 g C m~(-2)yr~(-1)。春夏季鳗草区底部温度比裸露砂质底质区温度低约0-0.33℃;50-100%的中高盖度下,海草区表层溶氧显著高于裸露底质区;混合模型的分析表明,其食物组成中来自鳗草碎屑的贡献最大,约为13-52%,高于底栖硅藻、悬浮颗粒有机物SPOM以及附着生物。而邻近的自然海区中,来自SPOM和褐藻海蒿子的食物贡献最大。本研究表明鳗草可以在一定程度上降低夏季池塘底部水温,增加水体溶氧,同时为刺参提供重要的食物来源。2)桑沟湾除草剂生态风险评估对桑沟湾表层水及周边流域表层水中的除草剂阿特拉津残留进行了调查,结果显示桑沟湾中有阿特拉津的残留,周边河流中除阿特拉津残留外还发现了扑草净的残留。阿特拉津在桑沟湾的平均残留浓度为106.3 ng l~(-1),分布趋势呈现出西南陆地沿岸高于湾内的趋势,环境中初级生产者面临的风险指数为0.081,但周边淡水流域中阿特拉津浓度较高,最高值可达489.1-701.2 ng l~(-1),风险熵为0.49-0.70。由于桑沟湾是我国重要的海水养殖海湾和海草分布的重要海湾,研究结果表明,需要防范阿特拉津和其他环境因子共同作用对初级生产者或养殖生物带来的威胁。3)特拉津和扑草净对桑沟湾四种海草的急性毒性比较以叶绿素荧光为主要指标测定桑沟湾及周边河流中检出的除草剂阿特拉津和扑草净的低、中、高(1μg l~(-1)、5μg l~(-1)和25μg l~(-1))浓度对四种常见海草:鳗草(Z.marina L.)、丛生鳗草(Z.caespitosa M.)、日本鳗草(Z.japonica Aschers.Graebn.)、红须根虾形藻(Phyllospadix iwatensis M.)的光合抑制。结果显示,浓度为1μg l~(-1)的扑草净和5μg l~(-1)的阿特拉津对日本鳗草产生了显著的光合抑制,抑制率约为7.54%-12.97%;鳗草、丛生鳗草和红须根虾形藻的扑草净和阿特拉津的显著作用浓度为5μg l~(-1),相同浓度下,扑草净的光合抑制较阿特拉津更强,同时,日本鳗草对除草剂的作用更为敏感。4)阿特拉津长期暴露下鳗草生理、有性繁殖及代谢的响应我们将处于有性繁殖过程中的鳗草暴露于阿特拉津(1,3和10μg l~(-1))中30天,对其光合生理、色素含量及生长进行了测定,并利用超高效液相色谱与四级杆-飞行时间(Q-TOF)质谱联用技术对其代谢物质进行了分析。结果发现,3和10μg l~(-1)阿特拉津显著抑制光合效率(ΔF/F'm和Fv/Fm),但并不影响鳗草的有性繁殖能力(即子房数量)。阿特拉津的长期作用改变了鳗草组织氮含量和C:N比,降低了糖和三羧酸循环(TCA)中间产物的水平。这说明长期的阿特拉津暴露(10μg l~(-1))会降低能量供应并改变碳氮代谢。阿特拉津诱导了γ-氨基丁酸(GABA)和1-氨基环丙烷羧酸(ACC)含量的升高,它们可能共同/单独参与了代谢或信号转导过程。5)高温下鳗草的代谢响应及高温和阿特拉津对鳗草的共同作用研究表明30℃及以上的高温会影响鳗草的生长,我们将鳗草在高温下(32℃)进行短时间暴露,测定了以叶绿素荧光参数ΔF/F'm和Fv/Fm表征的光合作用变化,并利用气相色谱-时间飞行质谱(GC-TOF-MS)对其代谢组的变化进行分析;此外将鳗草在6个温度梯度下(15-32℃)暴露于3组(0,3和10μg l~(-1))浓度的阿特拉津中7天,在此期间使用荧光技术评估了鳗草光合效率的变化情况,测定了光合色素和叶片生长速率,并利用独立作用模型(IA)对高温和阿特拉津的共同作用进行了分析。结果表明,1):32℃的短期暴露下鳗草的光合生理和代谢发生了改变,高温抑制了光合作用,增强了呼吸作用;多数糖类和TCA循环的中间产物含量降低;高温还使得鳗草硬脂酸和亚油酸含量的降低。2):阿特拉津和30℃以上的温度都会抑制有效量子产量(ΔF/F'm)和最大产量(Fv/Fm)所表征的光系统II(PSII)的光合效率和能量转换潜力,高温(31℃和32℃)还降低了叶绿素含量,抑制了叶片的生长。独立作用模型的分析发现,光合作用抑制的实测值和预测值之间一致,表明高温和阿特拉津的共同作用比单一压力对鳗草的危害更大。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X171.5

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