异丙甲草胺对玉米和水稻生态毒性的手性差异性研究

摘要

x50目前使用的农药中有40％是手性化合物，随着结构更复杂化合物的投入使用，这个比例呈现不断上升的趋势。尽管手性农药的使用正日益受到人们的重视，但手性农药进入生态系统后所表现出的对映体选择性行为，还未得到广泛的认识。
　　 异丙甲草胺是一种具有高选择性的酰胺类除草剂，含有两个R异构体和两个R-异构体，其除草活性来自S-对映体，R-对映体致突变，目前S型异丙甲草胺已逐步取代外消旋体。本论文通过研究手性农药rac-和S-异丙甲草胺对玉米(掖单13)和水稻(Ⅱ优92)的手性差异性，以期从对映体水平上研究生态系统中手性农药的环境行为，对于合理使用和评价手性农药的生态安全性提供理论依据。
　　 经不同浓度的rac-及S-异丙甲草胺浸种的玉米和水稻种子，种子发芽率随除草剂浓度升高而降低，种子发芽时间推迟且芽长较对照比要短。比较rac-及S-异丙甲草胺对玉米和水稻根长和茎长的IC50,5d，可以看出玉米和水稻的根部对rac-及S-异丙甲草胺较敏感，水稻对rac-及S-异丙甲草胺比较敏感，玉米的根长IC50.5d约是水稻的2倍，茎长约是7-8倍。观察受毒害作用的玉米和水稻幼苗，rac-及S-异丙甲草胺抑制主根及茎的伸长，侧根和根毛的生长也受到不同程度的抑制作用，且同浓度下S-异丙甲草胺毒性较大。对玉米和水稻幼苗光合作用的影响表现在随rac-及S-异丙甲草胺浓度升高玉米和水稻的希尔反应活性降低，且同浓度下S-异丙甲草胺抑制作用较大。
　　 在rac-及S-异丙甲草胺的胁迫作用下，低浓度的rac-异丙甲草胺处理对玉米和水稻根系活力有激活作用，激活率分别为14.5％和22.6％，其余都表现为抑制作用，随着浓度的增大，根系活力逐渐减弱。玉米和水稻根系的质膜透性随着处理浓度的增大而增大。观察水稻幼苗根尖细胞超微结构发现，rac-及S-异丙甲草胺会破坏水稻根尖细胞结构，3.1μmol/L处理细胞有轻微质壁分离现象，线粒体基粒减少，基粒分布紊乱，内质网两端肿胀，核糖体脱落，高尔基体轻微肿胀，两端小泡崩解（在S-异丙甲草胺处理组中较显著）；12.4μmol/L处理细胞壁降解，核膜破裂，核仁消失，线粒体和高尔基体等细胞器崩解。
　　 由玉米和水稻根中的抗氧化酶系SOD、POD和CAT的活性实验结果可以得出，经18.6μmol/L的rac-异丙甲草胺处理的玉米根中的SOD和POD活性及经1.55μmol/L和3.1μmol/L的rac-异丙甲草胺处理的水稻根中的POD活性表现为激活作用，其余都表现为不同程度的抑制作用。三个浓度下三种酶活性均表现为rac-异丙甲草胺处理高于S-异丙甲草胺处理。Rac-及S-异丙甲草胺对玉米叶细胞细胞器叶绿体、线粒体和细胞质中三种酶的活性均表现为不同程度的诱导作用。除叶绿体中低浓度处理的POD和CAT活性rac-异丙甲草胺处理高于S-异丙甲草胺处理，其余各组都是S-异丙甲草胺处理酶活性高于rac异丙甲草胺处理。通过测定玉米和水稻茎和根中的MDA含量，经过rac-和S-异丙甲草胺处理过的玉米和水稻根中的MDA含量主要表现为随浓度增加逐渐增大，而茎中的MDA含量表现低浓度显著增加，随着浓度的增加MDA含量有所恢复。
　　 忽略容器的吸附作用，扣除异丙甲草胺的光解作用，在18.6μmol/L、37.2μmol/L和74.4μmol/L三种浓度下，S-异丙甲草胺在玉米根系的消解速率快于rac-异丙甲草胺。74.4μmol/L处理时降解半衰期为169h和164.8h，分别是18.6μmol/L时的2.10和2.73倍。采用液相色谱．质谱联用，发现rac-及S-异丙甲草胺在玉米根系中的代谢产物是一致的，推导出异丙甲草胺的代谢途径及可能降解产物为羟基化异丙甲草胺（hydroxymetolachlor），脱氯异丙甲草胺(deschlorometolachlor)和丙醇脱氯异丙甲草胺(deschlorometolachlorpropanol)。

目录

文摘

英文文摘

图表目录

第1章 引言

1.1 手性化合物概述

1.2 手性农药的应用现状

1.3 手性农药对映体的稳定性

1.4 手性农药环境行为研究进展

1.4.1 水体中手性农药选择性环境行为研究进展

1.4.2 土壤中手性农药选择性环境行为研究进展

1.4.3 动物体中手性农药选择性环境行为研究进展

1.4.4 植物体中手性农药选择性环境行为研究进展

1.5 异丙甲草胺及其S-对映体的研究进展

1.5.1 异丙甲草胺的基本性质

1.5.2 异丙甲草胺的迁移及残留

1.5.3 异丙甲草胺的降解

1.5.4 异丙甲草胺的生物毒性

1.6 本课题的研究内容及意义

第2章 Rac-及S-异丙甲草胺对植物生长及光合作用的手性差异

2.1 实验材料

2.1.1 实验材料与试剂

2.1.2 实验设备与仪器

2.2 实验方法

2.2.1 种子发芽率的测定

2.2.2 植物幼苗的培养及处理

2.2.3 IC50.5d的测定及植物茎和根系参数测定

2.2.4 叶绿素提取及测定

2.2.5 希尔反应活性测定

2.2.6 数据分析

2.3 结果

2.3.1 Rac-及S-异丙甲草胺对玉米和水稻种子发芽率的影响比较

2.3.2 Rac-及S-异丙甲草胺对玉米和水稻IC50.5d影响比较

2.3.3 Rac-及S-异丙甲草胺对玉米和水稻根和茎重量的影响比较

2.3.4 Rac-及S-异丙甲草胺对玉米和水稻希尔反应的影响比较

2.4 讨论

2.5 小结

第3章 Rac-及S-异丙甲草胺对植物根系生理的影响

3.1 实验材料

3.1.1 实验材料与试剂

3.1.2 实验设备与仪器

3.2 实验方法

3.2.1 植物幼苗的培养及处理

3.2.2 植物根系活力测定

3.2.3 植物根系质膜透性测定

3.2.4 水稻根尖细胞超微结构观察

3.3 结果

3.3.1 RAC-和S-异丙甲草胺对玉米和水稻根系活力的影响

3.3.2 RAC-和S-异丙甲草胺对玉米和水稻根系质膜透性的影响

3.3.3 RAC-和S-异丙甲草胺对水稻根尖细胞超微结构的影响

3.4 讨论

3.5 小结

第4章 玉米和水稻对rac-及S-异丙甲草胺的氧化应激

4.1 实验材料

4.1.1 实验材料与试剂

4.1.2 实验设备与仪器

4.2 实验方法

4.2.1 植物幼苗的培养及处理

4.2.2 植物根中抗氧化酶的提取

4.2.3 植物茎叶中亚细胞器的提取

4.2.4 考马斯亮蓝G-250法测定蛋白质含量

4.2.5 超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定

4.2.6 过氧化物酶(POD)活性的测定

4.2.7 过氧化氢酶(CAT)活性测定

4.2.8 丙二醛的提取及测定

4.3 结果

4.3.1 Rac-及S-异丙甲草胺对玉米和水稻根中SOD活性的影响

4.3.2 Rac-及S-异丙甲草胺对玉米和水稻根中POD活性的影响

4.3.3 Rac-及S-异丙甲草胺对玉米和水稻根中CAT活性的影响

4.3.4 Rac-及S-异丙甲草胺对玉米细胞器中SOD活性的影响

4.3.5 Rac-及S-异丙甲草胺对玉米细胞器中POD活性的影响

4.3.6 Rac-及S-异丙甲草胺对玉米细胞器中CAT活性的影响

4.3.7 Rac-及S-异丙甲草胺对水稻和玉米根中MDA含量的影响

4.3.8 Rac-及S-异丙甲草胺对水稻和玉米茎中MDA含量的影响

4.4 讨论

4.5 小结

第5章 玉米根系对rac-及S-异丙甲草胺的代谢差异性

5.1 实验材料

5.1.1 实验材料与试剂

5.1.2 实验设备与仪器

5.2 实验方法

5.2.1 植物幼苗的培养及处理

5.2.2 培养液中Rac-与S-异丙甲草胺残留测定

5.2.3 代谢产物分析

5.3 结果与讨论

5.3.1 玉米根系对rac-与S-异丙甲草胺的消解差异

5.3.2 Rac-与S-异丙甲草胺代谢产物及代谢途径

5.4 小结

第6章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 本论文创新点

6.3 展望

参考文献

附录 缩略词表

实验图片

硕士期间完成的论文与主持的项目

致谢