福寿螺(Pomacea canaliculata)性畸变现象研究

来源:Science of the Total Environment 371 (2006) 138–143

作者:Wen-Hui Liu, Yuh-Wen Chiu, Da-Ji Huang, Ming-Yie Liu, Ching-Chang Lee, Li-Lian Liu

摘要

研究发现：

● 性畸变在台湾多处水域广泛存在，发生率最高达100%

● 性畸变严重程度与有机锡污染水平正相关

● 雌雄性畸变呈显著负相关，污染对两性生殖系统的不同影响

● 有机锡污染在台湾水域广泛扩散，亟需加强环境监管

南美福寿螺(Pomacea canaliculata, Lamarck, 1822)于20世纪80年代初被有意引入台湾,现已成为反复出现的严重危害水生作物的害虫。在本研究中,首次对来自作物/生活废水排水点及六级河流中雌性福寿螺的性畸变现象进行了野外描述,这些雌性福寿螺发育出了阴茎鞘和阴茎。基于五次野外采集和水族箱对照组的研究结果,将福寿螺性畸变发展的输精管序列(VDS)分为四个阶段:0期:无雄性生殖系统;1期:出现初生阴茎;2期:具有初生阴茎和阴茎鞘;3期:初生阴茎发育为阴茎囊和阴茎。VDS指数在1.07至2.82之间变化,水族箱对照组和Yuanlin2站点最低。

关于性畸变的严重程度,从阴茎鞘长度和阴茎长度来看,水族箱对照组的性畸变程度不如野外采集组明显(p<0.05)。在阴茎长度方面,性畸变影响最严重的站点的雄性阴茎比水族箱对照组短达15%。还观察到雄性阴茎长度与雌性性畸变特征(即阴茎长度和阴茎鞘长度)之间存在负相关。

1. 引言

南美福寿螺(Pomacea canaliculata, Lamarck, 1822)于20世纪80年代初作为水产养殖物种被有意引入台湾(Lee and Wu, 1996)。然而,由于这种螺的市场接受度差,人们试图在台湾消除它的存在;但它仍然扩散到灌溉沟渠和天然水道中。最终,它入侵了东亚水域,并很快成为该地区严重危害水生作物的害虫(Naylor, 1996)。

虽然螺类种群可以通过人工捡拾、放牧鸭子和仔细的水位管理(包括偶尔的田间排水和维持低水位)来有效控制(Naylor, 1996; Teo, 2001),但使用杀螺剂和杀虫剂一直是台湾控制这种害虫的最常用方法(Cheng and Kao, 2004)。有一段时间,四聚乙醛、氯硝柳胺和三苯基醋酸锡(TPTA)是官方推荐的害虫防治剂,但农业委员会(COA)于1997年禁止在农业中使用TPTA,以防范其不明确的毒理学效应。根据全国问卷调查,超过70%的农民对四聚乙醛和氯硝柳胺表示不满意,据报道有27%的农民仍在使用TPTA(Cheng, 2004)。通过对稻田灌溉系统中农药残留物的调查,在总共144个沉积物样品中,分别有3.5%和43.8%检测到了三丁基锡(TBT)和三苯基锡(TPT)。它们的浓度分别为ND(未检出)至52.4μg TBT/kg湿重和ND至319μg TPT/kg湿重。

"性畸变"(imposex)是雌性雌雄异体前鳃类动物形成阴茎和/或输精管的诱导反应(deFur et al., 1999)。这是对有机锡化合物(如TBT和TPT)的特异性反应(Oetken et al., 2004)。在现有文献中,已在全世界超过150种前鳃类动物中鉴定出性畸变,但与淡水物种相比,对海洋生态系统中的物种给予了更多的关注(deFur et al., 1999; Oetken et al., 2004)。在台湾也是如此(Liu and Suen, 1996; Liu et al., 1997; Hung et al., 2001; Lee et al., 2005, 2006)。

由于在台湾农业中TPTA的非法使用显然仍在继续,因此高度怀疑目标生物——福寿螺会发生性畸变。调查这一怀疑成为我们研究的目标。在文献中,我们首次报告了受性畸变影响的福寿螺不仅出现在淡水农业生态系统中,而且也出现在台湾的河流系统中。

2. 材料和方法

2.1 采样

2003年7-8月,从两个作物排水点(即Paiho1和Yuanlin1)、两个作物/生活废水排水点(即Paiho2和Yuanlin2)以及秀姑峦溪的Gaoliao站点(一条六级河流)采集了壳长在30-46mm范围内的福寿螺(图1)。Paiho1和2属于不同的排水系统,相距6公里。Yuanlin1和2的排水系统也不同,相距4公里。此外,2002年3月从大伦的一个鱼塘采集了福寿螺卵块,该鱼塘使用地下水且从未施用过农药。这些卵块在实验室中培养。孵化后,收集幼螺并在水族箱(60×30×35 cm)中饲养,使用循环充气水,并喂食当地市场购买的生菜,直到2003年9月用作水族箱对照组进行比较。

2.2 福寿螺性畸变检查

根据性腺和附属器官的外观对螺进行性别鉴定。雄性螺包括阴茎鞘和阴茎,后者在不使用时卷曲在阴茎囊中(图2)。在雌性中,正常生殖系统的一个额外特征是残存阴茎,这是瓶螺科(Ampullariidae)成员的特征,包括Pila、Pomacea、Lanistes、Afropomus和Turbinicola属(Kaewjam, 1987)。它是雌性肛门附近未分化的舌状组织团块(图3)。当用TBT或睾酮处理时,它会发育为阴茎囊和阴茎(Takeda, 2000)。此外,在性畸变诱导的样品中也观察到了新长出的阴茎鞘。因此,证明所谓的残存阴茎实际上是初生阴茎。

在本研究中,具有阴茎鞘和/或阴茎的雌性被鉴定为性畸变个体。测量了壳长和性结构(如果存在,分别为阴茎鞘、初生阴茎和伸直的阴茎的长度)。螺类中性畸变的发生率也通过具有阴茎鞘或阴茎的雌性百分比来确定。此外,VDS(输精管序列)指数计算为群体的平均性畸变阶段。

2.3 统计程序

对于统计分析,使用协方差分析(ANCOVA)比较各变量(即雌性的初生阴茎、阴茎鞘和阴茎,雄性的阴茎鞘和阴茎)在不同站点间的最小二乘均值(LSM),以壳长为协变量。还使用简单线性回归来确定雄性和雌性生殖变量是否相关。

3. 结果和讨论

在性畸变雌性中观察到了阴茎鞘和/或阴茎(图3),且阴茎鞘和阴茎之间的距离比雄性的更大(Takeda, 2000)。雌性性畸变发展作为VDS被定义为四个阶段:0期无雄性生殖系统,1期出现初生阴茎,2期具有初生阴茎和阴茎鞘,3期初生阴茎发育为阴茎囊和阴茎(图3)。未发现严重变形的雌性,例如输卵管分裂、卵巢阻塞或生殖道内卵变黑。

在野外采集组和水族箱对照组中都发现了性畸变的迹象。在野外采集组中,7%至100%的雌性具有阴茎鞘,而水族箱对照组为4%(表1)。VDS指数在1.07至2.82之间变化,水族箱对照组和Yuanlin2站点最低。超过95%的被检查雌性具有初生阴茎,其平均长度范围为1.9至4.0mm(表2)。雄性阴茎鞘长度的平均值比雌性的长,范围分别为11.3-17.3mm和0.01-2.41mm。此外,雄性和雌性阴茎长度的平均值也不同,分别为35.6-44.7mm和0.03-8.23mm。

通过以壳长为协变量的ANCOVA分析发现,不同站点间雌性初生阴茎长度的平均值存在显著差异(p<0.05)(图4),其中水族箱对照组和Yuanlin1采集组的值最高。关于性畸变的严重程度,性畸变影响最严重的站点是Gaoliao、Paiho1和Yuanlin1。水族箱对照组受影响最小,其阴茎鞘长度和阴茎长度的平均值明显短于其他采集组(p<0.05)。这些结果与表1中显示的VDS指数一致。

至于雄性螺,水族箱和Yuanlin1、2组的阴茎鞘长度平均值比Paiho1和2采集组短(图5)。Paiho1采集组的阴茎长度平均值比水族箱、Paiho2和Yuanlin2组短。发现雄性和雌性的平均阴茎长度之间存在负相关,即y=35.93−0.84x(R²=0.76, p<0.05, n=6)。雄性的平均阴茎长度也与雌性的阴茎鞘长度呈负相关,即y=10.87−0.25x(R²=0.72, p<0.05, n=6)。简单来说,雄性螺阴茎较短的站点也显示出雌性性畸变发生率较高,表现为阴茎鞘和阴茎较长,即Gaoliao、Paiho1和Yuanlin1站点(图4和5)。

Takeda(2000)之前报告了实验室中TBT和睾酮诱导福寿螺性畸变的研究,但在这里首次对具有发育的阴茎鞘和阴茎的雌性性畸变现象进行了野外描述。在我们所有的采集站点都发现了性畸变现象的发生。

Lee(2005)报告了我们的采样站点"Gaoliao"存在有机锡污染。2005年3月,沉积物中的TBT含量低于0.05μg/g干重,DBT(二丁基锡)、MBT(一丁基锡)、TPT、DPT(二苯基锡)和MPT(一苯基锡)均未检出。2005年8月,TPT是唯一检测到的化合物,即0.06μg/g干重。在2005年3月采集的罗非鱼(Tilapia zillii)肌肉中,TBT、DBT、MBT、TPT、DPT和MPT的浓度分别为<0.05、0.48、0.33、1.90、0.43和0.19μg/g干重。2005年8月,鲤鱼(Cyprinus carpio)肌肉中这些化合物的浓度分别为<0.05、0.12、ND、17.00、0.82和0.14μg/g干重。显然,我们的采样站点Gaoliao中同时存在TBT和TPT,且夏季TPT的浓度远高于冬季。

此外,据报道台湾七条主要河流沉积物中TBT和TPT的浓度范围分别为0.6-29.0和8.0-21.0μg/kg干重(Lee, 2005)。在这些河流的鱼肌肉中也检测到了TBT和TPT,即ND至0.27和ND至17.00μg/g干重。在台湾不同渔港的鱼类中也发现了丁基锡和苯基锡水平的季节变化(Lee et al., 2005)。例如,在八斗子渔港,夏季蓝点马鲛(Scomberomorus commerson)肌肉中的苯基锡高于冬季(即349 vs. 130和293 vs. 625 ng/g干重)。总的来说,2001-2004年期间从21个渔港采集的鱼类肌肉中TBT和TPT的含量范围分别为4-3390和5-3770 ng/g湿重(Lee et al., 2006)。基于这些报告,因此可以假设有机锡污染在台湾广泛传播。

如我们的水族箱对照和Yuanlin2采集组所示,两者都有轻微性畸变,VDS指数较低,为1.07。不能排除我们的螺类食物"生菜"可能来自有机锡污染地区。我们给螺类喂食生菜超过一年(从2002年3月到2003年9月),可能在水族箱对照组中产生了性畸变现象。然而,需要进一步确认。

虽然之前的性畸变相关研究报告了超过150种软体动物物种,但淡水研究很少,例如,盘螺(Marisa cornuarietis)(Schulte-Oehlmann et al., 1995, 2000)、泥螺(Potamopyrgus antipodarum)(Duft et al., 2003)和福寿螺P. canaliculata(Takeda, 2000)。像M. cornuarietis(Schulte-Oehlmann et al., 1995; 2000)和海洋螺类Thais clavigera(Horiguchi et al., 1997)的少数案例那样,性畸变的发展是由TBT和TPT共同诱导的。有研究表明腹足类性畸变可能由核视黄醇X受体(RXR)介导(Chinishikawa et al., 2004)。在T. clavigera中,核RXR可以结合TBT和TPT,诱导性畸变的发展,即雌性雄性生殖道的分化和生长。

证据表明,TPT会降低雌性M. cornuarietis的繁殖力和产卵量(Schulte-Oehlmann et al., 2000)。雄性的性器官(即阴茎、阴茎鞘和前列腺)也受到影响,阴茎长度的平均值与对照组相比减少高达25%。在本研究结果中,我们的测试螺的阴茎长度平均值比水族箱对照组短达15%,但阴茎鞘长度的平均值未观察到这种差异(图5)。还发现雄性阴茎长度较短的站点也是雌性具有更突出的阴茎鞘和阴茎的站点,即性畸变个体频率最高的站点。值得注意的是,我们对福寿螺生殖异常的野外观察与实验室中用TPT处理的盘螺的观察高度一致(Schulte-Oehlmann et al., 2000)。

总之,首次对具有发育的阴茎鞘和阴茎的雌性福寿螺性畸变现象进行了野外描述。并且,观察到雄性阴茎长度与雌性性畸变特征(即阴茎鞘长度和阴茎长度)之间存在负相关。

4.防治技术与实践应用

4.1传统防治方法的局限性

面对有机锡污染带来的性畸变问题以及福寿螺作为农业害虫的双重挑战，传统的化学防治方法（如使用杀螺剂）反而可能加剧环境污染，形成恶性循环。研究表明，尽管农业委员会已禁用TPTA等有机锡农药，但其残留仍在环境中持续存在，对水生生物构成长期威胁。因此，开发和使用环境友好型的防治技术显得尤为迫切。

4.2螺卵净：生态防治的新选择

在这一背景下，螺卵净PCBC作为一种创新的生态防治产品应运而生，为福寿螺防治提供了可持续的解决方案。螺卵净通过靶向作用于福寿螺卵块，从源头上控制福寿螺种群增长，其核心优势体现在：

1) 作用机制精准高效

● 专门针对福寿螺卵块中的胚胎发育阶段发挥作用

● 通过破坏卵膜结构或干扰胚胎正常发育，使卵块无法孵化

● 避免了对成螺的盲目杀灭，减少了对水体环境的二次污染

2) 环境友好特性突出

● 不含有机锡等持久性污染物，不会引发性畸变等内分泌干扰效应

● 对非靶标生物（如鱼类、虾类、有益水生昆虫）影响极小

● 易于在环境中降解，无长期残留风险