大数据思维解析″农药对非靶标生物的负面效应″

近日, 华东理工大学万年峰课题组联合我国, 意大利, 丹麦, 英国, 法国, 德国的科研人员, 在国际综合性著名期刊Nature子刊—Nature Communications上以Articles形式, 发表了题为″Pesticides have negative effects on non-target organisms″的长篇研究成果. 该研究利用大数据解析了生物多样性控害的科学依据和时代背景——农药对非靶标生物存在的风险.
农药能够有效控制或消灭危害农作物, 草原和森林的病虫草鼠害, 防止这些有害生物对植物造成损害. 自人类发明农药以来, 农药对人类摆脱饥饿饥荒, 维系全球粮食安全, 缓解人口增长带来的食物资源短缺功不可没. 然而, 随着人类认知范围的扩大以及人类大健康观和大安全观的广泛传播, 农药对非靶标生物安全性(尤其是人畜健康)与生态环境的影响, 逐渐受到重视. 当前, 各利益群体对农药的安全性问题(尤其农药是否对非靶标生物具有负面影响)争论不休, 各自为政, 至今全球还没有研究者通过足够的数据量回答″农药是否安全″这一争议性话题.
为回答这一问题, 万年峰课题组率先利用大数据思维, 联合6个国家11个机构的科研人员, 筛查了471种农药全球88. 75万个农药使用案例, 该研究构建了迄今全球信息量最大最健全, 内容最丰富的农药影响非靶标生物的数据库, 包括构建了杀虫剂, 杀菌剂和除草剂影响非靶标动物, 植物与微生物的生长, 繁殖, 行为和生化指标数据库. 该数据库包括243种杀虫剂, 104种杀菌剂, 124种除草剂共471种农药, 涵盖560种动物, 192种植物, 78种微生物和129类非物种水平的非靶标生物类别.
研究结果显示:杀虫剂, 杀菌剂和除草剂显著抑制非靶标动物的生长, 繁殖与行为, 扰乱了动物的神经生理反应, 细胞代谢, 呼吸反应, 生理生化响应等生化指标;抑制了植物的生长, 繁殖, 干扰了植物的光合作用, 蒸腾作用, 细胞代谢, 呼吸反应, 生理生化响应等生化指标;也抑制了微生物的生长, 繁殖, 破坏了微生物代谢, 细胞膜通透性, 生理生化响应等生化指标.
该研究将非靶标动物分为无脊椎动物和有脊椎动物, 将植物分为单子叶和双子叶植物, 将微生物划分为真菌和细菌, 发现杀虫剂, 杀菌剂, 除草剂的负面效应同样存在. 将农药划分为化学农药, 矿物源农药, 生物农药, 以及按照欧盟标准, 将农药分为″老药″和″新药″, 这些负面效应清晰可见. 此外, 将非靶标生物分为″模式生物″和″非模式生物″后, 农药的负效应依旧呈现.
该研究分析了不同场景下农药对非靶标生物的影响, 结果显示, 室内条件下农药对非靶标动物, 植物, 微生物的负效应与上述类似. 相比于室内条件, 田间试验的样本量相对较少, 农药的负效应趋势依旧存在, 但总体低于室内结果的负效应. 在不同气候带中, 作者发现, 温带地区农药对非靶标生物的负面效应强于热带地区. 这可能与热带系地区农药降解, 解毒和消散更快有关(例如, 增加的紫外线照射和更高的温度, 加快了农药失活以及降低了农药杀虫杀菌灭草效果). 将非靶标生物分别暴露于陆地和水域环境条件, 农药的负效应均仍然存在.
为防止过分夸大农药剂量对非靶标生物的负面影响, 作者也构建了田间推荐使用农药剂量, 水域推荐农药使用剂量如何影响非靶标生物的数据库, 结果显示:尽管推荐农药使用剂量的数据样本量不如所有农药使用剂量(所有农药使用剂量包括:不高于推荐农药使用剂量和高于推荐农药使用剂量)的样本量, 但将农药使用剂量固定在推荐剂量范围内, 杀虫剂, 杀菌剂, 除草剂对非靶标动物, 植物, 微生物的负面效应仍旧出现.
研究进一步利用回归方程模型量化农药使用剂量与非靶标生物各指标值的关系, 结果显示:随着农药剂量的加大, 杀虫剂, 杀菌剂, 除草剂对非靶标动物, 植物, 微生物的负面效应逐渐加剧.