新烟碱类杀虫剂会干扰蜜蜂的飞行能力、生物能量平衡以及神经信号的传递

烟碱类杀虫剂通过抑制能量代谢和神经传导引发蜜蜂行为异常，AI追踪系统实现毫米级3D轨迹重建并验证了不同药剂毒性差异。

　　

泽普·高（Zepu Gao）| 林杰（Lin Ji）| 罗文楠（Wennan Luo）| 冯子博（Zibo Feng）| 隆学兵（Xuebing Leng）| 马永强（Yongqiang Ma）| 魏耀光（Yaoguang Wei）| 庞森（Sen Pang）| 安东（Dong An）| 陆慧哲（Huizhe Lu）

中国农业大学理学院，北京 100193

摘要

新烟碱类杀虫剂与其他压力因素共同导致蜜蜂种群数量下降，这威胁到了生物多样性和全球粮食安全。新烟碱类杀虫剂对蜜蜂行为影响的神经和生理机制尚不清楚，而蜜蜂体型微小以及其高度社会化的群体结构使得在动态环境中进行人工风险评估变得困难。本文介绍了一种基于人工智能的无标记全景跟踪系统TCA-YOLOv7，用于自动化监测蜜蜂。该系统采用了改进的YOLOv7架构，并加入了十字注意力机制（Criss-Cross Attention）以抵抗遮挡现象，同时使用了Swin Transformer模块来稳定不规则运动过程中的跟踪效果。结合多摄像头阵列和几何投影与特征匹配技术，该系统能够精确且同时重建多个个体的3D运动轨迹。我们的模型检测准确率达到99.5%，跟踪稳定性误差降低了68.4%，空间精度达到亚毫米级别（3D RMSE），优于传统模型。这种集成性能使得能够高分辨率地追踪蜜蜂的关键行为，如飞行、爬行和觅食，从而有助于深入分析复杂环境中农药引起的行为异常。实验表明，蜜蜂（Apis mellifera L.）在接触吡虫啉（imidacloprid）和氟吡呋喃酮（flupyradifurone）后表现出不同的异常症状，包括瘫痪和过度活跃，这些症状显著改变了它们的飞行轨迹和习性。研究结果表明，吡虫啉的毒性远高于氟吡呋喃酮，即使在低浓度（40 μg·L?1）下也会显著降低蜜蜂的存活率和飞行能力，这一结论通过行为-神经-生化多维度数据分析得到证实。这两种杀虫剂都会抑制蜜蜂飞行肌肉中的ATP能量供应系统并干扰神经递质传递，最终导致异常行为。

引言

传粉者，如蜜蜂，对于维持全球生态系统的多样性和农业生产力至关重要[1]。大约75%的作物物种依赖动物传粉服务，每年由此增加2350亿至5770亿美元的收益[2]。传粉带来的生态价值是蜂产品市场价值的数十倍[3][4]。然而，目前传粉者的数量和地理分布范围都在持续减少[5]。其原因可能与多种压力因素有关，包括气候变化[6]、农业集约化[7][8]、病原体和疾病[9][10]、饮食压力[11]以及农业化学品[12]，尤其是农药的暴露。新烟碱类杀虫剂是一种神经毒素，它们作用于昆虫的烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs），导致乙酰胆碱积累并持续激活中枢神经系统，对昆虫的毒性远高于脊椎动物[13][14]。鉴于这些杀虫剂可能与蜜蜂种群减少和蜂群损失有关[15][16]，因此受到了广泛关注。据报道，花粉中吡虫啉的残留量为0.01-150 ng·g?1，花蜜中为0.01-6588 ng·g?1[17]；棉花中的氟吡呋喃酮含量为0.311-15.9 mg·kg?1[18]。在实际田间浓度下，新烟碱类杀虫剂会减少新蜂王的产生85%，蜂群数量减少24%[19][20]。即使微量浓度也会对蜜蜂的漂移行为和生存产生不利影响[21]。无论是通过叶面喷洒还是种子包衣方式施用，新烟碱类杀虫剂都可能渗入地下水，随后进入蜜蜂采集的花粉和花蜜中[5][22]。除了抑制害虫外，它们还会通过损害蜜蜂的导航能力[23][24]、花卉识别能力[25]以及导致体温过低[26]等方式影响蜜蜂和其他传粉者的健康，最终导致蜂群衰退。吡虫啉和氟吡呋喃酮是具有高毒性的新烟碱类杀虫剂，会引发蜜蜂基因和转录表达谱的变化，尤其是在氧化磷酸化过程和神经稳态方面[27][28]。氧化磷酸化是线粒体产生ATP的主要途径，将电子传递与能量转换联系起来，驱动细胞功能[29]。任何对氧化磷酸化的干扰都会影响细胞能量代谢，增加氧化应激并引发多层次的生物损伤[30]。这些杀虫剂会导致氧化应激，进而损害线粒体、缩短寿命，并产生亚致死效应，如行为活动受损。多项研究表明，环境污染物会损害蜜蜂的飞行能力[11][31][32][33]。飞行能力是蜜蜂生长发育的关键因素，直接影响存活率、传粉效率和繁殖成功率[34][35][36][37]。蜜蜂是出色的飞行者，能够携带大量的花蜜和花粉，其飞行系统包括翅膀、胸部和飞行肌肉[38]。飞行是一种复杂的行为，涉及多种生理活动的调节，包括高速神经传递、精确的感觉输入和处理、高效的能量利用以及协调的肌肉收缩和翅膀运动[31][39][40][41][42][43]。工蜂在采集食物时需要承受自身重量以及额外的花粉和花蜜负荷。研究表明，蜜蜂在携带45 mg糖分的情况下仍能正常飞行，尽管飞行速度会降低23%，但糖分消耗会增加38%[44]。频繁的采集活动会进一步增加能量消耗和飞行负荷。 尽管微量新烟碱类杀虫剂会改变蜜蜂的行为和生理状态[5][45][46]，但其影响蜜蜂行为的分子机制尚未明确。为了研究蜜蜂行为，研究人员会在蜜蜂胸部安装RFID芯片[47]或QR码标签[26]以记录飞行频率和轨迹等参数，或使用飞行测试装置来测量基本飞行能力[31][32][48]。但这些方法存在一些局限性：首先，通常需要麻醉蜜蜂[49]或附加重量装置[46][50]，这会干扰自然行为并引入实验误差；其次，大多数研究仅关注二维行为分析，通常只测量“移动速度”或“飞行距离”[51][52]，限制了在自由飞行条件下定量分析飞行轨迹和频率等关键参数的能力；第三，当前方法在非侵入性跟踪和个体蜜蜂及蜂群量化方面存在挑战。此外，蜂群内的个体蜜蜂在外观上相似，农药暴露可能导致聚集或异常行为，从而引起遮挡现象，导致识别错误和轨迹不连续[54][55]。蜜蜂的行为变化反映了系统性的功能障碍。量化这些变化对于理解它们与神经或代谢功能障碍之间的联系至关重要[56][57]。因此，我们采用了一种基于人工智能的计算机视觉平台来监测蜜蜂，重点探讨三个科学问题：该系统能否准确识别并持续跟踪蜜蜂的三维飞行行为；不同新烟碱类杀虫剂是否会导致蜜蜂出现不同的行为异常；这些异常是否与其能量代谢或神经系统有关。通过24小时急性暴露实验和10天慢性毒性测试，本研究系统地分析了行为异常与生理机制之间的关系。这些发现填补了该领域的研究空白，克服了传统方法的局限性，为未来关于蜜蜂行为和生理的研究提供了可靠的新框架。

蜜蜂

本研究中使用的蜜蜂（Apis mellifera L.）来自中国农业大学理学院同一蜂场内的三个健康且独立的蜂群（北纬40.0°，东经116.2°，北京），这些蜂群遵循标准养蜂实践进行管理。我们在蜂巢入口捕捉了年龄相近（大约羽化后14-21天）的采集蜜蜂，特别选择了携带满载花粉的采集蜂。

基于计算机视觉的行为检测

TCA-YOLOv7系统的应用实现了强大的无标记跟踪能力，这对于分析蜜蜂的复杂行为至关重要。模型训练过程的评估（图1和图S5）显示损失函数收敛迅速，泛化能力稳定，证实学习阶段没有发生过过拟合现象。在检测性能方面，该系统的平均精度（mAP@0.5）为99.5%，召回率为99.5%（表S1），确保几乎所有蜜蜂都能被准确检测到。

讨论

在农业环境中，蜜蜂可能会接触到一种或多种农业化学品[67]，包括新烟碱类杀虫剂，这些杀虫剂对蜜蜂的毒性差异较大[68]。研究表明，浓度为5-200 μg·kg?1的吡虫啉[47]和1.33-12 mg·L?1的氟吡呋喃酮[69]会对蜜蜂产生亚致死效应。这些浓度与实际田间残留水平相当，可能导致学习能力和记忆力下降[70]、飞行能力减弱[71]以及归巢能力受损[72]，从而威胁到蜜蜂的生存和繁殖。

资助

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFD1701300）、中国国家重点研发计划（2021YFA0716703）以及国家自然科学基金（项目编号22372195和21873115）的支持。

作者贡献声明

罗文楠（Wennan Luo）：撰写初稿、验证、软件开发、方法设计、数据管理。 冯子博（Zibo Feng）：方法设计、概念构思。 隆学兵（Xuebing Leng）：资源获取、方法设计、概念构思。 马永强（Yongqiang Ma）：项目监督、资金申请、概念构思。 魏耀光（Yaoguang Wei）：撰写、审稿与编辑、验证、监督、数据管理、概念构思。 庞森（Sen Pang）：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源获取、项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了理学院和信息与电气工程学院的技术支持，感谢匿名审稿人的宝贵意见。

作者声明

作者声明没有利益冲突。

数据和材料获取

所有数据均可在正文或补充材料中找到。