綠色農藥研究進展

劉雪琴 （濟源職業技術學院護理系，河南 濟源454650）

周鴻燕 （濟源職業技術學院冶金化工系，河南 濟源454650）

農藥作為主要的農資產品，自20世紀應用于農業生產以來，在防治農作物病蟲害和保證農業豐收方面發揮了重要作用［1］。但與此同時，大量農藥的長期使用，使農產品中農藥殘留量增加，嚴重污染環境，危及人類健康及生命。隨著人們對健康和環境問題的日益重視，由農藥帶來的殘留、環境污染等問題受到人們普遍關注，由此就引起了人們對綠色農藥的青睞［2－5］。

1 綠色農藥的定義及特征

綠色農藥又叫環境無公害農藥或環境友好農藥，是指對防治病菌、害蟲高效，而對人畜、害蟲天敵、農作物安全，在環境中易分解，在農作物中低殘留或無殘留的農藥［6］。它是在綠色化學的基礎上發展而來的，主要包括生物農藥、化學合成類綠色農藥等。

綠色農藥本身及其生產過程應具有以下特征：生產設計綠色化、合成方法應符合 “原子經濟性”，有很高的生物活性，選擇性高，對農作物無害，在土壤、大氣、水體中無殘留［7－8］。

2 生物農藥

生物農藥是指利用生物活體或代謝產物對有害生物進行防治的一類制劑［9］。生物農藥按其來源可分為微生物源、植物源、動物源、轉基因作物和基因工程農藥4大類［10］。

2．1 微生物農藥

微生物農藥是利用微生物 （如細菌、真菌、病毒和線蟲等）或其代謝物作為防治農業有害物的生物制劑。細菌制劑以蘇云金桿菌 （簡稱Bt）為代表，Bt制劑的全球年銷售額2000年已近10億美元，我國的年產量在2萬t以上；其次是日本金龜子芽孢桿菌和緩死芽孢桿菌。在微生物農藥中，最常用的真菌殺蟲劑為白僵菌和綠僵菌，能防治200多種害蟲。由于真菌殺蟲劑是觸殺性殺蟲劑，具有其他微生物農藥所沒有的廣統譜殺蟲作用等優點，目前已進入大面積應用階段。病毒制劑中目前研究較多、應用較廣的是核型多角體病毒、顆粒體病毒和質型多角體病毒。

農用抗生素是指由微生物發酵產生、具有農藥功能、用于農業上防治病蟲草鼠等有害生物的次生代謝產物。國外以日本發展最快，居世界領先地位，先后開發了殺稻瘟素－S、春日霉素等。我國也成功開發有井崗霉素、赤霉素、農抗120、農抗5102、武夷菌素等。其中產量最大的是井岡霉素，到20世紀末年產量已超過1kt（有效成分），占全國農用抗生素產量的95%以上，成為防治水稻紋枯病首選的安全有效的藥劑［11－14］。

2．2 植物源農藥

植物源農藥是利用具有殺蟲、殺菌、除草及植物生長調節等活性的植物中的某些部分，或提取其有效成分、加工而成的藥劑［15］。主要包括植物源殺蟲劑、植物源殺菌劑、植物源除草劑及植物光活化霉毒等［16］。與傳統的農藥相比，植物源農藥更適合農業的可持續發展和人類健康的需要。

目前，植物源農藥以其低毒、不破壞環境、殘留少、選擇性強、不殺傷天敵、可利用時間長、用量少、使用成本低等優點越來越受到人們的重視與青睞。

2．3 動物源農藥

動物源農藥是指利用動物體的代謝物或其體內所含有的具有特殊功能的生物活性物質如昆蟲所產生的各種內、外激素調節昆蟲的各種生理過程以此來除蟲。主要包括動物毒素、昆蟲內激素、昆蟲信息素及天敵動物。目前國內應用最多的是激素及信息素如華東理工大學研制出的酞胺啞二唑及芳酚基叔丁基脲具有很高的活性［17－18］。

2．3．1 動物毒素

這一類型毒素是節肢動物 （包括昆蟲）產生的用于保衛自身、抵御敵人、攻擊獵物的天然產物，如沙蠶毒素、斑蝥素、蜂毒、蜘蛛毒素、蝎毒等。最著名的例子是從異足索蠶中分離的沙蠶毒素，以此為先導化合物，開發出如殺螟丹、殺蟲雙、殺蟲單、巴丹等一系列沙蠶毒素類商品化殺蟲劑。動物毒素研究主要集中在天然的蛇毒、蜂毒、蝎毒、蜘蛛毒、芋螺毒、水母毒等的研究。

2．3．2 昆蟲內激素

內激素是由昆蟲體內的內分泌器官或細胞分泌的在體內起調控作用的一類激素。昆蟲的個體發育主要是腦激素、蛻皮激素和保幼激素共同協調控制的。而到了幼體發育的后期，由另外2種激素——羽化激素和鞣激素進行調節［19］。在正常情況下，激素分泌出正常的量才能維持正常的生長與發育。缺少任何一種內激素，都會影響其正常的變態發育。

蛻皮激素的研究始于天然蛻皮激素的發現與分離。這些從植物原料分離出來的物質化學合成非常困難，天然提取價格貴且水溶性太強而不易滲入昆蟲角膜。蛻皮激素最先由Kuflsmn和Butedandt于1954年從家蠶蛹中分離出來。此后，Wing K D發現RH－5849對鱗翅目昆蟲具有類似20－羥基蛻皮激素功能，羅姆—哈斯公司開發了第一個這一類商品化的農藥品種。在開發和推廣原有雙酰肼類殺蟲劑的基礎上，科學家們積極尋找新的殺蟲劑，又發現了2種新型非類固醇類蛻皮甾酮競爭劑。

羽化激素是腦的中央群神經分泌細胞在羽化前40min產生的分子量約8400的肽類激素。多數神經肽都形成含有s－s橋架的復雜三元結構，其氨基酸基團會受到各種各樣的修飾，但其有機化學合成若考慮到成本和產量則未必容易。利用微生物通過遺傳基因操作的方法，則能廉價地大量生產。有人用人工遺傳基因合成了蠶的羽化激素且是通過酵母菌而發現。

2．3．3 昆蟲信息素

信息素是指生物間的化學聯系及其相互作用活性物質，又稱昆蟲外激素，是昆蟲產生的作為種內或種間個體間傳遞信息的微量活性物質，具有高度專一性，可引起其他個體的某種行為反應，具有引誘、剌激、抑制、控制昆蟲攝食或集合、報警、交配產卵等功能。目前利用昆蟲信息防治害蟲的方法大致可分成3種：大量誘捕法、交配干擾法和其他生物農藥組合使用技術。此外還可用昆蟲性信息素制作誘捕器，用于蟲害的早期發現，監察蟲群趨勢，有助于決定是否要施用殺蟲劑和施用時間。有些植物當受到食植性昆蟲危害時會釋出一些引誘害蟲天敵的化學信號。這些化學信號是一些揮發性萜類混合物，天敵昆蟲就以此來區分受害和未受害植株［20－21］。

2．3．4 天敵動物

在自然界，生物與生物之間相互制約，對天敵資源的保護和利用，是害蟲生物防治的基本途徑和方法。1980年華中農業大學儲藏物害蟲研究室從美國農業研究中心南太平洋儲藏物害蟲研究所引進黃色蝽，繁殖飼養取得成功；實踐中可利用赤眼蜂、棉鈴蟲齒唇姬蜂、胡蜂、龜紋瓢蟲、草蛉、食蟲蝽和蜘蛛等來防治棉鈴蟲。

2．4 轉基因作物和基因工程農藥

隨著生物技術的發展，人們逐漸發現具有殺蟲防病作用的基因，可以通過遺傳操作，把DNA重組技術應用于制造農藥的研究。美國加利福尼亞大學成功使用DNA技術，將2個不同Br蛋白進行融合，產生新蛋白質，從而擴大了殺蟲范圍。同時，還將Br毒素基因分別轉移到根部熒光假單胞菌和植物維管內生菌，可以不斷地分泌殺蟲蛋白，保護植物。世界上第一個商品化的遺傳工程殺菌劑為Nogall，已在澳大利亞、美國、日本等國登記銷售。國內彭于發等于1987年通過遺傳操作技術篩選出全蝕病菌離體拮抗作用提高2～3倍并有明顯刺激作用的菌株D93，連續5年防效保持穩定，增產20%，定名為“熒光93”。此外，美國還通過遺傳操作，構建出生物誘抗劑，將這些基因工程菌制劑噴灑到植物表面，可以誘導作物對多種病害的抗性，從而達到防治病害的目的。

3 綠色化學農藥

化學合成農藥簡稱化學農藥，是由人工研制合成，并由化學工業生產的一類農藥，化學合成農藥的分子結構復雜、品種繁多、生產量大，是現代農藥中的主體，其應用范圍廣，很多品種的藥效很高，而且由于它們的主要原料為石油化工產品，資源豐富，產量很大。人工合成的化學農藥，按化學組成可以分為有機氯、有機磷、有機汞、有機砷、氨基甲酸酯類等制劑。

化學農藥的毒性及對環境的污染在20世紀70年代就引起各界特別是發達國家的重視。美國在1972年就停止生產和使用DDT等毒性大、高殘留的農藥，我國則在1983年開始禁止生產和使用有機氯農藥。然而，由于化學農藥見效快、能耗低及容易大規模生產等特點，至今仍是防治病蟲害的主要手段。所以，在未來相當一段時間內，化學農藥仍將是農藥的主體，而綠色化學農藥是發展的重點。其特點是：①超高效：藥劑量少而見效快；②高選擇性：僅對特定有害生物起作用；③無公害：無毒或低毒且能迅速降解。雜環化合物就是其中典型的代表。在世界農藥的專利中，大約有90%是雜環化合物。

3．1 氮雜環農藥

氮和生命有著極為密切的聯系，它是形成生命體所需蛋白質的必要成分，也是核酸酶等維持生理機能必不可少的高分子有機化合物的重要組成部分［22］。將含氮雜環引入農藥分子結構中，不但可以提高生物活性，還可改變其選擇性。在含氮雜環化合物中，含有吡啶、嘧啶、吡唑、三唑等雜環和稠雜環的化合物，又是發展最快、最為重要的領域。在這些領域中，出現了許多超高效的新品種。

3．1．1 磺酰脲類除草劑

1982年杜邦公司研制出第一個磺酰脲類除草劑 （綠黃隆），這類除草劑有很高的除草效力。該類除草劑對動物低毒，在非靶生物體內幾乎不積累，在土壤中可通過化學和生物過程降解，滯留時間不長［23］。

磺酰脲類除草劑結構如圖1所示。

圖1 磺酰脲類除草劑結構圖

研究結果表明，當R基團越小，特別是R的β位不帶任何取代基時，除草劑活性越高。這類除草劑施于農田后能迅速被敏感品系的葉和根吸收，使敏感植物停止生長，萎黃甚至枯死。它們能在植物體內水解，水解產物很快與葡萄糖結合形成穩定的無害代謝物。

3．1．2 吡唑類殺蟲劑

如Rhone Poulene公司發明號US5608077的殺蟲劑 （在5×10－6mg／L的濃度下可防治歐洲葉甲蟲。

3．1．3 殺菌劑

很多是雜環化合物，如Ciba－Geigy開發的用于防治稻瘟病、白粉病、霜霉病等的殺菌劑，用量10～50g／hm2。日本住友化學公司開發的防治水稻紋枯病的新藥，用藥量45～60g／hm2。

3．2 含氟農藥

據初步統計，世界上1300余個農藥品種中，含氟農藥約占12%，而在含氟農藥中除草劑約占45%、殺蟲劑占33%、殺菌劑約占15%、其他占7%，含氟和雜環化合物特別是兩者的結合物已成為農藥開發的主體［24］。氟農藥的共同特點是引入氟原子后，增加化合物的親脂性，而且氟與氫不易被受體識別，致使受體發生不可逆失活，甚至阻止生物體內的代謝，因此，其生物活性比相應的無氟化合物高。

目前，正式商品化的含氟農藥有近百種［25］。美國Dow－Science公司與佛羅里達大學昆蟲學教授蘇南堯合作發明含氟的殺白蟻藥榮獲美國總統2000年綠色化學獎。含氟農藥主要有：①根據生物等排理論，以氟或含氟基團如CF3、OCF3、OCHF2代替原有農藥品種中的H、Cl、Br、CH3、OCH3而得到的農藥，如殺菌劑氟喹唑啉酮，以氟替代喹唑啉酮中的H，二苯醚類除草劑以CF3代替CH3，除蟲菊類殺蟲劑以F或CF3替換氯氰菊酯、氰戊菊酯中的H或Cl等。②利用已知的含氟活性基團與其他活性基團間的組合，優化得到新的含氟化合物，如氟蟲脲、定蟲隆和溴氟菊酯等［26］。

3．2．1 氨基酸類

草甘膦 （N－膦羧甲基－α－甘氨酸）是美國孟山都公司1971年開發出的一種氨基酸除草劑，它能夠有效控制世界上危害最大的78種雜草中的76種，其衍生物及一些基本結構與之相仿的物質也常具有除草功能［27］。Large等以草甘膦為原料合成的N－膦羧甲基季銨鹽，可以100%控制一年生牽牛花的生長，每公頃45kg可將幾種草類在其生長、成苗期除去，同時該類化合物對甜高粱類植物的生長也有調節作用。

不含磷的氨基酸類除草劑或植物生長調節劑，一般是芳酰基取代的衍生物。每公頃僅需50g可對抗稗子［28］。此外，β－或γ－取代的氨基酸可用作殺蟲、殺菌劑。

3．2．2 氨基酸酯類

草甘膦的一些酯類衍生物也具有除草的能力，一些分子中含有鹵代芳環的氨基酸酯衍生物也具有除草活性。如Chen Ruyu等合成的一系列含氮芥、磷、硫及苯環的氨基酸酯類均具有一定的除草能力和強的殺菌性能。

此外，N－酰基或N－鹵代噻吩甲酰氨基酸酯、含肟基的氨基酸酯都具有殺蟲、殺菌功能。

3．2．3 氨基酸酰胺類

主要用作殺菌劑，如纈氨酰胺。此外，用作殺菌劑的還有N－磺酰代、苯基取代、萘基取代纈氨酸衍生物以及N－環丙基羰基氨基酸酰胺、N－（2－氯代異煙酰肼）氨基酸酰胺等［29］。

4 展望

生物農藥具有生產原料來源廣泛、對非靶標生物安全、毒副作用小、對環境兼容性好等特點，已成為全球農藥產業發展的新趨勢。但是生物農藥受到研發成本高、起效慢、大面積快速防治時效果不理想等限制，在近期內很難成為農藥的主力軍。而綠色化學農藥由于具備成本低、起效快、可大規模生產等優點，仍是農藥的主體，在我國尤其如此。從化學農藥本身的發展趨勢而言，綠色化學農藥將進入一個超高效、低毒化、無污染的新時期［30］。

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