手性農藥對非靶標生物毒性研究進展

王達明 黃曦澤 曾耿狄

摘? 要? 手性農藥在生活中應用越來越廣泛，產量呈增長趨勢。手性農藥由于其具有手性中心，不同對映體對有益生物具有立體選擇性，對于其毒性毒理的研究日漸深入。本文從手性農藥的急性毒性、神經毒性、生殖發育毒性等方面介紹了有機氯、有機磷、擬除蟲菊酯類等農藥的外消旋體毒性及對映體選擇性毒性并簡要介紹了目前對其作用機制的研究進展。明晰手性農藥不同異構體的選擇性毒性，重視其潛在毒性，對于構建安全的生態環境有重要意義。

關鍵詞? 手性農藥 ;急性毒性 ;潛在毒性 ;對映體選擇性 ;毒性機制

中圖分類號? S482? ? 文獻標識碼? A? ? Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2018.11.013

Research Advances of Chiral Pesticides Toxicity on non-target organisms

WANG Daming1）? HUANG Xize2）? ZENG Gengdi2）

（1 Soil and Fertilizer Station of Agricultural Technology Promotion Center of Chengmai，

Chengmai， Hainan 571900;

2 Institute of Tropical Agriculture and Forestry， Hainan University， Haikou， Hainan 570228）

Abstract? Chiral pesticides are widely used in our lives， and the output is growing. Chiral pesticides have stereoselectivity for beneficial organisms due to their chiral centers. Research on its toxic toxicology is getting deeper and deeper.In this paper， The racemic toxicity and enantioselective toxicity of organochlorine， organophosphorus and pyrethroid pesticides were introduced from the aspects of acute toxicity， neurotoxicity， reproductive and developmental toxicity of chiral pesticides.A brief introduction to the current research progress on its mechanism of action.It is important to establish a safe ecological environment by clarifying the selective toxicity of different isomers of chiral pesticides and attaching importance to their potential toxicity.

Keywords? Chiral pesticides ; acute toxicity ; potential toxicity ; enantioselectivity ; toxicity mechanism

農藥已成為農業生產中的重要因素之一。從無機農藥的硫粉、銅制劑，到各類有機農藥，農藥種類越來越多。1848年，法國化學家Louis Pasteur對酒石酸鹽進行旋光度測定，推斷其存在不同的空間構型。19世紀60年代沙利度胺事件，其兩個對映異構體效果并不相同，S-異構體具有對胎兒的致畸作用，此事件讓人們開始重視不同對映異構體的差異性。

中國國家統計局發布，2014年中國農藥使用量180.69萬t，而作物受災面積2 489.07萬hm2。而有報道當今世界有40%的農藥具有手性中心，其種類與產量都呈增長趨勢，農藥濫用亂用情況也較為嚴重[1]。

手性農藥包括有機氯類、有機磷類、三唑類、苯氧羧酸類、擬除蟲菊酯菊酯類、芳氧苯氧基丙酸酯類等，對手性農藥進行手性分離，及對不同對映異構體的毒理分析尤為重要，如（+）-呋蟲胺對蜜蜂的急性接觸毒性是（-）-呋蟲胺145.9倍，是rac-呋蟲胺2倍[2]，研究手性農藥不同異構體對有益生物的毒性，并更深入闡述其作用機理，更有利于實際應用上對手性農藥的選擇，減小對環境的危害。

手性農藥對應異構體的物理性質基本相同。目前已有多種方法對不同種類的手性農藥外消旋體進行分離。不同異構體在土壤中的降解存在差異[3]，在生物體內的富集存在立體選擇性，如有報道在對顫蚓的染毒水培養富集過程中，顫蚓體內的濃度R-（-）-氟蟲腈>S-（+）-氟蟲腈、（-）-水胺硫磷>（+）-水胺硫磷[4];同時，手性農藥不同對映異構體對靶標生物及對非靶標生物的毒性具有立體選擇性[5]。

由于生物分子中的酶、蛋白質、糖類等重要有機物均具有手性結構，具備專一選擇性。所以，手性農藥在生物體的吸收、代謝、轉化均可能有較大差異[6]，如離子通道上個別氨基酸便可改變其選擇性[7]，磷脂雙分子膜也是具有手性選擇性吸收[8]。目前研究更多針對某一種手性農藥的對映異構體的毒性研究，在細胞及分子水平上研究有較大進展。

對于環境中的有益生物，目前用于研究的生物有蚯蚓、家蠶、魚、蜂、蚤、小龍蝦、大鼠、藻類、鳥、土壤微生物等。目前報道對有益生物非靶標生物具有選擇性對映異構體的手性農藥有擬除蟲菊酯類、有機磷類、有機氯類、苯氧丙酸及咪唑啉酮類農藥[9]。在實際生活生產中，有益生物直接接觸到手性農藥，其具有急性毒性;而更多農藥長期施用，有益生物長期暴露在低劑量農藥環境中，其具有潛在毒性，尤其是對內分泌系統、免疫系統、神經系統等毒性的對映體選擇性逐漸受關注[10]。

1? 手性農藥對非靶標生物的急性毒性

手性農藥對非靶標生物的急性毒性一直以來都是大家關注的要點。已有研究發現，擬除蟲菊酯類農藥雖然對人體低毒，但是對水生動物表現出高毒甚至劇毒，溴氰菊酯對小黑蛛、家蠶表現為高毒性;有機磷殺蟲劑農藥中辛硫磷對水藻毒性為高毒，三唑磷對南美白對蝦為高毒，氧樂果、久效磷對七星瓢蟲成蟲具備高殺傷率，甲基對硫磷在棉田對蚜蟲天敵同樣有高殺傷率;有機氯農藥中的環戊二烯類殺蟲劑、狄氏劑、七氯能造成捕食性鳥類急性中毒死亡;氯磺隆、甲磺隆會對玉米、大豆、甘薯等作物產生藥害;嗪草酮、丙炔氟草胺等按正常劑量使用即會對油菜產生嚴重藥害[11]。各類手性農藥對有益生物的急性毒性的研究廣泛。

在近十幾年，關于手性農藥的不同對映異構體對有益生物的急性毒性研究隨著對映異構體分離技術發展而深入開展。大多手性農藥不同對映異構體不但對靶標生物急性毒性有差異，對非靶標生物的毒性也均有立體選擇性。同類但不同種的農藥對同種有益生物的毒性效果均不同，如祝小祥曾報道，三唑類農藥對澳洲赤眼蜂的急性毒性，氟環唑>苯醚甲環唑>種菌唑>環丙唑醇、戊唑醇、己唑醇[12];同種農藥的相同種對映異構體對不同種有益生物的半致死濃度也有很大差異。

在大多數手性農藥中，一種對映異構體對某一種有益生物的急性毒性要強于其外消旋體，且不同的對映異構體所展現的急性毒性也有較大差異。如高效氟氰菊酯對斑馬魚染毒24 h，1S-cis-αR 異構體的毒性是1R-cis-αS 異構體的60倍，染毒96 h，1S-cis-αR 異構體的毒性是1R-cis-αS 異構體的162倍;在大型溞和網紋水溞的擬除蟲菊酯類農藥的急性毒性相關研究中，針對cis-BF而言，只有1R-cis-BF表現出對網紋水溞的急性毒性。這也暗示著部分外消旋體農藥對有益生物的毒性可能更多是來源自某一種對映異構體，而外消旋體是因為拮抗作用而表現出來的相對較低毒性[13]。

同時，蒼濤[14]曾報道過乙蟲腈對蚯蚓、家蠶、蜜蜂的毒性，不同對映異構體均未顯示出顯著差異，且對蚯蚓表現為低毒性，對家蠶表現為中等毒性，對蜜蜂表現為高毒性，而對意大利蜜蜂和稻螟赤眼蜂的不同對映異構體的毒性也沒有顯著差異，均為高毒性[15]。這表明仍有部分手性農藥不同對映異構體對有益生物的急性毒性沒有顯著差異，分離其單一異構體無法減小對有益生物的危害。

雖然目前關于手性農藥對有益生物的急性毒性研究越來越多，單一品種手性農藥不同對映異構體對多種非靶標生物急性毒性的闡述，但隨著對生態環境的認識逐漸加深，生態系統生物鏈中任何一環受到破壞，均會對整體系統帶來不良影響，對未見報道的非靶標有益生物手性農藥急性毒性需廣泛深入研究探討。

2? 潛在毒性

2.1? 神經毒性

神經系統負責傳遞信號，與內分泌系統協同運作，共用著神經遞質、細胞因子、激素等，調節生物體各項功能，使內環境保持穩態[16]。

由于有機磷農藥作用于乙酰膽堿脂酶（AchE），對于靶標與非靶標生物作用機理類似[17]，在抑制AchE過程中，會對神經發育造成影響[18];抑制AchE會導致AchE因負反饋而增加，在停止染毒后，會出現AchE活力增強現象，這同樣可能會對神經系統造成影響[19]。Jianmongkol等[20]在1996年研究發現，異馬拉硫磷不同對映體對母雞大腦AchE的抑制實驗存在神經毒性的差異性，抑制作用強弱相差達到15倍。周炳[21]研究了不同異構體的馬拉硫磷對人神經細胞瘤（SH-SY5Y）影響，結果R-馬拉硫磷對細胞的生長及其形態改變的影響最為顯著，同樣有報道甲基氯胺磷各個對映體對SH-SY5Y神經細胞軸突生長的半數抑制效果上差異達到60倍以上[22]。目前在有機磷農藥對神經發育毒性分子機制中，認為有機磷農藥可通過神經發育期影響AchE活性、蛋白質合成、DNA合成[23]、非膽堿能神經系統、重要信號通路[24]，進而導致神經毒性，而發生映體選擇性，可能與代謝、轉運、積累有關，以及其生物過程中發生的轉化有關。抑制劑各個基團的能和分子的結構不同，影響與酶活性中心的親和力與對酶醋動部位絲氨酸輕基的磷酞化能力，對同一種AhcE來說，抑制劑的磷酸化能力越強，則選擇性抑制能力越強[25]。有研究者認為，苯線磷對細胞乙酰膽堿酯酶活性的選擇性抑制可能是由于氫鍵和疏水作用強度差異所導致[26]。目前關于不同對映體對AchE的活性抑制是否與磷手性中心有關，尚未定論。

擬除蟲菊酯類農藥對水生生物表現出高毒性。由于擬除蟲菊酯類農藥被認為作用于靶位點為神經細胞上的電壓敏感性鈉離子通道，鈉通道本身的結構、構象與擬除蟲菊酯的毒性高低有著密切的關系[27]。對于水生有益生物，擬除蟲菊酯類農藥作用位點相似。研究結果顯示，氯菊酯對映異構體對PC12的細胞毒性和氧化應激都具有對映體選擇性，1R-trans-氯菊酯產生的毒性作用比1S-cis-氯菊酯大1.6倍[28]，手性對映體神經毒性的選擇性差異可能是由于不同對映體的結構差異造成的，也可能是由于生物體對不同對映體選擇性代謝速率的差異引起的。目前關于擬除蟲菊酯類農藥對映異構體對鈉離子通道的作用分子層面詳細機理尚不明確[29]。

同為鈉離子通道阻礙新型農藥茚蟲作用機理與擬除蟲菊酯類有差異[30]。有研究表明其對蜜蜂、魚類表現為高毒，對家蠶表現為劇毒，對鵪鶉和寄生蜂表現出的毒性較低[31]。而關于茚蟲威對映異構體對有益生物的神經毒性機制尚未定論。

目前看來，手性農藥的神經毒性可能是由于其立體構型不同，對酶等分子的親和力以及相互作用不同，在生物體中代謝、轉化、積累的差異影響神經細胞進而導致毒性的選擇性差異。

2.2? 內分泌干擾作用

內分泌干擾物（EDCs）表現出類雌激素活性，干擾機體的內分泌系統，近年來受到越來越多的關注[32]。1999年世界自然基金會（WWF）的《環境中被報告具有生殖和內分泌干擾作用的化學物質清單》報告中，表示125種內分泌干擾物中，農藥占了86種，且數量隨著農藥開發進展，呈增長趨勢[33]。內分泌干擾物擾亂兩棲類、哺乳類、爬行類生物及水生生物生殖發育，并干擾免疫與神經系統[34]。

在不考慮手性分子的情況下，Hayes等[35]發現，除草劑阿特拉津的長期暴露會誘導芳香化酶的形成，從而導致雄性青蛙雌化。Shelby等[36]證明了DDT具雌激素活性，陳海燕等[37]實驗證實氰戊菊酯等4種擬除蟲菊酯類農藥，顯示出類雌激素活性;乙烯菌核利[38]、毒死蜱[39]、乙草胺[40]、三氯殺螨醇[41]等均具備內分泌干擾作用。

由于大多有機農藥具有手性中心，在手性分子層面上，Zhao等[42]通過Escreen試驗，根據對細胞增殖誘導效果，發現高效氯氰菊酯、聯苯菊酯1S-cis-對映體的雌激素活性比1R-cis-對映體的高，更能誘導細胞增殖;對于有機氯農藥，Hoekstra等[43]經大鼠實驗發現，對于o，p'-DDT，其類雌激素活性（-）-o，p'-DDT>（+）-o，p'-DDT。

目前研究發現，具備內分泌干擾效應的農藥主要存在于有機氯農藥與擬除蟲菊酯類農藥，種類繁多，而對其內分泌干擾影響的研究尚不全面，對其作用機理、消旋體中的對映異構體相互作用機制、對雌性哺乳動物的影響差異仍需探討。

2.3? 生殖發育毒性

由于許多農藥具備內分泌干擾作用，使有益生物生殖、發育異常。研究表明許多農藥同樣具有三致作用。許陽光研究發現R-對映體喹禾靈和外消旋體喹禾靈對大型溞的產卵時間、產卵數以及母蚤脫皮次數均有不同程度的影響，且表現出對映體選擇性[44]。但目前關于手性農藥對映體對有益生物生殖毒性的相關研究還很少，少有的文獻表明，（-）-銳勁特對網紋水蚤成功繁殖作用的風險低于另一對映體和外消旋體[45]。

在發育毒性方面，胚胎和幼年期對農藥最為敏感，在此階段對農藥的吸收、代謝、轉化可能影響到胚胎發育及器官形成，導致畸形、死亡，目前基于斑馬魚模型對此研究更為深入。岳東[46]證明了發現久效磷可以干擾斑馬魚胚胎心臟發育的相關基因Tbx2和肌肉發育的相關基因Mef2c的表達，證明了久效磷對斑馬魚胚胎的心臟和骨骼發育具有致畸作用。梁宏武[47]通過實驗表明，已唑醇對斑馬魚有致畸作用，仔魚產生了身體彎曲、心包囊腫現象，其致畸作用大小為（-）-已唑醇>外消旋體>（+）-已唑醇，存在顯著對映體選擇性;同樣有研究表明，αS-2S-氰戊菊酯能引起類似現象，其相比其他對映體對96 h斑馬魚死亡率為3.8倍[48];Xu等[49]通過三氯殺蟲酯對斑馬魚胚胎-幼魚的實驗顯示S-（+）-三氯殺蟲酯和外消旋體均有致畸作用。

目前有研究表明，類激素農藥可競爭結合細胞中的雌激素受體，影響與受體無關的細胞信號傳遞途徑發揮作用，干擾機體正常激素水平的分子機理，干擾胚胎發育過程中多種基因的表達[50]，從而產生生殖發育毒性。

2.4? 其他毒性

目前手性農藥對有益生物的毒性還有肝細胞毒性、免疫毒性等，但報道尚少。孫瑞娟等[51]通過不同濃度的三唑酮與三唑醇對人肝細胞的增殖實驗表明，低濃度時對人肝細胞存在毒物興奮效應，而隨著濃度增高抑制肝細胞增殖，直至凋亡。陳賢均等[52]研究發現，溴蟲腈可誘發小鼠脾、肝、腎細胞DNA斷裂損傷，腎細胞對溴蟲腈致DNA斷裂作用最為敏感。趙飛等[53]研究發現，久效磷能誘發金魚肝細胞DNA損傷，表明其主要機制之一是干擾肝臟活性氧自由基的清除過程導致其積累。在對映體選擇性差異上，虹鱒魚原代肝細胞的細胞毒性實驗顯示，外消旋體能引起更明顯強烈的毒性作用，而S-（+）-銳勁特只是比另一對映體毒性稍大[54]，1S-cis-聯苯菊酯可以誘導活性氧產生，激活JNK/MAPK 信號通路，抑制細胞增殖并使細胞凋亡，而1R-cis-聯苯菊酯則無顯著影響[55]。

在免疫毒性方面，有報道對硫磷可致小鼠淋巴器官重量下降，氰戊菊酯可使山羊抗體生成了下降，甲基對硫磷可增加兔子細菌感染概率[56]。在手性對映體選擇性上，Wilson等[57]發現，S-（+）-三氯殺蟲酯在抑制小鼠巨噬細胞RAW246.7作用顯著高于外消旋體及另一個對映體，（-）-功夫菊酯、1S-cis-聯苯菊酯對誘導免疫細胞凋亡作用同樣高于外消旋體及另一個對映體[58]。

目前關于手性農藥對于有益生物的其他方面毒性研究報道較少，其中關于對映體的選擇性差異報道更為稀少，對于其作用機理尚在探索階段。清楚農藥的手性對映體的潛在毒性，有益于安全使用農藥，更有益于環境安全。

3? 手性農藥對映體選擇性機制

無論是手性農藥導致的急性毒性，或這持續低劑量暴露下的慢性毒性，手性農藥大多表現出了不同對映異構體的選擇性毒性。目前研究發現，微生物及高等生物的酶對手性物質具有選擇性，手性農藥不同異構體在土壤中會選擇性降解，如有機氯農藥在土壤中的選擇性降解[59];同時，在環境中，手性農藥不同對映異構體發生選擇性富集。日本太平洋海岸的海豹和北美五大湖的鸕鶿研究表明，選擇性積累與取食習慣、棲息地、物種的代謝與轉化有關[60]。在分子層面，手性農藥不同對映異構體的選擇性可能由于與受體親和力差異導致，對DNA存在不同的誘導效應導致，可能由于吸收過程中的選擇性轉運、對膜的選擇性穿透導致，也可能在轉化代謝過程中生物大分子、離子通道發生選擇性導致[10]。

在復雜的實際環境下，以及生物體內部復雜的相互作用，手性農藥不同手性對映體發生選擇性毒性是一個不同系統相互影響導致的結果。

4? 展望

如今群眾對環境安全要求越來越高，及對環境保護意識的加強，新手性農藥仍在不斷開發，且存在農藥新用，農藥混用的情況，對手性農藥的毒性研究更為重要。由于法律法規以及各國對農藥毒理的重視，新農藥急性毒性相較于傳統農藥更低，但其潛在毒性不容忽視。手性農藥對動物及人類的對映體特異性毒性作用，尤其是對各種潛在毒性的研究還不夠深入，特別是對映體選擇性的機制還不清楚，手性農藥對靶標生物和非靶標生物的作用效果不一致，甚至在不同的物種間存在差異。所以在對手性農藥毒性評價的時候需要對潛在毒性，靶標生物非靶標生物等因素考慮在內，對其進行開展全面的研究整合評價，對非靶標生物的毒性研究更是不能被忽略。由于手性農藥其具有手性這一特性，外消旋體及不同的對映異構體可能對不同物種有著不同劑量的毒性，其潛在毒性很大一片仍是空白，具體作用機理仍待更深入研究探討，在分子層面闡述選擇性原因是目前的方向。其能更加明晰手性農藥對有益生物的毒性，對合理使用農藥，正確使用農藥，更好開發農藥有重要意義，能更好的構建更加安全的生態環境。

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