手性農藥研究進展

周 佳，梁水連，相壇壇，戎 瑜，呂岱竹*

(1.中國熱帶農業科學院 分析測試中心，海南 海口 571101；2.華中農業大學 植物科學技術學院，湖北 武漢 430072)

手性是自然界的基本屬性，類似于人的左右手，不能重疊但互為鏡像，手性農藥具有手性特征，包括外消旋體和非外消旋體[1]。根據以往的文獻報道，手性農藥的生物活性往往只存在于一個或少數幾個對映體中，例如甲霜靈、多蟲畏、敵草胺等手性農藥只有1/2對映體生物活性高，速滅殺丁和氯菊酯只有1/4對映體生物活性高，而溴氰菊酯和氯氰菊酯甚至只有1/8對映體是高效體，其余7/8基本無效[2]。由于手性農藥對映體的不同特性以及它們在農業上的使用量逐年增加，研究手性農藥已成為新型“高效低風險”綠色農藥發展道路[3]上的關鍵技術。現在獲得正式登記并商品化的農藥在全球大概有650多種，其中手性農藥大概有200多種，而在我國目前大概有40%的農藥生產銷售市場屬于手性農藥，絕大部分屬于是外消旋體，隨著手性農藥研究的深入，單一光學純手性農藥的比例不斷增加[4-7]。手性農藥對映異構體盡管物理性質和化學性質一樣，但很多研究表明它們在環境和生物體中會有不同的活力與毒性，其消解、遷移和代謝等行為，以及對生物的毒性會發生對映體選擇性的情況，忽視了這些差異，將會不同程度地影響手性農藥對環境的安全性評價。之前手性農藥的研究基本停留在外消旋體上，從對映體層面研究手性農藥，不僅符合我國可持續發展農業的大方向，還能更全面地對手性農藥進行安全性評價，減少無效體對環境的影響，同時能更好地為自主開發環境友好型農藥和創新修復農藥污染物對生態系統的危害提供科學依據[8]。

1 手性農藥的合成技術

由于人們對立體化學領域的逐漸深入，手性農藥的合成制備技術最近幾年得到了很大的發展。手性農藥的合成方法主要可以分成兩大類：一類是直接合成法，另一類是外消旋體的拆分。

1.1 直接合成法

直接合成手性農藥可以分為差向異構法、化學導向合成法、酶催化技術、不對稱合成法等。差向異構技術常常應用在合成擬除蟲菊酯類手性農藥上，它能大大降低該類手性農藥的合成成本，提高了其殺菌活性，現在主要應用在溴氰菊酯、S-氰戊菊酯、α-氯氰菊酯等品種上[9]。以光學活性化合物為原料，通過一系列立體化學反應制備手性農藥的化學導向合成技術，原料來源簡單易得，根據所需的手性中心、官能團等就可以選擇相對便宜的手性化合物直接制得[10]，例如以S-α-氨基丁酸為原料合成S-(-)-稻瘟酯。化學導向法也可以用來合成芳氧苯氧丙酸類除草劑的單一異構體，這一類的除草劑外消旋體只有R體具有生物活性，以天然手性L-乳酸為起始原料，經過一系列化學通用路線定向合成R-丙酸衍生物，最后能得到R-喹禾靈、R-穩殺得等除草劑[11]。酶是天然的手性催化劑，還具有高效性和專一性等特性，利用酶催化技術制備手性農藥有很大的應用前景，例如采用酶催化脫氯技術可以有效合成制備精吡氟氯禾靈的中間體S-α-氯代丙酸甲酯，此外合成R-甲霜靈、S-異丙甲草胺等常常采用酶催化加氫技術。浙江大學的楊凌榮等通過提高生物催化劑的穩定性和活力，采用化學-酶法在全有機溶劑中高效制備出了手性菊酯類農藥[12]。

近年來，不對稱合成技術已成功合成不少的手性化合物，不對稱環丙烷化可以合成手性三元嘌呤碳環核苷和三元碳環嘧啶核苷[13-14]，不對稱異構化在合成昆蟲生長調節劑的原料烯胺上得到了充分應用，而陳瑞剛[15]設計合成亞磷酸酯配體，增強了應用于合成α-脫氫氨基酸甲酯和衣康酸甲酯上的不對稱加氫技術。另外，超臨界CO2中酶催化合成技術、微生物工程技術、基因工程技術等現代技術也不斷應用在手性農藥合成工藝上[16]。

1.2 外消旋體拆分技術

外消旋體的拆分一直是手性農藥研究的熱點，與直接合成法相比，光學拆分外消旋體獲得單一光學異構體手性農藥的成本更低、操作更簡單。拆分手性農藥外消旋體的方法目前有優先結晶法、化學拆分法、酶和微生物拆分法、色譜拆分法等，其中色譜法拆分簡單快速、分離效果好、應用最廣泛。色譜拆分法具體包括紙色譜法、氣相色譜法、液相色譜法、毛細管電泳法、超臨界色譜法、薄層色譜法、逆流色譜法等[17]。色譜拆分需要尋找合適的手性固定相進行拆分，曹志剛等[18]最新制備出一種單脲基衍生化β-環糊精鍵合有序介孔SBA-15手性固定相(UCDP)，對梨中的烯唑醇建立了一種迅速拆分測定的高效液相色譜法。在手性固定相中，多糖衍生物手性固定相以其強大的分離能力和通用的溶劑通用性而備受青睞。趙鵬飛等[19]選用了2種直鏈淀粉型手性固定相(Chiralpak-IA和IG)和2種纖維素型手性固定相(Chiralpak-IB和IC)拆分了手性擬除蟲菊酯殺蟲劑胺菊酯和α-氯氰菊酯，最后發現由于π-π、疏水效應、氫鍵等原因，只有在纖維素類Chiralpak-IG上，胺菊酯和α-氯氰菊酯是基線分離的。黃玉芬等[20]采用高效液相色譜串聯質譜儀(LC-MS/MS)，選用纖維素類手性固定相Chiralcel OD-RH，優化分離條件，成功拆分了多效唑、甲霜靈和三唑酮3種典型的手性農藥。手性固定相對手性農藥的拆分很重要，通過改變拆分的條件，例如手性柱的溫度、流動相的流速、組成、比例和醇改良劑等，對映體的分離度能得到很大的提升[21]。馮碩立等[22]在超臨界色譜上，分析并討論了醇類流動相對三唑類手性殺菌劑基線分離的影響，印證了流動相的選擇對拆分手性農藥有很大的影響。張利強等[23]考察了正己烷和乙醇的體積之比、流動相的流速、進樣量，最后確定火龍果中苯醚甲環唑最佳的分離條件。盡管色譜法在手性拆分上優點明顯，但色譜考慮的影響因素多，前期需要投入大量的人力、物力和財力，不能實現工業上大量生產的要求，因此這些年利用手性抗體識別的免疫分析法[24]逐漸得到重視，李艷嬌[25]就成功制備出6種毒氟磷的多克隆抗體，并使8種毒氟磷類似物的抗原與抗體交互反應研究它的手性識別特性，為商品化毒氟磷奠定了基礎。利用農藥與光探針試劑相互作用影響的分子光譜法也逐漸應用到手性農藥對映體分離測定上，吳環分別建立了手性農藥馬拉硫磷和精喹禾靈的共振瑞利散射技術和熒光光譜法，這2種方法在實際樣品操作中的結果也比較好[26-27]。

2 手性農藥對映體選擇性環境行為

手性農藥在進入生態系統后，它的對映體可能會在不同環境介質中發生選擇性富集吸收、降解代謝、遷移擴散等行為。現如今手性農藥對映體選擇性環境行為的研究主要集中在水體、土壤和生物上。

2.1 在水體中的選擇性行為

施用農藥時，隨著土壤地表徑流、地表淋溶、降雨沉降、滲透蒸發等途徑，農藥會不可避免地進入到水體環境中，對水生生態系統造成污染[28-29]。目前評價手性農藥對映體選擇性的常用指標之一是對映體分數(EF，EF值介于0～1)，當EF值偏離0.5時，代表著一對或多對對映體發生選擇性變化[30]。Huang等[31]研究了在城市污水處理廠處理廢水過程中4種手性唑類抗真菌農藥益康唑、咪康唑、酮康唑和戊唑醇的對映體選擇性，4種農藥在經過污水處理廠處理前后，EF值沒有顯著變化，說明對映體之間未發生明顯的選擇性，它們在溶解相和顆粒相中的EF值有所不同，例如吸附的咪康唑的EF通常低于溶解的咪康唑，這表明在廢水的溶解相和顆粒相中對映體發生了選擇性行為，結果還闡明了4種手性農藥在珠江及其支流和河床沉積物中會有季節性差異，例如酮康唑的EF值夏季明顯高于冬季。瞿涵[32]研究了氟蟲腈和丁蟲腈在水環境中的立體選擇性，在不滅菌沉積物-水的模擬系統下暴露16 d后，系統中氟蟲腈的濃度達到最高且EF值下降，說明R-丁蟲腈被優先降解，而S-氟蟲腈被優先代謝釋放到水中，不過在滅菌沉積物-水系統中，氟蟲腈和丁蟲腈沒有發生明顯的選擇性環境行為。

2.2 在土壤中的選擇性行為

手性農藥對映體在土壤中可能會有不同的降解代謝行為，它們在土壤中的降解代謝速度也不一樣。呋蟲胺在土壤中的降解存在顯著對映體選擇性，S-(-)-呋蟲胺在土壤中半衰期短，而R-(+)-呋蟲胺則持留期較長[33]。苯醚甲環唑對映體在含氧量不同的土壤中表現出明顯的選擇性，(2s,4s)-苯醚甲環唑在好氧土壤中更容易富集，而在厭氧土壤中(2s,4r)-苯醚甲環唑更容易被積累，不過其對映體選擇性降解相對不明顯[34]。在實驗室厭氧水稻土和好氧菜園土中2種手性有機氯農藥o,p′-DDT和o,o′-DDD均沒有發生選擇性降解，但在自然環境下2種農藥的對映體含量不同，這說明環境的差異會影響手性農藥的對映體選擇性[35]。高效氯氰菊酯(beta-CP)包含8種氯氰菊酯異構體中的4種，主要成分為高效順式氯氰菊酯(ACP，包含cis-α S,1R,3R和cis-α R,1S,3S這一對對映體)和高效反式氯氰菊酯(TCP，包含trans-α S,1R,3S和trans-α R,1S,3R這一對對映體)[36]。Jiang等[37]主要研究了高效氯氰菊酯在普通土壤和雞糞改性土壤中的選擇性降解，以及土霉素對高效氯氰菊酯對映體選擇性的影響，在普通土壤中TCP的降解速度略快于ACP，土壤中添加雞糞后對beta-CP的降解速度沒有明顯的影響，但對ACP和TCP的降解有一定的影響，cis-α S,1R,3R和trans-α R,1S,3R這2個對映體在土壤中優先降解；無論是否添加土霉素，雞糞改性土壤跟普通土壤相比都降低了ACP的降解率，提高了TCP的降解率，而且土壤消毒后，EF值在0.5左右，說明土壤微生物影響對映體的選擇性，雞糞對土壤微生物組成的改變可能是其降解異構體間對映體選擇性的主要原因。

2.3 在生物中的選擇性行為

手性農藥在生物體內的對映體選擇性相對于水體和土壤而言，其差異會更加顯著，而且越處于食物鏈頂端的生物，選擇性差異會越顯著[38]。研究發現，RS-環氧蟲啶在浸根處理的油菜上吸收快于SR-環氧蟲啶，但遷移卻弱于SR-環氧蟲啶，表明在生物體內會發生不同的環境行為[39]；不同的地區，對映體的選擇性會有不同，例如對于北京的白菜，(-)-茚蟲威的降解速率大于(+)-茚蟲威；而對于安徽的白菜來說，(+)-茚蟲威被優先降解，(-)-茚蟲威更容易積累[40]。同一種手性農藥在不同植物體內會發生不同的對映體選擇性，R-(-)-戊唑醇在黃瓜體內容易降解，而S-(+)-戊唑醇在甘藍中降解得更快[41]；敵草胺在小白菜、黃瓜、油菜、西紅柿4種不同蔬菜上選擇性降解行為的研究顯示，敵草胺只在小白菜上發生了對映體選擇性，在其他3種蔬菜上沒有發生[42]。不同的手性農藥對生物的選擇性活性不同，哌蟲啶對苜宿芽的活性表現為(1S,2R)-哌蟲啶>(1S,2S)-哌蟲啶>(1R,2S)-哌蟲啶>(1R,2R)-哌蟲啶，而環氧蟲啶的2個對映體活性差異不大，(1R,2S)-環氧蟲啶稍高于(1S,2R)-環氧蟲啶[43]。在光照條件下，甲霜靈在斜生柵藻和盤星藻中都發生了對映體選擇性降解，R-甲霜靈更容易被降解，而在避光條件下，甲霜靈在2種藻類都沒有對映體選擇性發生[44]。

3 手性農藥的選擇性毒性效應

酶、糖類、蛋白質等生物大分子本身就具有手性特征，手性農藥在進入生物體后，其對映體差異也會體現在這些生物大分子上。例如，在Ye等[45]的試驗研究中，禾草靈R體會誘導銅綠微囊藻細胞體內生成更多的活性氧，增加丙二醛的含量，從而增強超氧化物歧化酶的活性，提高毒素的釋放，抑制藻細胞的生長，但S體卻不會氧化破壞細胞膜。毒氟磷是由我國貴州大學自主創制的一種α-氨基磷酸酯類手性殺菌農藥，顫蚓在染毒水中暴露3 d后，S體引起顫蚓體內可溶性蛋白顯著增加，R體對應的顫蚓蛋白含量卻與之相反，然而暴露14 d后，R體處理組中的顫蚓蛋白含量最高[46]。

許多手性農藥對生物的選擇性毒性主要表現在各種潛在毒性上，包括內分泌系統、神經系統、生殖系統、發育系統等，其差異機制的研究還在不斷探索當中，這是一個相對全新的研究領域，很多效應還需要全面深入的研究[47-48]。Wang等[49]的試驗顯示1S-cis-聯苯菊酯比1R-cis-聯苯菊酯具有更強的細胞增殖能力，并且其對映體能誘導產生選擇性雌激素效應，因此認為原位代謝產物對青鳉魚產生了內分泌干擾作用或者是雌激素受體通路作用，從而引起了不同的細胞增殖。Li等利用小鼠PC20細胞研究三氯殺蟲酯對小鼠神經系統的毒性，最后的結果顯示S-(+)-三氯殺蟲酯的細胞毒性更高，并且氧化應激反應更活躍，氯菊酯同樣也引起了相似的選擇性，1R-trans-氯菊酯對于抑制過氧化氫酶的活性和誘導活性氧產生等方面具有更高的活性[50-51]。對于生殖系統來說，網紋水溞需要承擔(-)-銳勁特帶來的更高生殖毒性的風險[52]，聯苯菊酯對映體會選擇性損傷人羊膜上皮細胞的核糖核酸機制[53]。Zhang等黑斑蛙蝌蚪的試驗中，結果顯示：三唑酮及其代謝物三唑醇破壞了參與變態反應的激素通路，從而影響了蝌蚪的發育系統[54]。總體來說，手性農藥對映體對生物產生的潛在毒性存在差異，主要還是因為生物大分子具有高度的專一性，不同的對映體與各種生物大分子的親和力不同，親和力越強的對映體，其生物活性越強。

4 展望

從對映體層面研究手性農藥是立體化學發展到今天的必然趨勢，大量的試驗結果表明，手性農藥在進入環境后，會表現出不同的環境行為和活性，深入研究手性農藥的環境行為和生物學效應，將大大增加高效體的利用率，減少無效體的使用。手性農藥的高效體有著高效低毒、生物活性好、節省原料成本、利用率高等優點，這意味著它將在新型農藥的開發研究方面有著非常廣闊的前景，越來越多可大量投入工業生產的合成與拆分方法將會應用到手性農藥高效體的制備當中，這有助于保護自然環境，符合當代綠色農業的發展要求。

目前研究者的目光主要還是放在手性農藥的合成、拆分和選擇性環境行為上，關于從細胞和分子水平分析手性農藥的環境差異機制和毒理機制還有待深入。隨著科學技術的發展和研究設備的不斷革新，更應該將目光從單一或多種手性農藥在同一環境介質中的行為轉移到追蹤其在多介質環境中的變化過程，例如土壤-大氣、水體-沉積物-大氣等多環境界面。并且農民在施用農藥時不止使用單一的農藥，更多是農藥的混合使用，所以未來更應該在多種手性農藥混用、手性農藥和非手性農藥混用的相互作用及其生理機制上投入大量精力。