手性农药对非靶标生物毒性研究进展

王达明 黄曦泽 曾耿狄

摘  要  手性农药在生活中应用越来越广泛，产量呈增长趋势。手性农药由于其具有手性中心，不同對映体对有益生物具有立体选择性，对于其毒性毒理的研究日渐深入。本文从手性农药的急性毒性、神经毒性、生殖发育毒性等方面介绍了有机氯、有机磷、拟除虫菊酯类等农药的外消旋体毒性及对映体选择性毒性并简要介绍了目前对其作用机制的研究进展。明晰手性农药不同异构体的选择性毒性，重视其潜在毒性，对于构建安全的生态环境有重要意义。

关键词  手性农药 ;急性毒性 ;潜在毒性 ;对映体选择性 ;毒性机制

中图分类号  S482    文献标识码  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

农药已成为农业生产中的重要因素之一。从无机农药的硫粉、铜制剂，到各类有机农药，农药种类越来越多。1848年，法国化学家Louis Pasteur对酒石酸盐进行旋光度测定，推断其存在不同的空间构型。19世纪60年代沙利度胺事件，其两个对映异构体效果并不相同，S-异构体具有对胎儿的致畸作用，此事件让人们开始重视不同对映异构体的差异性。

中国国家统计局发布，2014年中国农药使用量180.69万t，而作物受灾面积2 489.07万hm2。而有报道当今世界有40%的农药具有手性中心，其种类与产量都呈增长趋势，农药滥用乱用情况也较为严重[1]。

手性农药包括有机氯类、有机磷类、三唑类、苯氧羧酸类、拟除虫菊酯菊酯类、芳氧苯氧基丙酸酯类等，对手性农药进行手性分离，及对不同对映异构体的毒理分析尤为重要，如（+）-呋虫胺对蜜蜂的急性接触毒性是（-）-呋虫胺145.9倍，是rac-呋虫胺2倍[2]，研究手性农药不同异构体对有益生物的毒性，并更深入阐述其作用机理，更有利于实际应用上对手性农药的选择，减小对环境的危害。

手性农药对应异构体的物理性质基本相同。目前已有多种方法对不同种类的手性农药外消旋体进行分离。不同异构体在土壤中的降解存在差异[3]，在生物体内的富集存在立体选择性，如有报道在对颤蚓的染毒水培养富集过程中，颤蚓体内的浓度R-（-）-氟虫腈>S-（+）-氟虫腈、（-）-水胺硫磷>（+）-水胺硫磷[4];同时，手性农药不同对映异构体对靶标生物及对非靶标生物的毒性具有立体选择性[5]。

由于生物分子中的酶、蛋白质、糖类等重要有机物均具有手性结构，具备专一选择性。所以，手性农药在生物体的吸收、代谢、转化均可能有较大差异[6]，如离子通道上个别氨基酸便可改变其选择性[7]，磷脂双分子膜也是具有手性选择性吸收[8]。目前研究更多针对某一种手性农药的对映异构体的毒性研究，在细胞及分子水平上研究有较大进展。

对于环境中的有益生物，目前用于研究的生物有蚯蚓、家蚕、鱼、蜂、蚤、小龙虾、大鼠、藻类、鸟、土壤微生物等。目前报道对有益生物非靶标生物具有选择性对映异构体的手性农药有拟除虫菊酯类、有机磷类、有机氯类、苯氧丙酸及咪唑啉酮类农药[9]。在实际生活生产中，有益生物直接接触到手性农药，其具有急性毒性;而更多农药长期施用，有益生物长期暴露在低剂量农药环境中，其具有潜在毒性，尤其是对内分泌系统、免疫系统、神经系统等毒性的对映体选择性逐渐受关注[10]。

1  手性农药对非靶标生物的急性毒性

手性农药对非靶标生物的急性毒性一直以来都是大家关注的要点。已有研究发现，拟除虫菊酯类农药虽然对人体低毒，但是对水生动物表现出高毒甚至剧毒，溴氰菊酯对小黑蛛、家蚕表现为高毒性;有机磷杀虫剂农药中辛硫磷对水藻毒性为高毒，三唑磷对南美白对虾为高毒，氧乐果、久效磷对七星瓢虫成虫具备高杀伤率，甲基对硫磷在棉田对蚜虫天敌同样有高杀伤率;有机氯农药中的环戊二烯类杀虫剂、狄氏剂、七氯能造成捕食性鸟类急性中毒死亡;氯磺隆、甲磺隆会对玉米、大豆、甘薯等作物产生药害;嗪草酮、丙炔氟草胺等按正常剂量使用即会对油菜产生严重药害[11]。各类手性农药对有益生物的急性毒性的研究广泛。

在近十几年，关于手性农药的不同对映异构体对有益生物的急性毒性研究随着对映异构体分离技术发展而深入开展。大多手性农药不同对映异构体不但对靶标生物急性毒性有差异，对非靶标生物的毒性也均有立体选择性。同类但不同种的农药对同种有益生物的毒性效果均不同，如祝小祥曾报道，三唑类农药对澳洲赤眼蜂的急性毒性，氟环唑>苯醚甲环唑>种菌唑>环丙唑醇、戊唑醇、己唑醇[12];同种农药的相同种对映异构体对不同种有益生物的半致死浓度也有很大差异。

在大多数手性农药中，一种对映异构体对某一种有益生物的急性毒性要强于其外消旋体，且不同的对映异构体所展现的急性毒性也有较大差异。如高效氟氰菊酯对斑马鱼染毒24 h，1S-cis-αR 异构体的毒性是1R-cis-αS 异构体的60倍，染毒96 h，1S-cis-αR 异构体的毒性是1R-cis-αS 异构体的162倍;在大型溞和网纹水溞的拟除虫菊酯类农药的急性毒性相关研究中，针对cis-BF而言，只有1R-cis-BF表现出对网纹水溞的急性毒性。这也暗示着部分外消旋体农药对有益生物的毒性可能更多是来源自某一种对映异构体，而外消旋体是因为拮抗作用而表现出来的相对较低毒性[13]。

同时，苍涛[14]曾报道过乙虫腈对蚯蚓、家蚕、蜜蜂的毒性，不同对映异构体均未显示出显著差异，且对蚯蚓表现为低毒性，对家蚕表现为中等毒性，对蜜蜂表现为高毒性，而对意大利蜜蜂和稻螟赤眼蜂的不同对映异构体的毒性也没有显著差异，均为高毒性[15]。这表明仍有部分手性农药不同对映异构体对有益生物的急性毒性没有显著差异，分离其單一异构体无法减小对有益生物的危害。

虽然目前关于手性农药对有益生物的急性毒性研究越来越多，单一品种手性农药不同对映异构体对多种非靶标生物急性毒性的阐述，但随着对生态环境的认识逐渐加深，生态系统生物链中任何一环受到破坏，均会对整体系统带来不良影响，对未见报道的非靶标有益生物手性农药急性毒性需广泛深入研究探讨。

2  潜在毒性

2.1  神经毒性

神经系统负责传递信号，与内分泌系统协同运作，共用着神经递质、细胞因子、激素等，调节生物体各项功能，使内环境保持稳态[16]。

由于有机磷农药作用于乙酰胆碱脂酶（AchE），对于靶标与非靶标生物作用机理类似[17]，在抑制AchE过程中，会对神经发育造成影响[18];抑制AchE会导致AchE因负反馈而增加，在停止染毒后，会出现AchE活力增强现象，这同样可能会对神经系统造成影响[19]。Jianmongkol等[20]在1996年研究发现，异马拉硫磷不同对映体对母鸡大脑AchE的抑制实验存在神经毒性的差异性，抑制作用强弱相差达到15倍。周炳[21]研究了不同异构体的马拉硫磷对人神经细胞瘤（SH-SY5Y）影响，结果R-马拉硫磷对细胞的生长及其形态改变的影响最为显著，同样有报道甲基氯胺磷各个对映体对SH-SY5Y神经细胞轴突生长的半数抑制效果上差异达到60倍以上[22]。目前在有机磷农药对神经发育毒性分子机制中，认为有机磷农药可通过神经发育期影响AchE活性、蛋白质合成、DNA合成[23]、非胆碱能神经系统、重要信号通路[24]，进而导致神经毒性，而发生映体选择性，可能与代谢、转运、积累有关，以及其生物过程中发生的转化有关。抑制剂各个基团的能和分子的结构不同，影响与酶活性中心的亲和力与对酶醋动部位丝氨酸轻基的磷酞化能力，对同一种AhcE来说，抑制剂的磷酸化能力越强，则选择性抑制能力越强[25]。有研究者认为，苯线磷对细胞乙酰胆碱酯酶活性的选择性抑制可能是由于氢键和疏水作用强度差异所导致[26]。目前关于不同对映体对AchE的活性抑制是否与磷手性中心有关，尚未定论。

拟除虫菊酯类农药对水生生物表现出高毒性。由于拟除虫菊酯类农药被认为作用于靶位点为神经细胞上的电压敏感性钠离子通道，钠通道本身的结构、构象与拟除虫菊酯的毒性高低有着密切的关系[27]。对于水生有益生物，拟除虫菊酯类农药作用位点相似。研究结果显示，氯菊酯对映异构体对PC12的细胞毒性和氧化应激都具有对映体选择性，1R-trans-氯菊酯产生的毒性作用比1S-cis-氯菊酯大1.6倍[28]，手性对映体神经毒性的选择性差异可能是由于不同对映体的结构差异造成的，也可能是由于生物体对不同对映体选择性代谢速率的差异引起的。目前关于拟除虫菊酯类农药对映异构体对钠离子通道的作用分子层面详细机理尚不明确[29]。

同为钠离子通道阻碍新型农药茚虫作用机理与拟除虫菊酯类有差异[30]。有研究表明其对蜜蜂、鱼类表现为高毒，对家蚕表现为剧毒，对鹌鹑和寄生蜂表现出的毒性较低[31]。而关于茚虫威对映异构体对有益生物的神经毒性机制尚未定论。

目前看来，手性农药的神经毒性可能是由于其立体构型不同，对酶等分子的亲和力以及相互作用不同，在生物体中代谢、转化、积累的差异影响神经细胞进而导致毒性的选择性差异。

2.2  内分泌干扰作用

内分泌干扰物（EDCs）表现出类雌激素活性，干扰机体的内分泌系统，近年来受到越来越多的关注[32]。1999年世界自然基金会（WWF）的《环境中被报告具有生殖和内分泌干扰作用的化学物质清单》报告中，表示125种内分泌干扰物中，农药占了86种，且数量随着农药开发进展，呈增长趋势[33]。内分泌干扰物扰乱两栖类、哺乳类、爬行类生物及水生生物生殖发育，并干扰免疫与神经系统[34]。

在不考虑手性分子的情况下，Hayes等[35]发现，除草剂阿特拉津的长期暴露会诱导芳香化酶的形成，从而导致雄性青蛙雌化。Shelby等[36]证明了DDT具雌激素活性，陈海燕等[37]实验证实氰戊菊酯等4种拟除虫菊酯类农药，显示出类雌激素活性;乙烯菌核利[38]、毒死蜱[39]、乙草胺[40]、三氯杀螨醇[41]等均具备内分泌干扰作用。

由于大多有机农药具有手性中心，在手性分子层面上，Zhao等[42]通过Escreen试验，根据对细胞增殖诱导效果，发现高效氯氰菊酯、联苯菊酯1S-cis-对映体的雌激素活性比1R-cis-对映体的高，更能诱导细胞增殖;对于有机氯农药，Hoekstra等[43]经大鼠实验发现，对于o，p'-DDT，其类雌激素活性（-）-o，p'-DDT>（+）-o，p'-DDT。

目前研究发现，具备内分泌干扰效应的农药主要存在于有机氯农药与拟除虫菊酯类农药，种类繁多，而对其内分泌干扰影响的研究尚不全面，对其作用机理、消旋体中的对映异构体相互作用机制、对雌性哺乳动物的影响差异仍需探讨。

2.3  生殖发育毒性

由于许多农药具备内分泌干扰作用，使有益生物生殖、发育异常。研究表明许多农药同样具有三致作用。许阳光研究发现R-对映体喹禾灵和外消旋体喹禾灵对大型溞的产卵时间、产卵数以及母蚤脱皮次数均有不同程度的影响，且表现出对映体选择性[44]。但目前关于手性农药对映体对有益生物生殖毒性的相关研究还很少，少有的文献表明，（-）-锐劲特对网纹水蚤成功繁殖作用的风险低于另一对映体和外消旋体[45]。

在发育毒性方面，胚胎和幼年期对农药最为敏感，在此阶段对农药的吸收、代谢、转化可能影响到胚胎发育及器官形成，导致畸形、死亡，目前基于斑马鱼模型对此研究更为深入。岳东[46]证明了发现久效磷可以干扰斑马鱼胚胎心脏发育的相关基因Tbx2和肌肉发育的相关基因Mef2c的表达，证明了久效磷对斑马鱼胚胎的心脏和骨骼发育具有致畸作用。梁宏武[47]通过实验表明，已唑醇对斑马鱼有致畸作用，仔鱼产生了身体弯曲、心包囊肿现象，其致畸作用大小为（-）-已唑醇>外消旋体>（+）-已唑醇，存在显著对映体选择性;同样有研究表明，αS-2S-氰戊菊酯能引起类似现象，其相比其他对映体对96 h斑马鱼死亡率为3.8倍[48];Xu等[49]通过三氯杀虫酯对斑马鱼胚胎-幼鱼的实验显示S-（+）-三氯杀虫酯和外消旋体均有致畸作用。

目前有研究表明，类激素农药可竞争结合细胞中的雌激素受体，影响与受体无关的细胞信号传递途径发挥作用，干扰机体正常激素水平的分子机理，干扰胚胎发育过程中多种基因的表达[50]，从而产生生殖发育毒性。

2.4  其他毒性

目前手性农药对有益生物的毒性还有肝细胞毒性、免疫毒性等，但报道尚少。孙瑞娟等[51]通过不同浓度的三唑酮与三唑醇对人肝细胞的增殖实验表明，低浓度时对人肝细胞存在毒物兴奋效应，而随着浓度增高抑制肝细胞增殖，直至凋亡。陈贤均等[52]研究发现，溴虫腈可诱发小鼠脾、肝、肾细胞DNA断裂损伤，肾细胞对溴虫腈致DNA断裂作用最为敏感。赵飞等[53]研究发现，久效磷能诱发金鱼肝细胞DNA损伤，表明其主要机制之一是干扰肝脏活性氧自由基的清除过程导致其积累。在对映体选择性差异上，虹鳟鱼原代肝细胞的细胞毒性实验显示，外消旋体能引起更明显强烈的毒性作用，而S-（+）-锐劲特只是比另一对映体毒性稍大[54]，1S-cis-联苯菊酯可以诱导活性氧产生，激活JNK/MAPK 信号通路，抑制细胞增殖并使细胞凋亡，而1R-cis-联苯菊酯则无显著影响[55]。

在免疫毒性方面，有报道对硫磷可致小鼠淋巴器官重量下降，氰戊菊酯可使山羊抗体生成了下降，甲基对硫磷可增加兔子细菌感染概率[56]。在手性对映体选择性上，Wilson等[57]发现，S-（+）-三氯杀虫酯在抑制小鼠巨噬细胞RAW246.7作用显著高于外消旋体及另一个对映体，（-）-功夫菊酯、1S-cis-联苯菊酯对诱导免疫细胞凋亡作用同样高于外消旋体及另一个对映体[58]。

目前关于手性农药对于有益生物的其他方面毒性研究报道较少，其中关于对映体的选择性差异报道更为稀少，对于其作用机理尚在探索阶段。清楚农药的手性对映体的潜在毒性，有益于安全使用农药，更有益于环境安全。

3  手性农药对映体选择性机制

无论是手性农药导致的急性毒性，或这持续低剂量暴露下的慢性毒性，手性农药大多表现出了不同对映异构体的选择性毒性。目前研究发现，微生物及高等生物的酶对手性物质具有选择性，手性农药不同异构体在土壤中会选择性降解，如有机氯农药在土壤中的选择性降解[59];同时，在环境中，手性農药不同对映异构体发生选择性富集。日本太平洋海岸的海豹和北美五大湖的鸬鹚研究表明，选择性积累与取食习惯、栖息地、物种的代谢与转化有关[60]。在分子层面，手性农药不同对映异构体的选择性可能由于与受体亲和力差异导致，对DNA存在不同的诱导效应导致，可能由于吸收过程中的选择性转运、对膜的选择性穿透导致，也可能在转化代谢过程中生物大分子、离子通道发生选择性导致[10]。

在复杂的实际环境下，以及生物体内部复杂的相互作用，手性农药不同手性对映体发生选择性毒性是一个不同系统相互影响导致的结果。

4  展望

如今群众对环境安全要求越来越高，及对环境保护意识的加强，新手性农药仍在不断开发，且存在农药新用，农药混用的情况，对手性农药的毒性研究更为重要。由于法律法规以及各国对农药毒理的重视，新农药急性毒性相较于传统农药更低，但其潜在毒性不容忽视。手性农药对动物及人类的对映体特异性毒性作用，尤其是对各种潜在毒性的研究还不够深入，特别是对映体选择性的机制还不清楚，手性农药对靶标生物和非靶标生物的作用效果不一致，甚至在不同的物种间存在差异。所以在对手性农药毒性评价的时候需要对潜在毒性，靶标生物非靶标生物等因素考虑在内，对其进行开展全面的研究整合评价，对非靶标生物的毒性研究更是不能被忽略。由于手性农药其具有手性这一特性，外消旋体及不同的对映异构体可能对不同物种有着不同剂量的毒性，其潜在毒性很大一片仍是空白，具体作用机理仍待更深入研究探讨，在分子层面阐述选择性原因是目前的方向。其能更加明晰手性农药对有益生物的毒性，对合理使用农药，正确使用农药，更好开发农药有重要意义，能更好的构建更加安全的生态环境。

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