有机磷和拟除虫菊酯类农药在小麦及其制品中降解与代谢研究进展

于利莉，王步军

(中国农业科学院作物科学研究所/农业部谷物品质监督检验测试中心，北京 100081)

我国是世界重要的粮食生产国，作物种类繁多，生态条件多样，病虫害发生普遍。农药在防治病虫害、提高作物产量与品质、保障农产品质量安全等方面起着重要作用[1]。小麦作为我国第二大粮食作物，各种病虫害是直接影响小麦产量与品质的主要因素。农药的科学合理使用可有效预防病虫害的侵袭，在一定程度上保证了小麦的健康生长，从而保障了小麦的产量与品质。但随着农药的广泛生产和使用，在大大提高农作物产量的同时，其负面效应也日益突显。农药及其降解、代谢产物不仅对农作物本身造成污染，还对生态环境如土壤、大气、水质等造成污染，破坏生态平衡。这些污染物会通过食物链的富集作用进入食品中并被人体摄取，由于其降解速度缓慢，因而容易在人体内蓄积，对人类健康构成严重威胁[2]。尽管目前国内外严格控制农产品中农药的残留量，但由于农药的广泛、大量甚至不合理使用，使农作物及其生存环境中普遍存在农药超标现象，给食品原料安全生产带来很大风险。同时，农药在农作物体内的降解与代谢产物也是农产品中农药残留的重要组成部分。因此，对农药在农作物中降解、代谢产物进行研究、开展详尽的农药安全评估以及农产品的农药残留风险评估工作具有重要意义。本文拟就有机磷和拟除虫菊酯类两种农药在小麦生长、贮藏以及加工过程中的降解、代谢规律及其膳食风险评估现状进行综述，为农药在小麦及其制品中的安全使用及农产品质量安全保障措施的制定提供理论依据。

1 有机磷和拟除虫菊酯类农药使用概况

农药是现代农业发展的产物，是保证农业生产安全和农产品质量安全的重要手段。自20世纪40年代起，为了防治农业生产中的病虫草害，提高农作物的产量与品质，世界各国开始大范围使用各类农药[3]。目前，我国农药的使用量位居世界第一，每年因农药的使用可挽回粮食总产量损失的10%～15%[4]。在人口众多、耕地紧张的农业大国中，农药对于缓解人口与粮食的矛盾具有至关重要的作用。目前，农药根据用途可分为七大类：杀虫剂、杀菌剂、杀螨剂、除草剂、脱叶剂、杀鼠剂、植物生长调节剂。根据成分和分子结构又可分为有机磷类、有机氯类、拟除虫菊酯类、氨基甲酸酯类、脒类、二硝基苯胺类等。本文将重点阐述有机磷类和拟除虫菊酯类这两类农药。

1.1 有机磷农药

有机磷农药(organophosphorus pesticides，OPs) 是一类含有磷原子的有机酯类化合物，能够抑制乙酰胆碱酯酶(AchE)活性，使乙酰胆碱在机体内聚集而产生毒性作用[5]。由于有机磷农药具有杀虫广谱、高效能、低残留、低成本等特点而被广泛应用于小麦病虫害防治中。目前，有机磷农药已有70多年的使用历史，世界上商品化的有机磷农药种类多达150多种，在中国常用的有30多种，其中绝大多数为杀虫剂，少数为杀菌剂和除草剂等[10]。图1为有机磷农药的结构通式，R1和R2通常为甲氧基(-OCH3) 或者乙氧基(-OC2H5)，X为硫原子或者氧原子，Z为烷基、烷氧基、硫代烷基等取代基团。有机磷农药大多为磷酸酯类和硫代磷酸酯类化合物，主要有以下五种结构类型：磷酸酯类；硫代和二硫代磷酸酯类；磷酰胺和硫代磷酰胺类；焦磷酸酯类和硫代焦磷酸酯类；膦酸酯和硫代膦酸酯类。其中，磷酸酯类有机磷农药可直接与胆碱酯酶共价结合，毒性作用迅速；而硫代磷酸酯类有机磷农药需要经过代谢、氧化脱硫才能与胆碱酯酶结合发挥毒性作用，毒性作用相对较弱，但往往持续时间较长[5]。

图1 有机磷农药结构式

1.2 拟除虫菊酯类农药

拟除虫菊酯类农药(pyrethroids pesticides) 是20世纪70年代初仿效天然除虫菊化学结构研发的一种酯类合成药物，由于具有高效、广谱、低毒性、低成本等特点，是继有机磷、氨基甲酸酯等农药之后兴起的一类新型杀虫剂，约占世界杀虫剂产量的五分之一[6]。拟除虫菊酯由菊酸和醇两部分构成，根据分子结构中是否含有氰基，可分为I型(分子中不含α-氰基) 和II型(在α-碳原子位置含α-氰基)。I型拟除虫菊酯如氯菊酯、胺菊酯、联苯菊酯等，毒性较低，常被用作卫生杀虫剂；II型拟除虫菊酯如溴氰菊酯、氯氰菊酯、氯氟氰菊酯等，具有中等毒性，常被用作农业害虫防治和粮食储藏，目前以II型使用较多。近年来，由于拟除虫菊酯类农药的大量使用导致农作物和环境中的拟除虫菊酯残留不断蓄积，不仅在自然环境，如土壤、大气、水质中检测到拟除虫菊酯残留，在农产品中也有检出[7-9]。

2 有机磷和拟除虫菊酯类农药的毒性研究

2.1 神经毒性

有机磷农药的神经毒性主要表现为抑制乙酰胆碱酯酶的活性，使胆碱能神经末梢释放的乙酰胆碱大量蓄积，导致神经系统过度兴奋并很快转向抑制，最终进入衰竭状态[10]。同时，有机磷农药还会引起胆碱能受体减少，引发各种神经系统疾病，如老年痴呆、帕金森综合症等[11]。拟除虫菊酯类农药的神经毒性主要表现为可逆性地作用于神经细胞轴突膜上的钠离子通道，阻碍钠离子通道的正常开合，延长跨膜钠离子流，导致神经细胞去极化现象和神经信号传导受阻[12-13]。此外，还有研究表明，菊酯类农药可以影响大鼠海马组织中乙酰胆碱的释放[14]。

2.2 生殖毒性

长期与农药接触，可能会干扰机体生殖细胞的形成，降低精子和卵子的活力；还会对神经系统、内分泌腺产生间接影响，导致机体激素分泌紊乱，产生生殖障碍。研究发现，对氧磷和对硫磷可显著增加男性精子顶体反应的发生率，使质膜的完整性受损[15]。Recio等[16]发现有机磷农药的代谢产物磷酸二乙酯会导致男性精子染色体异常，说明有机磷农药与染色体的缺失有密切关系。拟除虫菊酯类农药主要通过影响机体的内分泌系统功能而产生生殖毒性[17-18]。据报道，拟除虫菊酯类农药能够降低男性精子的密度和活力，造成精子DNA损伤，导致精子畸形甚至死亡[19-20]。

2.3 免疫毒性

有机磷农药对机体的免疫器官、体液免疫、细胞免疫等均具有抑制作用。Aly等[21]发现，乐果和甲基对硫磷可引起小鼠体内胸腺和脾脏指数显著降低。急性有机磷农药中毒会导致患者血清中的IgA、IgG、IgM、C3和C4的含量显著降低[22]。皮下注射半致死量20%和80%的敌敌畏可显著抑制大鼠体内自然杀伤细胞的活性，产生细胞毒性[23]。说明有机磷农药会影响人体免疫系统，产生免疫毒性，并伴有一系列并发症。拟除虫菊酯类农药的免疫毒性主要表现为影响动物免疫器官的发育和结构、损害免疫细胞、干扰细胞因子及其受体的表达水平等。Prater等[24]研究发现，单次经皮给予220 ～1100 mg·kg-1bw的氯菊酯会导致小鼠胸腺和脾脏指数显著下降；经口给予小鼠5.00和10.00 mg·kg-1bw·d-1的溴氰菊酯2周后，小鼠血液中的白细胞、淋巴细胞和粒细胞的数量均显著下降[25]。说明拟除虫菊酯类农药可通过干扰机体免疫细胞的增殖和分化对机体的免疫功能造成损伤。

3 小麦及其制品中有机磷和拟除虫菊酯类农药的降解与代谢研究进展

农药在代谢过程中能够产生比母体生物活性更强、在生物体内滞留时间更持久、对非靶标生物毒性更大的有毒代谢物[26]。这些有毒代谢物的理化性质也与母体有很大差异，极性更强，更易溶于水，迁移性更强，有些农药的代谢物毒性甚至是其母体农药的20～50倍，对环境污染和食品安全的威胁要比母体农药大得多[27]，因此应该对农药代谢物的环境污染和食品安全问题给予高度重视。目前，农药在生物体内的代谢形式主要有五种，分别为衍生化、异构化、光化、裂解和轭合。衍生化指农药受外界环境因子或者土壤中微生物的作用，在动植物体内经过酶的催化作用，可氧化或还原为其他类似的衍生物，如2,4,5-T在微生物的作用下会转化形成二噁英，具有强烈的致癌作用。异构化指有机磷农药中的硫代磷酸酯类的硫原子和氧原子产生互换，如乐果作为一种低毒性有机磷农药，非常容易发生氧化反应产生代谢产物氧乐果，其毒性是母体的10倍[28]。对硫磷中的硫原子和氧原子发生互换，产生毒性更强的代谢产物对氧磷。光化是农药由于吸收光能、产生异构化、光氧化或者光水解，如艾氏剂可被微生物氧化生成不易降解的狄氏剂，狄氏剂在某些细菌的作用下可以进一步代谢形成毒性更强、更不易降解的光化狄氏剂[29]。裂解指农药在生物体内经过酶的作用发生水解或脱卤，导致农药分子裂解，使农药从非极性化合物转化为极性较强的化合物。如氟乙酰胺作为高毒性的内吸性农药，水解后的代谢产物氟乙酸具有剧毒。轭合主要指脂溶性农药在生物体内经过氧化、还原或者水解反应形成极性基团后，与生物体内的糖类、氨基酸、硫酸盐等结合形成轭合物[30]。

3.1 有机磷农药在小麦及其制品中的降解与代谢

有机磷农药属于具有典型代谢产物的农药，约75%以上的有机磷农药可以在微生物或酶的催化作用中代谢形成1种以上的二烷基磷酸酯化合物(diakyl phosphrate, DAP)代谢产物，这些代谢产物仍具有生物毒性，能够影响甚至决定母体农药对非靶标生物的安全性。目前，大部分有机磷农药的降解半衰期较短，喷施后很快会被降解代谢，但也有部分有机磷农药不易氧化、分解，转化的动力学过程缓慢，能在环境中长期滞留，有的还可能发生化学变化，转化成为毒性更强、危害性更大的二次污染物。夏晓明等[31]研究报道，在小麦上喷施推荐剂量的氧乐果后，氧乐果在小麦叶片、茎鞘和麦穗中的降解半衰期较短，分别为1.80、1.30和2.10 d，但是在小麦收获期，麦穗中的氧乐果残留量仍可达到0.03 mg·kg-1，超出国家规定的氧乐果的最大残留限量标准(0.02 mg·kg-1)[32]。沈 燕等[1]研究表明，在花后不同时期喷施推荐剂量的毒死蜱和乐果，小麦穗部的毒死蜱和乐果残留均呈现下降趋势，降解半衰期分别为1.20～3.36 d和1.49～4.75 d。在成熟期，小麦的不同部位均检测出毒死蜱和乐果残留，主要分布在麸皮和颖壳中，面粉中未检出。但在小麦花后21 d喷施2倍剂量的乐果，在成熟期，面粉中乐果的分配比例(15%)高于小麦花后35 d的处理(6%)，说明农药喷施剂量越大，农药越容易渗入小麦组织中，进入小麦籽粒内部胚乳层的可能性越大，农药残留量越大。此外，农药在小麦中的降解速率不仅受施药时间、施药频率和小麦植株不同部位的限制，也会受外界复杂环境条件的影响。Afridi等[33]研究了水分含量和贮藏温度对小麦中有机磷农药降解速率的影响，结果表明，在温度为25 ℃、水分含量为10%时，甲基毒死蜱和甲基嘧啶磷的半衰期最长，分别为69和101 d；在温度为40 ℃，水分含量为13%时，甲基毒死蜱和甲基嘧啶磷的半衰期最短，分别为34和38 d，说明水分含量越大，贮藏温度越高，有机磷农药的降解速率越快。Balinova等[34]研究发现，小麦在室温下贮藏270 d，小麦中甲基毒死蜱和甲基嘧啶磷的农药残留分别降低了53.60%和42.30%。小麦粉在贮藏过程中，分别加入0.10 mg· kg-1的乐果、特丁磷、乙拌磷和甲基嘧啶磷，其半衰期在23.90 d～57.20 d之间；贮藏三个月后，这四种有机磷农药降解了69%～92%[35]。一般的加热处理，包括挤压、蒸煮、烘烤等能够降低农药残留，但部分农药在食品加工过程中较稳定，降解速率较慢，很容易残留在小麦制品中。Sharma 等[36]研究了受不同剂量农药污染的面粉在和面、发酵、烘焙等面包制作过程中农药的降解规律。结果表明，在面粉中添加1.00～4.00 mg·kg-1的毒死蜱和马拉硫磷，在面包制作过程中，毒死蜱和马拉硫磷的降解率在50.66%～88.35%之间，且添加剂量越大，农药在面包的制作过程中降解速率越慢。Uygun等[37]研究发现，粗面粉在贮藏150 d后仍能检测到农药残留，其中甲基毒死蜱和甲基嘧啶磷的农药残留分别可达3.00和5.00 mg·kg-1，远远超出农药残留限量标准；将喷施了有机磷农药的粗面粉制作成意大利面后，仍能检测出农药残留(0.50～1.38 mg·kg-1)；意大利面在贮藏120 d后，仍能检测到马拉硫磷、甲基毒死蜱和甲基嘧啶磷的农药残留(0.01～0.11 mg·kg-1)。说明部分有机磷农药在生物体和环境中较稳定，不易降解，非常容易造成小麦及其小麦制品中的农药残留污染，给农产品质量安全带来严重威胁。

有机磷农药在环境或生物体内的代谢转化主要有氧化、还原、水解和结合等形式。其中，氧化作用往往使农药的毒性增强；水解作用常使农药的毒性降低。毒死蜱在土壤、大气、水质和动植物体内中经过光解、水解和微生物代谢后可以产生20多种代谢产物，其中最主要的代谢产物为3,5,6-三氯-2吡啶酚(3,5,6-Trichloro-2-pyridinol, 3,5,6-TCP)[38-39]。氧乐果在环境中很难被生物降解，在曲霉作用下能够产生毒性很强的中间代谢产物O,O,S-三甲基磷酸酯[40]。Uygun等[41]报道，在小麦中添加推荐剂量的马拉硫磷，在小麦粉、麸皮、面粉和面包中均可检测到代谢产物异马拉氧磷，并且随着贮藏时间的延长，所有基质中异马拉氧磷的含量不断升高，到贮藏第127 d时仍可检测出大量异马拉氧磷残留；此外，在小麦粉和麸皮中还可以检测出代谢产物马拉氧磷，随着贮藏时间的延长，马拉氧磷的含量也不断升高。目前，关于有机磷农药在植物中的代谢机理研究还相对匮乏，还有待进一步深入研究。

3.2 拟除虫菊酯类农药在小麦及其制品中的降解与代谢

拟除虫菊酯类农药大多为手性农药，手性农药的空间构型会影响拟除虫菊酯类农药的降解速率。一般反式异构体被酯酶水解的速度快；而顺式异构体被氧化酶水解的速度慢。此外，含有氰基，即II型拟除虫菊酯类农药的水解速度较慢，其降解速率较慢。目前，拟除虫菊酯类农药在土壤、大气、水质和动植物体内的降解途径主要有光解、水解、生物降解等形式。其中，光解是拟除虫菊酯类农药最直接、最有效的降解方式。Liu等[42]研究发现，溴氰菊酯和氰戊菊酯的光降解遵循一级动力学规律，主要有酯裂解、光氧化、光异构化和脱氰4种光降解反应形式，发现的主要光降解产物有3-苯氧基苯甲醛、对氯苯甲醛和4-氯苯甲酸乙酯。并且溴氰菊酯和氰戊菊酯的初始浓度、光照时间和光源等条件都会影响农药的降解过程。温度和水分含量对拟除虫菊酯类农药的降解也有显著影响。Afridi等报道[33]，在小麦中喷施2.00 mg·kg-1的氯菊酯，在温度为25 ℃、水分含量为10%时，小麦的半衰期最长，为346 d；在温度为40 ℃、水分含量为13%的条件下，小麦的半衰期最短，为78 d，可能高温和高水分加速了农药的水解反应速率，也可能是通过影响pH间接影响农药的水解反应速率。拟除虫菊酯类农药还可以在生物体内通过酶的生物化学作用进行降解，有些拟除虫菊酯类农药降解的中间产物比母体农药的毒性小，甚至无毒，而有些则毒性会增强，如氯菊酯母体相对无毒，但其十多种降解产物中有2～5种毒性更强[43]。目前，关于拟除虫菊酯类农药在小麦制品中降解代谢规律的研究相对较少。Balinova等[44]研究表明，在小麦籽粒中添加0.50 mg·kg-1的溴氰菊酯，贮藏180 d后，研磨制成面粉后仍能检测出0.03～0.20 mg·kg-1的农药残留；添加4.00 mg·kg-1的溴氰菊酯，贮藏270 d后，仍能在面粉中检测出0.40～1.50 mg·kg-1的农药残留，远远超出欧盟所规定的溴氰菊酯最高残留限量标准1.00 mg·kg-1。Sharma等[36]在面粉中添加1.00～4.00 mg·kg-1的溴氰菊酯，在面包制作过程中，经过和面、发酵、高温烘焙等工艺，最后面包成品中溴氰菊酯的残留率在23.35%～36.82% 之间；研究表明，在面包烘烤过程中，由于基质受热，农药的降解可以通过一些物理化学反应来完成，如蒸发、蒸馏和热降解等；同时酵母介导的发酵过程也会导致农药的降解。总的来说，虽然拟除虫菊酯类农药具有高效、低毒等优点，但是半衰期较长，降解动力学过程缓慢，且具有光、热稳定性，很难在自然条件下快速降解；其在植物体内的代谢过程比较复杂，代谢方式主要有两种，一种是在植物的表面直接发生光致转化，另一种是在植物体内发生酯键断裂，水解生成酸和醇，再通过氧化作用、轭合反应等进行下一步代谢[45]。氯菊酯发生酯键断裂可以水解生成二氯异氰脲酸和间苯氧苯甲醇，间苯氧苯甲醇会进一步发生氧化作用生成醛，最终代谢形成间苯氧苯甲酸；这些代谢产物可以进一步与氨基酸或者葡萄糖醛酸轭合形成进一步代谢产物[46]。陈 雪等[47]研究发现，溴氰菊酯在烟叶中的代谢途径主要是被水解、氧化，转化成更稳定的3-苯氧基苯乙酸和3,3-二甲基环丙烷-1,2-二甲酸。甲氰菊酯在蔬菜上经过酯键断裂、羟基化、苯氧基羟基化和氰基水解可以形成羧基、乙酰胺和相应的共轭物[48]。目前，关于拟除虫菊酯类农药在小麦中的代谢机理研究还相对匮乏，有待进一步深入研究。

4 总 结

有机磷和拟除虫菊酯类农药作为我国目前使用量最大的两种农药，其在小麦植株中的残留、降解规律及其代谢途径各有不同。有机磷农药毒性强，但半衰期较短；拟除虫菊酯类农药毒性小，但是半衰期较长，很难在自然环境中降解。我国目前针对农药在小麦中代谢产物的鉴定及分布研究还相对较少，关于农药在小麦制品加工过程中的降解与代谢规律、产物的鉴定以及膳食风险评估的研究也很匮乏，相关研究还有待加强。今后应加强对小麦中有机磷和拟除虫菊酯类农药的监测力度，健全相关管理体制与监督体系，严格控制小麦中这两种农药的国家安全使用限量；进一步强化小麦生产过程中农药的安全使用规范，加强农药知识普及工作，引导农民科学合理用药；加快产业结构调整，不断开发高效低毒的新型农药代替目前仍广泛使用的高中毒有机磷和拟除虫菊酯类农药，确保小麦及其制品的质量安全。