新烟碱类杀虫剂研究进展

魏义兰 ， 王良芥 ， 王 宇

(1.湖南化工职业技术学院 化学工程学院 ， 湖南 株洲 412000 ； 2.湘潭大学 化工学院 ， 湖南 湘潭 411100 ； 3.湖南比德生化科技股份有限公司 ， 湖南 岳阳 414306)

新烟碱类杀虫剂是继有机磷、氨基甲酸酯和拟除虫菊酯类杀虫剂之后第四大类重要杀虫剂，其发现具有里程碑式的意义。2014年，新烟碱类杀虫剂约占全球杀虫剂市场份额的25%，近几年略有下降。截至2021年9月，在我国登记的新烟碱类农药有12种，制剂产品达3 400多种[1]。新烟碱类农药可用于处理作物茎叶、土壤和种子等，具有安全、高效、高选择性等特点，但随着其频繁大量使用，靶标抗性、生态风险、人类健康等系列问题凸显，因此其光解、复配、毒理安全成为研究热点。本文对新烟碱类杀虫剂的发展历史、作用机制、复配以及光解研究等方面做简要介绍。

1 新烟碱类杀虫剂的发展历史

新烟碱类杀虫剂是以天然烟碱为基础，开发、筛选并合成出来的。烟碱俗称尼古丁(nicotinods)，化学名称3-(1-甲基-2-吡咯啉基)-吡啶，17世纪人类就开始使用烟碱作为杀虫剂，1828年研究人员确定烟草杀虫剂的有效成分为烟碱，并于1904年合成出烟碱[2]。烟碱是一种神经毒剂，作用标靶为神经突触后膜上的烟碱型乙酰胆碱受体[3]。天然烟碱虽然具有显著的杀虫活性，但因其对人类及哺乳动物、鸟类和水生动物毒性高，因此未能作为杀虫剂使用[4]。

1972年，壳牌公司开发了一类含有硝基亚甲基杂环结构的化合物，1978年研究人员报道了硝赛嗪(Nithiazine)，但因其较易水解，光稳定性较差(λmax=343 nm)，因此未能作为商品进入市场，但其较好的生物活性使研究者发现了硝基胺、硝基胍等药效基团。1984年，德国拜耳公司以nithiazine为先导开发出第一个新烟碱类杀虫剂吡虫啉。具有杀虫广谱、活性高，光稳定性强(λmax=269 nm)，作用方式新颖，选择性好，持效时间长，内吸作用优异，对哺乳动物低毒等特点。该商品于1991年上市，深受农药企业和种植户的喜爱，开辟了高效低毒杀虫剂的新纪元[5]。随后，世界上一些大农药公司相继投入烟碱化合物的研究，我国也取得一定成果，见表1[6]。随着研究工作的开展，新烟碱类杀虫剂的结构在不断优化，但大多数新化合物是在已有商品化品种的基础上进行结构修饰，研究报道不多，市场推广应用也较少。

表1 国内已登记新烟碱类杀虫剂开发商及上市时间

2 新烟碱类杀虫剂的结构特点

3 新烟碱类杀虫剂的杀虫机制

20世纪90年代初，世界杀虫剂市场主要由乙酰胆碱酯酶(AChE)抑制剂统治[8]。而新烟碱类杀虫剂属于昆虫烟碱型乙酰胆碱受体(nACHRs，广泛分布于昆虫中央神经系统突触神经纤维网)的激动剂(agonist)，主要通过选择性控制昆虫神经系统烟碱型乙酰胆碱酯酶受体，阻断昆虫中枢神经系统的正常传导，从而导致害虫麻痹、死亡[2]。新烟碱类杀虫剂与乙酰胆碱受体的结合模型有4种假说，文献报道较多，这里不再详细阐述。

4 新烟碱类杀虫剂的分类

①根据所含杂环的不同分为3种：第1代新烟碱类杀虫剂(氯代吡啶型)为吡虫啉、啶虫咪、吡虫啉、烯啶虫胺、哌虫啶、氟啶虫胺腈等；第2代新烟碱类杀虫剂(氯代噻唑型)为噻虫嗪、噻虫胺等；第3代新烟碱类杀虫剂(呋喃型)为呋虫胺等[9]。②根据活性基团的不同分为3种：硝基胍类为吡虫啉、噻虫嗪、呋虫胺等；硝基亚甲基为烯啶虫胺等；吡啶(噻唑)甲胺类为啶虫脒、噻虫啉等[10]。

5 新烟碱类杀虫剂的光解

光解是有机杀虫剂自然降解的主要途径之一。光解过程包括化学键的断裂、异构化、分子内重排和分子间反应等。与母体化合物相比，光解产物的毒性既可能降低，也可能升高[11]。新烟碱类农药的光解研究主要集中在反应动力学、转化机制、去除效果等方面。

研究表明，含有光反应活性基团(硝基胍)的新烟碱类杀虫剂易于光解，如吡虫啉、噻虫嗪、呋虫胺等[12]。如有研究显示吡虫啉的主要降解途径为光解，其在纯水中能快速光解，光解速度符合一级反应动力学，半衰期为几十分钟至数小时，光解反应集中在咪唑烷基部分，产物多包含6-氯吡啶结构。LU等[13]发现噻虫嗪在不同季节(温度)的地表水中，光解半衰期为0.2～1.5 天，自然光、紫外线、TiO2催化或紫外线-臭氧联合等方法可加快噻虫嗪光解，但受转化条件(pH值、温度、共存离子、水层深度等)的影响。GONG等[14]采用氙灯模拟噻虫胺的光解过程，发现其光解过程包括脱硝基、亲核取代、分子重排、开环、闭环等，部分光解产物的稳定性高于母体。总之，想要通过光解彻底去除新烟碱类杀虫剂很难。为此，研究新烟碱类杀虫剂光解过程及其在环境中的残留检测、转化机制、光解产物毒性，对农业领域和环境的可持续发展至关重要。

6 新烟碱类杀虫剂的复配

6.1 新烟碱类杀虫剂与其它农药复配

鉴于新烟碱类杀虫剂标靶抗性、环境风险及人类健康等问题，为延缓其抗药性，减少药用量，扩大防治谱，延长使用寿命，采用药剂复配、时空交差、施用限量等手段是有效途径。研究表明，新烟碱类杀虫剂可与有机磷、氨基甲酸酯、拟除虫菊酯、酰胺、苯甲酰脲、沙蚕毒素、杂环及生物农药等复配。且复配制剂协同增效明显，药用量减少，靶标抗性延缓，持效期增长，防治效果提高，具有省时、省力、经济、增产等优势。如与溴氰菊酯、增效醚等拟除虫菊酯类农药复配可防治已对拟除虫菊酯类杀虫剂产生抗药性的埃及伊蚊和冈比亚按蚊。将其与生物农药复配为绿色农药发展提供了新思路[1]。

6.2 新烟碱类杀虫剂间的复配

第1代新烟碱类杀虫剂具有高效广谱、低毒、低残留的特点；第2代相较于第1代内吸效果好，残效期长；第3代杀虫更广谱，使用更方便，能克服第1、2代杀虫剂带来的抗药性风险。总之，这3代新烟碱类杀虫剂，一代比一代杀虫更彻底、高效、快速。随着昆虫抗药性的增加，将第1、2、3代杀虫剂吡虫啉、噻虫嗪与呋虫胺轮换用药，不仅药效倍增，同时缓解抗药性，使用寿命延长[9]。

7 展望

目前，新烟碱类杀虫剂占据一定市场份额，如吡虫啉、噻虫嗪2品种近几年的年销售额约20亿美元。但新烟碱类杀虫剂的抗药性问题日益突显，尽管有研究表明，新烟碱类杀虫剂在喷洒过程中对人和哺乳动物低毒或无毒，但对蜜蜂的伤害无法避免。因此世界多个国家和组织开展了对部分新烟碱类杀虫剂环境风险的评审，其中欧盟食品安全局(EFSA)禁限用了新烟碱类杀虫剂吡虫啉、噻虫嗪和噻虫胺，促使了学者们开展新烟碱类杀虫剂对蜜蜂的毒理性试验研究。总之，新烟碱类杀虫剂短时间内不会被替代，新的品种会不断被开发出来，但存在的问题不能忽视。