有機磷農(nóng)藥手性對映體生物活性、生態(tài)毒性及環(huán)境行為研究①

王 寧 李建華 譚文麗 王春燕 吳能義 李 樂

（海南省農(nóng)墾科學院 海南海口570206）

物體與其鏡像不能疊合的性質(zhì)稱為手性（Chirality）［1］。手性是自然界的本質(zhì)屬性之一，生命活動中所需要的生物大分子幾乎都具有手性［2］。手性分子是指化合物基團組成相同，但在空間結(jié)構(gòu)上互為鏡像，二者互為對映異構(gòu)體，簡稱對映體（Enantiomers）［3］。根據(jù)農(nóng)藥分子結(jié)構(gòu)中是否具有手性中心，將其分為手性農(nóng)藥和非手性農(nóng)藥。手性農(nóng)藥一般是指化合物分子中某個碳原子上連接有4個不同基團，該碳原子被稱為不對稱碳或手性碳中心，也有以磷或其它原子為手性中心的分子，多為有機磷農(nóng)藥［2］。自20世紀90年代以來，隨著新農(nóng)藥的開發(fā)、登記和使用，手性農(nóng)藥所占比例逐年上升［4-5］。手性農(nóng)藥對映體之間一般具有相同的物理和化學性質(zhì)，但它們對靶標生物的活性、非靶標生物的毒性以及在環(huán)境中的立體選擇性行為往往表現(xiàn)出顯著差異［6-8］。到目前為止，手性農(nóng)藥的環(huán)境毒理風險評估尚未區(qū)分不同對映體間存在的差異，不能真實反映手性農(nóng)藥對人類健康和環(huán)境造成的安全隱患。

有機磷農(nóng)藥已有70 多年的使用歷史，是中國生產(chǎn)最多、使用最多的一種農(nóng)藥［9］，目前世界上商品化的有機磷農(nóng)藥品種多達150種，在中國常用的有30 多種，其中絕大多數(shù)為殺蟲劑，少數(shù)為殺菌劑和除草劑［10］。有機磷農(nóng)藥大多為磷酸酯類和硫代磷酸酯類化合物［11］，圖1 為有機磷農(nóng)藥的結(jié)構(gòu)通式，R1和R2通常為甲氧基（-OCH3）或者乙氧基（-OC2H5），X為硫原子或氧原子，Z為烷基、烷氧基、硫代烷基等取代基團。有機磷分子中，當磷原子與3個互不相同的原子或集團相連時，稱為手性磷原子［12］。手性有機磷化合物一般可分為兩類：一類的手性中心在磷原子上，另一類在碳原子上，也有少部分同時具備磷、碳2個手性中心（圖2）。有機磷農(nóng)藥具有成本低、藥效高、種類多、藥害小、選擇性高、治理范圍廣、易降解等特點［13］，其作用機理是磷酸化靶標生物體內(nèi)的膽堿酯酶，抑制膽堿酯酶活性，從而產(chǎn)生毒性作用，發(fā)揮藥效［14］。據(jù)不完全統(tǒng)計，在常見的50多種有機磷農(nóng)藥中，具有手性結(jié)構(gòu)的有26種，約占總數(shù)的52%［2］。

圖1 有機磷農(nóng)藥的結(jié)構(gòu)通式

圖2 典型的碳手性和磷手性結(jié)構(gòu)

隨著手性農(nóng)藥的登記、開發(fā)與使用，單一對映體商品化的產(chǎn)品的比例逐年增高［15］，但是由于受分離、不對稱合成手段、制備技術(shù)水平和成本的約束，絕大多數(shù)手性農(nóng)藥仍以外消旋體（等量的左旋體和右旋體的混合物）產(chǎn)品為主［16］。外消旋體中的無效體不但不能防治病蟲草，甚至還會對非靶標生物帶來負面影響，給人類健康和生態(tài)環(huán)境安全帶來潛在的危害。因此，從對映體水平上研究手性生物活性、生態(tài)毒性及環(huán)境行為，具有重要的理論和實際應用價值。本文主要對有機磷農(nóng)藥手性對映體的靶標生物活性、非靶標生物的生態(tài)毒性以及在環(huán)境中的立體選擇性行為進行了全面的介紹和綜述，為有機磷農(nóng)藥手性對映體的合理應用和有效管理提供科學依據(jù)。

1 有機磷農(nóng)藥手性對映體靶標生物活性差異研究

靶標生物活性是評價一個農(nóng)藥的重要指標。手性農(nóng)藥一般具有1 個或2 個手性中心，由于手性中心的存在和生物體擁有的手性屬性使得對映體間表現(xiàn)出不同的生物活性。對映體間的活性差異主要包括4 種：（1）主要集中在1 個對映體上，其他的都為無效體或低效體；（2）2 個對映體活性差異不大（相差10 倍以內(nèi)）；（3）2 個對映體活性沒有差異；（4）2個對映體作用機理完全不同［17］。

有機磷農(nóng)藥手性對映體通常具有多個手性中心，手性中心既可以來源于碳原子，也可來源于磷原子，因此手性品種非常多。有機磷農(nóng)藥對映體之間也存在著不同的生物活性，包括毒性、酶抑制活性和生物降解能力等。有機磷農(nóng)藥的靶標乙酰膽堿酯酶與有機磷立體異構(gòu)體反應具有高度專一性，所以造成了只有一個或者幾個對映體具有高活性，而其他對映體均為低效體或者無效體。如（+）體的水楊硫磷對蚊、黏蟲、小鼠的活性以及乙酰膽堿酯酶的離體抑制活性高于（-）體，而對蠅的活性相反［18］。地蟲磷和甲丙硫磷具有1 個手性中心，存在2 個對映異構(gòu)體，但只有S 體有生物活性；新型丙硫磷不對稱有機磷殺蟲劑——丙溴磷，其旋光異構(gòu)體在抑制乙酰膽堿酯酶（Ache）活性、殺蟲活性和對恒溫動物毒性等方面均具有明顯的立體選擇性［19］。 R 體的苯硫磷對雞、小鼠的毒性高于S 體，而對雞的麻痹作用則相反［20］。Miyazaki 等［21］用手性柱拆分了丙蟲磷的代謝產(chǎn)物，并對2個異構(gòu)體的生物活性進行了比較，結(jié)果表明S體對蟑螂成蟲的藥效是R體的2倍，而R體對牛血清膽堿酯酶和蟑螂膽堿酯酶的抑制活性卻是S體的3倍。

2 有機磷農(nóng)藥手性對映體對非靶標生物的生態(tài)毒性差異

在手性農(nóng)藥對映體生物效應的研究方面，大多數(shù)研究工作關(guān)注于其靶標生物活性的差異性，而對于非靶標生物的生態(tài)毒性往往關(guān)注得很少。手性農(nóng)藥的不同對映體對非靶標生物的毒性有時與對靶標生物活性剛好相反，因此研究手性農(nóng)藥對映體對非靶標生物生態(tài)毒性差異至關(guān)重要。

表1 部分有機磷農(nóng)藥對映體對非靶標生物的選擇活性

Zhuang 等［22］研究了吡唑硫磷手性對映體對斑馬魚的急性毒性和免疫毒性，通過研究發(fā)現(xiàn)，R 體對斑馬魚急性毒性和免疫毒性均高于S體，并用分子動力學模擬進行驗證，結(jié)果顯示，R 體比S 體更有效地抑制斑馬魚的IL-1β 蛋白。Yaméogo 等［23］發(fā)現(xiàn)吡唑硫磷對熱帶的非靶標水生生物黑蠅幼蟲具有短期毒性效應，并且能抑制生態(tài)系統(tǒng)中浮游生物種群的增長。Wang 等［24］研究了有機磷殺蟲劑苯線磷對映體和外消旋混合物對馬血清丁酰膽堿酯酶（BChe）的抑制活性及其對水蚤的毒性效應，結(jié)果顯示，2種對映體和外消旋體在馬血清BChe抑制活性中有顯著差異，其中（+）體比（-）體和外消旋體更具抑制性。表1 列舉了部分有機磷農(nóng)藥手性對映體對非靶標生物的選擇活性。

3 有機磷農(nóng)藥手性對映體在環(huán)境中的立體選擇性行為

農(nóng)藥在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化是一個復雜的過程，包括物理過程、化學過程和生物過程［35］。農(nóng)藥的環(huán)境行為就是農(nóng)藥在不同環(huán)境載體中發(fā)生的上述過程的統(tǒng)稱，其中重要的載體主要包括土壤和動植物體。大量研究表明，手性農(nóng)藥進入環(huán)境后，在各種手性因子及環(huán)境因素的作用下，不同對映體的吸收、傳導、富集、降解、轉(zhuǎn)化等環(huán)境行為往往存在選擇性差異。關(guān)于手性農(nóng)藥對映體在環(huán)境中的立體選擇性行為主要集中在土壤、植物體和動物體的選擇性富集和降解等方面。

3.1 在土壤中的選擇性環(huán)境行為

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量交換的中心，是農(nóng)藥環(huán)境行為中最重要的載體。研究表明，人類所使用的農(nóng)藥中有80%～90%進入土壤，被土壤顆粒和有機質(zhì)吸附、隨地表徑流橫向流動或向深層淋溶、向大氣中揮發(fā)、擴散、被植物吸收、發(fā)生光解、水解或被土壤中微生物降解［36］。進入土壤中的手性農(nóng)藥在不同的土壤生物體、菌類、酶系統(tǒng)等環(huán)境條件下，其對映體降解和殘留的環(huán)境行為不同。

Lewis等［37］采集不同地區(qū)的土壤作為介質(zhì)，研究在實驗室模擬和自然環(huán)境條件下對有機磷農(nóng)藥育畜磷降解的影響，結(jié)果表明，在不同環(huán)境不同介質(zhì)中育畜磷對映體具有不同的降解速率。近年來，相關(guān)的有機磷手性對映體研究大多集中在代謝過程中ER 值測定上。Miyazaki 等［21］檢測了大米中丙蟲磷殺蟲劑的代謝產(chǎn)物丙蟲磷亞砜的ER值為73/27，然而在德國蟑螂體內(nèi)檢測得到的ER值卻為56/44，接近于外消旋體的數(shù)值［38］。李朝陽等［39-40］系統(tǒng)研究了稻豐散在湖北及華北3種土壤中對映體的降解情況，結(jié)果表明，稻豐散在華北土壤中降解較快、對映體選擇性相對明顯；在堿性土壤中，（+）-稻豐散的降解速度更快，而在酸性土壤中僅有微弱的立體選擇性。同時李朝陽等［41］在室內(nèi)避光條件下，研究了有機磷手性農(nóng)藥馬拉硫磷和丙溴磷在不同土壤條件下的選擇性降解行為，結(jié)果表明，在不同土壤中，2 種農(nóng)藥的降解均存在一定的對映體差異，丙溴磷的對映體選擇性明顯高于馬拉硫磷，且在，2種土壤中（-）-馬拉硫磷降解速率均高于（+）-馬拉硫磷，而（-）-丙溴磷的降解速率均低于（+）-丙溴磷。Iton等［42］對蔬果磷在土壤中的降解行為進行研究，結(jié)果表明，S體在土壤中的降解速率是R體的1.5～1.7 倍，具有對映體選擇性。Jarman 等［43］研究了育畜磷和地蟲硫磷對映體在土壤中的選擇性行為，結(jié)果表明（+）-育畜磷的降解速率高于（-）-育畜磷，而地蟲硫磷的降解沒有出現(xiàn)選擇性。

3.2 在動植物體中的選擇性環(huán)境行為

構(gòu)成動植物體的生物大分子脂肪、蛋白質(zhì)和糖類均具有手性結(jié)構(gòu)，手性農(nóng)藥進入動植物體內(nèi)后，吸收、轉(zhuǎn)運、累積和代謝等過程都是在一個手性環(huán)境中進行，因此農(nóng)藥手性對映體與生物大分子間的選擇性識別會使得手性農(nóng)藥的富集和代謝過程之間存在選擇性差異。

高貝貝等［44］研究甲基異柳磷手性對映體在大鼠和人肝微粒體中的降解行為，發(fā)現(xiàn)甲基異柳磷2種對映體在不同條件下降解速率不同，但在2種肝微粒體中，R 體均優(yōu)先降解。Ueji 等［45］研究了異硫磷在大鼠肝微粒體中的降解選擇性，結(jié)果表明，異硫磷手性對映體間代謝產(chǎn)物量存在明顯差異。Lee 等［46］測定了地蟲硫磷及其氧化物在家蠅和大鼠中的選擇性降解行為，結(jié)果表明，R 體在肝臟多功能氧化酶作用下定向生成S 體氧化物，而S 體則被氧化成R 體氧化物；R 體的氧化速度遠高于S 體，因此R體活性高于S體。

4 展望

近年來手性農(nóng)藥在生物系統(tǒng)中的立體選擇性已經(jīng)引起諸多學者的關(guān)注。有機磷農(nóng)藥作為中國目前使用量最大的一種農(nóng)藥，其手性對映體立體選擇性行為的研究也越來越多。目前針對有機磷手性對映體的研究大多集中在土壤降解方面，有關(guān)對映體對于生物體活性、生態(tài)毒性及在動植物體內(nèi)的富集等行為的立體選擇性研究較少，且作用機理尚不明確。因此深入研究手性農(nóng)藥的毒理學機制及代謝機理，從細胞及分子水平上闡釋手性農(nóng)藥對映體間存在的立體選擇性差異機制，從而解析影響對映體間立體選擇性的因素，為更好地評估手性農(nóng)藥的生態(tài)風險及對人類飲食健康的影響，更加合理地開發(fā)、應用和管理手性農(nóng)藥，降低農(nóng)藥殘留對生態(tài)系統(tǒng)的破壞提供理論依據(jù)和科學支持。