新煙堿類殺蟲劑研究進(jìn)展

魏義蘭 ， 王良芥 ， 王 宇

(1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院 ， 湖南 株洲 412000 ； 2.湘潭大學(xué) 化工學(xué)院 ， 湖南 湘潭 411100 ； 3.湖南比德生化科技股份有限公司 ， 湖南 岳陽(yáng) 414306)

新煙堿類殺蟲劑是繼有機(jī)磷、氨基甲酸酯和擬除蟲菊酯類殺蟲劑之后第四大類重要?dú)⑾x劑，其發(fā)現(xiàn)具有里程碑式的意義。2014年，新煙堿類殺蟲劑約占全球殺蟲劑市場(chǎng)份額的25%，近幾年略有下降。截至2021年9月，在我國(guó)登記的新煙堿類農(nóng)藥有12種，制劑產(chǎn)品達(dá)3 400多種[1]。新煙堿類農(nóng)藥可用于處理作物莖葉、土壤和種子等，具有安全、高效、高選擇性等特點(diǎn)，但隨著其頻繁大量使用，靶標(biāo)抗性、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、人類健康等系列問(wèn)題凸顯，因此其光解、復(fù)配、毒理安全成為研究熱點(diǎn)。本文對(duì)新煙堿類殺蟲劑的發(fā)展歷史、作用機(jī)制、復(fù)配以及光解研究等方面做簡(jiǎn)要介紹。

1 新煙堿類殺蟲劑的發(fā)展歷史

新煙堿類殺蟲劑是以天然煙堿為基礎(chǔ)，開發(fā)、篩選并合成出來(lái)的。煙堿俗稱尼古丁(nicotinods)，化學(xué)名稱3-(1-甲基-2-吡咯啉基)-吡啶，17世紀(jì)人類就開始使用煙堿作為殺蟲劑，1828年研究人員確定煙草殺蟲劑的有效成分為煙堿，并于1904年合成出煙堿[2]。煙堿是一種神經(jīng)毒劑，作用標(biāo)靶為神經(jīng)突觸后膜上的煙堿型乙酰膽堿受體[3]。天然煙堿雖然具有顯著的殺蟲活性，但因其對(duì)人類及哺乳動(dòng)物、鳥類和水生動(dòng)物毒性高，因此未能作為殺蟲劑使用[4]。

1972年，殼牌公司開發(fā)了一類含有硝基亞甲基雜環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物，1978年研究人員報(bào)道了硝賽嗪(Nithiazine)，但因其較易水解，光穩(wěn)定性較差(λmax=343 nm)，因此未能作為商品進(jìn)入市場(chǎng)，但其較好的生物活性使研究者發(fā)現(xiàn)了硝基胺、硝基胍等藥效基團(tuán)。1984年，德國(guó)拜耳公司以nithiazine為先導(dǎo)開發(fā)出第一個(gè)新煙堿類殺蟲劑吡蟲啉。具有殺蟲廣譜、活性高，光穩(wěn)定性強(qiáng)(λmax=269 nm)，作用方式新穎，選擇性好，持效時(shí)間長(zhǎng)，內(nèi)吸作用優(yōu)異，對(duì)哺乳動(dòng)物低毒等特點(diǎn)。該商品于1991年上市，深受農(nóng)藥企業(yè)和種植戶的喜愛，開辟了高效低毒殺蟲劑的新紀(jì)元[5]。隨后，世界上一些大農(nóng)藥公司相繼投入煙堿化合物的研究，我國(guó)也取得一定成果，見表1[6]。隨著研究工作的開展，新煙堿類殺蟲劑的結(jié)構(gòu)在不斷優(yōu)化，但大多數(shù)新化合物是在已有商品化品種的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，研究報(bào)道不多，市場(chǎng)推廣應(yīng)用也較少。

表1 國(guó)內(nèi)已登記新煙堿類殺蟲劑開發(fā)商及上市時(shí)間

2 新煙堿類殺蟲劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3 新煙堿類殺蟲劑的殺蟲機(jī)制

20世紀(jì)90年代初，世界殺蟲劑市場(chǎng)主要由乙酰膽堿酯酶(AChE)抑制劑統(tǒng)治[8]。而新煙堿類殺蟲劑屬于昆蟲煙堿型乙酰膽堿受體(nACHRs，廣泛分布于昆蟲中央神經(jīng)系統(tǒng)突觸神經(jīng)纖維網(wǎng))的激動(dòng)劑(agonist)，主要通過(guò)選擇性控制昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)煙堿型乙酰膽堿酯酶受體，阻斷昆蟲中樞神經(jīng)系統(tǒng)的正常傳導(dǎo)，從而導(dǎo)致害蟲麻痹、死亡[2]。新煙堿類殺蟲劑與乙酰膽堿受體的結(jié)合模型有4種假說(shuō)，文獻(xiàn)報(bào)道較多，這里不再詳細(xì)闡述。

4 新煙堿類殺蟲劑的分類

①根據(jù)所含雜環(huán)的不同分為3種：第1代新煙堿類殺蟲劑(氯代吡啶型)為吡蟲啉、啶蟲咪、吡蟲啉、烯啶蟲胺、哌蟲啶、氟啶蟲胺腈等；第2代新煙堿類殺蟲劑(氯代噻唑型)為噻蟲嗪、噻蟲胺等；第3代新煙堿類殺蟲劑(呋喃型)為呋蟲胺等[9]。②根據(jù)活性基團(tuán)的不同分為3種：硝基胍類為吡蟲啉、噻蟲嗪、呋蟲胺等；硝基亞甲基為烯啶蟲胺等；吡啶(噻唑)甲胺類為啶蟲脒、噻蟲啉等[10]。

5 新煙堿類殺蟲劑的光解

光解是有機(jī)殺蟲劑自然降解的主要途徑之一。光解過(guò)程包括化學(xué)鍵的斷裂、異構(gòu)化、分子內(nèi)重排和分子間反應(yīng)等。與母體化合物相比，光解產(chǎn)物的毒性既可能降低，也可能升高[11]。新煙堿類農(nóng)藥的光解研究主要集中在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、轉(zhuǎn)化機(jī)制、去除效果等方面。

研究表明，含有光反應(yīng)活性基團(tuán)(硝基胍)的新煙堿類殺蟲劑易于光解，如吡蟲啉、噻蟲嗪、呋蟲胺等[12]。如有研究顯示吡蟲啉的主要降解途徑為光解，其在純水中能快速光解，光解速度符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，半衰期為幾十分鐘至數(shù)小時(shí)，光解反應(yīng)集中在咪唑烷基部分，產(chǎn)物多包含6-氯吡啶結(jié)構(gòu)。LU等[13]發(fā)現(xiàn)噻蟲嗪在不同季節(jié)(溫度)的地表水中，光解半衰期為0.2～1.5 天，自然光、紫外線、TiO2催化或紫外線-臭氧聯(lián)合等方法可加快噻蟲嗪光解，但受轉(zhuǎn)化條件(pH值、溫度、共存離子、水層深度等)的影響。GONG等[14]采用氙燈模擬噻蟲胺的光解過(guò)程，發(fā)現(xiàn)其光解過(guò)程包括脫硝基、親核取代、分子重排、開環(huán)、閉環(huán)等，部分光解產(chǎn)物的穩(wěn)定性高于母體?？傊?，想要通過(guò)光解徹底去除新煙堿類殺蟲劑很難。為此，研究新煙堿類殺蟲劑光解過(guò)程及其在環(huán)境中的殘留檢測(cè)、轉(zhuǎn)化機(jī)制、光解產(chǎn)物毒性，對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

6 新煙堿類殺蟲劑的復(fù)配

6.1 新煙堿類殺蟲劑與其它農(nóng)藥復(fù)配

鑒于新煙堿類殺蟲劑標(biāo)靶抗性、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及人類健康等問(wèn)題，為延緩其抗藥性，減少藥用量，擴(kuò)大防治譜，延長(zhǎng)使用壽命，采用藥劑復(fù)配、時(shí)空交差、施用限量等手段是有效途徑。研究表明，新煙堿類殺蟲劑可與有機(jī)磷、氨基甲酸酯、擬除蟲菊酯、酰胺、苯甲酰脲、沙蠶毒素、雜環(huán)及生物農(nóng)藥等復(fù)配。且復(fù)配制劑協(xié)同增效明顯，藥用量減少，靶標(biāo)抗性延緩，持效期增長(zhǎng)，防治效果提高，具有省時(shí)、省力、經(jīng)濟(jì)、增產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)。如與溴氰菊酯、增效醚等擬除蟲菊酯類農(nóng)藥復(fù)配可防治已對(duì)擬除蟲菊酯類殺蟲劑產(chǎn)生抗藥性的埃及伊蚊和岡比亞按蚊。將其與生物農(nóng)藥復(fù)配為綠色農(nóng)藥發(fā)展提供了新思路[1]。

6.2 新煙堿類殺蟲劑間的復(fù)配

第1代新煙堿類殺蟲劑具有高效廣譜、低毒、低殘留的特點(diǎn)；第2代相較于第1代內(nèi)吸效果好，殘效期長(zhǎng)；第3代殺蟲更廣譜，使用更方便，能克服第1、2代殺蟲劑帶來(lái)的抗藥性風(fēng)險(xiǎn)?？傊?，這3代新煙堿類殺蟲劑，一代比一代殺蟲更徹底、高效、快速。隨著昆蟲抗藥性的增加，將第1、2、3代殺蟲劑吡蟲啉、噻蟲嗪與呋蟲胺輪換用藥，不僅藥效倍增，同時(shí)緩解抗藥性，使用壽命延長(zhǎng)[9]。

7 展望

目前，新煙堿類殺蟲劑占據(jù)一定市場(chǎng)份額，如吡蟲啉、噻蟲嗪2品種近幾年的年銷售額約20億美元。但新煙堿類殺蟲劑的抗藥性問(wèn)題日益突顯，盡管有研究表明，新煙堿類殺蟲劑在噴灑過(guò)程中對(duì)人和哺乳動(dòng)物低毒或無(wú)毒，但對(duì)蜜蜂的傷害無(wú)法避免。因此世界多個(gè)國(guó)家和組織開展了對(duì)部分新煙堿類殺蟲劑環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)審，其中歐盟食品安全局(EFSA)禁限用了新煙堿類殺蟲劑吡蟲啉、噻蟲嗪和噻蟲胺，促使了學(xué)者們開展新煙堿類殺蟲劑對(duì)蜜蜂的毒理性試驗(yàn)研究?？傊?，新煙堿類殺蟲劑短時(shí)間內(nèi)不會(huì)被替代，新的品種會(huì)不斷被開發(fā)出來(lái)，但存在的問(wèn)題不能忽視。