有机磷农药手性对映体生物活性、生态毒性及环境行为研究①

王 宁 李建华 谭文丽 王春燕 吴能义 李 乐

（海南省农垦科学院 海南海口570206）

物体与其镜像不能叠合的性质称为手性（Chirality）［1］。手性是自然界的本质属性之一，生命活动中所需要的生物大分子几乎都具有手性［2］。手性分子是指化合物基团组成相同，但在空间结构上互为镜像，二者互为对映异构体，简称对映体（Enantiomers）［3］。根据农药分子结构中是否具有手性中心，将其分为手性农药和非手性农药。手性农药一般是指化合物分子中某个碳原子上连接有4个不同基团，该碳原子被称为不对称碳或手性碳中心，也有以磷或其它原子为手性中心的分子，多为有机磷农药［2］。自20世纪90年代以来，随着新农药的开发、登记和使用，手性农药所占比例逐年上升［4-5］。手性农药对映体之间一般具有相同的物理和化学性质，但它们对靶标生物的活性、非靶标生物的毒性以及在环境中的立体选择性行为往往表现出显著差异［6-8］。到目前为止，手性农药的环境毒理风险评估尚未区分不同对映体间存在的差异，不能真实反映手性农药对人类健康和环境造成的安全隐患。

有机磷农药已有70 多年的使用历史，是中国生产最多、使用最多的一种农药［9］，目前世界上商品化的有机磷农药品种多达150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［10］。有机磷农药大多为磷酸酯类和硫代磷酸酯类化合物［11］，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为硫原子或氧原子，Z为烷基、烷氧基、硫代烷基等取代基团。有机磷分子中，当磷原子与3个互不相同的原子或集团相连时，称为手性磷原子［12］。手性有机磷化合物一般可分为两类：一类的手性中心在磷原子上，另一类在碳原子上，也有少部分同时具备磷、碳2个手性中心（图2）。有机磷农药具有成本低、药效高、种类多、药害小、选择性高、治理范围广、易降解等特点［13］，其作用机理是磷酸化靶标生物体内的胆碱酯酶，抑制胆碱酯酶活性，从而产生毒性作用，发挥药效［14］。据不完全统计，在常见的50多种有机磷农药中，具有手性结构的有26种，约占总数的52%［2］。

图1 有机磷农药的结构通式

图2 典型的碳手性和磷手性结构

随着手性农药的登记、开发与使用，单一对映体商品化的产品的比例逐年增高［15］，但是由于受分离、不对称合成手段、制备技术水平和成本的约束，绝大多数手性农药仍以外消旋体（等量的左旋体和右旋体的混合物）产品为主［16］。外消旋体中的无效体不但不能防治病虫草，甚至还会对非靶标生物带来负面影响，给人类健康和生态环境安全带来潜在的危害。因此，从对映体水平上研究手性生物活性、生态毒性及环境行为，具有重要的理论和实际应用价值。本文主要对有机磷农药手性对映体的靶标生物活性、非靶标生物的生态毒性以及在环境中的立体选择性行为进行了全面的介绍和综述，为有机磷农药手性对映体的合理应用和有效管理提供科学依据。

1 有机磷农药手性对映体靶标生物活性差异研究

靶标生物活性是评价一个农药的重要指标。手性农药一般具有1 个或2 个手性中心，由于手性中心的存在和生物体拥有的手性属性使得对映体间表现出不同的生物活性。对映体间的活性差异主要包括4 种：（1）主要集中在1 个对映体上，其他的都为无效体或低效体；（2）2 个对映体活性差异不大（相差10 倍以内）；（3）2 个对映体活性没有差异；（4）2个对映体作用机理完全不同［17］。

有机磷农药手性对映体通常具有多个手性中心，手性中心既可以来源于碳原子，也可来源于磷原子，因此手性品种非常多。有机磷农药对映体之间也存在着不同的生物活性，包括毒性、酶抑制活性和生物降解能力等。有机磷农药的靶标乙酰胆碱酯酶与有机磷立体异构体反应具有高度专一性，所以造成了只有一个或者几个对映体具有高活性，而其他对映体均为低效体或者无效体。如（+）体的水杨硫磷对蚊、黏虫、小鼠的活性以及乙酰胆碱酯酶的离体抑制活性高于（-）体，而对蝇的活性相反［18］。地虫磷和甲丙硫磷具有1 个手性中心，存在2 个对映异构体，但只有S 体有生物活性；新型丙硫磷不对称有机磷杀虫剂——丙溴磷，其旋光异构体在抑制乙酰胆碱酯酶（Ache）活性、杀虫活性和对恒温动物毒性等方面均具有明显的立体选择性［19］。 R 体的苯硫磷对鸡、小鼠的毒性高于S 体，而对鸡的麻痹作用则相反［20］。Miyazaki 等［21］用手性柱拆分了丙虫磷的代谢产物，并对2个异构体的生物活性进行了比较，结果表明S体对蟑螂成虫的药效是R体的2倍，而R体对牛血清胆碱酯酶和蟑螂胆碱酯酶的抑制活性却是S体的3倍。

2 有机磷农药手性对映体对非靶标生物的生态毒性差异

在手性农药对映体生物效应的研究方面，大多数研究工作关注于其靶标生物活性的差异性，而对于非靶标生物的生态毒性往往关注得很少。手性农药的不同对映体对非靶标生物的毒性有时与对靶标生物活性刚好相反，因此研究手性农药对映体对非靶标生物生态毒性差异至关重要。

表1 部分有机磷农药对映体对非靶标生物的选择活性

Zhuang 等［22］研究了吡唑硫磷手性对映体对斑马鱼的急性毒性和免疫毒性，通过研究发现，R 体对斑马鱼急性毒性和免疫毒性均高于S体，并用分子动力学模拟进行验证，结果显示，R 体比S 体更有效地抑制斑马鱼的IL-1β 蛋白。Yaméogo 等［23］发现吡唑硫磷对热带的非靶标水生生物黑蝇幼虫具有短期毒性效应，并且能抑制生态系统中浮游生物种群的增长。Wang 等［24］研究了有机磷杀虫剂苯线磷对映体和外消旋混合物对马血清丁酰胆碱酯酶（BChe）的抑制活性及其对水蚤的毒性效应，结果显示，2种对映体和外消旋体在马血清BChe抑制活性中有显著差异，其中（+）体比（-）体和外消旋体更具抑制性。表1 列举了部分有机磷农药手性对映体对非靶标生物的选择活性。

3 有机磷农药手性对映体在环境中的立体选择性行为

农药在环境中的迁移转化是一个复杂的过程，包括物理过程、化学过程和生物过程［35］。农药的环境行为就是农药在不同环境载体中发生的上述过程的统称，其中重要的载体主要包括土壤和动植物体。大量研究表明，手性农药进入环境后，在各种手性因子及环境因素的作用下，不同对映体的吸收、传导、富集、降解、转化等环境行为往往存在选择性差异。关于手性农药对映体在环境中的立体选择性行为主要集中在土壤、植物体和动物体的选择性富集和降解等方面。

3.1 在土壤中的选择性环境行为

土壤作为陆地生态系统物质循环和能量交换的中心，是农药环境行为中最重要的载体。研究表明，人类所使用的农药中有80%～90%进入土壤，被土壤颗粒和有机质吸附、随地表径流横向流动或向深层淋溶、向大气中挥发、扩散、被植物吸收、发生光解、水解或被土壤中微生物降解［36］。进入土壤中的手性农药在不同的土壤生物体、菌类、酶系统等环境条件下，其对映体降解和残留的环境行为不同。

Lewis等［37］采集不同地区的土壤作为介质，研究在实验室模拟和自然环境条件下对有机磷农药育畜磷降解的影响，结果表明，在不同环境不同介质中育畜磷对映体具有不同的降解速率。近年来，相关的有机磷手性对映体研究大多集中在代谢过程中ER 值测定上。Miyazaki 等［21］检测了大米中丙虫磷杀虫剂的代谢产物丙虫磷亚砜的ER值为73/27，然而在德国蟑螂体内检测得到的ER值却为56/44，接近于外消旋体的数值［38］。李朝阳等［39-40］系统研究了稻丰散在湖北及华北3种土壤中对映体的降解情况，结果表明，稻丰散在华北土壤中降解较快、对映体选择性相对明显；在碱性土壤中，（+）-稻丰散的降解速度更快，而在酸性土壤中仅有微弱的立体选择性。同时李朝阳等［41］在室内避光条件下，研究了有机磷手性农药马拉硫磷和丙溴磷在不同土壤条件下的选择性降解行为，结果表明，在不同土壤中，2 种农药的降解均存在一定的对映体差异，丙溴磷的对映体选择性明显高于马拉硫磷，且在，2种土壤中（-）-马拉硫磷降解速率均高于（+）-马拉硫磷，而（-）-丙溴磷的降解速率均低于（+）-丙溴磷。Iton等［42］对蔬果磷在土壤中的降解行为进行研究，结果表明，S体在土壤中的降解速率是R体的1.5～1.7 倍，具有对映体选择性。Jarman 等［43］研究了育畜磷和地虫硫磷对映体在土壤中的选择性行为，结果表明（+）-育畜磷的降解速率高于（-）-育畜磷，而地虫硫磷的降解没有出现选择性。

3.2 在动植物体中的选择性环境行为

构成动植物体的生物大分子脂肪、蛋白质和糖类均具有手性结构，手性农药进入动植物体内后，吸收、转运、累积和代谢等过程都是在一个手性环境中进行，因此农药手性对映体与生物大分子间的选择性识别会使得手性农药的富集和代谢过程之间存在选择性差异。

高贝贝等［44］研究甲基异柳磷手性对映体在大鼠和人肝微粒体中的降解行为，发现甲基异柳磷2种对映体在不同条件下降解速率不同，但在2种肝微粒体中，R 体均优先降解。Ueji 等［45］研究了异硫磷在大鼠肝微粒体中的降解选择性，结果表明，异硫磷手性对映体间代谢产物量存在明显差异。Lee 等［46］测定了地虫硫磷及其氧化物在家蝇和大鼠中的选择性降解行为，结果表明，R 体在肝脏多功能氧化酶作用下定向生成S 体氧化物，而S 体则被氧化成R 体氧化物；R 体的氧化速度远高于S 体，因此R体活性高于S体。

4 展望

近年来手性农药在生物系统中的立体选择性已经引起诸多学者的关注。有机磷农药作为中国目前使用量最大的一种农药，其手性对映体立体选择性行为的研究也越来越多。目前针对有机磷手性对映体的研究大多集中在土壤降解方面，有关对映体对于生物体活性、生态毒性及在动植物体内的富集等行为的立体选择性研究较少，且作用机理尚不明确。因此深入研究手性农药的毒理学机制及代谢机理，从细胞及分子水平上阐释手性农药对映体间存在的立体选择性差异机制，从而解析影响对映体间立体选择性的因素，为更好地评估手性农药的生态风险及对人类饮食健康的影响，更加合理地开发、应用和管理手性农药，降低农药残留对生态系统的破坏提供理论依据和科学支持。