新烟碱类杀虫剂呋虫胺的研究进展

刘子琪，袁龙飞，廖先骏，李 莉，李 薇，程有普，陈增龙*

（1. 中国科学院动物研究所农业虫害鼠害综合治理研究国家重点实验室，北京 100101；2. 天津农学院，天津300384；3.农业农村部农药检定所，北京 100125）

新烟碱类杀虫剂作用于昆虫中枢神经系统中烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs），通过高效阻断昆虫的正常神经传递致使昆虫死亡，是全球用量最大的杀虫剂品种，登记国家超过120个[1]。呋虫胺属于第三代新烟碱类杀虫剂，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）命名为(RS)-1-甲基-2-硝基-3-(四氢-3-呋喃甲基)胍。与其他烟碱类杀虫剂相比，其不含氯原子和芳环基团，具有独特的四氢-3-呋喃甲基结构，因此也被称为呋喃烟碱[2]。呋虫胺与传统新烟碱类杀虫剂分子结构不同，其水溶性更高，内吸性和渗透性也更好，可用于多种害虫的防治[3]，不仅可防治谷物（小麦、玉米、水稻等）、蔬菜（番茄、黄瓜、大白菜等）、水果（苹果、梨、柑橘等）、茶树、观赏菊花等作物上的蚜虫、叶蝉、飞虱、蓟马、粉虱、二化螟及其抗性品系，同时对鞘翅目、双翅目、鳞翅目和同翅目害虫防效高，并对蜚蠊、白蚁、家蝇等卫生害虫也表现出良好的防治效果[4]。呋虫胺在我国应用广泛，登记作物24种，登记产品194个，是新烟碱类杀虫剂的中坚力量[5]。

然而，随着使用量的日益增加，呋虫胺同样避免不了传统新烟碱类杀虫剂的弊端。传统新烟碱类杀虫剂对蜜蜂的种群危害十分严重，不仅长期残留在蜜蜂脑内，影响其学习能力和采集活动，还会降低蜜蜂的生存能力，缩短其寿命[6]。英国赫特福德大学农药属性数据库（PPDB）显示，呋虫胺对于非靶标有益生物蜜蜂和蚯蚓都具有高毒，对蜜蜂的48 h接触毒性LD50值大于0.023 μg/bee，对蚯蚓的14 d急性毒性LC50值为4.9 mg/kg。研究表明，呋虫胺还会影响小鼠体内氨基酸的代谢，接触呋虫胺的ICR小鼠体内脂质水平升高，出现氧化应激反应[7]。呋虫胺对哺乳动物大鼠短期摄食无可见作用，剂量水平值为22 mg/kg，为高风险；中高浓度（612.5和2450.0 mg/kg）的呋虫胺将会引起大鼠免疫损伤和免疫细胞凋亡，导致大鼠脾脏白髓及胸腺皮质萎缩[8]，而使用98%的呋虫胺原药以200 mg/（kg·d）的浓度续饲喂8周，也将影响大鼠的繁殖能力[9]。此外，新烟碱类杀虫剂在水体中不易降解、残留期长，对水生生物也具有较高水平的危害[10]。呋虫胺在土壤中具有持久性，半衰期高达75～82 d[11]。随着呋虫胺使用量的增加，其在环境中的残留风险也随之增大，从而导致其在土壤、植株和地下水中的残留量升高[12]。同时，农药残留专家联席会议（JMPR）指出，植物源产品中用于制定呋虫胺的最大残留限量（MRL）仅需要考虑呋虫胺母体农药，而膳食暴露风险评估则需要考虑呋虫胺及其代谢物1-甲基-3-(四氢-3-呋喃基甲基)脲（UF）和1-甲基-3-(四氢-3-呋喃基甲基)胍二氢（DN），以呋虫胺表示；动物源产品中用于制定呋虫胺的MRL和膳食暴露风险评估均需要考虑呋虫胺及其代谢物UF，以呋虫胺表示[13]。可见，呋虫胺虽然具有优异的杀虫活性，但随其在农业生产环境中的大量投入，环境负效应也开始显露，这也引起诸多研究学者的重视。

因此，笔者综述了呋虫胺对靶标害虫的生物活性、对非靶标有益生物的生态毒理以及其在植物和土壤等生态介质中的降解动力学规律，旨在为呋虫胺的合理应用和有效管理提供科学依据，也对新烟碱类农药的安全评估、增效减施等科学问题提供理论支撑。

1 呋虫胺生物活性研究

对靶标害虫的防治效果是评价呋虫胺的首要标准。研究表明，10%呋虫胺干拌种剂（DS）[14]、20%呋虫胺可溶性粒剂（SG）[15-16]、20%呋虫胺悬浮剂（SC）[17]以及25%呋虫胺可湿性粉剂（WP）[18]等多种剂型均可有效防治稻飞虱对稻田的危害。不同浓度的呋虫胺（14.72和62.95 mg/L）作用于褐飞虱均会对其成虫的发育和生殖能力产生影响，但对F1代无影响，说明该浓度下呋虫胺具有亚致死效应，但对褐飞虱没有跨代影响[19]。呋虫胺除了对稻飞虱有良好的防效外，对小麦、果蔬、烟草等多种作物上的靶标害虫也具有较好的防治效果。通过呋虫胺对小麦蚜虫的不同亚致死剂量（L10、L20和L30）的研究发现，呋虫胺可显著降低小麦蚜虫F0代的寿命和繁殖力、缩短雌虫产卵前期。亚致死剂量L10、L20和L30剂量能显著提高若虫的发育历期，其中L20亚致死剂量可明显降低其净生殖率、固有增长率和周限增长率，但会提高F1代的繁殖力、延长雌虫产卵前期[20]。董松[21]通过对绿盲蝽施用3种不同浓度（LC50、LC30、LC10）的呋虫胺，发现LC30剂量的呋虫胺对绿盲蝽的生殖抑制作用最明显，可有效控制绿盲蝽种群数量的增长。呋虫胺对烟粉虱也具有良好的杀虫活性，对烟粉虱的各个虫龄均有效，对卵和若虫的杀灭活性更高，因此适合在烟粉虱发生初期使用，有利于控制烟粉虱的种群数量、减少药剂使用量[22]，同时该研究还发现，具有吡虫啉抗性的烟粉虱对呋虫胺无交叉抗性或抗性水平较低[23]。呋虫胺对烟粉虱的致死和亚致死研究表明，呋虫胺增加了烟粉虱若虫、假蛹和成虫的发育时间，降低了其存活率，雌性烟粉虱的生殖力也明显降低。其对烟粉虱F1代的存活率、发育历期和繁殖力也均有影响，这说明呋虫胺可以有效地控制烟粉虱的增长[24]。呋虫胺对难以防治的入侵生物红火蚁也具有良好的防治效果，使用5 mg/L呋虫胺处理13 h后，红火蚁中型工蚁的校正死亡率可达到97.78%[25]。

通过上述研究总结发现，呋虫胺对于稻飞虱、小麦蚜虫、二化螟、烟粉虱等害虫均具有较好的防效。呋虫胺对稻飞虱的LC50和LC90值分别为0.88 mg/L和3.90 mg/L；对二化螟的LC50和LC90值分别为55.72 mg/L和882.30 mg/L[26]；对烟粉虱卵、若虫和成虫的LC50值分别为10.55、24.68、75.91 mg/L[22]。此外，呋虫胺的半致死浓度对害虫的生长发育和繁殖能力也具有一定影响，但对F1代的影响较小。

2 呋虫胺生态毒理研究

呋虫胺对蜜蜂、蚯蚓、家蚕、斑马鱼、蜥蜴等非靶标生物负面影响较大[27]，因此综述呋虫胺的生态毒理学研究也十分必要。蜜蜂是自然界必不可少的授粉主力，在农业生产中占据重要地位，研究表明呋虫胺对蜜蜂的急性经口毒性等级为高毒[28-29]，其LD50值为0.156 μg/bee，对蜜蜂幼虫化蛹和羽化抑制作用明显[30]，并且呋虫胺对工蜂和雄性蜂的毒力不同，在不同类型蜂中的累计致死作用也不同[31]。呋虫胺的大量使用会影响蜜蜂的嗅觉，导致其觅食效率低下，识别巢友的能力降低[32]，其亚致死剂量还会影响蜜蜂学习能力和记忆力[33]。可见，呋虫胺对蜜蜂的暴露风险不容忽视，降低其对蜜蜂的危害至关重要。其次，呋虫胺及其代谢物UF和DN对蚯蚓也是高危污染物，3种物质均会诱导蚯蚓体内的活性氧（ROS）过量生成，导致其抗氧化酶活性和功能基因表达发生显著变化，严重破坏细胞结构和功能[34-35]。呋虫胺对家蚕毒性高且残毒期长，96 h急性毒性LC50值为1.26 mg/L，因此在蚕桑地区使用呋虫胺一定要加强防护，降低污染风险[28,36]。

呋虫胺对水生生物和两栖类动物也具有一定的危害。已有研究表明，呋虫胺原药对大型溞、低额溞、剑水蚤的24 h和48 h急性毒性LC50值为0.08～4.89 mg/L，均具有较高毒性，其中剑水蚤对呋虫胺的毒害最为敏感。呋虫胺对3种溞类的48 h毒性高于24 h，说明存在毒性累积效应[37]。呋虫胺对于斑马鱼胚胎、幼鱼以及成鱼都具有不同程度的危害。呋虫胺原药对斑马鱼胚胎96 h急性毒性LC50值为10.36 g/L，属于微毒；20%呋虫胺悬浮剂对斑马鱼幼鱼的96 h急性毒性LC50值为59.7 mg/L，属于低毒。较高浓度的呋虫胺会降低斑马鱼的孵化率，影响其生长发育[27,38]。对鮈鲫幼鱼施用呋虫胺发现，其会诱发氧化应激反应，改变mRNA的表达水平，并且会导致幼鱼肝脏DNA损伤[39]。呋虫胺对蜥蜴也具有一定的危害，呋虫胺在蜥蜴体内不易代谢，在大脑中也表现出较强的持久性，易造成大脑损伤[40]。呋虫胺还会影响蜥蜴甲状腺对碘的摄入和利用，导致甲状腺功能不足，进而导致甲状腺上皮增生和滤泡体积增大[41]。通过蜥蜴口服呋虫胺还发现肝脏和肾脏是其主要的代谢器官，呋虫胺也会对肝脏的氧化应激系统造成损害，而皮肤和尿液排泄是蜥蜴消除呋虫胺的主要途径[42]。

通过上述研究总结可得，呋虫胺对nAChRs的激动刺激在杀灭靶标害虫的同时，对非靶标有益生物也带来负面影响，特别是蜜蜂、蚯蚓、家蚕，其毒性量级均为高毒，严重危害其种群存活。因此，如何确保呋虫胺在发挥杀虫效力的同时，有效降低其生态毒性，减少对非靶标有益生物的潜在威胁是目前面临的科学难题，也是本领域未来研究的重点方向。

3 呋虫胺的降解动力学研究

目前，呋虫胺在生态环境中的行为归趋主要集中在植物体和土壤介质中的耗散动力研究[43]。呋虫胺具有良好的水溶性、较高的持久性以及较低的吸附性，施用于作物时易导致土壤和地下水污染，呋虫胺在植物和哺乳动物体内还会转化为多种残留代谢物[44]。呋虫胺的广泛使用不仅会导致农药残留在植株、土壤、水体中，还会残留在食用饲料中，进而在动物体内累积。因此建立动植物源食品以及生态环境介质中绿色、灵敏、快速的呋虫胺及其代谢物残留分析方法必不可少[45]。已有研究测定了呋虫胺及其代谢物在水稻中的降解规律，其降解符合一级动力学模型，呋虫胺及其代谢物的半衰期在0.5～2.3 d之间；在施用呋虫胺21 d后测定的糙米中的呋虫胺残留量为0.413 mg/kg[46]，低于我国规定的最大残留限量1 mg/kg；经过抛光，洗涤和煮沸，呋虫胺的平均残留量分别低于原始浓度的74.7%，60.8%和39.6%，这说明煮沸可以有效降低呋虫胺的残留量[47]。呋虫胺及其代谢物在咖啡豆中的残留动态分析结果表明，呋虫胺及其代谢物UF、DN在咖啡豆上的平均半衰期为40.8 d。洗涤后，咖啡豆中呋虫胺的含量降低了44.4%～86.7%，焙烤过程中呋虫胺的含量降低了62.2%～100%。焙烤咖啡豆的前21和35 d均未检测到DN残留，煮咖啡前35 d内也未检测到UF残留，表明咖啡豆加工过程中呋虫胺及其代谢物UF、DN的残留量均有所下降[48]。通过测定土壤和萝卜叶片中呋虫胺的残留量发现，呋虫胺的降解半衰期为6.2～8.9 d，降解较快；在呋虫胺处理的土壤中，萝卜从土壤中对呋虫胺的吸收率为4.9～16.7%；在低浓度处理（2.01 mg/kg）和高浓度处理（9.35 mg/kg）的土壤中萝卜块茎的吸收量分别为0.020 ～0.057 mg/kg和0.066～0.256 mg/kg；在收获初期，呋虫胺在叶片中的分布大于块茎，但随着时间的增长，呋虫胺在块茎中的分布逐渐增加[49]。

此外，呋虫胺在设施黄瓜和土壤中的消解动态符合一级动力学模型。在吉林和山东两地检测到黄瓜中呋虫胺的降解半衰期分别为10.7和6.9 d；土壤中呋虫胺降解半衰期分别为18和3.6 d[50]。连续2年测定山东、湖南、海南三地甘蓝和土壤中呋虫胺的残留量发现，呋虫胺在甘蓝和土壤中的消解动态也符合一级反应动力学方程。2013年在山东、湖南、海南三地测定甘蓝中呋虫胺的降解半衰期分别为19.8、21.7、20.4 d，土壤中呋虫胺的降解半衰期分别为9.9、27.7、8.8 d；而2014年在上述地点甘蓝中呋虫胺的降解半衰期分别为21.0、26.7、22.4 d，土壤中的降解半衰期分别为8.3、17.8、7.5 d。可见，三地甘蓝中呋虫胺的半衰期较为一致，而土壤中的降解半衰期差异明显，其中山东和海南土壤中呋虫胺的降解速率较快，而湖南的降解速率较慢，半衰期是上述两地的2～3倍[51]。在青海、甘肃、内蒙古和宁夏四地对枸杞和土壤中的呋虫胺进行了残留降解分析，结果表明枸杞中呋虫胺的初始浓度分别为0.124、1.72、0.156和0.296 mg/kg时，半衰期分别为1.45、3.09、2.99和2.48 d，施用后5 d内，枸杞中的呋虫胺残留量迅速下降；在青海、甘肃、内蒙古和宁夏土壤基质中呋 虫 胺 的 最 初 含 量 分 别 为0.106、0.049、0.388 和0.142 mg/kg，试验结束时分别降至0.006、小于0.005、0.123和0.007 mg/kg，其中内蒙古地区的残留量高于其他地区；呋虫胺在青海、内蒙古和宁夏土壤中的半衰期分别为7.53、17.4和8.03 d，甘肃省在呋虫胺施用的5 d后便低于定量限；枸杞中呋虫胺的最终残留量为小于0.005～0.24 mg/kg，与土壤相比枸杞中呋虫胺的残留量相对较高，其中青海省最高，为0.24 mg/kg；土壤中呋虫胺的最终残留量为小于0.005～0.078 mg/kg，内蒙古和宁夏两地的残留量较高，分别为0.075和0.078 mg/kg，土壤中未检测到呋虫胺代谢物DN和UF残留[52]。通过在不同地点检测同种作物和土壤中的呋虫胺残留量发现，呋虫胺的降解速率和残留量不同，这可能与当地土壤的理化性质、土壤微生物以及气候水文条件密切相关。

4 展望

呋虫胺作为新烟碱类杀虫剂的优势品种被广泛应用到农业生产环境中，使用的同时也带来一定的环境负效应，尤其对非靶标有益生物蜜蜂、蚯蚓等高毒问题成为当前研究热点。呋虫胺是首个手性新烟碱类杀虫剂品种，其手性化合物虽然具有相同的理化属性，但往往具有不同的选择性差异，包括活性、毒性、降解、代谢等。目前已有研究表明，呋虫胺的生物活性和生态毒性均具有对映体选择性：对于棉蚜、绿盲蝽、家蝇和美洲大蠊等靶标生物，S-呋虫胺的生物活性更强，是R-呋虫胺的2.7～7.3倍；对于蜜蜂、蚯蚓等非靶标有益生物危害较大的为S-呋虫胺，其急性毒性是R-呋虫胺的41.4～128.4倍[53-55]。同样，呋虫胺的对映体选择性也表现在植物体和土壤中，研究表明土壤中S-呋虫胺的降解半衰期长于R-呋虫胺，表现为R-呋虫胺优先降解，导致S-呋虫胺相对富集[56]。目前，已有研究初步指出使用呋虫胺R对映体可以在维持杀虫效力的条件下减小对蜜蜂的致死率[55]，这为解决呋虫胺的毒性高和环境负效应等科学难题提供了新思路，但还需要后续更全面、深入的研究。通过本文综述以期为呋虫胺科学合理使用和高效低风险手性单体农药的研发提供理论依据和科学参考。