手性農(nóng)藥的環(huán)境行為研究進展.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-手性農(nóng)藥的環(huán)境行為研究進展范瑞芳1，方展強1，于志強2，盛國英2，傅家謨21.華南師范大學生命科學學院/廣東省高等學校生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室，廣東廣州510631；2.中國科學院廣州地球化學研究所，廣東廣州510640摘要：手性農(nóng)藥由于其對映體選擇性，在環(huán)境中具有特殊的歸宿。研究其環(huán)境行為有助于準確評價生態(tài)系統(tǒng)和人體健康的風險性。文章綜述了手性農(nóng)藥的研究進展，指出高效液相和氣質(zhì)聯(lián)用法是不同環(huán)境介質(zhì)中手性農(nóng)藥的主要分離分析方法；利用手性農(nóng)藥的對映體分數(shù)可研究農(nóng)藥在土壤大氣，水體大氣間的遷移過程；一些手性農(nóng)藥在土壤、水體和動物體內(nèi)中發(fā)生的選擇性降解與累積與微生物或特異性的酶有直接關系，可利用此性質(zhì)修復被污染的土壤；歸納了在手性農(nóng)藥污染環(huán)境風險研究中應注意的問題；加強手性農(nóng)藥在環(huán)境中的選擇性降解動力學、對映體轉化及毒理學機制研究，并最終深入到代謝機理、蛋白和基因水平上，闡述產(chǎn)生手性對映體選擇性的根源將是未來研究的方向。關鍵詞：手性；農(nóng)藥；選擇性；環(huán)境；歸宿中圖分類號：X592文獻標識碼：A文章編號：1672-2175（2008）04-1690-06世界上農(nóng)藥有25%是手性分子，絕大多數(shù)以外消旋體形式出售和使用，而單一異構體只占7%。由于酶、蛋白質(zhì)等受體的不對稱性，手性農(nóng)藥與受體的結合具有空間選擇性；被各種生物吸收后，代謝轉化、排泄等過程往往也是選擇性的。多數(shù)情況下，對映體中的一種異構體對目標生物體具有殺蟲、殺菌活性，或者對非目標生物體毒性較大，而另一種卻不具備藥效或藥效很低。因此通過非手性分析得到的農(nóng)藥濃度所指示的可能與實際生態(tài)毒理學效應并不相符。只有在對映體水平上研究手性農(nóng)藥的環(huán)境問題，才能準確評價人體健康和生態(tài)系統(tǒng)的風險性。農(nóng)藥按其功能與化學結構可分為：苯氧基烷醇酸類及相關的除草劑，用于除草和工業(yè)控種，易溶于水；乙酰胺類農(nóng)藥，多數(shù)具有不止一個手性中心，具有選擇性除草及殺真菌的作用，水溶性強；有機磷類農(nóng)藥(OPs)，共有67種，其中20種是手性的，對無脊椎動物有較強的神經(jīng)毒性，對哺乳動物毒性較小。目前已被擬除蟲菊酯類農(nóng)藥所逐漸替代；有機氯類農(nóng)藥(OCs)，全球使用最廣泛的一類農(nóng)藥，目前已被禁止生產(chǎn)使用；擬除蟲菊酯類農(nóng)藥，農(nóng)業(yè)和家用殺蟲劑，隨著OPs逐步退出市場，產(chǎn)量越來越大，低濃度時對水中有機體有明顯毒性。1手性農(nóng)藥的拆分及分析方法手性拆分方法主要有氣相色譜(GC)聯(lián)質(zhì)譜(MS)或電化學檢測(ECD)技術，高分辨氣相色譜技術(HRGC)，液相色譜紫外(HPLC-UV)和高效毛細管電泳(HPCE)等。由于環(huán)境中痕量手性農(nóng)藥的代謝及實際樣品濃度低、基質(zhì)復雜，若未得到充分的富集、凈化，會影響分析的準確性和重現(xiàn)性。色譜分離的共溢出現(xiàn)象也會干擾測定結果。實際樣品前處理方法主要有固相萃取(SPE)、固相微萃取(SPME)、固相萃取盤等技術。表1總結了不同環(huán)境介質(zhì)中各類手性農(nóng)藥的分析、分離方法。2手性農(nóng)藥在追蹤農(nóng)藥在多介質(zhì)環(huán)境中的遷移、轉化中的作用OCs類等持久性有機污染物，在環(huán)境中難以降解，通過水氣揮發(fā)、空氣流動等形式在空氣中傳播。而易溶于水的農(nóng)藥進入土壤后，經(jīng)過水流或下滲作用，在大氣、水體、土壤等環(huán)境介質(zhì)間進行遷移、轉化，被生物體吸收，通過食物鏈擴散到全球各個角落，并逐級放大，最終危害生態(tài)系統(tǒng)平衡和人類健康。通過測定對映體分數(shù)（EF值）或?qū)τ丑w比（er或ER值），人們有可能區(qū)分新污染源是否來自舊污染源，研究它們在土壤大氣，水體大氣間的遷移過程，是研究生物降解的靈敏指標，因而成為國際研究的前沿和熱點之一。2.1土壤大氣由于OCs類農(nóng)藥使用較早且污染具有持久性等特點，對于手性OCs農(nóng)藥的研究較多。目前認為大氣中的OCs農(nóng)藥主要來源于被污染的耕作土壤與水體，很多學者的研究結果均證實了這一點。經(jīng)測定，1996、1997及1998年間，美國賓夕法尼亞州、俄亥俄州、印地安那州、伊利諾斯州和密蘇里州農(nóng)業(yè)土壤中的OCs濃度隨著高度增加而降低，但手性農(nóng)藥的EF值卻不變，與土壤的EF值相近，說明土壤是附近大氣的主要污染源14。劉國卿等對珠三角大氣中的六六六(HCH)和-氯丹的手性特征進行了分析，研究表明該地區(qū)夏季大氣-HCH基本來自于土壤范瑞芳等：手性農(nóng)藥的環(huán)境行為研究進展1691中-HCH的揮發(fā)，而冬季大氣中的-HCH可能來自土壤揮發(fā)與外來源遷移的組合16。Bidleman18等在19982001年間采集了加拿大北極圈附近芬蘭和瑞典西海岸的土壤、大氣樣品，并分別與19711973年瑞典、斯洛維亞和冰島大氣樣品比對，通過分析過去30年來氯丹的手性行為，發(fā)現(xiàn)大氣中氯丹的來源在過去30發(fā)生了改變，很大程度上受土壤釋放量的影響。2.2大氣水體的交換Bidleman15等也利用手性OCs農(nóng)藥的ERs，如-HCH的ERs作為示蹤物來追蹤大氣水體間OCs農(nóng)藥的遷移、轉化及來源。結果表明，HCH異構體的EF值在五大湖區(qū)隨水溫、大氣濃度和水層的變化而變化，湖水中的(+)-HCH異構體被微生物降解，因而其ER=0.85且四季不變，而大氣中-HCH的ER主要由揮發(fā)（非外消旋體）和長距離傳輸過來（外消旋體）的農(nóng)藥對映體所影響，夏季的ER值低于冬春季。對北極地區(qū)的研究也表明OCs農(nóng)藥是通過大氣傳輸?shù)竭_此處的。北極地區(qū)海洋表層水體由于“冷凝作用”，HCH濃度比其他海洋、湖區(qū)的水體高；表層水體的-HCH是非旋光性的，(+)異構體在北冰洋的西部被耗盡，(-)異構體在白令海和西伯利亞楚克其海被耗盡，那些不被冰雪覆蓋區(qū)域上方大氣層中的-HCH則表現(xiàn)出與表層水體一樣的ER行為15,16，這些研究結果都為自然界中大氣交換是農(nóng)藥擴散的兩條主要途徑之一提供了直接證據(jù)。3手性農(nóng)藥在環(huán)境中的特殊歸宿在過去，人們更多關注OCs類手性農(nóng)藥，隨著這些農(nóng)藥在全世界的禁用以及新品系農(nóng)藥的開發(fā)，關于其它種類手性農(nóng)藥的研究也逐步多起來了。表1不同環(huán)境基質(zhì)中各類手性農(nóng)藥的分析方法Table1分析物基質(zhì)分析方法參考文獻Phenoxyalkanoicacidsmecopropdichorprop,mecopropchlorophenoxyaciddiclofop-methylsoil,sludgesoilsoil,waterwatersoil,waterCE-UVGC-MSHRGC-MSCE-UVSPE-HPLC-UV27228,3356Acetamidepesticidesmetolachlormetalaxylsoil,activatedsludgesoilsiol,sludgetissueofrabbitLC-MSGC-MSCE-UVHPLC-UV428,292637Organophosphoruspesticidesfenamiphos.ruelene,fenofossoilsandwatersoil,sludgeHPLC-UVCE-UV726Organochlorinepesticides-HCH,hepachor-epoxide,oxychlordane,trans-,cis-chlordane,MC5,O,p-DDE,-DDT-HCH,O,p-DDT,MC5,trans-cis-,chlordane,-,-,-HCH,oxychlordane,trans-,cis-chlordaneheptachlor,O,p-DDT,trans-,cis-chlordaneB7-1453B8-1412B8-2229,-HCHsoilmarineinvertebratesaquaticinvertebratescodliveroil,fishoilsealblubber.waterGC-MSGC-ECDGC-MSHRGC-ECDGC-ECDGC-ECD8101711944Pyrethroidscypermethrin,cyfluthrinbifenthrin,permethrintheta-cypermethrinpermethrin,cypermethrin,cyfluthrin,bifenthrinwaterandsedimentwatertissueofratsoilandsedimentwaterGC-MSSPME-GC-ECDHPLC-UVGCGC1219353813Benalaxyl,ethofumesatesoil,waterSPE-HPLC-UV6epoxiconazolecyproconazole,epoxiconazolesoil,watersoilHPLC-UVGC-MS341phenthoateimidazolidinoneuniconazolesoilsoilsoilHPLC-UVHPLC-UVHPLC-UV364211692生態(tài)環(huán)境第17卷第4期（2008年7月）3.1手性有機農(nóng)藥在生物體內(nèi)的選擇性累積對19911997年間在挪威捕獲的8種鳥類鳥蛋的研究表明20，OCs農(nóng)藥雖經(jīng)過了30多年禁用，o,p-DDE仍在捕食類鳥蛋中占70%90%。(-)-順式氯丹、氧化氯丹和氯硼烷B9-1679在不同的鳥蛋均會選擇性生物累積，而氧化氯丹和B9-1679對映異構體則沒有。隼和灰背隼蛋中(-)-反式氯丹含量很高(ER0.01)，鷲、蒼鷹和雀鷹蛋的ERs值介于0.1-0.22之間。作者不排除環(huán)氧七氯和氧化氯丹被微生物降解的原因。對日本太平洋海岸海豹和美國五大湖區(qū)鸕鶿的研究顯示，1986年海豹脂肪組織中-HCH的ERs為1.58，高于其他非生命和低營養(yǎng)級物種。密其根湖中鸕鶿的ER值(1.26)比蘇必利爾湖的鸕鶿ER(1.01)高。攝食習慣和棲息地的生態(tài)因素、特定物種代謝和轉化過程中的因素影響高級營養(yǎng)動物的ER，而年齡和性別無明顯差異21。對巴倫支海鱘的研究顯示，(-)-順式氯丹更易在雌性鱘體內(nèi)累積，而(+)-順式氯丹、(+)-反式氯丹在雄性鱘體內(nèi)含量更高，包括MC6含量在雌雄鱘體內(nèi)也有顯著差別。但它們在肌肉組織、生殖腺和肝臟等組織中的手性模式非常相近22。氯丹和o,p-DDT在北極海域深海的片腳動物體內(nèi)表現(xiàn)出很強的選擇性生物累積，而在浮游動物和冰面動物體內(nèi)稍弱，其EFs接近外消旋體，用攝食習慣和地理因素均不能解釋EF的區(qū)別。這種現(xiàn)象表明除了選擇性生物累積外，水體和沉積物里EFs的垂直分布也不同23。Moisey24的研究發(fā)現(xiàn)，HCH光學異構體隨著北極海域食物網(wǎng)的變化而變化，與每一物種的生物轉化能力有關。對無脊椎動物和魚來講，、-HCH的生物放大因子均大于1，每種光學異構體比例以及-HCH的EF值在水體中是相同的，說明生物轉化量很小。海鳥在較低的生物放大因子上可以代謝、-HCH，體內(nèi)-HCH的含量和-HCH的EF值均較高。因此EF能較好的表示生物轉化-HCH的能力。北極熊的食物鏈主要是：鱘-環(huán)斑海豹-北極熊。研究北極熊食物鏈發(fā)現(xiàn)，鱘的ER值1接近外消旋體，而由于選擇性的生物轉化因素，環(huán)斑海豹體內(nèi)異構體的ERs常常是非外消旋化的，經(jīng)食物鏈生物轉化后其體內(nèi)(+)-HCH含量高于(-)-HCH。對CB-153的分析表明，氧化氯丹在環(huán)斑海豹體內(nèi)形成，而被北極熊代謝。ERs在不同物種中皮下脂肪、肝臟的值不同，這種變化可能是北極熊肝臟中P450酶和CYP2B蛋白含量不同造成的25。3.2手性農(nóng)藥在環(huán)境中的選擇性降解1991年Faller等人31運用衍生化-環(huán)糊精手性毛細管GC法測定了北海海水-HCH的EF值，首次證實了手性農(nóng)藥在環(huán)境中的選擇性降解。1999年雜志刊登了Lewis等人關于環(huán)境條件變化對手性農(nóng)藥在土壤中選擇性降解影響的研究論文32，表明在對映體水平上研究手性物質(zhì)的環(huán)境問題已經(jīng)成為當前重要的國際熱點問題。土壤以及水體中的微生物與手性農(nóng)藥的選擇性降解關系密切，pH值對選擇性降解行為有影響；對映體選擇性受微生物種群活性和手性選擇性酶的誘導作用所控制，環(huán)境改變可激活相應土壤的生物基因型，導致對映體選擇性改變32。如甲霜靈可被植物根、莖、葉吸收，是上行傳導的高效殺菌劑。Jarman等26對美國左治亞州和俄亥俄州三塊水底淤泥樣品的研究顯示，其中一塊淤泥中的甲霜靈發(fā)生了選擇性降解，R-(+)-異構體的降解半衰期為17天，S-(-)-異構體為69d。另外兩塊土壤中的選擇性降解速度則很慢。作者認為不同微生物是導致選擇性降解的原因。Zadra27等也證實，甲霜靈和精甲霜靈在太陽花葉上均會降解成羧基酸，其空間構型均不變，但S-異構體的降解速率遠遠大于R-異構體。R,S-甲霜靈可代謝成R,S-代謝物，M-甲霜靈則只代謝為R-代謝物。但在土壤中由于R異構體具有真菌活性，比異構體降解速度大的多，使得最后的殘留物主要是S異構體。40%50%的甲霜靈降解成甲霜靈酸，其余的甲霜靈通過另外的途徑降解，降解后的產(chǎn)物也具有選擇性。說明甲霜靈的選擇性降解與微生物的介入密切相關30。2-甲苯-4-氯苯氧丙酸(mecoprop)和2，4-滴丙酸(dichlorprop)屬于APP類除草劑，其異構體的除草效果有較大差異。Lewis等人32發(fā)現(xiàn)，在巴西和南美洲，土壤環(huán)境的變化（如增加營養(yǎng)物質(zhì)）可以轉變dichlorprop的手性傾向，使沒有活性的S-dichlorprop更易降解。通過擴增16S核糖體RNA分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這種情況的原因是由于土壤中微生物群發(fā)生了變化。因活性R-dichlorprop在環(huán)境中更持久，導致dichlorprop殘留物植物毒性增加。在瑞士，由于mecoprop和dichlorprop的S-異構體降解速度較快，使R-異構體在土壤中富集33。湖水中mecoprop的手性行為與土壤相同，但也有一些相反的報道，表明Mecoprop外消旋體存在不同的生物手性選擇性過程34。土壤的pH值可影響甲霜靈、dichlorprop和mecoprop的降解。當pH5時，R-甲霜靈在好氧土壤中降解速度快，殘留物中SR；pH為45時，兩種異構體的降解速度相同；當pH4時，無論在好氧還是厭氧土壤中，甲霜靈的手性降解選擇均是S異構體降解速度快。說明甲霜靈的ER值在好氧土壤中與pH呈正相關性，但甲霜靈酸的ER則與pH值范瑞芳等：手性農(nóng)藥的環(huán)境行為研究進展1693無關29。Buerge41等發(fā)現(xiàn)在堿性和弱酸性土壤中氟環(huán)唑(epoxiconazole)的降解具有明顯選擇性，在酸性土壤中其異構體降解速率相同（半衰期為78184d）。環(huán)唑醇(cyproconazole)的四對異構體在不同的土壤中降解速率也不同，但只有差向異構體的降解與pH值有關，而對映異構體則沒有。作者認為選擇性降解與微生物和酶有關，但土壤pH值為什么對ES也有影響則尚不清楚。反過來手性農(nóng)藥異構體同樣對土壤中的微生物產(chǎn)生影響。劉維屏等的研究表明異丙甲草胺的不同異構體對土壤的過氧化氫酶酶活作用不同，5mgkg-1和100mgkg-1異丙甲草胺對土壤過氧化氫酶活性的影響大于其S-異構體,說明異丙甲草胺對供試土壤生態(tài)環(huán)境的影響和危害可能大于同濃度的S-異丙甲草胺43。3.3手性農(nóng)藥在動物體內(nèi)的選擇性降解手性農(nóng)藥進入哺乳動物體內(nèi)后仍存在選擇性降解。Wang35等發(fā)現(xiàn)，(+)-氯氰菊酯在老鼠血液、心臟、肝、腎和脂肪中的降解速度均較(-)-異構體快，其EF值在組織和肌肉中均高于0.5。若往血液里分別注射(-)-和(+)-氯氰菊酯，(+)-異構體會轉化為(-)-異構體。對兔子研究也顯示，靜脈注射后，甲霜靈的(+)-、(S)-異構體在血液、肝臟和腎臟的降解速度均遠遠快于(-)-(R)-異構體37。4評價手性農(nóng)藥在環(huán)境中發(fā)生、暴露及歸宿風險研究中應注意的問題微生物的活動可以將一種對映異構體轉化成其鏡像，不同微生物可以改變甚至逆轉已知污染物的EF值；一些微生物對某些農(nóng)藥的降解過程不具有選擇性；一些農(nóng)藥的生物轉化半衰期很短，在被細菌選擇性降解之前就已經(jīng)發(fā)生顯著的非生物轉化了，因此其是否具有異構體選擇性就不是很重要；一些手性農(nóng)藥對微生物有相對長的半衰期，但若與非生物反應競爭的話降解非常迅速，這使得手性選擇性成為次要的影響；不管半衰期長短，手性物的轉化產(chǎn)物也可以是手性的，與原物質(zhì)的毒性可能有很大不同。另一方面非手性農(nóng)藥的代謝產(chǎn)物也可能是手性的，與原物質(zhì)在生物活性方面區(qū)別很大；一些環(huán)境中的生物選擇性還沒有被證實或完全弄懂。如吸附在手性粘土、沉積物或水生有機體上的手性選擇性可能影響環(huán)境中手性物質(zhì)的歸宿。5手性農(nóng)藥在環(huán)境中的修復問題在全球巨大的人口壓力和耕地減少的情況下，農(nóng)藥的施用量將可能在很長時間內(nèi)維持較高水平,在發(fā)展中國家表現(xiàn)尤為明顯，因此有機農(nóng)藥污染土壤的修復技術研究，將成為環(huán)境治理的熱點領域。生物修復技術，特別是微生物修復技術克服了物理與化學修復技術工程量大、費用高、易造成二次污染的缺點，其主要原理是微生物利用有機農(nóng)藥作為碳源、磷源與氮源,從而降低其在土壤中的殘留及毒性。由于有機農(nóng)藥都是人工合成的,因而在自然界中相應的降解菌少,為了提高微生物修復技術的處理效果，有必要對微生物菌種進行改良與優(yōu)選。由于手性農(nóng)藥在環(huán)境具有特殊的環(huán)境歸宿，使得利用這種特性進行環(huán)境修復成為可能，即篩選出特殊菌種，將具有生態(tài)毒性的異構體優(yōu)先降解。如馬云等39從淤泥中馴化、培養(yǎng)了一株對2,4-滴丙酸甲酯具有降解作用的菌株DP,并檢測了其降解過程中的EF值。也有文獻報道利用反硝化產(chǎn)堿菌將R-2-甲苯-4-氯苯氧丙酸作為唯一的碳源降解，同時該菌株也可以將dichlorprop先降解為4-氯-2-甲基酚醇，后降解成取代兒茶酚40。6研究展望目前對于農(nóng)藥的認識基本還停留在外消旋體水平上，手性分析是一個有力工具，可以幫助人們檢測和深入認識手性農(nóng)藥對環(huán)境的生化影響過程。目前該領域研究的深度還不夠，主要集中在EF值測定上，而手性農(nóng)藥在環(huán)境中的選擇性降解動力學、對映體轉化及毒理學機制等諸多方面亟待加強。這樣一些工作既包括在實驗室觀察對映體選擇性降解，也包括在自然生態(tài)環(huán)境中有機生物參與的生化過程，最終要深入到代謝機理、蛋白和基因水平上，闡述產(chǎn)生手性對映體選擇性的根源。而對手性農(nóng)藥的全面深入了解有助于生產(chǎn)對映體純度的產(chǎn)品，最大限度地減小農(nóng)藥對環(huán)境帶來的負面影響。我國關于手性農(nóng)藥的環(huán)