-專業文檔，值得下載!-專業文檔，值得珍藏！-手性農藥對映體選擇性環境行為的研究進展李朝陽1，武彤2，李景印1，張炳燭21.河北科技大學理學院，河北石家莊050018；2.河北科技大學化工學院，河北石家莊050018摘要：目前使用的農藥中有25%是手性的，手性農藥的生物活性存在對映體差異性，其活性往往只存在于一個或少數幾個對映體中，而手性農藥的對映體在環境中的消解和歸趨往往也有明顯的不同，即一個手性化合物的不同對映體具有不同的毒性。只有在對映體水平上研究手性農藥的環境行為，考察手性農藥的歸趨和生態效應，才能更準確的評估其生態風險性以及對人類健康的影響，對手性農藥的合理使用也有較好的指導作用。文章綜述了近年來國際上有機氯、芳氧基羧酸和酰胺、有機磷和菊酯等手性農藥對映體選擇性環境行為的研究進展。提出今后的研究方向是拓展手性農藥的研究種類、研究深度和廣度，對映體選擇性的毒理學研究，手性穩定性和手性轉化，選擇性的機制與相關微生物和酶學研究等。關鍵詞：手性農藥；對映體；環境行為；生態風險中圖分類號：X132文獻標識碼：A文章編號：1672-2175（2008）03-1268-08實物與鏡像不能重疊的現象稱為手性(chiral-ity)，手性分子存在著一對互為鏡像關系而又不能重合的對映異構體(enantiomer)，簡稱對映體1。手性是自然界的本質屬性之一，手性化合物其不同的對映體在生物活性、代謝及毒性等方面往往存在著顯著差異,必須將其以不同的化合物來看待，手性化合物的研究與開發是當前化學學科發展的一個熱點。對農藥而言，目前使用的品種中有25%是手性的，手性農藥的生物活性往往只存在于一個或少數幾個異構體中2-3，如2,4滴丙酸(DCPP)、2-甲,4-氯丙酸(MCPP)等芳氧基丙酸類除草劑，其除草活性幾乎全部集中在R-對映體上，S-對映體幾乎沒有除草活性。目前由于生產技術和成本等的限制，絕大多數手性農藥仍然是作為外消旋體生產和使用。手性農藥施加到自然界中后，對其在環境中的代謝和轉化以前的工作一般是將其當作一個化合物來看待，然而越來越多的研究表明手性農藥對映體在環境中的消解與歸趨往往是不同的4-5。在對映體水平上研究手性農藥的環境行為有著重要的理論和實際應用價值，可以進一步弄清手性農藥的歸趨、轉化機制和生態效應，更準確的評估其生態風險性和對人類健康的影響，同時對手性農藥的合理使用以及高效污染物修復技術的創制與發展提供依據。隨著越來越多的外消旋體農藥被僅含一個活性對映體的光學純農藥所取代，相關研究便顯的更加重要與迫切，目前國際上越來越多的科研小組介入到這一領域的研究工作中來。1手性有機氯農藥的對映體選擇性環境行為各種生物體，包括微生物、酶、動植物等都是手性的，因此一般認為，只有生物過程，主要為微生物降解及生物體內源性結合與傳導，才能引起對映體的選擇性4。手性有機氯農藥是最早進行該領域研究的化合物，有機氯農藥雖然已被禁用多年，但由于其持久性極強，目前仍可在環境樣品中監測到它們的殘留。-六六六（-HCH）是研究最多的有機氯品種，-HCH有一對對映體。1991年，Faller等人6首次提出海生細菌對-HCH可能存在對映體選擇性降解，并運用衍生化-環糊精手性氣相色譜，測定了北海海水中-HCH的對映體濃度比值(enantiomericratio,簡稱為ER值)，確認為非外消旋，從而首次證實了手性污染物在環境中的對映體選擇性降解。其后國際上對環境中的-HCH進行了很多測定工作7-11，如Mller等7測定出一家曾生產HCH的工廠附近的土壤中-HCH的ER值為1.0999，()-HCH優先降解。類似的，Falconer等人8測定了Fraser谷地農場土壤中殘留的-HCH的ER值，結果表明腐殖型土壤中-HCH的ER值為1.201.38。又有對水體的研究表明9，波羅的海海水中-HCH的ER值為0.85，證實了該水體中微生物優先降解(+)-HCH。在北極的Amituk湖10淡水中也發現存在-HCH對映體的選擇性降解，ER值為0.77。國內張智超等人12以全甲基化-CD柱做手性分離柱，測定了我國天然水體中-HCH的ER值，這也是國內該領域的首篇報道。初春和初夏季節天津新港港灣海水中-HCH的降解存在對映體選擇性，(+)-HCH被優先降解。而海河河口水在以上兩季節中-HCH的ER值接近于1，其原因可能是附近有經常排放-HCH的污染源。為了從理論上揭示手性農藥的選擇性行為差異，Buser等13通過-HCH在土壤中的降解數據，給出了手性農藥的動力學消解模型。他們認為手性李朝陽等：手性農藥對映體選擇性環境行為的研究進展1269污染物在環境中的消解可分為存在對映體相互轉化和沒有對映體轉化兩種情況。前一種情況中手性污染物總的濃度(Ctotal)即為兩個對映體各自濃度(C1或C2)之和，由于對映體濃度的對數與降解時間t之間為線性關系，因此ER值的對數與t之間也是線性關系。但是二對映體總濃度與t之間的關系卻一定程度的偏離線性，呈現一定的凹曲，而且速率常數k1與k2差別越大，曲線凹性越明顯。第二種情況是對映體之間存在轉化，此時動力學處理則復雜的多，但仍可以用一階微分方程來表達，而且通過公式計算可發現，不管手性農藥的初始濃度如何，ER值將趨于一個定值ERfin。除了-HCH，其他手性有機氯農藥主要包括DDT、多氯聯苯(PCB)、氯丹、毒殺芬、溴烯殺等，均有對映體選擇性行為的報道。如Falconer等8檢測了六種試用過DDT的農場土壤中的O,P-DDT，其中含量最低的一種土壤富含()-O,P-DDT(ER=0.83)。Pakdesusuk等14首次研究了美國Hartwell湖底泥中PCB132和PCB149的還原脫氯過程，沒有發現對映體選擇性，而PCB91和PCB95的還原脫氯過程存在明顯的對映體選擇性，說明聯苯環上氯原子的取代情況可能影響PCB消解的對映體選擇性。在最近的一篇報道中，Kurt-Karakus等15采集了西蘇格蘭林地和草地三個地點的土壤及大氣樣品，測定結果顯示-HCH、順式氯丹（CC）、反式氯丹（TC）及O,P-DDT均呈一定的對映體選擇性，且與土壤有機質和pH值相關。除了土壤和水體，生物體內也存在有機氯農藥對映體的代謝和富集差異16-20，如Wiberg等16測定了北極附近的低等生物鱈魚體內-HCH的ER值接近于1，但高等生物北極熊、海豹體內-HCH的ER值明顯偏離1，表明(+)-HCH更容易在高等生物體內富集。Oehme等17則發現鱈魚肝臟樣品中的DDT對映體濃度存在明顯差異。Wong等18在實驗室內研究了虹鱒對-HCH、反式氯丹、PCB95、PCB136對映體的選擇性攝取和代謝，結果顯示-HCH和PCB95在整個實驗過程是消旋的，但虹鱒優先消解(-)-反式氯丹和(+)-PCB136。Lee等19監控了氯丹通過空氣-葉和土壤-根途徑被南瓜攝取以及在南瓜體內的遷移和傳輸過程，氯丹從空氣進入葉子的過程沒有對映體選擇性，但從葉子到莖干、從土壤進入根部和從莖干到葉的過程都是對映體選擇性的。除了上述報道，還有一些研究將手性農藥用做類似同位素標記的環境示蹤物，通過ER值的監測，跟蹤手性農藥在生物圈中的擴散與轉化，這種技術對于研究全球農藥污染的循環以及對其進行進一步治理有著重要意義21-23。2非有機氯農藥的對映體選擇性環境行為非有機氯手性農藥主要包括芳氧基羧酸、酰胺、有機磷、除蟲菊酯、三唑類等，這些農藥是目前使用的主要農藥品種，而且有相當部分為手性農藥，因此有必要對其不同對映體在環境中的行為差異進行深入而細致的研究與探討，相關內容也是近年來該領域研究的重點。2.1芳氧基羧酸和酰胺芳氧基羧酸和酰胺是研究較多的兩類農藥，主要用作除草劑，酰胺有部分品種也用作殺菌劑，如甲霜靈等。Desiderio24等人以萬古霉素為手性試劑，采用電泳技術成功分離了多種芳氧基羧酸類農藥，并對蓋草能進行了土壤降解實驗，結果表明S體的降解速度大大快于R體。Garrison等25對DCPP在在德國Scheyern附近的一個農場進行了土壤降解實驗，S體也被優先降解。Ludwig等26進行了海水中DCPP的培養實驗，發現只有R體被降解，S對映體的濃度幾乎不變。Rgge等27在丹麥Vejer地區的地下蓄水層添加了一定濃度的MCPP和DCPP，兩種農藥在水體中消解很快,但其對映體幾乎同時消解，沒有發現對映體選擇性。很多研究都表明手性農藥的對映體選擇性是與實驗的具體條件密切相關的。1999年，Lewis等人5系統研究了環境條件對手性農藥對映體選擇性降解的影響，他們對DCPP和有機磷農藥育畜磷在巴西農場土、美國森林土和挪威高原土地進行了上百次的自然環境降解實驗和實驗室模擬實驗，結果顯示DCPP和育畜磷在不同的環境中會優先降解不同的對映體，并且ER值也存在明顯差異，說明環境條件對手性農藥環境行為的選擇性有著重要影響。Romero等28對DCPP和MCPP在西班牙VegadeGranda地區的三種土壤中進行了降解實驗，結果表明DCPP和MCPP在不同的土壤中其對映體選擇性存在不同，而且有機肥料的加入會對對映體選擇性產生比較大的影響，甚至改變對映體消解快慢的順序。Willams29則重點研究了MCPP在地下水-石灰石微宇宙體系內對映體選擇性消解與氧化還原條件的關系，在還原硫化和產甲烷化厭氧條件下MCPP的消解幾乎沒有選擇性，但硝化還原條件下則優先降解R體，好氧條件下優先降解S體。除了DCPP與MCPP，方兆華30對2,4-二氯苯氧丙酸甲酯(2,4-DP)被脂肪酶的降解情況進行了研究，發現硅藻土的添加顯著增強2,4-DP的對映體選擇性，ER值由1.58增加到5.31。進一步的研究表明,硅藻土對脂肪酶的吸附引起酶的構象變化,進而影響了農藥底物與酶結合的微環境,是酶促反應對映體選擇性1270生態環境第17卷第3期（2008年5月）增強的主要原因。在手性農藥選擇性行為研究中，尤其是芳氧基羧酸和酰胺兩類農藥的研究中，瑞士的Mller小組作出了出色工作31-37。根據DCPP和MCPP的土壤降解數據，Mller等人31-33給出了具體的轉化模型，采用編制的軟件，按照計算的動力學參數對MCPP和DCPP的降解進行模擬，結果與實驗數據吻合的較好。對酰胺類農藥如甲草胺、異丙甲草胺、甲霜靈等，Mller等人也進行了土壤和沉積物降解實驗，證實也存在對映體選擇性34。甲霜靈是研究最多的酰胺類農藥，土壤降解實驗表明活性高的R體優先降解，甲霜靈酸是主要的降解產物，且在降解過程中手性保持，因此最終的農藥殘留是S體的甲霜靈酸35。目前瑞士等國家外消旋的甲霜靈已被高活性的R-甲霜靈所取代，而且這種轉換很快由甲霜靈的ER值反映出來36。另一篇報道中，Mller等37又詳細研究了甲霜靈的對映體選擇性與土壤pH值之間的關系，土壤的酸堿性與ER值密切相關，pH5時R體優先降解，pHkR)。國內的周志強小組將芐霜靈40施用于土壤并噴灑于黃瓜葉，在黃瓜葉上右旋的S體降解較快，在3種土壤中左旋的R體較快。該小組還將甲霜靈注射到兔子體內，其代謝也是對映體選擇性的41。2.2有機磷和擬除蟲菊酯有機磷和擬除蟲菊酯是目前最主要的殺蟲劑品種，有機磷農藥通常含一個手性中心，并有磷手性和碳手性之分。相關有機磷農藥的研究多集中在代謝過程中ER值的測定上，如Wang等人42用液相色譜分離了苯線磷（fenamiphos）的對映體，進一步的土壤降解實驗表明活性高的(+)-fenamophos優先降解。Miyazaki等43測試了大米中丙蟲磷殺蟲劑的代謝產物丙蟲磷亞砜的ER值為73/27，然而同樣是丙蟲磷在德國蟑螂體內代謝產生的丙蟲磷亞砜的ER值為56/44，接近于外消旋體44。李朝陽等45研究了稻豐散在三種土壤中的降解，在華北土壤中降解較快，對映體選擇性也更明顯。擬除蟲菊酯是近年來廣泛使用的一類殺蟲劑，由于有機磷農藥的逐步禁用，使用量預期將更為廣泛。由于結構較為復雜，菊酯往往存在多個異構體，但其殺蟲活性卻只存在于一個或幾個異構體上。由于異構體數目較多，菊酯的手性分離相對困難，進行對映體選擇性的研究難度也相對較大。以前的工作多集中在順反幾何異構體的比較，如在老鼠、奶牛等動物和棉花、大豆等植物體內以及土壤中的消解等46-48，研究結果大多顯示反式體的消解速度快于順式體。在對映體選擇性方面研究的報道有，Lee等人49利用液相色譜，在Pirkle-1A手性柱上有效分離了氰戊菊酯的四個立體異構體，進一步的土壤降解實驗表明四個異構體在土壤中的消解速度有明顯差異，順序為:2R,S2S,S2S,R2R,R。其中，2R,S異構體的降解速度約是2R,R異構體的兩倍。近年來，隨著手性分離技術的提高，對菊酯立體異構體選擇性環境行為的研究逐漸增多50-58，值得一提的是國內劉維屏課題組對菊酯農藥的手性分離方法和對映體選擇性行為進行了深入研究，作了出色的工作50-55，70。利用氣相色譜，Liu等人51在BGB-172手性柱上分離了氯氰菊酯和氟氯氰菊酯的異構體，該手性柱對順式體的拆分能力較強，其所含的對映體均被拆分，而反式體無法分開。在此基礎上，Liu等52對氯氰菊酯在沉積物中的降解和被三株高效降解菌（CF-3,CF-17,CF-28）的降解情況進行了研究，結果表明氯氰菊酯的反式體降解大大快于順式體，八個異構體中1R-trans-S異構體消解最快。Liu等人認為必須將手性農藥的選擇性環境行為與選擇性的毒理相結合，才能更合理的評估手性農藥的生態風險性，為此他們測定了氯氰菊酯異構體對淡水蚤類Ceriodaphniadubia的毒性差異，1R-cis-S和1R-trans-S異構體顯示了較強毒性。另一篇報道中，Liu等人53在BGB-172手性柱上成功拆分了順式-聯苯菊酯(cis-BF)和順式-氯菊酯(cis-PM)的一對對映體，并檢測了南加利弗尼亞一個苗圃田地沉積物中的兩種農藥殘留，在015cm的表層，兩種菊酯的對映體選擇性差異不明顯，ER值接近于1，但取樣越深，ER值明顯增大，顯示了較強的對映體選擇性，原因可能是深層沉積物中微生物活性更高，進一步的實驗室模擬降解實驗表明也存在明顯的對映體選擇性。此外，兩種菊酯的對映體對淡水蚤類也存在明顯的毒性差異，右旋體是左旋體的1728倍。Liu等人54還通過人類乳腺癌MCF-7細胞增殖實驗（E-SCREER）和水生生物卵黃蛋白原的酶聯免疫分析（ELISA）研究了順式-聯苯菊酯的一對對映體的雌激素樣活性，1S-cis-BF顯示較高的內分泌干擾性，此外日本青鳉對1S-cis-BF攝取和吸收能力是其對映體1R-cis-BF的123倍。李朝陽等：手性農藥對映體選擇性環境行為的研究進展12712.3其他手性農藥除了以上幾類農藥，其他類型手性農藥研究的相對較少59-62，如三唑類殺菌劑。在最近的一篇報道中，Buerge等人59對氟環唑和環唑醇在六種土壤中的降解進行了研究，在堿性和微酸性土壤中，氟環唑的降解有明顯的對映體選擇性，但在酸性土壤中，對映體的降解速度基本相同。周志強等60研究了戊唑醇在兔子體內的代謝，將戊唑醇注射入兔子體內后，2060min后各部位均達到最大濃度，隨后的代謝過程，右旋的S體在肝、腎、肺等消解較快，左旋的R體在心臟和腦中消解較快。周等人61-62還對除草劑乙呋草黃在土壤及動植物體內的對映體消解進行了深入探討，并結合除草活性，對其環境影響進行了初步評估。3手性農藥對映體穩定性的研究施用高生物活性的光旋純手性農藥代替外消旋體農藥，不僅可以減少農藥的施用量，降低成本和提高效率，還可以防止無效體在生物圈中的擴散，從而降低對環境的污染。因此，手性農藥的不對稱合成成為當前有機合成研究的熱點。然而在某些環境條件下，一些手性農藥是構型不穩定的，可能發生不容忽視的對映體間的相互轉化。這種對映體轉化將會對光旋純手性農藥的效用產生影響，特別是當這種對映體轉化進行得很快時，因為在有效體發揮其生物活性前，外消旋化就已經發生了。因此，確定手性農藥在環境中是否有對映體轉化作用以及這種對映體轉化的程度，是十分必要的。既有的研究表明手性農藥的穩定性也是與具體實驗條件密切相關的。在一些實驗中，手性農藥的對映體在降解過程中是構型保持的，沒有對映體轉化發生，如在Zipper等人63-64對MCPP和DCPP的降解實驗均未發現對映體的相互轉化。與之類似，Mller35對土壤中酰胺類甲霜靈單一對映體的降解實驗也證明沒有對映體轉化發生，同時作為甲霜靈降解產物的甲霜靈酸也不存在對映體轉化。由此，Mller認為R-甲霜靈的使用會大大降低該農藥對環境的污染。對擬除蟲菊酯，Sakata65等對氯氰菊酯、溴氰菊酯、氯菊酯、氰戊菊酯等四種菊酯共24種光學純異構體分別在兩種土壤中進行了降解，均未發現異構體的轉化。Lee等49對SS-氰戊菊酯的降解也表明沒有對映體轉化發生。然而在另外一些例子中，手性農藥的對映體是不穩定的，有明顯的對映體或異構體轉化現象發生。如芳氧羧酸類除草劑吡氟禾草靈66、禾草靈和惡唑禾草靈67，以及MCPP和DCPP28，31-33等。Buser等31的實驗還證明MCPP和DCPP在土壤中的對映體轉化是可逆的，即在土壤中單獨降解R體和S體時，均會發生轉化，而在滅菌實驗中則沒有觀察到類似的轉化，從而證明土壤中消旋微生物或酶的存在是這種手性轉化的主要原因。此外，Clark等人曾報道三唑類殺菌劑三唑醇在土壤中也會發生差向異構化，這種轉化也被歸因于微生物或酶的作用68。除了微生物過程，某些化學過程也可能引起手性農藥的手性轉化，如Mller等69對酰胺的研究表明酰胺存在軸手性和碳手性兩種手性中心，而軸手性由于互變能較低，在溫度較高時會發生對映體的轉化，產生外消旋化。菊酯殺蟲劑也有類似的異構體轉化，這種轉化被證明主要發生在-手