1、第23卷第2期 鄭州工程學院學報 Vol.23,No.22002年6月 JournalofZhengzhouInstituteofTechnology Jun.2002文章編號:1671-1629(2002)02-0084-06磷化氫毒理學研究綜述曹 陽1,宋 翼2,孫冠英3,李桂杰4(1.鄭州工程學院糧油食品學院,河南鄭州450052;2.上海良友連鎖經營有限公司,上海200032;3.浙江大學應用昆蟲研究所,浙江杭州310029;4.沈陽師范學院高等職業技術學院,遼寧沈陽110036)（收稿日期:2001-08-24 基金項目:國家糧食局和澳大利亞國際農業研究中心(ACIAR)資助項目(P

2、HT/94/015);河南省自然科學基金項目(0111010200)作者簡介:曹陽(1958-),男,遼寧復縣人,主要從事儲糧害蟲綜合防治研究.）摘要:簡要介紹了磷化氫的物理化學特性,詳細闡述了磷化氫在生理條件下的反應特性、對哺乳動物的毒性、對害蟲的毒理及害蟲對磷化氫的抗性機制.關鍵詞:磷化氫;毒理;抗藥性中圖分類號:S37915 文獻標識碼:A0 前言 在儲藏物害蟲防治方面磷化氫具有高毒力,低殘留,無植物毒性,使用方便等特點,它是防治儲藏物害蟲性能最優良的熏蒸劑之一,已有60多年的應用歷史.目前,一些儲藏物害蟲對磷化氫產生了不同程度的抗藥性,成為影響磷化氫繼續應用的主要障礙.我國的主要儲糧害

3、蟲已對磷化氫產生了抗藥性.已有研究報道,廣東的一個谷蠹品系對磷化氫抗性高達1160倍1.很多糧庫的技術人員反映,以往每年用常規劑量熏蒸一次儲糧,即可安全度過夏季;現在有的單位使用較高的劑量,每年夏季至少熏蒸2次,多則4次,殺蟲效果還不甚理想.因此一些糧庫不得不采用其他防治技術,增加了防治費用和儲糧的不安全性.對儲糧害蟲磷化氫抗性的綜合治理,已引起國內外有關專家和儲糧技術人員的極大重視,都在積極開展這方面的研究.迄今為止,因研究的深度不同和方法上的差異,人們對磷化氫的毒理和磷化氫抗性機理的許多研究結果還沒有達成共識,有待進一步深入研究.為了在儲藏物害蟲防治中更好地應用磷化氫本文對磷化氫毒理方面的

4、有關文獻進行了綜述,以供廣大儲糧技術人員在治理磷化氫抗性害蟲的工作中參考.1 磷化氫物理化學性質 磷化氫是無色無味氣體,相對分子質量為34,標準狀態下密度為115307kg/m3,與空氣的相對比重為1118,沸點-8715,熔點-13315,稍溶于冷水,不溶于熱水,稍溶于乙醇,乙醚和氯化銅溶液.磷化氫滲透力強,糧堆中擴散速度快,對種子發芽力影響小,殘留低.磷化氫對銅等金屬有一定的腐蝕性.純磷化氫或與空氣的混合氣在一般情況下穩定2,但在吸附表面或某些有機物的存在下,磷化氫表現出對空氣氧化的不穩定性,其原因可能是磷化氫被空氣中的氧氣氧化,生成次磷酸.研究發現用32P標記的放射性磷化氫對谷物35、煙

5、草6等進行處理時殘留物多以次磷酸鹽存在,這很可能是由空氣氧化所致,不過催化劑或生物物質參與也可形成同樣產物.某些有機反應中在紫外光、核輻射作用下磷化氫可轉化成具反應活性的PH2自由基2,7,8,此自由基可攻擊烯烴形成有機磷化合物2,并和空氣中磷化氫的爆炸反應有關8.2 磷化氫在生理條件下的反應特性 磷化氫在生理環境下既不顯酸性也不顯堿性2,在水溶液中很容易被氧化9,具有較弱的親核能力,作為還原劑其還原力強但作用緩慢,可作為重金屬配位體.磷化氫在常溫條件下可還原許多有機化合物,尤其是含氮芳香族化合物2.磷化氫作為親核試劑可與羰基和活化的烯烴反應.在生物體系中許多重要物質都含活性羥基,例如輔酶A和

6、活性酸堿催化劑.它們與磷化氫反應后可導至原有生物學功能的喪失.磷化氫在水溶液中作為重金屬的配位體容易與重金屬鹽形成它的磷化物.因此磷化氫可能與含金屬元素的輔基反應而影響一些重要的酶的活性.與磷化氫反應的酶主要有:細胞色素氧化酶,其在氧化型細胞色素C催化氧化磷化氫生成次磷酸鹽時被還原3.過氧化氫酶,磷化氫作為配位體與過氧化氫酶反應,可能是磷化氫毒性的作用模式之一3,10.Trimborn(1962)11的進一步研究發現,磷化氫與血紅蛋白在有氧的情況下反應,使攜氧血紅蛋白的亞基變性,喪失攜氧功能,并可轉化成類似的生色團.32P標記的放射性磷化氫實驗發現磷與蛋白質緊密結合,并在酸水解時釋放5,說明了

7、磷化氫與蛋白質作用的可能性.3 磷化氫的毒性 哺乳動物暴露在高濃度磷化氫條件下,立即出現疲乏、安靜,然后深度不安,伴隨躲避、運動失調、蒼白、癲癇狀驚厥,并于半小時或更短的時間內死亡.這種反應物種之間差異小.中等濃度癥狀同前,只是發病較緩,在較低濃度下(715mg/m3)反復接觸和吸入不產生可覺察損害,如果停止接觸一天后再接觸,可有輕度中毒癥狀直至死亡.磷化氫濃度等于或高于715mg/m3則具有一定的累積中毒反應,而小于或等于3175mg/m3則不出現明顯的累積中毒所出現的臨床癥狀,只可見輕微的腎損傷.貓,豚鼠和家兔實驗遵循同樣規律,種間差異小.對人而言,在等于或低于014mg/m3的磷化氫濃度

8、下間歇性暴露數日可產生頭痛,但無其它癥狀,據Modrejewski和Myslak報道磷化氫濃度在110-10mg/m3范圍內可使人眩暈,頭痛,惡心,嘔吐,產生“精神神經刺激癥”的癥狀.磷化氫濃度高于47mg/m3時將導致眩暈、頭痛、步態蹣跚、惡心、嘔吐、腹瀉、上腹部及胸骨后疼痛、胸部有壓迫感呼吸困難,并有心悸癥狀.高濃度磷化氫條件下,人畜中毒后均出現肺水腫,腦周圍小血管出血及腎臟損傷等病理反應,對人還往往并發尿毒癥12.4 磷化氫的毒理機制 磷化氫對儲糧害蟲同樣具有很強的毒力,因此作為一種高效的儲藏物熏蒸殺蟲劑已有四十多年了.早在60年代Quereshi等(1965)13,Bond(1969)

9、14就發現磷化氫不象溴甲烷等熏蒸劑遵循Haber規律,即CT值規律(CT=K),對某一具體防治對象而言,濃度和時間的乘積是一常數,也就是說熏蒸劑對昆蟲的毒殺效果,高濃度、短時間處理與低濃度、長時間處理的效應是一樣的.Bell(1979)15研究磷化氫對煙草螟(Gautellaelutella)滯育幼蟲的毒力時提出CnT=K這一關系式來描述磷化氫的作用特點更具指導意義,其中n為對數時間和對數濃度回歸直線的斜率,Winks(1984)16稱其為毒力指數.Bell)1986)17認為;n1時,濃度是劑量的關鍵因子;n=1時時間和濃度同樣重要;因此,提出在磷化氫熏蒸時,采用低濃度長時間處理,其殺蟲效果

10、比高濃度短時間的還要好.Bond(1969)14在對美洲大蠊的研究中還發現磷化氫可穿透試蟲體壁直接進入蟲體,氣門開閉結構起不到阻止磷化氫進入的作用,而且氧氣在磷化氫毒力中起著重要作用,在無氧環境下磷化氫不顯示對試蟲的毒力.磷化氫對害蟲的作用機理研究較多,基本上形成以下幾種毒理機制.411 與呼吸鏈有關機制磷化氫作為配位體易與重金屬化合物形成重金屬鹽配位化合物.其中與銅的反應活性最強.因此,象細胞色素氧化酶等含銅有機物與磷化氫的毒性機理有密切的關系.Chefurka(1976)18發現磷化氫對線粒體呼吸鏈氧化磷酸化偶聯部位有抑制作用.Nakakita(1976)19證實磷化氫主要抑制細胞色素氧化

11、酶和細胞色素a.細胞色素氧化酶是以鐵卟啉為輔基的結合蛋白,磷化氫與該酶的Fe3+結合形成無催化能力的穩定化合物,細胞喪失電子傳遞能力使試蟲窒息而死.因此,Nakakita和Chefurka認為磷化氫毒理機制與氫氰酸等呼吸抑制劑相似,即抑制蟲體內細胞色素氧化酶的活力,破壞呼吸鏈的完整,使生物氧化過程不能正常進行,致使試蟲死亡.412 與過氧化氫酶有關機制磷化氫對過氧化氫酶具有抑制作用.Bond(1963)20,Price(1982)21,(1983)22發現磷化氫體外試驗可以非競爭性抑制牛肝的過氧化氫酶,而且研究還進一步表明試蟲體內過氧化氫酶可同樣被磷化氫抑制,其過程是緩慢而不可逆的.蟲體內過氧

12、化氫酶受抑狀態可維持兩周,磷化氫與過氧化氫酶反應的時間相關性可能與磷化氫對試蟲作用的緩效性有關.在對過氧化氫酶進行深入研究前,Chefurka和Nakakita曾認為磷化氫抑制細胞色素氧化酶活性阻斷線粒體呼吸鏈是其毒性的機制,但Price(1984)24在對谷蠹(Rhyzoperthadominica)的研究中發現上述現象僅在體外實驗中存在,體內實驗表明不論敏感還是抗性品系谷蠹體內細胞色素氧化酶受抑程度都不大.Price(1987)24進一步研究發現磷化氫對谷蠹作用產生的中毒效應與氫氰酸或缺氧致死的谷蠹不同.用氫氰酸預處理的赤擬谷盜(Triboliumcastaneum)實驗也得到同樣結果(H

13、obbs,1989)25.這就更證實了磷化氫并非線粒體呼吸的直接抑制劑.磷化氫與過氧化氫酶的作用則有不同之處,其酶活在體外體內實驗中均受抑制.因此,該機制可能是磷化氫毒理的主要機制之一.413 氧自由基機制Nakakita(1987)26對玉米象(Sitophiluszeamais)和赤擬谷盜的研究中發現試蟲體內存在一特異性因子,主要分布在組織細胞勻漿后的可溶部分,并表現出酶的特性.此因子在無氧的環境下不吸收磷化氫,有氧環境下可消耗氧氣,這些現象與磷化氫對試蟲的毒性效應有許多吻合之處.基于此Nakakita提出如下機制來解釋磷化氫的毒理機制:PH3+3O2XEO-2+H3PO3O-2超氧化物歧

14、化酶H2O2過氧化氫酶H2O+1/2O2式中:XE為特異因子從上述化學方程可知,當過氧化氫酶活性受抑制之后,蟲體內將積累過多的O-2和H2O2,而O-2和H2O2是已知的細胞毒性物質,可導致試蟲中毒.此機制首先可以解釋氧氣在磷化氫毒理機制中的重要作用,一方面氧分壓高使磷化氫與氧的反應向右進行增加了蟲體內O-2的含量.另一方面過氧化氫酶受磷化氫抑制,不能維持H2O2的低水平,這都增強了磷化氫的毒效.其次還可解釋磷化氫在體外對細胞色素氧化酶為什么沒有抑制作用,原因是上述反應在磷化氫進入線粒體之前,將其提前轉化而使磷化氫不能與細胞色素氧化酶等標靶部位作用.414 與其他有關酶作用在磷化氫對儲糧害蟲的

15、毒理研究中,除上述的酶系之外,與昆蟲抗藥性有關的其它酶系研究的還不多.謝尊逸(1986)27對抗性谷蠹的多功能氧化酶系MFO進行了研究,Rajak等(1971)28和Chaudhray(1992)29也研究了多功能氧化酶系MFO及細胞色素P450酶系,他們的研究發現,這些酶對儲糧害蟲體內磷化氫的氧化代謝沒有重要影響.Al2hakkak(1989)30報道過磷化氫對粉斑螟乙酰膽堿酯酶的抑制作用,對其的深入研究不多,尚未得出詳盡結論.5 害蟲的磷化氫抗性機制511 主動排斥主動排斥機制是磷化氫抗性機制中較新的一種觀點,它認為暴露在磷化氫中的試蟲具有將進入體內的磷化氫主動排出體外的能力,并且此能力與

16、代謝強度有關.Monro等(1972)31發現谷象(Sitophilusgranarius)對磷化氫的吸收伴隨有呼吸受抑和代謝減慢的現象,而對抗性谷蠹則沒有這些現象發生.正常呼吸的抗性谷蠹吸收磷化氫的量少于敏感谷蠹32,22.Price(1987)24進一步研究發現抗性谷蠹用磷化氫處理其吸入量不僅小于敏感谷蠹,而且低于抗性死蟲對磷化氫的被動吸入量,此現象隨溫度的升高敏感品系(S)對PH3吸收量增加,抗性品系(R)主動排斥增強,交換PH3快.作為呼吸刺激劑二氧化碳可加強對磷化氫的吸收而增加毒效(Kashi,1975)33,但是在對谷蠹的研究中表明二氧化碳并不促進抗性谷蠹對磷化氫的吸收,相反,當二

17、氧化碳含量為75%時,對磷化氫的排斥量還有增加,更進一步說明此現象與呼吸代謝的關系,隨呼吸代謝的加強試蟲對磷化氫的主動排斥也加強.為此Price(1984)23提出抗性谷蠹不是經代謝解毒,而是有主動排斥磷化氫減少其吸入量的解毒機制存在并且與代謝有關.他對銹赤扁谷盜(Cryptolestesferrugineus)和鋸谷盜(Oryzaephilussurinamensis)的研究中也發現有主動排斥磷化氫的現象22.512 保護性昏迷許多研究表明(Bond10,1976;Nakakita19, 1976;Kashi34,1982)將試蟲置于高濃度磷化氫中,短時間將產生“Narcosis”即麻痹現象

18、,試蟲一旦進入麻痹狀態將出現呼吸減慢,代謝減弱,對磷化氫的吸入量減少.表現反應為腹面向上,足收縮呈爪狀,或呆立不動,對外界刺激如針刺等沒有反應,呈假死狀態.經過14h后,散去磷化氫,大多數成蟲將恢復正常活動,因此麻痹現象又稱為保護性昏迷.高濃度磷化氫對害蟲的作用不符合CT值規律(Bond1967)18,其原因可能就是保護性昏迷造成的.此現象的經常發生將增強試蟲對磷化氫的耐受力,Monro(1972)31認為谷象的選擇抗性可能也是由保護性昏迷引起的.Winks(1984)16對赤擬谷盜的研究也發現當磷化氫濃度大于015mg/L時,熏蒸處理20h,CT積出現明顯的系統偏差,LD50耐受力可增加20

19、倍,LD99耐受力可增加64倍.說明保護性昏迷是儲糧害蟲在短時間內對磷化氫的抵抗機制.但是,在實際熏蒸中,在有效的或較高的濃度下,延長熏蒸時間,可以將害蟲徹底殺死.因此,保護性昏迷磷化氫的實際長時間熏蒸中的意義不大.513 關于代謝解毒機制從代謝角度來看,儲糧害蟲對磷化氫的抗性機制與磷化氫的毒理機制往往有非常密切的關系.一種毒劑對昆蟲的毒殺作用涉及到呼吸,消化,神經等各個系統,有時是對某一位點的作用,有時又是對各系統綜合作用的結果.因此從生理代謝角度研究儲糧害蟲對磷化氫的抗性還有許多困難和疑點.概括來講主要有以下幾方面,首先是標靶酶及其敏感度的變化,包括分子的空間構象、活性中心等的變化,導致對

20、磷化氫的敏感度降低,尤其是毒理機制中所涉及的細胞色素氧化酶系,過氧化氫酶,乙酰膽堿酯酶以及微粒體多功能氧化酶等與昆蟲正常代謝密切相關的酶.其次是解毒酶與解毒代謝的增強,盡管至今還有發現與磷化氫有關的解毒酶存在,但在對其它種類殺蟲劑的研究中已發現確有存在35,36,由此推測磷化氫抗性機制中解毒酶的存在是有可能的.其三磷化氫對儲糧害蟲機體組織構透性的變化,盡管Bond1460年代就已經證實磷化氫可穿過試蟲體壁進入蟲體,而且不受氣門開閉結構阻礙的影響.但從細胞結構與生理方面的研究分析,細胞組織結構對磷化氫的透性仍可能是磷化氫抗性的重要機制之一.Price(1979)37在磷化氫線粒體呼吸影響的研究中

21、就推測磷化氫對抗性谷蠹的作用與該蟲的線粒體外膜的透性有關.Chaudhry(1990)38 也推測抗性谷蠹的氣管壁可能存在透性阻礙,從而減少對磷化氫的吸收.可見透性阻礙機制也是害蟲產生磷化氫抗性的一個重要原因.6 結語 以上綜述了近年來有關磷化氫及其相關因子在磷化氫毒殺機理中的作用和磷化氫抗性機理研究的結果.雖然根本的機理還未揭示,但隨研究的不斷深入展開,磷化氫毒理機制將最終被人們發現.從目前儲糧害蟲對磷化氫抗性發展正日趨嚴重,為此對磷化氫毒殺機理及其抗性機理的研究就更為重要,其結果將具有重要的理論和實際意義,將為未來更合理利用磷化氫和進行磷化氫抗藥性害蟲的綜合治理提供理論依據.參考文獻:1 梁權.廣東省儲糧害蟲對磷化氫的抗性調查及治理策略A.中國糧油學會儲藏專業分會第三次學術論文集C.成都:1988.220225.2 FluckE.ThechemistryofphosphineJ.Fortschr.Chim.Forsc