新煙堿類殺蟲劑呋蟲胺的研究進(jìn)展

劉子琪，袁龍飛，廖先駿，李 莉，李 薇，程有普，陳增龍*

（1. 中國科學(xué)院動物研究所農(nóng)業(yè)蟲害鼠害綜合治理研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2. 天津農(nóng)學(xué)院，天津300384；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)藥檢定所，北京 100125）

新煙堿類殺蟲劑作用于昆蟲中樞神經(jīng)系統(tǒng)中煙堿型乙酰膽堿受體（nAChRs），通過高效阻斷昆蟲的正常神經(jīng)傳遞致使昆蟲死亡，是全球用量最大的殺蟲劑品種，登記國家超過120個[1]。呋蟲胺屬于第三代新煙堿類殺蟲劑，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）命名為(RS)-1-甲基-2-硝基-3-(四氫-3-呋喃甲基)胍。與其他煙堿類殺蟲劑相比，其不含氯原子和芳環(huán)基團(tuán)，具有獨(dú)特的四氫-3-呋喃甲基結(jié)構(gòu)，因此也被稱為呋喃煙堿[2]。呋蟲胺與傳統(tǒng)新煙堿類殺蟲劑分子結(jié)構(gòu)不同，其水溶性更高，內(nèi)吸性和滲透性也更好，可用于多種害蟲的防治[3]，不僅可防治谷物（小麥、玉米、水稻等）、蔬菜（番茄、黃瓜、大白菜等）、水果（蘋果、梨、柑橘等）、茶樹、觀賞菊花等作物上的蚜蟲、葉蟬、飛虱、薊馬、粉虱、二化螟及其抗性品系，同時對鞘翅目、雙翅目、鱗翅目和同翅目害蟲防效高，并對蜚蠊、白蟻、家蠅等衛(wèi)生害蟲也表現(xiàn)出良好的防治效果[4]。呋蟲胺在我國應(yīng)用廣泛，登記作物24種，登記產(chǎn)品194個，是新煙堿類殺蟲劑的中堅(jiān)力量[5]。

然而，隨著使用量的日益增加，呋蟲胺同樣避免不了傳統(tǒng)新煙堿類殺蟲劑的弊端。傳統(tǒng)新煙堿類殺蟲劑對蜜蜂的種群危害十分嚴(yán)重，不僅長期殘留在蜜蜂腦內(nèi)，影響其學(xué)習(xí)能力和采集活動，還會降低蜜蜂的生存能力，縮短其壽命[6]。英國赫特福德大學(xué)農(nóng)藥屬性數(shù)據(jù)庫（PPDB）顯示，呋蟲胺對于非靶標(biāo)有益生物蜜蜂和蚯蚓都具有高毒，對蜜蜂的48 h接觸毒性LD50值大于0.023 μg/bee，對蚯蚓的14 d急性毒性LC50值為4.9 mg/kg。研究表明，呋蟲胺還會影響小鼠體內(nèi)氨基酸的代謝，接觸呋蟲胺的ICR小鼠體內(nèi)脂質(zhì)水平升高，出現(xiàn)氧化應(yīng)激反應(yīng)[7]。呋蟲胺對哺乳動物大鼠短期攝食無可見作用，劑量水平值為22 mg/kg，為高風(fēng)險；中高濃度（612.5和2450.0 mg/kg）的呋蟲胺將會引起大鼠免疫損傷和免疫細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致大鼠脾臟白髓及胸腺皮質(zhì)萎縮[8]，而使用98%的呋蟲胺原藥以200 mg/（kg·d）的濃度續(xù)飼喂8周，也將影響大鼠的繁殖能力[9]。此外，新煙堿類殺蟲劑在水體中不易降解、殘留期長，對水生生物也具有較高水平的危害[10]。呋蟲胺在土壤中具有持久性，半衰期高達(dá)75～82 d[11]。隨著呋蟲胺使用量的增加，其在環(huán)境中的殘留風(fēng)險也隨之增大，從而導(dǎo)致其在土壤、植株和地下水中的殘留量升高[12]。同時，農(nóng)藥殘留專家聯(lián)席會議（JMPR）指出，植物源產(chǎn)品中用于制定呋蟲胺的最大殘留限量（MRL）僅需要考慮呋蟲胺母體農(nóng)藥，而膳食暴露風(fēng)險評估則需要考慮呋蟲胺及其代謝物1-甲基-3-(四氫-3-呋喃基甲基)脲（UF）和1-甲基-3-(四氫-3-呋喃基甲基)胍二氫（DN），以呋蟲胺表示；動物源產(chǎn)品中用于制定呋蟲胺的MRL和膳食暴露風(fēng)險評估均需要考慮呋蟲胺及其代謝物UF，以呋蟲胺表示[13]?？梢?，呋蟲胺雖然具有優(yōu)異的殺蟲活性，但隨其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的大量投入，環(huán)境負(fù)效應(yīng)也開始顯露，這也引起諸多研究學(xué)者的重視。

因此，筆者綜述了呋蟲胺對靶標(biāo)害蟲的生物活性、對非靶標(biāo)有益生物的生態(tài)毒理以及其在植物和土壤等生態(tài)介質(zhì)中的降解動力學(xué)規(guī)律，旨在為呋蟲胺的合理應(yīng)用和有效管理提供科學(xué)依據(jù)，也對新煙堿類農(nóng)藥的安全評估、增效減施等科學(xué)問題提供理論支撐。

1 呋蟲胺生物活性研究

對靶標(biāo)害蟲的防治效果是評價呋蟲胺的首要標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，10%呋蟲胺干拌種劑（DS）[14]、20%呋蟲胺可溶性粒劑（SG）[15-16]、20%呋蟲胺懸浮劑（SC）[17]以及25%呋蟲胺可濕性粉劑（WP）[18]等多種劑型均可有效防治稻飛虱對稻田的危害。不同濃度的呋蟲胺（14.72和62.95 mg/L）作用于褐飛虱均會對其成蟲的發(fā)育和生殖能力產(chǎn)生影響，但對F1代無影響，說明該濃度下呋蟲胺具有亞致死效應(yīng)，但對褐飛虱沒有跨代影響[19]。呋蟲胺除了對稻飛虱有良好的防效外，對小麥、果蔬、煙草等多種作物上的靶標(biāo)害蟲也具有較好的防治效果。通過呋蟲胺對小麥蚜蟲的不同亞致死劑量（L10、L20和L30）的研究發(fā)現(xiàn)，呋蟲胺可顯著降低小麥蚜蟲F0代的壽命和繁殖力、縮短雌蟲產(chǎn)卵前期。亞致死劑量L10、L20和L30劑量能顯著提高若蟲的發(fā)育歷期，其中L20亞致死劑量可明顯降低其凈生殖率、固有增長率和周限增長率，但會提高F1代的繁殖力、延長雌蟲產(chǎn)卵前期[20]。董松[21]通過對綠盲蝽施用3種不同濃度（LC50、LC30、LC10）的呋蟲胺，發(fā)現(xiàn)LC30劑量的呋蟲胺對綠盲蝽的生殖抑制作用最明顯，可有效控制綠盲蝽種群數(shù)量的增長。呋蟲胺對煙粉虱也具有良好的殺蟲活性，對煙粉虱的各個蟲齡均有效，對卵和若蟲的殺滅活性更高，因此適合在煙粉虱發(fā)生初期使用，有利于控制煙粉虱的種群數(shù)量、減少藥劑使用量[22]，同時該研究還發(fā)現(xiàn)，具有吡蟲啉抗性的煙粉虱對呋蟲胺無交叉抗性或抗性水平較低[23]。呋蟲胺對煙粉虱的致死和亞致死研究表明，呋蟲胺增加了煙粉虱若蟲、假蛹和成蟲的發(fā)育時間，降低了其存活率，雌性煙粉虱的生殖力也明顯降低。其對煙粉虱F1代的存活率、發(fā)育歷期和繁殖力也均有影響，這說明呋蟲胺可以有效地控制煙粉虱的增長[24]。呋蟲胺對難以防治的入侵生物紅火蟻也具有良好的防治效果，使用5 mg/L呋蟲胺處理13 h后，紅火蟻中型工蟻的校正死亡率可達(dá)到97.78%[25]。

通過上述研究總結(jié)發(fā)現(xiàn)，呋蟲胺對于稻飛虱、小麥蚜蟲、二化螟、煙粉虱等害蟲均具有較好的防效。呋蟲胺對稻飛虱的LC50和LC90值分別為0.88 mg/L和3.90 mg/L；對二化螟的LC50和LC90值分別為55.72 mg/L和882.30 mg/L[26]；對煙粉虱卵、若蟲和成蟲的LC50值分別為10.55、24.68、75.91 mg/L[22]。此外，呋蟲胺的半致死濃度對害蟲的生長發(fā)育和繁殖能力也具有一定影響，但對F1代的影響較小。

2 呋蟲胺生態(tài)毒理研究

呋蟲胺對蜜蜂、蚯蚓、家蠶、斑馬魚、蜥蜴等非靶標(biāo)生物負(fù)面影響較大[27]，因此綜述呋蟲胺的生態(tài)毒理學(xué)研究也十分必要。蜜蜂是自然界必不可少的授粉主力，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，研究表明呋蟲胺對蜜蜂的急性經(jīng)口毒性等級為高毒[28-29]，其LD50值為0.156 μg/bee，對蜜蜂幼蟲化蛹和羽化抑制作用明顯[30]，并且呋蟲胺對工蜂和雄性蜂的毒力不同，在不同類型蜂中的累計致死作用也不同[31]。呋蟲胺的大量使用會影響蜜蜂的嗅覺，導(dǎo)致其覓食效率低下，識別巢友的能力降低[32]，其亞致死劑量還會影響蜜蜂學(xué)習(xí)能力和記憶力[33]?？梢?，呋蟲胺對蜜蜂的暴露風(fēng)險不容忽視，降低其對蜜蜂的危害至關(guān)重要。其次，呋蟲胺及其代謝物UF和DN對蚯蚓也是高危污染物，3種物質(zhì)均會誘導(dǎo)蚯蚓體內(nèi)的活性氧（ROS）過量生成，導(dǎo)致其抗氧化酶活性和功能基因表達(dá)發(fā)生顯著變化，嚴(yán)重破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能[34-35]。呋蟲胺對家蠶毒性高且殘毒期長，96 h急性毒性LC50值為1.26 mg/L，因此在蠶桑地區(qū)使用呋蟲胺一定要加強(qiáng)防護(hù)，降低污染風(fēng)險[28,36]。

呋蟲胺對水生生物和兩棲類動物也具有一定的危害。已有研究表明，呋蟲胺原藥對大型溞、低額溞、劍水蚤的24 h和48 h急性毒性LC50值為0.08～4.89 mg/L，均具有較高毒性，其中劍水蚤對呋蟲胺的毒害最為敏感。呋蟲胺對3種溞類的48 h毒性高于24 h，說明存在毒性累積效應(yīng)[37]。呋蟲胺對于斑馬魚胚胎、幼魚以及成魚都具有不同程度的危害。呋蟲胺原藥對斑馬魚胚胎96 h急性毒性LC50值為10.36 g/L，屬于微毒；20%呋蟲胺懸浮劑對斑馬魚幼魚的96 h急性毒性LC50值為59.7 mg/L，屬于低毒。較高濃度的呋蟲胺會降低斑馬魚的孵化率，影響其生長發(fā)育[27,38]。對鮈鯽幼魚施用呋蟲胺發(fā)現(xiàn)，其會誘發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)，改變mRNA的表達(dá)水平，并且會導(dǎo)致幼魚肝臟DNA損傷[39]。呋蟲胺對蜥蜴也具有一定的危害，呋蟲胺在蜥蜴體內(nèi)不易代謝，在大腦中也表現(xiàn)出較強(qiáng)的持久性，易造成大腦損傷[40]。呋蟲胺還會影響蜥蜴甲狀腺對碘的攝入和利用，導(dǎo)致甲狀腺功能不足，進(jìn)而導(dǎo)致甲狀腺上皮增生和濾泡體積增大[41]。通過蜥蜴口服呋蟲胺還發(fā)現(xiàn)肝臟和腎臟是其主要的代謝器官，呋蟲胺也會對肝臟的氧化應(yīng)激系統(tǒng)造成損害，而皮膚和尿液排泄是蜥蜴消除呋蟲胺的主要途徑[42]。

通過上述研究總結(jié)可得，呋蟲胺對nAChRs的激動刺激在殺滅靶標(biāo)害蟲的同時，對非靶標(biāo)有益生物也帶來負(fù)面影響，特別是蜜蜂、蚯蚓、家蠶，其毒性量級均為高毒，嚴(yán)重危害其種群存活。因此，如何確保呋蟲胺在發(fā)揮殺蟲效力的同時，有效降低其生態(tài)毒性，減少對非靶標(biāo)有益生物的潛在威脅是目前面臨的科學(xué)難題，也是本領(lǐng)域未來研究的重點(diǎn)方向。

3 呋蟲胺的降解動力學(xué)研究

目前，呋蟲胺在生態(tài)環(huán)境中的行為歸趨主要集中在植物體和土壤介質(zhì)中的耗散動力研究[43]。呋蟲胺具有良好的水溶性、較高的持久性以及較低的吸附性，施用于作物時易導(dǎo)致土壤和地下水污染，呋蟲胺在植物和哺乳動物體內(nèi)還會轉(zhuǎn)化為多種殘留代謝物[44]。呋蟲胺的廣泛使用不僅會導(dǎo)致農(nóng)藥殘留在植株、土壤、水體中，還會殘留在食用飼料中，進(jìn)而在動物體內(nèi)累積。因此建立動植物源食品以及生態(tài)環(huán)境介質(zhì)中綠色、靈敏、快速的呋蟲胺及其代謝物殘留分析方法必不可少[45]。已有研究測定了呋蟲胺及其代謝物在水稻中的降解規(guī)律，其降解符合一級動力學(xué)模型，呋蟲胺及其代謝物的半衰期在0.5～2.3 d之間；在施用呋蟲胺21 d后測定的糙米中的呋蟲胺殘留量為0.413 mg/kg[46]，低于我國規(guī)定的最大殘留限量1 mg/kg；經(jīng)過拋光，洗滌和煮沸，呋蟲胺的平均殘留量分別低于原始濃度的74.7%，60.8%和39.6%，這說明煮沸可以有效降低呋蟲胺的殘留量[47]。呋蟲胺及其代謝物在咖啡豆中的殘留動態(tài)分析結(jié)果表明，呋蟲胺及其代謝物UF、DN在咖啡豆上的平均半衰期為40.8 d。洗滌后，咖啡豆中呋蟲胺的含量降低了44.4%～86.7%，焙烤過程中呋蟲胺的含量降低了62.2%～100%。焙烤咖啡豆的前21和35 d均未檢測到DN殘留，煮咖啡前35 d內(nèi)也未檢測到UF殘留，表明咖啡豆加工過程中呋蟲胺及其代謝物UF、DN的殘留量均有所下降[48]。通過測定土壤和蘿卜葉片中呋蟲胺的殘留量發(fā)現(xiàn)，呋蟲胺的降解半衰期為6.2～8.9 d，降解較快；在呋蟲胺處理的土壤中，蘿卜從土壤中對呋蟲胺的吸收率為4.9～16.7%；在低濃度處理（2.01 mg/kg）和高濃度處理（9.35 mg/kg）的土壤中蘿卜塊莖的吸收量分別為0.020 ～0.057 mg/kg和0.066～0.256 mg/kg；在收獲初期，呋蟲胺在葉片中的分布大于塊莖，但隨著時間的增長，呋蟲胺在塊莖中的分布逐漸增加[49]。

此外，呋蟲胺在設(shè)施黃瓜和土壤中的消解動態(tài)符合一級動力學(xué)模型。在吉林和山東兩地檢測到黃瓜中呋蟲胺的降解半衰期分別為10.7和6.9 d；土壤中呋蟲胺降解半衰期分別為18和3.6 d[50]。連續(xù)2年測定山東、湖南、海南三地甘藍(lán)和土壤中呋蟲胺的殘留量發(fā)現(xiàn)，呋蟲胺在甘藍(lán)和土壤中的消解動態(tài)也符合一級反應(yīng)動力學(xué)方程。2013年在山東、湖南、海南三地測定甘藍(lán)中呋蟲胺的降解半衰期分別為19.8、21.7、20.4 d，土壤中呋蟲胺的降解半衰期分別為9.9、27.7、8.8 d；而2014年在上述地點(diǎn)甘藍(lán)中呋蟲胺的降解半衰期分別為21.0、26.7、22.4 d，土壤中的降解半衰期分別為8.3、17.8、7.5 d?？梢?，三地甘藍(lán)中呋蟲胺的半衰期較為一致，而土壤中的降解半衰期差異明顯，其中山東和海南土壤中呋蟲胺的降解速率較快，而湖南的降解速率較慢，半衰期是上述兩地的2～3倍[51]。在青海、甘肅、內(nèi)蒙古和寧夏四地對枸杞和土壤中的呋蟲胺進(jìn)行了殘留降解分析，結(jié)果表明枸杞中呋蟲胺的初始濃度分別為0.124、1.72、0.156和0.296 mg/kg時，半衰期分別為1.45、3.09、2.99和2.48 d，施用后5 d內(nèi)，枸杞中的呋蟲胺殘留量迅速下降；在青海、甘肅、內(nèi)蒙古和寧夏土壤基質(zhì)中呋 蟲 胺 的 最 初 含 量 分 別 為0.106、0.049、0.388 和0.142 mg/kg，試驗(yàn)結(jié)束時分別降至0.006、小于0.005、0.123和0.007 mg/kg，其中內(nèi)蒙古地區(qū)的殘留量高于其他地區(qū)；呋蟲胺在青海、內(nèi)蒙古和寧夏土壤中的半衰期分別為7.53、17.4和8.03 d，甘肅省在呋蟲胺施用的5 d后便低于定量限；枸杞中呋蟲胺的最終殘留量為小于0.005～0.24 mg/kg，與土壤相比枸杞中呋蟲胺的殘留量相對較高，其中青海省最高，為0.24 mg/kg；土壤中呋蟲胺的最終殘留量為小于0.005～0.078 mg/kg，內(nèi)蒙古和寧夏兩地的殘留量較高，分別為0.075和0.078 mg/kg，土壤中未檢測到呋蟲胺代謝物DN和UF殘留[52]。通過在不同地點(diǎn)檢測同種作物和土壤中的呋蟲胺殘留量發(fā)現(xiàn)，呋蟲胺的降解速率和殘留量不同，這可能與當(dāng)?shù)赝寥赖睦砘再|(zhì)、土壤微生物以及氣候水文條件密切相關(guān)。

4 展望

呋蟲胺作為新煙堿類殺蟲劑的優(yōu)勢品種被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，使用的同時也帶來一定的環(huán)境負(fù)效應(yīng)，尤其對非靶標(biāo)有益生物蜜蜂、蚯蚓等高毒問題成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。呋蟲胺是首個手性新煙堿類殺蟲劑品種，其手性化合物雖然具有相同的理化屬性，但往往具有不同的選擇性差異，包括活性、毒性、降解、代謝等。目前已有研究表明，呋蟲胺的生物活性和生態(tài)毒性均具有對映體選擇性：對于棉蚜、綠盲蝽、家蠅和美洲大蠊等靶標(biāo)生物，S-呋蟲胺的生物活性更強(qiáng)，是R-呋蟲胺的2.7～7.3倍；對于蜜蜂、蚯蚓等非靶標(biāo)有益生物危害較大的為S-呋蟲胺，其急性毒性是R-呋蟲胺的41.4～128.4倍[53-55]。同樣，呋蟲胺的對映體選擇性也表現(xiàn)在植物體和土壤中，研究表明土壤中S-呋蟲胺的降解半衰期長于R-呋蟲胺，表現(xiàn)為R-呋蟲胺優(yōu)先降解，導(dǎo)致S-呋蟲胺相對富集[56]。目前，已有研究初步指出使用呋蟲胺R對映體可以在維持殺蟲效力的條件下減小對蜜蜂的致死率[55]，這為解決呋蟲胺的毒性高和環(huán)境負(fù)效應(yīng)等科學(xué)難題提供了新思路，但還需要后續(xù)更全面、深入的研究。通過本文綜述以期為呋蟲胺科學(xué)合理使用和高效低風(fēng)險手性單體農(nóng)藥的研發(fā)提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。