有機(jī)殺蟲劑對(duì)動(dòng)物體毒性及其作用機(jī)制的研究進(jìn)展

張靜靜，雷 忻，田鵬飛，戚珍珠，行文珍

(延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西延安716000)

有機(jī)殺蟲劑對(duì)動(dòng)物體毒性及其作用機(jī)制的研究進(jìn)展

張靜靜，雷 忻*，田鵬飛，戚珍珠，行文珍

(延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西延安716000)

有機(jī)殺蟲劑(Organic Pesticides)是人工合成對(duì)有害生物具有殺傷能力的有機(jī)化合物，近年來研究表明，有機(jī)殺蟲劑可導(dǎo)致人體及動(dòng)物體分子、細(xì)胞、組織等的水平發(fā)生病變，對(duì)神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生損傷，降低精子密度和精子活力等。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果，對(duì)有機(jī)殺蟲劑的發(fā)展、分類、毒性作用及其作用機(jī)制等方面進(jìn)行綜述，并對(duì)目前研究提出問題并展望。

有機(jī)殺蟲劑；毒性；動(dòng)物體

有機(jī)殺蟲劑(Organic Pesticides)是繼無機(jī)合成農(nóng)藥之后，由工業(yè)生產(chǎn)商品化的一類類型多、藥效高、對(duì)作物安全、應(yīng)用范圍寬特點(diǎn)的有機(jī)農(nóng)藥。目前主要有有機(jī)氯、有機(jī)磷、氨基甲酸酯類、擬除蟲酯類等類型殺蟲劑[1]。自20世紀(jì)40年代人工合成有機(jī)殺蟲劑以來，其在控制鼠害和植物病蟲害等方面發(fā)揮著不可替代的作用[2]。有機(jī)殺蟲劑通過積累存在于土壤和水體中，在空氣和光照的作用下形成新的化合物，對(duì)害蟲及其天敵、水生物及土壤生物的生存造成影響，并通過農(nóng)作物根、莖、葉、果實(shí)及種子對(duì)人體和牲畜的健康造成危害[3]。鑒于此，本文從有機(jī)殺蟲劑的發(fā)展、分類、對(duì)動(dòng)物體的毒性作用及其作用機(jī)制方面加以論述。

1 有機(jī)殺蟲劑的發(fā)展

1939年瑞士Muelle合成的第一個(gè)有機(jī)氯殺蟲劑(滴滴涕)，標(biāo)志著農(nóng)藥進(jìn)入有機(jī)合成時(shí)代。有機(jī)磷殺蟲劑是在20世紀(jì)40年代出現(xiàn)的，它在病蟲害防治過程中至今還發(fā)揮著非常重要的作用。60年代氨基甲酸酯類殺蟲劑誕生，這類殺蟲劑屬于碳酸衍生物，具有易分解、易代謝、低毒的特點(diǎn)，在環(huán)境中不易積累。1973年，第一個(gè)對(duì)光照穩(wěn)定的擬除蟲菊酯苯醚菊酯研發(fā)成功，此類有機(jī)殺蟲劑也是目前我國(guó)使用的較高效、低毒和低殘留的農(nóng)藥之一，它是防治瓜果、蔬菜、谷物和煙草等蟲害的良好藥劑，對(duì)人畜毒性很低，使用較為安全。目前，人工合成的有機(jī)殺蟲劑達(dá)到殺蟲劑總用量90%以上[4]。

2 有機(jī)殺蟲劑的分類

2.1 有機(jī)氯殺蟲劑

有機(jī)氯殺蟲劑(Organo-Chlorine Pesticides，OCPs)是一類組成成分中含有有機(jī)氯元素并用于防治植物病蟲害的有機(jī)化合物。此類化合物物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，難以降解，容易在環(huán)境中積累，具有長(zhǎng)距離遷移能力，并可通過食物鏈在生物體內(nèi)富集。Ben用DDT處理小鼠，發(fā)現(xiàn)小鼠睪丸重量減輕、附睪活動(dòng)能力降低、精子比例降低，輸精管管腔內(nèi)精子顯著減少，血清促黃體素和促卵泡素水平明顯升高[5]，說明有機(jī)氯農(nóng)藥具有一定的雌激素效應(yīng)，嚴(yán)重威脅人類健康與環(huán)境安全[6]。我國(guó)在1983年已經(jīng)全面禁止有機(jī)氯殺蟲劑的生產(chǎn)、銷售和使用。

2.2 有機(jī)磷殺蟲劑

有機(jī)磷殺蟲劑(Organophosphate Pesticides，OPs)是德國(guó)科學(xué)家施拉德發(fā)現(xiàn)的具有殺蟲活性的化合物，并將其率先引進(jìn)德國(guó)市場(chǎng)。這類殺蟲劑具有品種繁多(如樂果、敵百蟲等)、藥效高、低毒、易降解，在人體及動(dòng)物體內(nèi)不積累等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)林業(yè)、公共衛(wèi)生、醫(yī)學(xué)治療中長(zhǎng)期大量使用[7，8]。據(jù)調(diào)查，噴施液體殺蟲劑時(shí)，只有20%左右的農(nóng)藥可以附著在植物上，1%～4%作用于病蟲害，其余40%～60%降落到土壤，5%～30%懸浮在空氣中，因此會(huì)造成大氣、土壤和水體的污染[9]。目前，有機(jī)磷殺蟲劑引起的環(huán)境污染和人體健康問題，隨著其大量、無節(jié)制的使用逐漸受到人們的關(guān)注。

2.3 氨基甲酸酯類殺蟲劑

氨基甲酸酯類殺蟲劑(Carbamate Pesticides)是參照卡立巴豆中毒性生物堿—毒扁豆堿(physostigimine)的類似物所研發(fā)的農(nóng)藥。其在酸性的條件下較穩(wěn)定，遇堿、在空氣和光照下易分解。目前我國(guó)合成的氨基甲酸酯類農(nóng)藥達(dá)到1000多種，其中用量較大的包括克百威(carbofuran)、葉蟬散(isoprocarb)和抗蚜威(pirimicarb)等。氨基甲酸酯類農(nóng)藥具有觸殺和胃毒作用，毒理機(jī)制為抑制害蟲的膽堿酯酶活性，且與膽堿酯酶的結(jié)合是不可逆的，因此毒性很高[10]。

2.4 擬除蟲菊酯類殺蟲劑

擬除蟲菊酯類殺蟲劑(Pyrethroid Pesticides)是一類模擬除蟲菊中天然成分除蟲菊素化學(xué)結(jié)構(gòu)合成的農(nóng)藥。人工合成菊素克服了天然菊素對(duì)光照和空氣的不穩(wěn)定性[11]，被大量作為殺蟲劑來應(yīng)用。目前，全世界的擬除蟲菊酯類殺蟲劑在殺蟲劑市場(chǎng)占到20%[12]，主要包括氰戊菊酯(速滅殺丁)、氯氰菊酯(滅百可)、溴氰菊酯(敵殺死)等，但由于絕大多數(shù)的擬除蟲菊酯殺蟲劑具有高親脂性，在水體中被魚類吸收，能直接進(jìn)入魚鰓和血液中，因而對(duì)魚類可產(chǎn)生慢性蓄積中毒[13]。據(jù)調(diào)查，氰基類擬除蟲菊酯類殺蟲劑在我國(guó)食品中殘留高達(dá)200 μg/ml[14]，嚴(yán)重危害人類健康。

3 毒性作用

3.1 “三致”作用

“三致”作用是化學(xué)藥品對(duì)人體產(chǎn)生致突變(mutagenesis)、致畸(teratogenesis)、致癌(carcinogenesis)三方面的遺傳毒性效應(yīng)。有機(jī)殺蟲劑可長(zhǎng)期殘留于環(huán)境中，通過食物鏈放大作用，最終經(jīng)皮膚、呼吸道和消化道進(jìn)入體內(nèi)，在脂肪組織中貯存，可對(duì)人體產(chǎn)生致突變、致畸、致癌的“三致”作用。有機(jī)氯殺蟲劑會(huì)對(duì)人體血紅細(xì)胞和淋巴細(xì)胞的DNA造成損傷，誘導(dǎo)基因產(chǎn)生突變[15]。周好樂等用敵敵畏和樂果對(duì)小鼠骨髓嗜多染紅細(xì)胞(PCE)微核率和染色體畸變率進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)各染毒組微核率和染色體畸變率均顯著高，提出低劑量有機(jī)磷農(nóng)藥可對(duì)小鼠骨髓細(xì)胞產(chǎn)生遺傳毒性效應(yīng)[16]。Sbrana等的研究表明，OPs會(huì)誘導(dǎo)癌基因和抑癌基因的表達(dá)，從而導(dǎo)致癌癥發(fā)生[17]。張品等報(bào)道，氨基甲酸酯類農(nóng)藥分子一旦進(jìn)入人體，會(huì)產(chǎn)生具有強(qiáng)烈致癌作用的亞硝基化合物[18]。于蓉蓉等研究發(fā)現(xiàn)滅百可、敵殺死等擬除蟲菊酯類農(nóng)藥與人體或動(dòng)物長(zhǎng)期接觸，會(huì)引起不良反應(yīng)，甚至導(dǎo)致癌癥[19]。上述研究表明，有機(jī)殺蟲劑進(jìn)入人體或動(dòng)物體后可導(dǎo)致其分子、細(xì)胞、組織等的水平發(fā)生病變。

3.2 神經(jīng)毒性效應(yīng)

Grandjean等研究表明，7歲兒童尿樣中的OPs代謝產(chǎn)物二烷基磷酸酯(DAP)水平升高可導(dǎo)致兒童簡(jiǎn)單反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)[20]。Tran等研究發(fā)現(xiàn)，氯氰菊酯化合物可通過抑制c-fos基因的表達(dá)而促使神經(jīng)細(xì)胞凋亡[21]。帕金森綜合癥是最常見的神經(jīng)衰退性疾病之一，Richardson等研究發(fā)現(xiàn)，帕金森患者血清中狄氏劑含量比正常人的高很多，證實(shí)了狄氏劑是導(dǎo)致帕金森綜合癥的主要原因[22]。以上研究表明，有機(jī)殺蟲劑在人體中可形成新的代謝產(chǎn)物，從而對(duì)人體神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生損傷，進(jìn)而影響生命活動(dòng)。

3.3 生殖毒性效應(yīng)

對(duì)人群調(diào)查發(fā)現(xiàn)，男性因精子數(shù)量下降導(dǎo)致的不育與長(zhǎng)期暴露于環(huán)境中的有機(jī)磷農(nóng)藥有一定關(guān)系[23]。Perry等證實(shí)，人的精子密度與其尿液中有機(jī)磷和擬除蟲菊酯類農(nóng)藥代謝產(chǎn)物的濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[24]，夏彥愷研究發(fā)現(xiàn)西維因暴露不僅可以引起精子的形態(tài)學(xué)缺陷，而且可通過引起精子發(fā)生過程中的染色體數(shù)目畸變或DNA鏈斷裂造成相應(yīng)的遺傳毒性效應(yīng)[25]。姚克京發(fā)現(xiàn)擬除蟲菊酯類殺蟲劑會(huì)降低精子密度和精子活力，造成畸形精子的數(shù)量增加，其毒性效應(yīng)大小與暴露時(shí)間、劑量呈正相關(guān)[26]。但有機(jī)殺蟲劑對(duì)精子的形態(tài)學(xué)缺陷研究尚不夠具體，需進(jìn)一步深入研究。

4 作用機(jī)制

4.1 膜受體機(jī)制

有研究表明，氧化樂果會(huì)縮短煙堿樣乙酰膽堿受體(nAChR)離子通道開放的時(shí)間，降低肌細(xì)胞的興奮和收縮頻率[27]。正常鈉離子通道的開啟僅僅只有幾毫秒，而在溴氰菊酯作用下鈉離子通道將持續(xù)開啟1秒甚至更長(zhǎng)時(shí)間，從而引起興奮過度[28]。Frigo等研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)氯殺蟲劑可引起應(yīng)激介導(dǎo)的MAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路激活，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄激活因子AP-1的活化，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、分化及凋亡等[29]。由此可知，部分有機(jī)殺蟲劑分子可識(shí)別細(xì)胞膜特定生物活性物質(zhì)并與之結(jié)合，改變膜通透性，影響細(xì)胞的分子調(diào)控功能。

4.2 AChE活性中心機(jī)制

乙酰膽堿(acetylcholine，ACh)是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，過量的ACh會(huì)引起肌肉過度收縮，最終導(dǎo)致肌無力和麻痹。乙酰膽堿酯酶(acetylcholinesterase，AChE)可催化ACh水解，防止ACh聚積。有機(jī)磷殺蟲劑與氨基甲酸酯殺蟲劑進(jìn)入生物體后，與AChE活性中心結(jié)合致使AChE被磷酸化而失活，導(dǎo)致ACh積聚，從而產(chǎn)生肌肉持續(xù)激活和乙酰膽堿神經(jīng)系統(tǒng)功能亢進(jìn)的現(xiàn)象[30]?？税偻ㄟ^甲?；憠A酯酶中心酯解部位上絲氨酸的羥基來抑制乙酰膽堿酯酶活性[31]。上述研究表明，有機(jī)磷殺蟲劑和擬除蟲菊酯類殺蟲劑代謝產(chǎn)物小分子通過與AChE活性中心結(jié)合來改變其功能，引起生物體組織器官一系列中毒癥狀。

4.3 非共價(jià)結(jié)合機(jī)制

在生物體內(nèi)，殺蟲劑小分子可與生物大分子產(chǎn)生不可逆非共價(jià)結(jié)合，從而改變生物功能，引起生物毒性效應(yīng)。有學(xué)者報(bào)道，敵敵畏對(duì)鳥嘌呤N-7位有烷基化作用，從而具有一定的致癌作用[32]。DDT的脫氧化氫產(chǎn)物DDE非共價(jià)結(jié)合于原癌基因(c-myc)，導(dǎo)致雙螺旋結(jié)構(gòu)的松散，甚至發(fā)生解鏈[33]。研究表明，有機(jī)殺蟲劑分解產(chǎn)生的小分子物質(zhì)與DNA之間主要以溝區(qū)結(jié)合、靜電結(jié)合和嵌插結(jié)合方式進(jìn)行非共價(jià)結(jié)合，當(dāng)其嵌插到DNA堿基對(duì)之后，可以直接抑制DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，甚至造成DNA鏈斷裂受損。

5 展望

迄今為止，有機(jī)殺蟲劑的應(yīng)用歷史已近80年，其在保護(hù)作物和控制人、畜疾病方面發(fā)揮著越來越重要的作用，但對(duì)環(huán)境、人類健康的損害也日趨嚴(yán)重[34]。許多研究專家對(duì)有機(jī)殺蟲劑的毒性效應(yīng)及作用機(jī)制進(jìn)行了大量研究，但還存在一些不足。如：有機(jī)殺蟲劑對(duì)膽堿酯酶作用機(jī)制已得到廣泛認(rèn)可，但這一機(jī)制并不能很好地解釋動(dòng)物體在有機(jī)殺蟲劑中毒時(shí)產(chǎn)生的腦神經(jīng)系統(tǒng)的變化；多種有機(jī)殺蟲劑聯(lián)合對(duì)雄性生殖毒性機(jī)制的研究很少，對(duì)男性生殖能力危害的估算還難以把握。應(yīng)加大力度對(duì)這些方面的研究，以期為保護(hù)環(huán)境和人類健康提供理論依據(jù)。

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[責(zé)任編輯 李曉霞]

Research Progress of Organic Pesticides Impact On Animals Toxic Function

ZHANG Jing-jing,LEI XIN*,TIAN Peng-fei QI Zhen-zhu,XING Wen-zhen

(College of life Science,Yan′an Univerity,Yan′an 716000,China)

Organic pesticides are synthetic organic compounds that have the function of killing pests.In recent years,some studies have been shown that organic pesticides can lead to damages of molecules,cells and tissues levels of human and the animals,produce damage to nerve cells,reduce the sperm density and sperm vitality,etc.The objective of this review was to discuss the development, classification,the effects on animals and the mechanism of action of organic pesticides,posed some questions and did some prospects about present researches.

organic pesticides; toxicity; animals

2015-10-15

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012JM3012)；國(guó)家大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(201210719020)；陜西省高水平大學(xué)建設(shè)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2012SXTS03)；陜西省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(2013JK0710)；延安市科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012KS-15)；延安大學(xué)博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(YD2007-112)；生態(tài)學(xué)陜西省重點(diǎn)學(xué)科專項(xiàng)資金建設(shè)項(xiàng)目

張靜靜(1991—)，女，陜西榆林人，延安大學(xué)碩士研究生。 *為通訊作者

Q955

A

1004-602X(2015)04-0088-04