淺析有機磷農藥的發展趨勢及毒理作用

王佳琪 等

孫亮? 鄒世輝? 戴旭明? 王沖

摘要：本文以有機磷農藥為基點，通過綜述有機磷農藥在國內外發展歷史及其對于農業生產和生活的利害，再結合有機磷農藥的結構淺析了有機磷農藥的毒理特性以及中毒后的相關治療手段，最后展望了未來農藥的發展趨勢；旨在為有機磷農藥的合理運用、有機磷農藥中毒的識別和正確治療以及未來新型農藥的推廣提供支持。

關鍵詞：有機磷農藥；農藥發展史；有機磷農藥中毒；農藥新品種

1 有機磷農藥發展史

有機磷農藥的探索期是從1820年第一個有機磷化合物的研究到1937年德國人施拉德在拜耳實驗室發掘到首個有殺蟲效果的有機磷化合物[1]，這期間的研究持續了一個多世紀。1943年，施拉德將第一個有機磷殺蟲劑商品化后，農藥領域刮起了一陣“旋風”，各種有機磷農藥的研究開發達到了鼎盛期，尤其是1950年到1965年這一階段。據統計1930—1985年共有147個有機磷化合物被發現，其中有50多個化合物是由拜耳公司開發。現如今，農藥市場上有機磷農藥的數量已然超過了300多個品種。

2 國內發展現狀

縱觀我國農藥產業的發展歷史，從新中國成立以來的從無到有，再到近10年以來產量從小到大，品種由少到多，其發展速度可見一斑。到2005年我國農藥總產量已經突破100萬t，在施用面積上達到世界第二，在年產量上更是無出其右。而有機磷農藥在整個產業里，可謂中流砥柱，因為在1983～2002這一段時期，有機磷農藥的發展達到了高潮，約30種以上（約占整個行業市場的七成以上）的有機磷農藥被研制出來，并大規模應用在全國的農業生產上，在直接提高農作物及經濟作物產量的同時，也極大地推動了我國農藥行業的發展。隨著各種有機磷農藥被研制出來，一系列威脅人類健康安全問題漸漸顯露出來。1990年到2002年我國殺蟲劑產量約占全國農藥總產量的70%，有機磷殺蟲劑約占殺蟲劑總產量的70%，而有機磷殺蟲劑的高毒型品種約占有機磷農藥產量的70%[2]，這表明我國農產品質量安全和人類健康正面臨巨大挑戰。從2005年我國成為《鹿特丹公約》締約國，到2007年全面禁止使用和銷售甲胺磷、對硫磷、甲基對硫磷、久效磷和胺磷5種高毒型有機磷農藥，再到現如今將氧樂果、甲拌磷、水胺硫磷等以限用藥管理，無不體現出我國在保障老百姓舌尖上的健康和營造綠水青山的巨大決心。隨著一批高毒型有機磷農藥退出行業舞臺，為了保證農業產量和農藥行業的可持續發展，研究開發新型低毒高效有機磷農藥新品種成為趨勢。

3 有機磷農藥簡介

我們將磷酸酯類和硫代磷酸酯類等一些有機化合物因其具有昆蟲致死效果而稱之為有機磷農藥（Organophosporus pesticides，OPs），其結構通式（如圖1），其中R1和R2通常為烷氧基和烷基，Z為無機酸基，有機酸基和其他一些酸性基團。我們根據結構的不同將市面上常見的有機磷農藥分類并挑選有代表性的列出如圖2（從左到右依次為磷酸酯類：敵敵畏、硫（醇）代磷酸酯類：氧樂果、焦磷酸衍生物：八甲磷、磷酰胺脂類：甲胺磷、膦酸脂類：敵百蟲、二硫代磷酸酯類：甲拌磷）所示[3]。

4 有機磷農藥的利與弊

有機磷農藥雖然在防治蟲害方面效果顯著，但是若是使用不規范或者超量使用會造成人畜中毒事件。現實中也不乏一些案例如2010年青島“毒韭菜”事件、2015年福建安溪“毒李子”事件、2015年浙江嘉興“毒午餐”事件，均是因為所食用食物有機磷農藥嚴重超標。另外有機磷農藥對環境的污染也嚴重威脅著人類的健康，有研究指出我國的各大河流也曾檢出過包括樂果、敵敵畏、馬拉硫磷在內的數種有機磷農藥，如長江和黃河[4]。盡管一些有機磷農藥施用不當有嚴重的危害，但是作為一種高效的殺蟲劑其對我國的農業增產增收的貢獻是不可忽視的。有數據顯示，化學防治在我國農作物產量上的貢獻值達到25%～30%，平均1元錢的農藥投入能夠收獲十幾倍的農業收入，憑借這種低投入高回報的農業模式，保證了我國十幾億人的口糧。英國農藥專家Cooping博士曾報告，中國一旦停止使用農藥，將會有3.5億人口面臨挨餓問題，水果將減產78%，蔬菜減產54%，谷物減產32%[5]。

5 有機磷農藥的毒理作用

正常的中樞膽堿能神經系統，在機體學習和記憶方面發揮著關鍵作用，乙酰膽堿（Acetylcholine，ACh）作為該系統中關鍵中的關鍵，其作用更甚。ACh是在乙酰膽堿酯酶（Acetylcholine esterase，AchE）的作用下被分解成膽堿和乙酸，膽堿和乙酰輔酶A在膽堿乙酰化酶的作用下重新合成ACh。作為一種神經遞質ACh能夠特異性作用于相關受體來調節機體的一些功能。在20世紀初，科學家將ACh的受體分為2種，毒蕈堿型受體（M受體---G蛋白偶聯型受體）和煙堿型受體（N受體---離子通道型受體）兩者作用位點都在外周神經系統。ACh作用于前者主要刺激副交感神經興奮，產生心臟活動抑制，支氣管胃腸平滑肌和膀胱逼尿肌收縮，消化腺分泌增加和瞳孔縮小等；作用于后者則可引起自主神經節的節后神經元興奮和骨骼肌興奮。但隨著時間的推移和研究的深入，發現N受體不僅分N1和N2亞型，還分多種亞型，M型受體也并非一種類型，也包括多種其他亞型。正常情況下機體內的乙酰膽堿發揮作用后會被乙酰膽堿酯酶酯解，研究顯示乙酰膽堿酯酶結構中存在一個上窄下寬與酯解功能相關的深谷，我們將其稱之為活性谷（Active gorge），谷內含有2個活性部位，一個是陰離子部位（Anionic site，AS）也稱結合部位，另一個是催化部位（Catalytic site，CS）也叫作酯動部位[6]。陰離子部位上含帶有電負性的谷氨酸（Glu）殘基，催化部位絲氨酸（Ser）的羥基和組氨酸（His）未質子化的咪唑環雙鍵氮原子之間形成氫鍵使得羥基帶有部分電負性，前者通過靜電引力與乙酰膽堿分子結構中帶正電荷的季銨陽離子頭相結合，后者通過共價鍵和乙酰膽堿分子中的羰基碳相結合形成一個可逆復合體。接著AchE被乙酰化釋放膽堿，再通過水解作用將乙酰基從AchE上解離下來生成AchE和乙酸，如此循環往復。一旦有機磷農藥經皮膚吸收、經呼吸道吸入或經消化道進入人體，就會侵入到中樞膽堿能神經系統，有機磷類農藥的磷酸根具有更強的正電性，大量競爭AchE上的酯動部位，通過與絲氨酸羥基磷酸化作用生成非可逆復合體導致絲氨酸羥基不能參與ACh水解（如圖三），即膽堿能神經末梢部位釋放的ACh不能迅速被周圍的AchE所水解。導致ACh蓄積，過度刺激膽堿神經能系統，進而組織器官功能性改變，最終出現臨床中毒癥狀如：刺激副交感神經末梢興奮產生先興奮后衰竭的類似于毒蕈堿作用的惡心、嘔吐、腹瀉、大小便失禁、瞳孔縮小、流口水、出汗、心率減慢和呼吸困難等M樣癥狀；刺激自主神經節的節后神經元興奮和骨骼肌興奮產生類似于煙堿作用的血壓升高、心率加快、肌肉震顫和抽搐等N樣癥狀；刺激中樞經系統使得中樞膽堿受體過度興奮，造成頭暈、頭痛、疲乏、共濟失調、煩躁不安、詭妄、抽搐和昏迷等癥狀，嚴重患者可因昏迷和呼吸衰竭而死亡。

6 有機磷農藥中毒的治療

人類一旦出現有機磷農藥中毒應立即送往醫院救治，以防病情發展迅速錯過治療時機。目前行業主要治療方法：（1）使用抗膽堿能藥物阿托品和鹽酸戊乙奎醚，前者應用較早但副作用大，稍有不慎就會造成二次中毒，數據顯示阿托品中毒發生率在40%～60%，死亡率高達18.33%，所以必須根據中毒程度和實際治療情況實時調整用量。而鹽酸戊乙奎醚作為阿托品的替代品毒性低不良反應少，但是藥效慢的特點使得一些學者對其的替代性產生懷疑；（2）碘解磷定和氯解磷定作為肟類復能劑，其分子結構中的季氨基通過靜電引力趨向于失去活力的磷酸化膽堿酯酶陰離子部位，肟基與膽堿酯酶的磷酸化基團結合，使得磷酸化膽堿酯酶在去磷酸化的作用下釋放出恢復活力的AchE（如圖4、圖5）；（3）其他的一些新型解毒藥如安定能夠幫助患者度過膽堿能危象，保護心肌，預防中間綜合征的發生；納洛酮有利于患者呼吸功能，預防水腫，降低腦神經損傷；美金剛對肌束震顫，驚厥等癥狀效果明顯，聯合使用阿托品對于毒蕈樣和煙堿樣癥狀都有消除效果。

7 有機磷農藥新品種

隨著國家對自然環境和食品健康的重視，一些劇毒高毒的有機磷農藥已在我國停止生產、銷售和使用。另有多種有機磷農藥因其高毒性被限制使用比如說氧樂果和甲拌磷。預計未來一段時間內，隨著風險評估的引入和國家對安全、高效、經濟農藥的鼓勵和支持，會有越來越多的高風險農藥產品被列為禁限用農藥。與此同時，各大農藥企業為了保持市場競爭力，研發易降解、低殘留、高活性的農藥新品種已經成為必然的趨勢。

參考文獻

[1] 顏仕偉.有機磷農藥[J].農藥，1990，29（1）：47-49.

[2] 賀紅武.有機磷農藥產業的現狀與發展趨勢[A].第二屆中國磷化工可持續發展國際研討會[C].2008：33-40.

[3] 劉建利.微生物降解有機磷農藥污染的研究進展[J].生物學雜志，2010，27（4）：79-82.

[4] Jijun Gao，Linghua Liu，Xiaoru Liu.The Occurrence and Spatial Distribution of Organophosphorous Pesticides in Chinese Surface Water[J].Bull Environ Contam Toxicol，2009（82）：223-229.

[5] 馬瑾，潘根興，萬洪富.有機磷農藥的殘留，毒性及前景展望[J].生態環境，2003（2）：213-215.

[6] Hay Dvir，Israel Silman，Michal Harel.Acetylcholinesterase From 3D Structure to Function[J].Chemico-Biological Interactions，2010（187）：10-22.