于利莉，王步軍

(中國農業(yè)科學院作物科學研究所/農業(yè)部谷物品質監(jiān)督檢驗測試中心，北京 100081)

我國是世界重要的糧食生產國，作物種類繁多，生態(tài)條件多樣，病蟲害發(fā)生普遍。農藥在防治病蟲害、提高作物產量與品質、保障農產品質量安全等方面起著重要作用[1]。小麥作為我國第二大糧食作物，各種病蟲害是直接影響小麥產量與品質的主要因素。農藥的科學合理使用可有效預防病蟲害的侵襲，在一定程度上保證了小麥的健康生長，從而保障了小麥的產量與品質。但隨著農藥的廣泛生產和使用，在大大提高農作物產量的同時，其負面效應也日益突顯。農藥及其降解、代謝產物不僅對農作物本身造成污染，還對生態(tài)環(huán)境如土壤、大氣、水質等造成污染，破壞生態(tài)平衡。這些污染物會通過食物鏈的富集作用進入食品中并被人體攝取，由于其降解速度緩慢，因而容易在人體內蓄積，對人類健康構成嚴重威脅[2]。盡管目前國內外嚴格控制農產品中農藥的殘留量，但由于農藥的廣泛、大量甚至不合理使用，使農作物及其生存環(huán)境中普遍存在農藥超標現象，給食品原料安全生產帶來很大風險。同時，農藥在農作物體內的降解與代謝產物也是農產品中農藥殘留的重要組成部分。因此，對農藥在農作物中降解、代謝產物進行研究、開展詳盡的農藥安全評估以及農產品的農藥殘留風險評估工作具有重要意義。本文擬就有機磷和擬除蟲菊酯類兩種農藥在小麥生長、貯藏以及加工過程中的降解、代謝規(guī)律及其膳食風險評估現狀進行綜述，為農藥在小麥及其制品中的安全使用及農產品質量安全保障措施的制定提供理論依據。

1 有機磷和擬除蟲菊酯類農藥使用概況

農藥是現代農業(yè)發(fā)展的產物，是保證農業(yè)生產安全和農產品質量安全的重要手段。自20世紀40年代起，為了防治農業(yè)生產中的病蟲草害，提高農作物的產量與品質，世界各國開始大范圍使用各類農藥[3]。目前，我國農藥的使用量位居世界第一，每年因農藥的使用可挽回糧食總產量損失的10%～15%[4]。在人口眾多、耕地緊張的農業(yè)大國中，農藥對于緩解人口與糧食的矛盾具有至關重要的作用。目前，農藥根據用途可分為七大類：殺蟲劑、殺菌劑、殺螨劑、除草劑、脫葉劑、殺鼠劑、植物生長調節(jié)劑。根據成分和分子結構又可分為有機磷類、有機氯類、擬除蟲菊酯類、氨基甲酸酯類、脒類、二硝基苯胺類等。本文將重點闡述有機磷類和擬除蟲菊酯類這兩類農藥。

1.1 有機磷農藥

有機磷農藥(organophosphorus pesticides，OPs) 是一類含有磷原子的有機酯類化合物，能夠抑制乙酰膽堿酯酶(AchE)活性，使乙酰膽堿在機體內聚集而產生毒性作用[5]。由于有機磷農藥具有殺蟲廣譜、高效能、低殘留、低成本等特點而被廣泛應用于小麥病蟲害防治中。目前，有機磷農藥已有70多年的使用歷史，世界上商品化的有機磷農藥種類多達150多種，在中國常用的有30多種，其中絕大多數為殺蟲劑，少數為殺菌劑和除草劑等[10]。圖1為有機磷農藥的結構通式，R1和R2通常為甲氧基(-OCH3) 或者乙氧基(-OC2H5)，X為硫原子或者氧原子，Z為烷基、烷氧基、硫代烷基等取代基團。有機磷農藥大多為磷酸酯類和硫代磷酸酯類化合物，主要有以下五種結構類型：磷酸酯類；硫代和二硫代磷酸酯類；磷酰胺和硫代磷酰胺類；焦磷酸酯類和硫代焦磷酸酯類；膦酸酯和硫代膦酸酯類。其中，磷酸酯類有機磷農藥可直接與膽堿酯酶共價結合，毒性作用迅速；而硫代磷酸酯類有機磷農藥需要經過代謝、氧化脫硫才能與膽堿酯酶結合發(fā)揮毒性作用，毒性作用相對較弱，但往往持續(xù)時間較長[5]。

圖1 有機磷農藥結構式

1.2 擬除蟲菊酯類農藥

擬除蟲菊酯類農藥(pyrethroids pesticides) 是20世紀70年代初仿效天然除蟲菊化學結構研發(fā)的一種酯類合成藥物，由于具有高效、廣譜、低毒性、低成本等特點，是繼有機磷、氨基甲酸酯等農藥之后興起的一類新型殺蟲劑，約占世界殺蟲劑產量的五分之一[6]。擬除蟲菊酯由菊酸和醇兩部分構成，根據分子結構中是否含有氰基，可分為I型(分子中不含α-氰基) 和II型(在α-碳原子位置含α-氰基)。I型擬除蟲菊酯如氯菊酯、胺菊酯、聯苯菊酯等，毒性較低，常被用作衛(wèi)生殺蟲劑；II型擬除蟲菊酯如溴氰菊酯、氯氰菊酯、氯氟氰菊酯等，具有中等毒性，常被用作農業(yè)害蟲防治和糧食儲藏，目前以II型使用較多。近年來，由于擬除蟲菊酯類農藥的大量使用導致農作物和環(huán)境中的擬除蟲菊酯殘留不斷蓄積，不僅在自然環(huán)境，如土壤、大氣、水質中檢測到擬除蟲菊酯殘留，在農產品中也有檢出[7-9]。

2 有機磷和擬除蟲菊酯類農藥的毒性研究

2.1 神經毒性

有機磷農藥的神經毒性主要表現為抑制乙酰膽堿酯酶的活性，使膽堿能神經末梢釋放的乙酰膽堿大量蓄積，導致神經系統(tǒng)過度興奮并很快轉向抑制，最終進入衰竭狀態(tài)[10]。同時，有機磷農藥還會引起膽堿能受體減少，引發(fā)各種神經系統(tǒng)疾病，如老年癡呆、帕金森綜合癥等[11]。擬除蟲菊酯類農藥的神經毒性主要表現為可逆性地作用于神經細胞軸突膜上的鈉離子通道，阻礙鈉離子通道的正常開合，延長跨膜鈉離子流，導致神經細胞去極化現象和神經信號傳導受阻[12-13]。此外，還有研究表明，菊酯類農藥可以影響大鼠海馬組織中乙酰膽堿的釋放[14]。

2.2 生殖毒性

長期與農藥接觸，可能會干擾機體生殖細胞的形成，降低精子和卵子的活力；還會對神經系統(tǒng)、內分泌腺產生間接影響，導致機體激素分泌紊亂，產生生殖障礙。研究發(fā)現，對氧磷和對硫磷可顯著增加男性精子頂體反應的發(fā)生率，使質膜的完整性受損[15]。Recio等[16]發(fā)現有機磷農藥的代謝產物磷酸二乙酯會導致男性精子染色體異常，說明有機磷農藥與染色體的缺失有密切關系。擬除蟲菊酯類農藥主要通過影響機體的內分泌系統(tǒng)功能而產生生殖毒性[17-18]。據報道，擬除蟲菊酯類農藥能夠降低男性精子的密度和活力，造成精子DNA損傷，導致精子畸形甚至死亡[19-20]。

2.3 免疫毒性

有機磷農藥對機體的免疫器官、體液免疫、細胞免疫等均具有抑制作用。Aly等[21]發(fā)現，樂果和甲基對硫磷可引起小鼠體內胸腺和脾臟指數顯著降低。急性有機磷農藥中毒會導致患者血清中的IgA、IgG、IgM、C3和C4的含量顯著降低[22]。皮下注射半致死量20%和80%的敵敵畏可顯著抑制大鼠體內自然殺傷細胞的活性，產生細胞毒性[23]。說明有機磷農藥會影響人體免疫系統(tǒng)，產生免疫毒性，并伴有一系列并發(fā)癥。擬除蟲菊酯類農藥的免疫毒性主要表現為影響動物免疫器官的發(fā)育和結構、損害免疫細胞、干擾細胞因子及其受體的表達水平等。Prater等[24]研究發(fā)現，單次經皮給予220 ～1100 mg·kg-1bw的氯菊酯會導致小鼠胸腺和脾臟指數顯著下降；經口給予小鼠5.00和10.00 mg·kg-1bw·d-1的溴氰菊酯2周后，小鼠血液中的白細胞、淋巴細胞和粒細胞的數量均顯著下降[25]。說明擬除蟲菊酯類農藥可通過干擾機體免疫細胞的增殖和分化對機體的免疫功能造成損傷。

3 小麥及其制品中有機磷和擬除蟲菊酯類農藥的降解與代謝研究進展

農藥在代謝過程中能夠產生比母體生物活性更強、在生物體內滯留時間更持久、對非靶標生物毒性更大的有毒代謝物[26]。這些有毒代謝物的理化性質也與母體有很大差異，極性更強，更易溶于水，遷移性更強，有些農藥的代謝物毒性甚至是其母體農藥的20～50倍，對環(huán)境污染和食品安全的威脅要比母體農藥大得多[27]，因此應該對農藥代謝物的環(huán)境污染和食品安全問題給予高度重視。目前，農藥在生物體內的代謝形式主要有五種，分別為衍生化、異構化、光化、裂解和軛合。衍生化指農藥受外界環(huán)境因子或者土壤中微生物的作用，在動植物體內經過酶的催化作用，可氧化或還原為其他類似的衍生物，如2,4,5-T在微生物的作用下會轉化形成二噁英，具有強烈的致癌作用。異構化指有機磷農藥中的硫代磷酸酯類的硫原子和氧原子產生互換，如樂果作為一種低毒性有機磷農藥，非常容易發(fā)生氧化反應產生代謝產物氧樂果，其毒性是母體的10倍[28]。對硫磷中的硫原子和氧原子發(fā)生互換，產生毒性更強的代謝產物對氧磷。光化是農藥由于吸收光能、產生異構化、光氧化或者光水解，如艾氏劑可被微生物氧化生成不易降解的狄氏劑，狄氏劑在某些細菌的作用下可以進一步代謝形成毒性更強、更不易降解的光化狄氏劑[29]。裂解指農藥在生物體內經過酶的作用發(fā)生水解或脫鹵，導致農藥分子裂解，使農藥從非極性化合物轉化為極性較強的化合物。如氟乙酰胺作為高毒性的內吸性農藥，水解后的代謝產物氟乙酸具有劇毒。軛合主要指脂溶性農藥在生物體內經過氧化、還原或者水解反應形成極性基團后，與生物體內的糖類、氨基酸、硫酸鹽等結合形成軛合物[30]。

3.1 有機磷農藥在小麥及其制品中的降解與代謝

有機磷農藥屬于具有典型代謝產物的農藥，約75%以上的有機磷農藥可以在微生物或酶的催化作用中代謝形成1種以上的二烷基磷酸酯化合物(diakyl phosphrate, DAP)代謝產物，這些代謝產物仍具有生物毒性，能夠影響甚至決定母體農藥對非靶標生物的安全性。目前，大部分有機磷農藥的降解半衰期較短，噴施后很快會被降解代謝，但也有部分有機磷農藥不易氧化、分解，轉化的動力學過程緩慢，能在環(huán)境中長期滯留，有的還可能發(fā)生化學變化，轉化成為毒性更強、危害性更大的二次污染物。夏曉明等[31]研究報道，在小麥上噴施推薦劑量的氧樂果后，氧樂果在小麥葉片、莖鞘和麥穗中的降解半衰期較短，分別為1.80、1.30和2.10 d，但是在小麥收獲期，麥穗中的氧樂果殘留量仍可達到0.03 mg·kg-1，超出國家規(guī)定的氧樂果的最大殘留限量標準(0.02 mg·kg-1)[32]。沈 燕等[1]研究表明，在花后不同時期噴施推薦劑量的毒死蜱和樂果，小麥穗部的毒死蜱和樂果殘留均呈現下降趨勢，降解半衰期分別為1.20～3.36 d和1.49～4.75 d。在成熟期，小麥的不同部位均檢測出毒死蜱和樂果殘留，主要分布在麩皮和穎殼中，面粉中未檢出。但在小麥花后21 d噴施2倍劑量的樂果，在成熟期，面粉中樂果的分配比例(15%)高于小麥花后35 d的處理(6%)，說明農藥噴施劑量越大，農藥越容易滲入小麥組織中，進入小麥籽粒內部胚乳層的可能性越大，農藥殘留量越大。此外，農藥在小麥中的降解速率不僅受施藥時間、施藥頻率和小麥植株不同部位的限制，也會受外界復雜環(huán)境條件的影響。Afridi等[33]研究了水分含量和貯藏溫度對小麥中有機磷農藥降解速率的影響，結果表明，在溫度為25 ℃、水分含量為10%時，甲基毒死蜱和甲基嘧啶磷的半衰期最長，分別為69和101 d；在溫度為40 ℃，水分含量為13%時，甲基毒死蜱和甲基嘧啶磷的半衰期最短，分別為34和38 d，說明水分含量越大，貯藏溫度越高，有機磷農藥的降解速率越快。Balinova等[34]研究發(fā)現，小麥在室溫下貯藏270 d，小麥中甲基毒死蜱和甲基嘧啶磷的農藥殘留分別降低了53.60%和42.30%。小麥粉在貯藏過程中，分別加入0.10 mg· kg-1的樂果、特丁磷、乙拌磷和甲基嘧啶磷，其半衰期在23.90 d～57.20 d之間；貯藏三個月后，這四種有機磷農藥降解了69%～92%[35]。一般的加熱處理，包括擠壓、蒸煮、烘烤等能夠降低農藥殘留，但部分農藥在食品加工過程中較穩(wěn)定，降解速率較慢，很容易殘留在小麥制品中。Sharma 等[36]研究了受不同劑量農藥污染的面粉在和面、發(fā)酵、烘焙等面包制作過程中農藥的降解規(guī)律。結果表明，在面粉中添加1.00～4.00 mg·kg-1的毒死蜱和馬拉硫磷，在面包制作過程中，毒死蜱和馬拉硫磷的降解率在50.66%～88.35%之間，且添加劑量越大，農藥在面包的制作過程中降解速率越慢。Uygun等[37]研究發(fā)現，粗面粉在貯藏150 d后仍能檢測到農藥殘留，其中甲基毒死蜱和甲基嘧啶磷的農藥殘留分別可達3.00和5.00 mg·kg-1，遠遠超出農藥殘留限量標準；將噴施了有機磷農藥的粗面粉制作成意大利面后，仍能檢測出農藥殘留(0.50～1.38 mg·kg-1)；意大利面在貯藏120 d后，仍能檢測到馬拉硫磷、甲基毒死蜱和甲基嘧啶磷的農藥殘留(0.01～0.11 mg·kg-1)。說明部分有機磷農藥在生物體和環(huán)境中較穩(wěn)定，不易降解，非常容易造成小麥及其小麥制品中的農藥殘留污染，給農產品質量安全帶來嚴重威脅。

有機磷農藥在環(huán)境或生物體內的代謝轉化主要有氧化、還原、水解和結合等形式。其中，氧化作用往往使農藥的毒性增強；水解作用常使農藥的毒性降低。毒死蜱在土壤、大氣、水質和動植物體內中經過光解、水解和微生物代謝后可以產生20多種代謝產物，其中最主要的代謝產物為3,5,6-三氯-2吡啶酚(3,5,6-Trichloro-2-pyridinol, 3,5,6-TCP)[38-39]。氧樂果在環(huán)境中很難被生物降解，在曲霉作用下能夠產生毒性很強的中間代謝產物O,O,S-三甲基磷酸酯[40]。Uygun等[41]報道，在小麥中添加推薦劑量的馬拉硫磷，在小麥粉、麩皮、面粉和面包中均可檢測到代謝產物異馬拉氧磷，并且隨著貯藏時間的延長，所有基質中異馬拉氧磷的含量不斷升高，到貯藏第127 d時仍可檢測出大量異馬拉氧磷殘留；此外，在小麥粉和麩皮中還可以檢測出代謝產物馬拉氧磷，隨著貯藏時間的延長，馬拉氧磷的含量也不斷升高。目前，關于有機磷農藥在植物中的代謝機理研究還相對匱乏，還有待進一步深入研究。

3.2 擬除蟲菊酯類農藥在小麥及其制品中的降解與代謝

擬除蟲菊酯類農藥大多為手性農藥，手性農藥的空間構型會影響擬除蟲菊酯類農藥的降解速率。一般反式異構體被酯酶水解的速度快；而順式異構體被氧化酶水解的速度慢。此外，含有氰基，即II型擬除蟲菊酯類農藥的水解速度較慢，其降解速率較慢。目前，擬除蟲菊酯類農藥在土壤、大氣、水質和動植物體內的降解途徑主要有光解、水解、生物降解等形式。其中，光解是擬除蟲菊酯類農藥最直接、最有效的降解方式。Liu等[42]研究發(fā)現，溴氰菊酯和氰戊菊酯的光降解遵循一級動力學規(guī)律，主要有酯裂解、光氧化、光異構化和脫氰4種光降解反應形式，發(fā)現的主要光降解產物有3-苯氧基苯甲醛、對氯苯甲醛和4-氯苯甲酸乙酯。并且溴氰菊酯和氰戊菊酯的初始濃度、光照時間和光源等條件都會影響農藥的降解過程。溫度和水分含量對擬除蟲菊酯類農藥的降解也有顯著影響。Afridi等報道[33]，在小麥中噴施2.00 mg·kg-1的氯菊酯，在溫度為25 ℃、水分含量為10%時，小麥的半衰期最長，為346 d；在溫度為40 ℃、水分含量為13%的條件下，小麥的半衰期最短，為78 d，可能高溫和高水分加速了農藥的水解反應速率，也可能是通過影響pH間接影響農藥的水解反應速率。擬除蟲菊酯類農藥還可以在生物體內通過酶的生物化學作用進行降解，有些擬除蟲菊酯類農藥降解的中間產物比母體農藥的毒性小，甚至無毒，而有些則毒性會增強，如氯菊酯母體相對無毒，但其十多種降解產物中有2～5種毒性更強[43]。目前，關于擬除蟲菊酯類農藥在小麥制品中降解代謝規(guī)律的研究相對較少。Balinova等[44]研究表明，在小麥籽粒中添加0.50 mg·kg-1的溴氰菊酯，貯藏180 d后，研磨制成面粉后仍能檢測出0.03～0.20 mg·kg-1的農藥殘留；添加4.00 mg·kg-1的溴氰菊酯，貯藏270 d后，仍能在面粉中檢測出0.40～1.50 mg·kg-1的農藥殘留，遠遠超出歐盟所規(guī)定的溴氰菊酯最高殘留限量標準1.00 mg·kg-1。Sharma等[36]在面粉中添加1.00～4.00 mg·kg-1的溴氰菊酯，在面包制作過程中，經過和面、發(fā)酵、高溫烘焙等工藝，最后面包成品中溴氰菊酯的殘留率在23.35%～36.82% 之間；研究表明，在面包烘烤過程中，由于基質受熱，農藥的降解可以通過一些物理化學反應來完成，如蒸發(fā)、蒸餾和熱降解等；同時酵母介導的發(fā)酵過程也會導致農藥的降解?？偟膩碚f，雖然擬除蟲菊酯類農藥具有高效、低毒等優(yōu)點，但是半衰期較長，降解動力學過程緩慢，且具有光、熱穩(wěn)定性，很難在自然條件下快速降解；其在植物體內的代謝過程比較復雜，代謝方式主要有兩種，一種是在植物的表面直接發(fā)生光致轉化，另一種是在植物體內發(fā)生酯鍵斷裂，水解生成酸和醇，再通過氧化作用、軛合反應等進行下一步代謝[45]。氯菊酯發(fā)生酯鍵斷裂可以水解生成二氯異氰脲酸和間苯氧苯甲醇，間苯氧苯甲醇會進一步發(fā)生氧化作用生成醛，最終代謝形成間苯氧苯甲酸；這些代謝產物可以進一步與氨基酸或者葡萄糖醛酸軛合形成進一步代謝產物[46]。陳 雪等[47]研究發(fā)現，溴氰菊酯在煙葉中的代謝途徑主要是被水解、氧化，轉化成更穩(wěn)定的3-苯氧基苯乙酸和3,3-二甲基環(huán)丙烷-1,2-二甲酸。甲氰菊酯在蔬菜上經過酯鍵斷裂、羥基化、苯氧基羥基化和氰基水解可以形成羧基、乙酰胺和相應的共軛物[48]。目前，關于擬除蟲菊酯類農藥在小麥中的代謝機理研究還相對匱乏，有待進一步深入研究。

4 總 結

有機磷和擬除蟲菊酯類農藥作為我國目前使用量最大的兩種農藥，其在小麥植株中的殘留、降解規(guī)律及其代謝途徑各有不同。有機磷農藥毒性強，但半衰期較短；擬除蟲菊酯類農藥毒性小，但是半衰期較長，很難在自然環(huán)境中降解。我國目前針對農藥在小麥中代謝產物的鑒定及分布研究還相對較少，關于農藥在小麥制品加工過程中的降解與代謝規(guī)律、產物的鑒定以及膳食風險評估的研究也很匱乏，相關研究還有待加強。今后應加強對小麥中有機磷和擬除蟲菊酯類農藥的監(jiān)測力度，健全相關管理體制與監(jiān)督體系，嚴格控制小麥中這兩種農藥的國家安全使用限量；進一步強化小麥生產過程中農藥的安全使用規(guī)范，加強農藥知識普及工作，引導農民科學合理用藥；加快產業(yè)結構調整，不斷開發(fā)高效低毒的新型農藥代替目前仍廣泛使用的高中毒有機磷和擬除蟲菊酯類農藥，確保小麥及其制品的質量安全。