氨基甲酸酯类农药的毒理学-环境化学

氨基甲酸酯类农药的毒理学及分析检测方法综述农药作为农业生产的重要投入物质，对农业发展和人类粮食供给作出了重大贡献.有资料表明，世界范围内农药所避免和挽回的农业病、虫、草害损失占粮食产量的1/3[1].我国拥有世界7%的土地，养育着世界上22%的人口，农药的作用不容忽视[2].但同时由于使用方法不当和过量使用，导致环境中残留的农药超过了环境的自净能力，残留在环境中的农药给人和动植物带来了极大风险，尤其是在我国农村，现象更为严重，我国目前农村人口为5.7亿人[3]，农药的不当使用给农村人口的健康造成了很大的威胁.因此研究农药的环境毒理学及其检测技术是十分必要的.1.氨基甲酸酯类农药概述1.1.发展历程在很久以前，人们就发现自然界中存在一种蔓生豆科植物毒扁豆，生长在西非地区，这种扁豆的种子中存在一种剧毒物质.19世纪八十年代，研究人员分离得到毒扁豆碱，20世纪20年代确定了其化学结构，30年代完成了毒扁豆碱的人工合成.毒扁豆碱就是首次发现的天然存在的氨基甲酸酯类化合物.研究发现，氨基甲酸酯类的衍生物对蚜虫和螨虫具有触杀活性.到了1951年第一个生产氨基甲酸酯衍生物用以除虫剂的公司成立[4].这种除虫剂凭借其独特的优势迅速发展了起来，在20世纪末，在全世界范围内，销售额居第三位，而且产量仅次于有机磷类杀虫剂[5].现如今，氨基甲酸酯类农药更是已经成为了农业上重要的除虫剂.1.2.理化性质氨基甲酸酯农药是一类具有N-取代基的氨基甲酸酯化合物，属于尿素的衍生物，其基本结构式为：式中R1和R2为烷基或芳基，目前，含N-烷基的氨基甲酸酯农药多为杀虫剂，具有N-芳基的多为除草剂.氨基甲酸酯类农药一般多为白色或者淡黄色晶体，无特殊气味，味道苦且有冰冷的感觉，无腐蚀性.有的溶于水，比如呋喃丹、异索威[6]，有的微溶于水，比如西维因，有的不溶于水，比如叶蝉散，而这些氨基甲酸酯类农药基本都可以溶于有机溶剂[7].熔点较高，在酸性条件下稳定，遇到碱性物质则会分解失效，暴露在空气和阳光下容易衰减，在土壤和河流中的半衰期为数天或者数周.2.分类根据氨基甲酸酯类所带的R基的不同，这类农药主要分为五大类：a.萘基氨基甲酸酯类，如甲萘威，比如西维因；b.苯基氨基甲酸酯类，如异丙威（灭扑散、叶蝉散）；c.氨基甲酸肟酯类，如涕灭威（铁灭克）；d.杂环甲基氨基甲酸酯类，如克百威、卡巴呋喃；e.杂环二甲基氨基甲酸酯类，如异索威等.这五大类是目前较为常用的除虫剂，其中是剧毒物质，比如异索威，是国家严格要求的.3.毒性作用长时间接触氨基甲酸酯类农药就会产生中毒表现，氨基甲酸酯类农药的中毒表现与有机磷农药中毒时的表现十分相似，但是与有机磷农药中毒最大的不同是有机磷农药中毒后，中毒表现出的症状时间相对较长，但是氨基甲酸酯类农药中毒表现十分迅速，并且反应强烈，中毒情况也比较严重.如果是急性中毒，那么症状表现十分明显，主要有流涎、流泪、瞳孔缩小和肌肉颤动等表现.但是经过及时治疗，短时间内就能恢复正常.所以说，氨基甲酸酯类农药与有机磷农药相比，独行还是较低的.氨基甲酸酯农药中毒的原理与有机磷农药是相同的，都是抑制胆碱酯酶的活性，使其活性降低，从而使神经系统受到强烈的刺激，发生一系列临床中毒表现[7].实验表明，氨基甲酸酯类农药经口对实验动物进行急性染毒后，在很短的时间内，染毒动物会出现与有机磷农药中毒相似的症状，比如：大小便失禁、肌肉震颤、瞳孔缩小、流涎等症状.与此同时，胆碱酯酶活性降低，导致乙酰胆碱蓄积.如果实验动物发生重度中毒，实验动物多数于1h内死亡，并表现出强烈的抽搐现象，24h内未死亡者，次日中毒现象就会减轻，机体也会逐渐恢复正常[8].目前，各学者研究较多的就是氨基甲酸酯类农药的“三致作用”，即致癌、致畸、致突变，以及氨基甲酸酯类农药的蓄积作用.对于蓄积性作用，由于氨基甲酸酯类农药与胆碱酯酶的结合使可逆的，而且在体内能够被水解，所以氨基甲酸酯类农药的蓄积作用不强.但事无绝对，现在有研究表明在动物的肝脏、肾脏、心、肾上腺、大脑、生殖腺中，氨基甲酸酯类农药中的二硫代类会发生蓄积性作用，并且在此代谢过程中会产生比母体活性要强的物质，比如乙烯硫脲、乙烯硫单硫化合物等，会对机体产生毒性作用[9].已有研究表明，二硫代氨基甲酸酯类农药具有胚胎毒性和生殖毒性，并且有对实验动物呈现出胚胎毒性和性机能毒，并有“三致作用”，其中致畸作用表现明显，这类毒物以代森锰为代表，其次为福美锌和代森锌.对于“三致作用”，有研究表明，用西维因对实验动物染毒后，大鼠和小鼠会发生癌变现象；对狗、猪等大型哺乳动物染毒后，胚胎会发生致畸作用；西维因进入人体胃部后，在酸性条件下，西维因会保持活性，可以与食物中的硝酸盐生成N-亚硝基化合物，具有致癌作用[10].虽然大量的实验都表明了氨基甲酸酯类农药具有“三致作用”，但是目前没有报告表明此类农药会引起癌症的流行病.除了蓄积性作用和“三致作用”外，目前也发现少数氨基甲酸酯类农药会引起机体的迟发性神经作用.4.毒作用机制国内外的学者关于氨基甲酸酯类农药的致毒机制已经取得很多效果.学术上主要有两种学说.一种是说胆碱酯酶的阴离子部位和酯解部位发生了争夺氨基甲酸酯分子的可逆性竞争抑制[11],就是说氨基甲酸酯全部的分子与胆碱酯酶形成了一种中间物，该物质在机体内适宜的条件下，可以进行分解，分解产物是胆碱酯酶和氨基甲酸酯，在这个过程中，胆碱酯酶并没有发生结构上的变化，也就是化学性质没有改变，氨基甲酸酯也是如此.另一种学说是受到了有机磷农药的毒作用机理的启发，认为氨基甲酸酯类农药的致毒机制与有机磷农药的致毒机制是一样的[12],胆碱酯酶与氨基甲酸酯的结合是不可逆性的竞争抑制.即氨基甲酸酯与胆碱酯酶发生了不可逆性的化学反应,胆碱酯酶的化学结构发生了改变，失去原来的性质，形成了氨基甲酰化的胆碱酯酶[13].在上述两种致毒机制中，第一种致毒机制得到大多数学者的认可，即氨基甲酸酯类农药与胆碱酯酶的结合是可逆性的.氨基甲酸酯类农药的化学结构与机体内的乙酰胆碱的化学结构相似，因此，氨基甲酸酯类农药进入机体后会与胆碱酯酶相结合，主要结合部位是胆碱酯酶活性中心的丝氨酸，形成氨基甲酰化ChE，结果使胆碱酯酶失去原来的活性，不能够在与乙酰胆碱结合.可以说氨基甲酸酯类农药是一种抑制剂，抑制胆碱酯酶，而不会根本性的改变胆碱酯酶的化学性质.这一点和有机磷农药的致毒机制是不一样的.而且，氨基甲酸酯在机体中不需要经过代谢活化，与胆碱酯酶的结合是直接的，整个分子与胆碱酯酶结合，然后形成一种疏松的络合物，不是真的化学键合，因此在水解酶的作用下，络合物会快速水解，从而使胆碱酯酶不在受到抑制，自动复活.从这一点可以知道，氨基甲酸酯类农药属于急性毒药，潜伏期相比较有机磷农药较短，症状较轻，如果接触的不多，机体可以自动恢复原有机能.5.氨基甲酸酯类农药对环境和人的影响5.1.环境中的迁移转化氨基甲酸酯类杀虫剂虽然具有高效、残留期短的优点，但是它依然是一种高毒性的物质，可以通过大气、水、土壤、植物、动物等进行迁移转化，通过食物链还会给人类健康造成损害，而且接触污染空气.接触污染水源，也会造成人体暴露[14].因此，研究氨基甲酸酯类农药在环境中的迁移转化也是不容忽视的.5.2.大气氨基甲酸酯类农药可以依靠空气中的空气中的尘埃和其他小颗粒的物质进行附着或者进行反应，有的氨基甲酸酯类农药还会被小颗粒物质吸收，产生新的物质，使其不易沉降，从而在风的动力下，扩散到其他地区.当然，在空气中，氨基甲酸酯类农药会受到温度、光照、湿度和颗粒物的影响.比如在日光的照射下，氨基甲酸酯类农药还会分解出独特的结构，或者产生较毒的副产物，对环境造成二次危害.5.3.水除了部分氨基甲酸酯类农药不溶或者难溶于水外，其余氨基甲酸酯类农药具有一定的水溶性.而且氨基甲酸酯类农药的利用率不高，在喷洒农药的过程中，大概只有10%的农药得到了有效利用，其余60%多基本都落在土壤中.在雨水的冲刷下，氨基甲酸酯类农药会随雨水下渗到地下水中，或者汇入河流、湖泊和海洋中.从而污染了地下水，进入河流和海洋的会影响水生动植物的生存，抑制水生植物的光合作用，使其死亡，使得鱼虾及贝类等水生动物发生病变，降低生殖能力，导致海洋生态失调[15].5.4.土壤因为喷洒的氨基甲酸酯类农药大部分都落入土壤，所以土壤是氨基甲酸酯类农药的一个重要富集区.土壤中生存着大量的微生物，几乎所有土壤微生物均可参与对氨基甲酸酯的代谢过程,其中包括真菌和细菌.在微生物的分解作用下，氨基甲酸酯类农药会迅速被分解，生成无毒的二氧化碳、氮气和水等.但是分解速率受到土壤温度、湿度及氨基甲酸酯类农药化学结构的影响.不同条件下会产生不同物质.一般来说湿润土壤中的分解速率要大于干燥土壤.有些氨基甲酸酯类农药稳定性较高，在土壤不易分解，比如涕灭威，对昆虫、水生生物、水生植物和哺乳动物均有毒性，在土壤中的代谢产物也有较高的毒性，且水解缓慢，这类农药在使用中要十分注意使用量[16].5.5.氨基甲酸酯类农药对人的影响目前有研究表明部分氨基甲酸酯类农药，比如涕灭威、呋喃丹等高毒性农药会对人类的神经系统、内分泌系统、生殖系统和免疫系统造成不利的影响，尤其是对生殖系统的影响，更是受到研究人员和普通人的关注，因为这与我们的后代息息相关[17].根据资料表明，男性如果长时间暴露于氨基甲酸酯类农药下，男性的生殖功能会有所损害.夏彦恺曾做过相关实验，当男性工人的精子接触到西维因时，镜子中出现了异常情况，X和Y染色体的数目是不正常的，而且精子会产生畸形，染色体畸变率也有所变大[18].对于女性来说，氨基甲酸酯类农药也会影响女性的生殖功能，而且影响危害要大于男性，因为女性受到影响后会流产率会增加.李燕南在排除其他实验干扰的情况下，发现生产西维因的女性工人的流产率要大于在行政办公的女性[19].氨基甲酸酯类农药对生殖功能的影响主要是氨基甲酸酯类农药进入人体后，会生成大量的活性氧，活性氧会消耗体内的酶类物质，使得机体出现氧化应激，最终破坏了精子的细胞膜和损害女性卵巢的机能，最终影响了男性和女性的生殖功能.6.氨基甲酸酯类农药的分析检测方法氨基甲酸酯类农药的检测分为前处理和仪器分析两个步骤.氨基甲酸酯类农药由于在环境中停留时间短，因此通常残留浓度不高，而且会携带副产物，会对分析检测造成干扰，需要对待处理样品进行提纯、净化浓缩等预处理.预处理是分析检测中最重要的环节，该步骤出现问题将会导致整个检测的失败.目前用来进行氨基甲酸酯类农药的与处理方法已经比较成熟，比如液-液萃取、微波辅助萃取、固相萃取、固相微萃取、超临界萃取、中空纤维液相微萃取、凝胶渗透色谱等[20].其中液-液萃取和微波辅助萃取是对简单的样品进行萃取，也可以用作复杂样品的第一次萃取.有些样品含有较多的脂肪和蛋白质，只萃取一次是达不到检测的标准的，而且会污染色谱分析系统，甚至造成堵塞.因此需要对初步提取液做净化处理，此时就要用到中空纤维液相微萃取和凝胶渗透色谱这两种提纯方法，因为这两种方法可以去除脂肪、蛋白质等大分子，提高色谱分析的准确性.在实际操作用，要根据待测样品的组成，选择合适的提纯净化方法，才能使检测事半功倍.目前常用仪器分析法检测分析氨基甲酸酯类农药在环境中的残留含量.氨基甲酸酯类农药在国家标准中采用的是气相色谱法检测蔬菜中残留的氨基甲酸酯类农药的含量.除了气相色谱外，比较常见的仪器分析法主要有高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱-质谱法（GC-MC）、液相色谱-质谱法（HPLC-MS）等.此外还有分光光度计法，但是分光光度计法测量范围有限，测量样品的类型也较为单一，所以实际应用中不多.目前在检测氨基甲酸酯类农药的仪器分析法中，最常用的是高效液相色谱法.对于含有未知氨基甲酸酯类农药化合物的样品，通常采用色谱-质谱联用法，该方法准确性高而且分析迅速，所以也适合突发环境污染事件的检测.7.氨基甲酸酯类化合物的其他用途万事万物都是具有两面性的，氨基甲酸酯类化合物虽然被人们主要应用到农药领域，而且因为它的毒性，让人们谈之色变，但是，氨基甲酸酯类化合物的用途不单是农药领域，还可以应用到其他领域，比如，医药领域，氨基甲酸酯类化合物被用作镇静剂；氨基甲酸酯类化合物可以用作水泥添加剂, 生产低收缩水泥；氨基甲酸酯类化合物用于丝织品，使得织物抗皱性能好.可见氨基甲酸酯类化合物并不是人们想象中的那么可怕.我们要用辩证的思维对待它.8.结语氨基甲酸酯类农药是我国目前广泛使用的除草剂和除虫剂，由于不规范的使用，造成了农药污染.本文通过综述氨基甲酸酯类农药的毒性作用、致毒机制、环境效应、对人的影响、环境中迁移转化规律和分析检测方法等方面，对氨基甲酸酯类农药的毒理学做了简单的分析，最后提出对于氨基甲酸酯类农药，我们要用辩证的眼光去对待.。