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第八章新农药的研究与开发


第八章 新农药的研究与开发

? 新农药的研制过程大体上可分为“研究” 与 “开发”两个阶段。 ? 在研究阶段,主要目的是从大量的化合物中 筛选出新的农药活性化合物,发现先导化合, 经结构优化,筛选开发的侯选化合物。 ? 在开发阶段,则主要是对侯选化合物进行开 发试验和安全性评价,最后选 定农药新品种, 进行工业化开发并商品化。

?

第一节 化学合成与工艺研究 ? 第二节 生物筛选与作用机理 ? 第三节 农药安全性评价 ? 第四节 生物源天然产物农药

第一节 化学合成与工艺研究
? 一、先导化合物的发现及优化 ? (一)先导化合物的概念及特点 ? 1、先导化合物的概念 通过生物测定, 从众多的候选化合物中发现和选定的 具有某种生物活性的新化合物。

2、先导化合物特点
?(1)具有新颖的化学结构,并有衍 生和改变结构的发展潜力 ? (2)可作为起始研究模型 ? (3)经结构优化,可开发出受专利 保护的新农药品种。

? 先导化合物(lead compound):指 通过生物测定,从众多的侯选化 合物中发现和选定的具有某种农 药活性的新化合物,一般具有新 颖的化学结构,并有衍生化和改 变结构的发展潜力,可以用作起 始研究模型,经过结构优化,开 发出受专利保护的新农药品种。

(二)发现先导化合物的主要途径
? 1、经验筛选 ? 这种方法发现的活性化合物完全是依靠机遇, 化合物活性和生化机制是不可预测的。因此, 又称为随机筛选。

? 近年来,经验筛选的重点放在具有新颖化学结 构的化合物方面,特别是:(1)在分子中引 入过去农药分子中少见的元素。(2)新型杂 环化合物

? 2、类推合成:对已经开发的活性先导化 合物进行衍生合成,开发新的农药品种或 发现新的二次先导化合物。 ? 3、天然产物模型:从天然存在的化学品 种获得具有生物活性的先导化合物。如从 沙蚕中获得杀虫先导化合物沙蚕毒素,然 后进行类推合成开发出杀螟丹、杀虫双、 杀虫磺、杀虫环等。

? 4、生物合理设计 ? 生物合理设计:就是以靶标生物体生命

过程中某个关键的生理生化作用机制作
为研究模型,人为地设计合成干扰此作

用机制的化合物,从中筛选出先导化合
物,然后进行结构优化开发。

? 生物合理设计的主体思维分三步: ? 第一步:以昆虫为例:研究目标昆虫的 某一生化途径,该途径的末端产物对昆 虫来说是生命攸关的,如果干扰这一途 径中的某一环节,昆虫将死亡。 ? 第二步:研究的干扰机制 ? 第三步:根据研究清楚的靶标,人为地 设计这种酶的抑制剂,合成筛选出的杀 虫剂

? 5.计算机辅助设计

? 多维定量构效关系模型化方 法 (MD QSAR )

随机合成筛选

类推合成

天然活性物质模型

生物合理设计

先导(母体)产 生
一次先导化合 物 先导展开 二次先导化合 物 先导展开 先导优化 应用开发安全 性评价 先导优化
最佳候选物2

MD QSAR
最佳候选物1

先导优化

N次先导化合物

最佳候选物N

商品化新农药品种

二、小试研究、中试研究
? ? ? ? 1、小试研究的内容: (1)选择合成路线。 (2)合成条件优化。 (3)测定和合成反应有关的理化数据,如 热量、黏度等,为设备选型及进一步的工艺 性试验提供依据。

? (4)制定原料,中间体,产品的分 析方法 ? (5)进行物料能量衡算,初步评价 经济效益 ? (6)提供适量合格产品进行田间药 效试验评价和安全性评价

2、中试研究内容 ? (1)验证小试结果 ? (2)根据工程放大的需要,建立一定 规模的中间试验装臵(全流程或单元 操作)考验工艺流程的合理性和操作 条件的可靠性,测定物料平衡,热量 平衡及制定过程控制方案。 ? (3)主要设备材质选择和设备选型 ? (4)较长周期稳定和连续运转

? (5)三废治理方案 ? (6)原材料、中间体及产品的分析方 法和建立产品质量标准 ? (7)产品应用研究 ? (8)中试技术及中间评价 ? (9)基础设计与最终评价

新农药研究开发程序
? 生产厂商 ? 先导化合物的发现→小试研究(基 础研究)→概念设计→中间试验 (过程研究)→基础设计(工业规 模)

第二节生物筛选与作用机理
? 一、生物筛选在新农药研究与开发中的意 义 ? 1、生物筛选的含义:采取一定的可重复的 方法和步骤,用一定剂量的候选化合物处 理供试生物材料,根据供试生物材料的反 应并经过的统计分析后,选出有效化合物 供进一步商品化开发,或作为先导化合物 进一步研究。

2、生物筛选的意义
? (1)生物筛选提供先导化合物的生 物活性信息 ? (2)在先导优化及分子设计,特别 是构效关系研究中提供定量活性资料 (毒力) ? (3)对候选化合物商品化开发价值 作出评价。 ? (4)提供毒理学数据

二、供筛选的生物材料的选定
? 生物筛选有两种模式,定向筛选和广 泛筛选。 ? 定向筛选:有预定目标,针对特定的 有害生物进行筛选。如防治棉铃虫药 剂筛选,防治白粉病药剂筛选等。 ? 广泛筛选:又称普筛,是一种没有限 定和预期目标的筛选。

1.生物材料的选取原则
?(1)在室内人为环境条件下,应用 较简便快速的繁殖技术,可保证全 年定时大量供应,不受季节限制。 ?(2)应是广泛发生为害的主要农林 有害生物,具有重要的经济意义, 而且在分类地位上有一定代表性。

2.供筛选的生物材料
? (1)昆虫和螨类。我国常用的种类的是: 粘虫、玉米螟、小菜蛾、棉蚜、米象、 淡色库蚊、朱砂叶螨、杂拟谷盗、棉铃 虫、二化螟、褐飞虱、豆蚜、家蝇。

? (2)植物病原菌。我国常用的 种类的是:稻瘟病菌、水稻纹 枯病菌、甘薯黑疤病菌、马铃 薯晚疫病菌、番茄早疫病菌、 柑桔青霉病菌、苹果黑星病菌、 棉花炭疽病菌、黄瓜霜霉病、 花生褐斑病菌、番茄灰霉病菌。

? (3)杂草。我国常用的种类的是: 野燕麦、看麦娘、荠菜、藜、稗、 苋、播娘蒿。

三、筛选方法与毒理研究
?(一)初筛:在室内进行,包括离 体测试和盆栽测试。 ?初筛一般只设计供试化合物的1-3个

剂量(浓度)作用于供试生物,初筛
观察供试化合物有无生物活性,何种

生物活性,大致的活性强度。

1、杀虫剂活性的初筛方法
? (1)饲料混毒法: ? 将待测样品和试虫人工饲料或人工饲料混合 (一般设计1000ug/g和100ug/g两个剂量), 接入初孵幼虫饲养7天,其间观察试虫的反应 症状(如存活、爬行、取食、蜕皮、个体大 小等),并分别于接虫后1天、3天和7天检查 死亡率,第七天称活虫体重,并与对照比较。

(2)叶片浸药饲虫法
? 将待测样品溶于丙酮或甲醇等溶剂,再以水 稀释或将样品作为乳剂以水稀释(一般计 5000ug/ml,1000ug/ml和100ug/ml三个剂 量)将供试害虫喜欢取食的叶片浸3-5S后取 出晾干,饲喂3龄幼虫3d,观察记载害虫的 反应(如存活、取食、爬行、蜕皮等)

(3)微量筛选法
? 在高1.5cm,直径1.0cm的小杯中, 加入1ml含供试样品的水,放入1 头2龄蚊幼虫,4h后在双目解剖镜 下检查试虫的反应。

2、杀菌剂活性初筛方法
? (1)离体测试 ? 离体测试方法:抑制孢子萌发法和抑制 菌丝生长法 ? 离体测试:供试化合物浓度设计为 10ug/ml 、 100ug/ml ? 离体测试的优点:简单、快速、适合微 量样品的初筛 ? 离体测试的缺点:与田间防治实际差异 大,易造成“漏筛”。

(2)活体测试(盆栽试验)
? 供试化合物浓度一般设计为: 50ug/ml和500ug/ml。 ? 盆栽试验一般都在现代化的大型温 室中进行。

3、除草剂活性初筛
? 除草剂活性初筛大多数采用盆栽测试 ? 药 剂 处 理 剂 量 : 0.75kg/hm2 、 1.5kg/hm2、2.25kg/hm2 ? 药剂处理方法:芽前土表处理、混土 处理、芽后茎叶处理、水淹条件下用 滴管将药剂滴入土壤中。

(二)复筛
? 经过初筛后,绝大多数供试化合物被淘 汰掉,少数化合物进入复筛阶段。 ? 复筛是以低于初筛的浓度对初筛中保留 下来的有效样品作进一步的测试。 ? 一般采用5个浓度,求出LD50 、LC50 或 ED50、EC50并和常用的商品农药对照, 以评价是否可进入田间小区试验。

(三)田间小区试验
? 田间小区试验是在田间条件下,对 室内复筛,特别是盆栽试验结果的 进一步考核和筛选。

(四)作用方式和作用机理研究
? ? ? ? ? 1、作用方式研究 (1)胃毒作用(2)触杀作用 (3)熏蒸作用(4)内吸作用 (5)对行为的影响 2、作用机理研究

第三节 农药安全性评价
? 一、农药卫生毒理安全性评价 ? 二、农药环境安全评价

一、农药卫生毒理安全性评价

? 1、农药卫生毒理安全性评价:是 通过动物试验和人群的观察,来 阐明农药的毒性及其潜在的危险 性,其目的是为了保护人类健康 和制定预防措施提供理论依据。

2、毒性试验内容 ? 第一阶段:急性毒性试验。包括 ? (1)急性经口毒性(LD50)试验 ? (2)急性经皮毒性(LD50)试验 ? (3)急性吸入毒性(LD50)试验 ? (4)眼刺激试验 ? (5)皮肤刺激及致敏性试验

? 第二阶段:亚急性毒性试验。包括 ? (1)蓄积毒性试验 ? (2)原核细胞基因突变试验及Ames试 验 ? (3)体细胞试验 ? (4)生殖细胞试验 ? 亚急性毒性试验:对动物的染毒时间1428d

2、毒性试验内容
? ? ? ? ? ? ? 第三阶段:亚慢性毒性试验。包括: (1)90d的经口试验 (2)21d的经皮试验 (3)21d或28d吸入试验 (4)迟发性神经毒性试验 (5)两代繁殖试验 (6)致畸试验和代谢试验

? 第四阶段:慢性毒性试验 ? 大鼠2年喂养试验或小鼠1.5年 喂养试验

二、农药环境安全评价
? (一)环境行为 ? 是供试化合物在环境中发生的各种物理和化 学现象的总称,包括化合物在环境中的化学 行为与物理行为。 ? 化学行为主要指导化合物在环境中的残留性 及其降解与代谢过程。 ? 物理行为主要指化合物在环境中的移动性及 其迁移扩散规律。

(二)生态效应
? 包括化合物对非靶标生物毒性及化合 物在生物体的富集作用。 ? 对非靶标生物毒性主要包括对天敌的 影响,对鱼类的影响,对蚯蚓及土壤 微生物的影响,对蜜蜂的影响,对家 蚕的影响,对鸟类的影响等。

新农药研究与开发

? 实验室:先导化合物发现,生物筛选,安全性评 价,小试试验和中试试验 ? 田间:小区试验,大区试验,示范推广,环境毒理 ? 辐射面积

第四节 生物源天然产物农药
? 一、生物源天然产物农药的特点及意义

? 生物源天然产物农药主要是指以植物、动 物、微生物等产生的具有农用生物活性的 次生代谢产物开发的农药
? 如2.5%鱼藤酮乳油,15%井冈霉素水溶 性粉剂等。

生物源天然产物农药的特点
? (1)对哺乳动物毒性较低,使用中对人畜 比较安全。 ? (2)防治谱较窄,甚至有明选的选择性。 印楝素对鳞翅目幼虫敏感,对鞘翅目、半 翅目、同翅目昆虫敏感度低。井岗霉素对 水稻纹枯病,小麦纹枯病高效,对稻曲病 也有效,但对其他病害防效差,甚至根本 无效。

? (3)对环境的压力小,对非靶 标生物比较安全。 ? (4)作用缓慢,在遇到有害生 物大量发生迅速蔓延时往往不 能及时控制为害。

二、生物源天然产物农药的研究开发途径
? 途径包括三个方面: ? (1)充分利用我国宝贵的生物资源,开发天 然产物农药新品种。 ? (2)有效成分及其类似化合物的半合成改造。 ? (3)作为创制新农药的先导化合物模型。

三、生物源天然产物农药的主要类型
? (一)植物源天然产物农药 ? 1、植物毒素 植物中产生的对有害生物具有 毒杀作用的次生代谢产物。 ? (1)具有杀虫作用植物毒素,如除虫菊素、 鱼藤酮、烟碱等 ? (2)具有杀菌作用植物毒素:大蒜素 等

(3)具有杀草作用植物毒素
? 醌类:核桃醌、独角金萌素 ? 生物碱类:天仙子胺 ? 香豆素类:香豆素、当归根素等 ? 噻吩和聚炔类:a-三噻吩、十三碳单 噻吩聚乙炔 ? 萜烯类:单萜、倍半萜、倍半萜内酯

2、植物中的昆虫拒食剂和忌避剂
? (1)拒食剂:印楝素 ? (2)忌避剂:薄荷、山奈、鱼 腥草、芹菜籽等

3、植物内源激素
? ? ? ? ? ? 乙烯 生长素(吲哚乙酸) 赤霉素 细胞分裂素 脱落酸 芸苔素内脂等

(二)动物源天然产物农药
? 1、昆虫内源激素: ? 保幼激素(juvenile hormone,JH) ? 保幼激素类似物(juvenile hormone analogue, JH)如烯虫酯、蒙-512(altozar)、双氧威 ? 蜕皮激素(mouiting hormone,MH)如:抑 食肼(RH-5849),咪螨

? ? ? ?

2、昆虫信息素 性信息素:蚕蛾醇 、棉铃虫性信息素 产卵忌避素:芥子酸 报警激素:E-β-法尼烯等

? 3、昆虫忌避剂:避蚊胺、避蚊醇
? 4、节肢动物毒素:是节肢动物(包括 昆虫)产生的用于保卫自身、抵御敌人、 攻击猎物的天然产物。如沙蚕毒素、斑 蝥素、黄蜂素、蜂毒肽、蜂毒明肽、蝎 毒等。

三、微生物天然产物农药

? 1、微生物源杀虫剂:
? 是目前应用最多的生物农药,占整 个生物防治剂的90%以上。 如杀螨

素、阿维菌素、浏阳霉素。

2、微生物源杀菌剂
? ? ? ? ? ? ? ? 灭瘟素 春雷霉素 多氧霉素 公主岭霉素 农抗120 武夷霉素 中生菌素 井冈霉素等

3、微生物源除草剂
? 从链霉菌发酵液中分离出一种黄嘌呤碱类抗 生素杂草菌素,已用于防除水田稻草等禾本 科杂草 ? 细交链孢霉素 ? 茴香霉素。 ? 近年来,从微生物代谢产物开发新型除草剂 最成功的有双丙氨酰膦和草胺膦,双丙氨酰 膦是从Streptomyces hydrossopius发酵液中 分离的一种有机磷双肽化合物,德国赫司物 公司又以双丙氨酰膦为模板,人工合成开发 出草胺膦

?
?

生物源天然产物农药:
以植物、动物、微生物等产生的具有农用生物 活性的次生代谢产物开发的农药

?

如:0.3%印楝素乳油、3%中生菌素等

次生代谢产物的特点
?

具有选择性

?
? ?

易降解
多样性 复杂性

问题讨论

?生物源天然产物农药与生物源农药有何区别?

生物源天然产物农药开发利用
?

1、直接利用

?
? ?

印楝素
井岗霉素 苦参碱

2、有效成分及其类似化合物的半合成改造
? 阿维菌素

伊维菌素

? 阿维菌素

甲氨基阿维菌素

3、作为先导化合物模型
?

除虫菊素

拟除虫菊酯杀虫剂

?
? ?

沙蚕毒素
大蒜素 芸薹素

巴丹、杀虫双等
抗菌剂402 芸苔素内酯

生物源天然产物农药的类型
? ? ?

一、植物源天然产物农药

植物源农药分类
按防治对象分:

?

植物杀虫剂、植物杀菌剂、植物杀线虫剂、植
物杀鼠剂、植物除草剂

按作用性质分
? ? ? ? ? ?

植物毒素:如海葱苷、除虫菊素、大蒜素等 植物昆虫激素 植物昆虫拒食剂 如印楝素、柠檬素 植物引诱剂和忌避剂 绝育类物质 植物保卫素如豌豆素

按作用方式分类
?

特异性植物性杀虫剂如:印楝素

?
?

触杀性植物性杀虫剂:除虫菊素、鱼藤酮
胃毒性植物性杀虫剂:烟碱

植物内源激素
乙烯 ? 生长素(吲哚乙酸) ? 赤霉素 ? 细胞分裂素 ? 脱落酸 ? 芸苔素内脂等
?

二、动物源天然产物农药
?
? ? ?

1、昆虫内源激素: 保幼激素(juvenile hormone,JH) 保幼激素类似物(juvenile hormone analogue, JH)如烯虫酯、蒙-512(altozar)、双氧威 蜕皮激素(mouiting hormone,MH)如:抑食 肼(RH-5849),咪螨

2、昆虫信息素
?

性信息素:蚕蛾醇 、棉铃虫性信息素

?
?

产卵忌避素
报警激素

3、昆虫忌避剂
? 避蚊胺

? 避蚊醇

4、节肢动物毒素
沙蚕毒素 ? 斑蝥素 ? 黄蜂素 ? 蜂毒肽 ? 蜂毒明肽 ? 蝎毒
?

三、微生物天然产物农药
?

1、微生物源杀虫剂:

?

是目前应用最多的生物农药,占整个生
物防治剂的90%以上。 如杀螨素、阿维 菌素、浏阳霉素、多杀霉素。

2、微生物源杀菌剂
? ?

?
? ?

?
? ?

灭瘟素 春雷霉素 多氧霉素 公主岭霉素 农抗120 武夷霉素 中生菌素 井冈霉素等

3、微生物源除草剂
? ?

双丙氨酰膦

草铵膦

四、生物源杀鼠剂
? ?

1、杀鼠微生物 C型肉毒梭菌霉素

2、杀鼠植物
?

白头翁

苍耳

天南星

曼陀罗

曼陀罗

马钱子

断肠草

第五节 农药管理和农药登记
? 一、我国的农药管理制度 ? 由国家立法机关制定和颁布的有关法律, 对农药生产、经营、使用等方面进行全面 管理;由国家或地方行政机关制定的某个 方面的行政法规或地方行政法规,也具有 强制性的约束力;由行政部门制定和颁发 的某些规定和技术规范,有指导作用,但 无法律约束力。

? (一)登记前管理 ? 登记前管理重点是农药登记。 ? 根据“农药登记规定”,未经登记批 准的农药不得生产、销售和使用。国 外的农药,未经我国登记批准,亦不 能在我国生产、销售和使用。

? (二)登记后管理 ? 1.农药标签管理 标签包含的主要内容 有:农药名称、规格、登记号、生产 许可证号、净重、生产厂家、农药类 别、使用说明、毒性标志、注意事项 和生产日期、批号等。

? 二、农药广告管理 农药广告的审 批原则是:(1)未经登记批准的 农药产品不得登广告;(2)广告 内容应与农药登记证和农药登记公 告相符;(3)不得以任何形式弄 虚作假,蒙蔽或欺骗用户。

三、农药登记需要提供的资料 ? ? ? ? ? ? ? ? 1.摘要 3.产品化学:有效成分,原药,制剂 3.毒理学:急性毒性,三致作用等 4.药效:室内,田间 5.残留:残留分析,安全间隔期 6.环境生态:环境行为,对非靶标生物毒性 7.标签:使用说明,毒性标志,注意事项 除草剂 —绿色;杀虫剂 —红色;杀菌剂— 黑色;杀鼠剂 —兰色;生长调节剂 —深黄色

第六节 农药的降解及环境归趋

? 农药在生物体内的代谢 ? 农药代谢过程中的主要反应类型 ? 农药的光解 ? 农药生物富集

农药对环境的污染问题——农药残留 农药残留的急性毒性问题 农药残留的慢性、亚慢性毒性问题 农药残留对农药产品贸易的影响 农药残留对农产品贸易的影响

农药对环境的污染问题——环境生物毒害 对有益生物的影响 蜜蜂、鱼类、鸟类、家蚕 天敌,赤眼蜂、青蛙 蚯蚓、土壤微生物 对生物链的影响

农药在生物体内的代谢
? 代谢的概念 ? 农药代谢是指作为外源化合物的农 药进入生物体后,通过多种酶对这 些外源化合物所产生的化学作用。 这类作用亦称生物转化。

农药对环境的污染问题——环境中的 归宿 归宿:水、土壤、空气 影响因子:温度、湿度、光照、降 雨、微生物、pH

研究方法
? 放射性同位素示踪法 ? 示踪法与其它方法配合

农药在哺乳动物体内的代谢
? ? ? ? 目的 研究内容 供试生物 给药方式

农药在其他动物体内代谢
? ? ? ? 目的 研究内容 供试生物 给药方式

农药在植物体内的代谢
? ? ? ? 目的 研究内容 供试生物 给药方式

土壤中微生物对农药降解
? 由于农药的大量使用,对环境有着巨 大的潜在危害,可怕的农药中毒事件, 地下水的污染,以及对各种生物、害 虫天敌的杀伤引起世人的关注,人们 开始了研究农药在环境中的行为和去 向问题。

? 通过近几十年研究工作,已经肯定 了土壤和水环境的农药降解中微生 物起了主要作用,分离到一批能降 解或转化某种农药的微生物类群, 弄清了微生物降解农药的主要作用 方式及降解机制,以及各类化学农 药微生物降解的途径。

? 微生物对农药的降解是土壤中 农药最主要也是最彻底的净化。 影响微生物活性的诸因素如温 度、有机质含量等都会影响农 药的微生物降解。

微生物降解农药的研究基本方法 ? 包括以下几个方面: ? (1) 以适当浓度范围的被测试农药 作为微生物生长代谢所需的唯一 或主要碳源和能源; ? (2) 筛选出能分解农药的微生物;

? (3) 创造适合微生物生长的环境 和条件,包括好氧微生物降解试 验中提供足够的氧量和厌氧微 生物降解试验中保证隔绝氧;

? (4) 选择适宜的温度条件; ? (5) 微生物所需要的氮硫磷源和 无机盐介质; ? (6) 选择合适的农药测定方法。

降解农药微生物的分离和筛选
? 为获取降解农药的微生物菌株, 可从现已收藏的菌种中筛选,亦 可以从土壤、水体或污染环境中 直接分离筛选或经富集培养获得。

? 农药降解菌的富集培养方法主 要有: ? 液体培养法 ? 土壤环流法 ? 连续流动培养法

? 通常是从长期被某种药剂污 染的土壤和污水中取样经富 集培养,再经固体培养分离纯 化得到所需菌株。

降解农药的微生物类别
? 已报道的降解农药的微生物有 细菌、真菌、放线菌、藻类等, 大多数来自土壤微生物类群。

? 细菌由于其生化上的多种适用能力 以及容易诱发突变菌株从而占了主 要的位臵,其中假单胞菌属是最活跃 的菌株,对多种农药有分解作用。

细菌
? (1) 假单胞菌 ( Pseudomonas) :降解农药类 型有DDT、马拉硫磷、甲拌磷、 二嗪农、DDV、甲基对硫磷、 对硫磷、西维因、2. 4 - D、2 甲4 氯、茅草枯、西马津等等

(2) 芽孢杆菌属( bacillus) :
? 降解农药类型有DDT、甲基对硫 磷、对硫磷、杀螟松、毒杀芬、 茅草枯、苯硫磷、艾氏剂、狄氏 剂、利谷隆、灭草隆、毒莠定等。

(3) 黄杆菌属( Flavobacterium) :
? 降解农药类型有马拉硫磷、甲基对 硫磷、对硫磷、二嗪农、毒死蜱、 2,4 -D、2 甲4 氯、毒莠定等。

(4) 产碱菌属( Alcaligenes) :
? 降解农药类型有茅草枯、抑芽丹、三 氯醋酸等。 ? 另外,对农药具有降解作用的细菌还有 节细胞属、固氮极毛杆菌属、短杆菌 属、枝动杆菌属、链球菌属、极瘤细 菌属、八叠球菌属、硫杆菌属等。

降解农药的真菌
? 包括曲霉属 ( Aspergillus ) ? 青霉属( Pinicielium) ? 根霉属( Rhizopus ) ? 木霉属( Trichoderma) ? 镰刀菌属( Fusarium) ? 交链菌属( Alternaria) ? 头孢菌属 ( Cephalospporium) ? 毛霉属( Mucor) ? 胶霉属( Gliocladium) ? ? ? ? ? 链孢霉属( Neurospora) 根霉菌属( Rhizobium) 镰刀菌属( Fusarium) 交链菌属( Alternaria) 头孢菌属 ( Cephalospporium) 毛霉属( Mucor) 胶霉属( Gliocladium) 链孢霉属( Neurospora) 根霉菌属( Rhizobium)

? ? ? ?

放线菌
? 降解农药的有诺卡氏菌属、链霉菌 属、放线菌属、小单胞菌属、高温放 线菌属等。

微生物降解农药的途径 ? 酶促降解作用 ? 非酶促作用。

酶促作用
? (1) 微生物以农药或其分子中某部 分作为能源和碳源。部分微生物能以 某种农药为唯一碳源和能源。 ? 有些农药能被微生物立即利用,有 的则不能立即利用,需先经产生特殊 酶后再使农药降解。

? (2) 微生物通过共代谢作用使农药 降解。许多研究表明,由于某些化 学农药的结构复杂,单一的微生物 不能使其降解,需靠二种或二种以 上的微生物共同代谢降解。微生 物的共代谢是目前研究的热点。

? (3) 去毒代谢作用。微生物不是从 农药中获取营养或能源,而是发展 了为保护自身生存的解毒作用。

非酶促作用
? 微生物活动使环境pH 方式变化而引 起农药降解,或产生某些辅助因子或化 学物质参与农药的转化。

农药代谢过程中的主要反应类型

? 氧化作用:氧化是微生物降解农药 的重要非酶促反应,有多种形式, 如羟基化、脱烷基、?-氧化、脱羧 基、醚键开裂、环氧化、氧化偶联、 芳环或杂环开裂等。

? 脱烷基作用:烷基与N、O或S 原子连接的农药容易在微生物 作用下进行脱烷基降解(如三氮 苯类和甲苯胺类) 。

? 还原作用:某些农药在厌气条 件下发生还原作用,如在厌气 条件下氟乐灵中的硝基被还原 为胺基。

水解作用:许多无机酸酯类农药(对硫磷、马 拉硫磷)和苯酰胺类农药在微生物作用下,酰 胺和酯键易发生水解作用:

又如:

又如:环破裂作用:许多细菌和真菌能使芳香环 破裂,这是环状有机物在土壤中降解的重要步骤。 如2,4?D在无色杆菌作用下发生苯环破裂:

? 在同类化合物中,影响其降解速率 的因素有:化合物取代基的种类、 数量、位置以及取代基团的大小。

? 苯类化合物中,不同取代基对各种微生 物抗分解的顺序为:-NO2>-SO3H>OCH3>-NH2>-COOH>-OH。

? 同类化合物中,取代基的数量愈多, 基团的分子愈大,就愈难分解。

? 脱氯作用:许多有机氯农药可在微生物作 用下脱氯,如P,P′-DDT脱氯转变成P,P′DDD;又如林丹(γ-666)经梭状芽孢杆菌和 大肠杆菌作用,脱氯成为氯苯和苯:

? 缩合或共轭形成。缩合包括将 有毒分子或其一部分,与另一有 机化合物结合,从而使农药或其 衍生物失去活性。

? 应当指出,农药的降解过程是 非常复杂的。一种农药在其降 解过程中常常包含多种不同类 型的化学反应(或降解作用)。

? 例如,杀虫剂乙酰基磷酸酯(毒虫畏)的微 生物降解历程如下:在微生物的作用下, 母体物(Ⅰ)生成脱乙基毒虫畏(Ⅱ),或者由 水解或氧化作用经由一个中间体生成2,4二氯苯乙酮(Ⅳ),再还原为1-(2,4?二氯 苯基)乙醇(Ⅴ),再氧化为二醇(Ⅵ),从(Ⅵ) 起可能有第二条途径,即异构化为环氧化 物2,4-二氯苯环氧乙烷(Ⅶ),然后Ⅵ和Ⅶ 氧化生成对氯苯甲酸(Ⅷ)。

? 农药降解产物对环境的影响是不同的。 有些剧毒农药,一经降解就失去了毒性; 而另一些农药,虽然自身的毒性不大, 但它们的分解产物毒性很大;还有一些 农药,其本身和代谢产物都有较大的毒 性。所以在评价一种农药是否对环境有 污染时,不仅要看农药本身的毒性,而 且还要注意代谢产物是否具有潜在危害。

农药的光解

? 光解的概念 ? 残留在大气、作物、水体和土壤表面的 农药在阳光的作用下遭受光降解的能力。 ? 重要的非生物降解途径。 ? 对农药残留、药效、毒性均有重大影响。 ? 表示:降解半衰期:t0.5

光解试验
试验材料 蒸馏水 ? 农药纯品/原药 配制水溶液,有机溶剂助溶(乙腈,无光敏性) ? 光化学反应仪:光源(汞灯或氙灯)、光反应管、 马达、温控装臵 ? 紫外强度计、照度计 ? 残留分析仪器设备、材料 前处理设备 化学试剂、玻璃器皿 分析仪器:气相色谱、液相色谱、色谱-质谱联用 仪

试验方法 ? 配制药液:蒸馏水培养: 5 0℃,5天 ? 反应:于光化学反应装臵中 ? 光源:汞灯或氙灯,距光反应管 13.5cm ? 温度:25±2 ℃,压缩机或风机控温 ? 采样:7次以上 ? 检测

? 计算公式 Ct=C0e-kt t0.5=Ln2/k ? C0 :初始浓度 ? Ct :t时间时的浓度 ? k :降解速率常数 ? t :培养时间 ? t0.5:半衰期

质量要求 ? 残留分析方法: 准确度:添加回收率70~110% 灵敏度:小于初始浓度10%*1/3 ? 蒸馏水:pH6.0~7.5 ? 光源:推荐氙灯,光谱特性与太阳光相似 ? 采样点:至少7个点,其中5个点浓度为初 始浓度的20%~70%

农药光解特性等级划分
半衰期(t0.5) 1000W氙灯(h) 300W汞灯(min) 1 2 3 4 5 <3 3~6 6~12 12~24 >24 <5 5~15 15~30 30~60 >60 易降解 较易降解 中等降解 较难降解 难降解

等级

降解性

农药在土壤中的动态
? 农药在土壤中的残留动态

? 农药在土体中经挥发、淋溶、降解而逐 步消失, 但仍有一部分残留在土体中。 农药在土壤中的残留期是由农药本身的 理化性质和其他影响因素比如土壤质地、 土壤含水量、土壤微生物等决定的。

? 例如: 有机磷酸盐昆虫杀伤剂只能在土壤 中存在几天; 使用广泛的2, 4- D 在土壤 中能存在2- 4 周。有关试验表明, 在各类 农药中, 含铅、砷、铜、汞类农药半衰期 最长可达30 年, 有机氯类农药次之, 其半 衰期最长可达15 年。某些有机磷农药半 衰期最少只有1 天。

1 有机氯农药(OCPS)在土壤中的残留

? 有机氯农药是一种广谱杀虫剂,是历史上 最早大规模使用过的高残毒农药,属神经 毒物和实质脏器毒物,可致癌,具有性质 稳定,不易分解,脂溶性高、水溶性低,表 现高残留、易迁移的特性,土壤中残留期 最长,一般有数年至二三十年之久.

? 最新的研究报告表明:我国局部地 区土壤中OCPS的残留量仍然较高, 不可忽视. 同时,国外亦有大量的研 究报告表明:无论是农业国还是发 达的工业国均频繁地从土壤中检 出OCPS的残留物.

? 因此,有机氯农药残留仍是土壤中主要 化学污染物负荷的重要组成之一,全国 大部分地区土壤中仍有残留. 如1992 年国家环保总局测试表明,江苏南通棉 区土壤中DDT最高残留量仍达1. 23 mg/kg. 目前我国虽禁止生产有机氯农 药,但已生产的产品在一定范围内仍在 使用,故其残留已成为潜在的危险物质.

2 有机磷农药在土壤中的残留

? 有机磷农药是我国目前使用范围最广、 用量最大的农药,不少国家已禁用或限 用的甲胺磷竟占我国农药产量的20 % .

? 有机磷农药施用的过程中部分农药会 残留于土壤中,且在土壤中有一定残留 期. 例如, 2003年在江苏省苏中地区7 个县(市)分别选择具有代表性的高、中、 低3种不同施药水平田块. 对土壤中7种 有机磷农药残留进行检测,结果表明:土 壤有机磷农药检出率和100 %.

3其它农药的在土壤中残留

? 磺酰脲类除草剂自问世以来虽对世界农业 生产作出过巨大的贡献,但是它具有不易挥 发不易光解,随土壤pH上升其半衰期延长的 特点;研究表明,碱性土壤中,化学水解作用最 慢,从而使用量的1~20 %长期残留在土壤 中,以致对后茬敏感作物产生药害,残留影响 甚至可延长至施用后2~3年之久.

? 1995年沈阳发生氯磺隆污染水稻的重大事 故,造成533. 4 hm2 稻田受害,其中267hm2 绝收. 一些长期使用长残效除草剂的田块还 出现了除草剂残留量累积的现象,严重影响 了后茬作物的轮作,形成了“癌症田”的现 象.
? 其它除草剂如咪唑啉酮、三唑嘧啶磺酰胺、 三氮苯甚至用于小麦田的敌稗也会伤害后 茬作物.

4.农药在土壤中残留的影响因素

?

(1)农药的理化性质,农作物的影响, 施药方式,农药剂型,土壤对农药的吸 附作用,土壤性质对农药的影响, 农药 性质对吸附作用的影响[,土壤质地、 有机质含量、pH值、水分含量、土壤 微生物群落,光照强度等多种因素.

? (2)农药残留物质与土壤有机质的相 互作用,键结合, 离子键结合, 电荷转 移复合物, 配位体交换,疏水性结合, 螯合作用,氢键相互作用,范德华力.

? (3)农药残留物与土壤矿物的相 互作用,矿物对农药的吸附作用, 一些中性有机分子即使在大量 水分子存在的条件下也能被粘 土矿物有效地吸附.

农药土壤中的吸附
? ? ? ? ? 土壤吸附作用的概念 农药吸附作用是指农药被吸持在土壤中的能力。 农药在固液两相之间分配达到平衡的比值。 表示:吸附常数Kd 农药吸附能力的强弱决定于农药的水溶性,分配 系数与离解特性等。水溶性小,分配系数大,离 解作用强的农药,容易被土壤吸附;土壤性质对 农药吸附作用的影响也很大。有机质含量高,代 换量大,质地粘重的土壤,就容易吸附农药。 ? 农药吸附性能的强弱对农药的生物活性、残留性 与移动性都有很大影响。 ? 评价移动性、持留性、生物活性、环境毒性的重 要指标。

土壤吸附作用试验方法
试验材料 ? 土壤 3种以上 性质差异较大:以pH、有机质、粘粒含量衡量 风干,过筛 ? 农药纯品/原药 溶于0.01mol/LCaCl2溶液,有机溶剂助溶(少量,无干 扰:丙酮、乙腈) ? 恒温振荡器、离心机 ? 残留分析仪器设备、材料 前处理设备 化学试剂、玻璃器皿 分析仪器:气相色谱、液相色谱、色谱-质谱联用仪

预试验 ? 称量土壤,加入药液(<5mg/L),保持一定的水土 比 5:1,10:1,20:1,100:1 ? 恒温振荡: 25±2 ℃,24小时 ? 离心,取上清液,测定农药含量 ? 同时设臵两组空白:土壤+ 0.01mol/LCaCl2溶液, 0.01mol/LCaCl2农药溶液 ? 计算吸附率 ? 若吸附率>25%,进行解析试验和高级吸附试验

解析试验 ? 分出上清液,土壤固相中加入 0.01mol/LCaCl2溶液 ? 24小时振荡,离心分离 ? 测定上清液农药含量 ? 重复操作一次 ? 合计两次农药含量 ? 计算解析率 ? 若吸附率<75%,进行质量平衡试验

? 高级吸附试验 ? 配臵药液: 0.04,0.2,1.0,5.0,10.0mg/L ? 操作同预试验 ? 求出吸附系数

质量平衡试验

? 选择适当的提取剂,提取、检测土 壤中的农药含量 ? 验证吸附试验过程中的农药质量平 衡

土壤吸附作用试验方法数据处理
吸附率 M-Ce×V0 A= x ×100= ×100

M
? ? ? ?

M

M:平衡时未加土壤的溶液中农药含量 Ce:土壤吸附平衡时,水相中浓度 V0:水溶液体积 x:吸附于土壤中的农药量

解析率 ? ? ? ? ? ? ? (C1-C2)V-(V0-V)Ce D= ×100 X C1:第一次解析浓度 C2:第二次解析浓度 V0:吸附试验前水相的体积 V:吸附试验后水相的体积

吸附常数 Cs=Kd ×Ce1/n Cs=x/M ? Cs:土壤对农药的吸附浓度 ? Kd :土壤吸附系数 ? 1/n:Cs与Ce关系曲线斜率

求得: LnKd=LnCs-1/nLnCe

土壤吸附作用试验质量要求
? 水、土壤残留分析方法: 准确度:添加回收率70~110% 灵敏度:水中小于最小平衡浓度1/3 ? 助溶剂:<0.2% ? 质量平衡试验回收率>75%

农药土壤吸附性等级划分
等级 1 2 Kd >200 50~200 吸附性 易吸附 较易吸附

3
4 5

20~50
5~20 <5

中等吸附
较难吸附 难吸附

土壤中农药的结合残留

? 农药的母体化合物和代谢物与土壤 中的腐殖质,通过化学结合或物理结 合作用,牢固结合在一起的.

? 农药的这种结合残留在一定条 件下可再度以农药的母体或代 谢产物的形式释放出来,使之成 为生物活性高、植物可吸收利 用的游离农药或代谢物,从而增 加土壤环境有毒物质浓度.

? 多年来,持久性有机氯农药被禁用,而有 机磷、氨基甲酸酯、拟除虫菊酯类农 药应用非常广泛,这些非持久农药与土 壤都有较强的结合能力. 有机磷杀虫剂 在土壤中的结合残留量高达26 %~80 % ,氨基甲酸酯类农药西维因的结合残 留量达49 % ,拟除虫菊酯类农药的结 合残留量达36 %~54 % ,一些除草剂 的结合残留量达28 %~55 %。

农药在土壤中的淋溶
? 农药淋溶作用是指农药在土壤中随水垂直向下移动 的能力。 ? 影响农药淋溶作用的因子与影响农药吸附作用的因 子基本相同,恰好成反相关关系。一般来说,农药 吸附作用愈强,其淋溶作用愈弱。 ? 另外与施用地区的气候、土壤条件也关系密切。在 多雨,土壤砂性的地区,农药容易被淋溶。 ? 农药淋溶作用的强弱,是评价农药是否对地下水有 污染危险的重要指标。

土壤淋溶作用试验
试验材料

? ? ?

3-4种代表性土壤 砂土、砂壤土、粉砂壤土、粘壤土 风干,过筛

? 薄层层系法

? 柱淋洗法

薄层层系法 ? 制泥浆,涂于层析板(0.5-1mm), 晾干 ? 点药,以水为展开剂展开 ? 放射性标记农药:显影法求出Rf值 ? 普通农药:薄板平均分成6段,检 测各段含量

柱淋洗法 ? 2cm内径塑料或玻璃柱,装成 30cm高土柱 ? 上端加药,定量、定速淋洗,收集 测定淋出液 ? 淋洗后,土柱切成6段,测定各段 农药含量

数据处理 Rf=lmax/Lmax lmax:原点至色谱斑点中心距离 Lmax :原点至展开剂前沿的距离

土壤淋溶作用评价
等级
1 2 3 4 5

Rf
0.9-1 0.65-0.89 0.35-0.64 0.1-0.34 0-0.09

移动性
极易移动 易移动 中等移动 不易移动 不移动

农药的挥发性 农药挥发作用是指在自然条件下农药从植 物表面、水面与土壤表面通过挥发逸入大 气中的现象。农药挥发作用的大小除与农 药蒸气压有关外,还与施药地区的土壤和 气候条件有关。农药残留在高温、湿润、 沙质的土壤中比残留在寒冷、干燥、粘质 的土壤中容易发挥。农药挥发性的大小, 也会影响农药在土壤中的持留性及其在环 境中在分配的情况。挥发性大的农药一般 持留较短,而在环境中的影响范围较大。

农药的生物富集 ? 生物富集作用是指农药从环境中 进入生物体内蓄积,进而在食物链中 互相传递与富集的能力。农药生物富 集作用大小与农药的水溶性、分配系 数以及与生物的种类,生物体内的脂 肪含量,生物对农药代谢能力等因子 有关。农药的生物富集能力愈强,对 生物的污染与慢性危害愈大。

? 测定生物富集系数的方法有静态法与动态法两种。 对一般农药,通常先采用静态法试验。 ? 用静态法测定BCF时,国外常用的鱼种有迥鱼、 鲤鱼、虹鳟、鲢鱼等,在我国建议用鲤鱼作试验。 ? 试验用两种浓度,各重复一次,并设加药不养 鱼与养鱼不加农药的两种空白对照。前者通过测 定来校正试验鱼缸中因挥发与降解所造成的农药 浓度的变化,后者用作在试验结束时检查试验组 鱼体重量有无异常变化与测定鱼体内的脂肪含量。 ? 试验农药用纯品,难溶于水的可用少量低毒、不 易降解的有机溶剂(如叔丁醇或二甲亚砜)助溶, 加量<0.1ml/L。

? 于0、6、24、48、96、144、192小时时分别从各 处理中取水样测定农药含量的变化,并喂给适量饲 料(20mg/g鱼) ? 至第8天时取出全部鱼样,称体重后每组分成两 份测鱼体内农药含量。试验结果计算:用对照组水 体中农药的含量,来校正养鱼组水体中的农药含量, 求出被鱼体摄入农药的真实值。 ? 在试验结束时水体中农药含量变化已达到平衡, 则此时鱼体对农药的富集系数为: BCF=Cfs/Cws Cfs:已达到平衡时鱼体内农药含量(ppm) Cws : 已达到平衡时水体中农药含量 (ppm) 如果在试验结 束时,水体中农药浓度尚未达到平衡,则用上述公 式求出的富集系数值应注明是8天的结果,即用 BCF8天表示。

农药的理化性质对生态环境安全性影响 ? 蒸气压 农药进入环境后在气、水、土各 介质间迁移、扩散与再分配特性受农 药蒸气压影响很大,蒸气压愈大,农 药就愈容易从土壤或水域环境转向大 气空间,这样就容易进一步引起农药 的光降解作用;农药在土壤中的移动 性能,受农药蒸气压影响也很大。

? 水溶性 水溶性的大小对农药在环境中的移动 性、吸附性、生物富集性以及农药的毒 性都有很大影响。水溶性大的农药容易 从农田流向水体,或通过渗漏进入地下 水之中,也容易被生物吸收,导致对生 物的急性危害;水溶性弱脂溶性强的农 药,容易在生物体内积累,引起对生物 的慢性危害。

? 油/水分配系数(Kow) 分配系数是指农药在互不相溶 的两种极性与非极性溶剂中的分配 能力,分配系数大的农药容易在非 生物物质与生物体内富集,分配系 数小的农药,容易在环境中扩散, 从而也扩大了农药的污染范围。

? 化学稳定性 农药的稳定性是指农药进入 环境后遭受物理、化学因子影 响时分解难易程度的指标,这 是评价农药在环境中稳定性基 础资料。

? 杂质 一般优质农药其杂质成份对农 药影响不大,但有些农药的杂质成 份则成了影响环境安全的主要对象, 如666中的几点种异构体,氟乐灵 中的亚硝烟弥漫胺,甲胺磷中的不 纯物等,因此农药的纯度和不纯物 的成份必须在基础资料中提供。


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