有机磷农药对动物毒性作用的研究进展

邱胜男 赵倩倩 方 静 石宝明

(东北农业大学动物营养研究所，黑龙江哈尔滨150030)

农药在农业生产中发挥着举足轻重的作用，它是控制病虫害和抑制杂草生长的有效药剂。我国是农药生产、使用、销售以及进出口的大国[1]，农药总产量居于世界之首。农药的种类繁多，有机磷农药（Organophosphate Pesticides，OPs）是目前市场中所占比重最高的一类农药[2-3]。OPs 具有应用范围广、易于施用、药效高、易分解、残留期短等特点[4-5]。它的使用大大提高了农产品的质量与产量，并且解放人类劳动力，降低了经济成本。但OPs 毒性较强，大量使用后也不可避免地造成了环境污染，残留在玉米和大豆等农作物当中，通过食物链富集在生物体内，产生了一系列危害健康的问题。为了动物健康，相关部门已经规定了饲料中农药残留标准限量，如我国农药最大残留限量标准（GB 2763—2019）再次更新并规范食品中的农残含量[6]。但即便如此，由农残引起的饲料与畜产品安全问题还时有发生。2011 年，德国“二噁英”污染事件引起了世界范围内的关注，经调查发现饲料中的污染物质来自于植物农药，因此，农残问题不仅影响了畜禽产品的质量和出口贸易，更重要的是危及人类健康。本文对有机磷农药的毒性作用及脱毒技术的研究进展进行综述，以期为有机磷农药的生态毒性和环境风险评价提供参考。

1 有机磷农药的概述

1.1 有机磷农药

OPs 属于含有C—P、C—O—P、C—S—P 和C—N—P基团的有机磷酸酯类化合物，其结构通式如图1所示[7]。OPs 是一种神经毒剂，其最初的毒性作用是抑制体内胆碱酯酶水解乙酰胆碱的能力，进而导致胆碱能神经突出中蓄积乙酰胆碱，引起毒蕈碱样，烟碱样和中枢神经系统症状[4]。

图1 有机磷的分子结构通式[7]

1.2 有机磷农药的吸收与代谢

农药的代谢途径是农药在体内毒性大小的实际决定因素[8-9]，农药的吸收是代谢过程的开始。农药是经过皮肤、口腔黏膜、呼吸道和胃肠道吸收的，经口腔吸收后不通过肝门脉系统，避开了肝脏的代谢转化直接进入血液循环，这样农药在体内的毒性作用相对较强。而经消化道吸收的农药首先通过肝门脉系统转运至肝脏，在进入体循环之前就先在肝脏中进行了代谢，因此，“首过效应”[10]可以减少经体循环到达靶器官组织的农药量，从而减轻农药毒性[11]。

OPs 在体内的生物转化过程包括两个阶段，如图2 所示[12]。第一阶段，OPs 经过细胞色素P450 酶的作用，将结构中的P=S 脱去硫（S）原子并由氧（O）原子替代，氧化脱硫形成毒性较高的含氧中间体[13]；在第二阶段，这种含氧中间体被体内的PON1 水解形成无活性的代谢产物后，与各种酶[如谷胱甘肽S-转移酶（GSTs）、N-乙酰基转移酶（NATs）；UDP-葡萄糖醛酸转移酶（UGTs）和磺基转移酶（SULTs）]结合随尿液排出[12]。

1.3 有机磷农药的残留情况及最大残留限量标准

在农作物的种植过程中会不可避免地施用农药来除草杀虫以及调节作物生长。相关人员的频繁操作和过量施用农药会导致粮食作物中的农药残留增加。有机磷农药的残留是构成食品安全问题的主要关注点[14]。对我国济宁市采煤塌陷区的6 种水生植物进行11 种有机磷农药（甲胺磷、对硫磷、敌敌畏、毒死蜱、甲基对硫磷、灭线磷、甲拌磷、久效磷、氯唑磷、三唑磷、乙酰甲胺磷）残留量的检测发现都有检出，浓度均未超过国家限量标准，但残留的农药可能会通过水生动植物富集到食物链当中进而影响人类健康，相关部门还应引起重视[15]。2016 年共从17 个城市收集了299 个样本测定农药残留，结果表明，在86 个甜椒样品中发现了25 种农药，其中OPs 占15 种[16]。现如今，在世界范围内已经实施了国家农药食品监测计划[17-19]。北欧一项有关从东南亚进口的水果和蔬菜中农药残留的报告显示，有12%的样品超过了欧盟的最大残留限量（MRL）[20]。在波兰超过60%的苹果样品中检测出了农药[21]。Fang 等[22]对芹菜中的农药残留进行了评估，发现超过58%的芹菜样品中检测到农药残留。面对严峻的形势，为了人类和动物的健康能够得到一定的保障和肉蛋奶等畜禽产品免受农药的污染，相关组织对农作物中农药残留限量作出了一定的要求。欧洲食品安全局（EFSA）先后两次修订农药残留规定，规范饲料中的农残含量[23]。目前，我国农业农村部（原农业部）出台了食品安全国家标准GB 2763—2019，规定了食品中483 种农药的最大残留限量[6]。近些年，OPs 的毒性研究受到了越来越多的重视。

图2 有机磷农药的一般代谢途径[12]

2 有机磷农药毒性研究

自1943 年施拉德研制出的第一种有机磷杀虫剂进入市场后，OPs 如甲胺磷、对硫磷、甲基对硫磷、久效磷等便得以问世[24]。虽然OPs 具有高效、广谱、易分解和价格低廉等优点，但在农业生产和畜禽养殖过程中大量甚至过量使用OPs，会使其更易残留在农产品，甚至食品中，还有可能污染饮用水，危害动物健康，增加人类暴露于OPs 的风险。目前，有相关报道证实OPs 能够引起动物的多方面毒性作用[25-27]。

2.1 有机磷农药对动物的神经毒性作用

众所周知，OPs 最主要的毒性表现为神经毒性，通过体内胆碱能系统发挥作用，这也是OPs急性中毒的机制。OPs 与胆碱酯酶（Cholin Esterase，ChE）的作用方式和乙酰胆碱（Acetyl Choline，ACh）与胆碱酯酶的作用方式类似，因此，OPs 会抑制ChE 水解ACh 的能力，使ACh 在胆碱能神经突出中积累，从而导致对神经系统持续和过度的刺激，引起神经毒性[4,28]。研究表明，暴露于有机磷农药（杀螟硫磷）的大鼠大脑皮层及皮层下多个区域均出现神经元坏死的情况[29]。另外，妊娠期和哺乳期的大鼠被给予马拉硫磷后，其后代出现焦虑现象，并且抑制了小鼠脑中乙酰胆碱酯酶（AChE）活性[30]。匡兴亚等[31]研究表明，长期接触有机磷农药，丁酰胆碱酯酶（BuChE）、羧酸酯酶（CarE）、对氧磷酶（PON）和AChE 的活力会受到不同程度的抑制。

目前，对有机磷农药神经毒性的研究取得了一定的进展，但尽管如此，对有机磷农药神经毒性机制的研究仍然存在着诸多不足。研究OPs 神经毒性的具体机制、减少OPs 中毒的发生，已成为当前重要的问题。

2.2 有机磷农药对动物的肝脏毒性作用

许多研究表明，肝脏是OPs 的主要靶器官[32]。毒死蜱药物是OPs 的典型代表，其对肝脏功能和结构都会产生有害影响。Goel 等[33]用毒死蜱处理大鼠，观察到大鼠肝细胞出现空泡化和坏死现象，并且高剂量和长期暴露于毒死蜱后双核细胞增多。毒死蜱会引起大鼠血液、肾脏和肝脏的遗传毒性，并且产生氧化应激。肝脏是受影响最大的器官[34]。Mohamed 等[35]研究发现，长期暴露于毒死蜱农药中，毒死蜱会通过氧化应激诱导大鼠肝脏毒性。研究人员发现对氧磷酶1（PON1）可以有效地水解有机磷农药[36]。PON1 是一种钙依赖性酯酶，主要在肝脏中合成并分泌到血浆中，与高密度脂蛋白（HDLs）相关[37-39]。PON1已被证实能够水解OPs 的某些有毒代谢物，如对氧磷、重氮氧磷和毒死蜱等[40]。多项体外、体内试验和流行病学研究证明，PON1在OPs 毒性中起保护作用[41-42]。也有报道称OPs 的毒性作用和炎症反应过程中引起的氧化应激会降低PON1 的活性[43-45]。此外，PON1 存在多态性，表明某些个体可能更容易受到OPs 的毒性作用。对啮齿动物的一系列研究为确定PON1 在调节OPs 毒性中的作用提供了重要的证据。在较早的研究中，将从兔血清中纯化的PON1 注射到大鼠或小鼠体内，以增加其对OPs 底物的血浆水解活性[46]。

2.3 有机磷农药对动物的内分泌与生殖毒性作用

OPs 作为环境内分泌干扰物（EDCs）会通过干扰激素的生物合成、代谢或作用而对内分泌系统产生不利影响[47-48]。另外，流行病学研究还发现了OPs与不孕症之间的关联[49-53]，研究人员开始评估OPs对生殖系统和内分泌系统的毒性作用。比如农药毒死蜱，除了对性激素具有抑制作用外，在人和动物中均会破坏甲状腺和肾上腺的稳态[54-57]。此外，有研究报道了二嗪农诱导小鼠甲状腺和甲状旁腺的组织病理学损伤[58]，以及马拉硫磷对FRTL-5 细胞系中促甲状腺激素（TSH）依赖通路和甲状腺球蛋白转录有抑制作用[59]。Yang 等[60]研究了有机磷农药三唑磷对下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA）的干扰作用，结果发现，长期接触1/500 LD50和1/50 LD50的剂量下的三唑磷，会降低与HPA 相关的激素的含量，HPA 激素的紊乱导致血脂降低和葡萄糖稳态下降。此外，还有研究推测，有机磷农药主要通过介导下丘脑-垂体-性腺轴（HPG）来影响性激素的合成与分泌，从而发挥内分泌干扰作用，引起生殖毒性[61-62]。比如，有机磷除草剂草甘膦对青鳉鱼的雌激素效应，草甘膦抑制了雌激素代谢酶（CYP1A、CYP1B、CYP3A 和CYP17 表达），同时上调mdGnRH，通过下丘脑-垂体-性腺-肝脏轴的调控性腺分泌的雌激素合成增加，导致肝脏Vtg 和CHG 先升高，然后逐渐降低[48]。

2.4 有机磷农药对动物的免疫系统毒性作用

巨噬细胞广泛分布在体内，在先天性和适应性免疫中起着不可或缺的作用。巨噬细胞参与各种免疫功能，例如吞噬作用，酶的释放，自由基的产生，抗原的呈递以及作为炎症过程的介质[63]。研究表明，对硫磷可以激活巨噬细胞并释放α肿瘤坏死因子（TNF-α），引起气道高反应性[64]。据报道，二嗪农可增加大鼠血清和脑中TNF-α的产生[65-66]。Ogas⁃awara 等[67]研究了二嗪农对小鼠RAW264.7 细胞中巨噬细胞活化的影响，结果表明二嗪农可以激活巨噬细胞并增强炎症反应，具体表现为二嗪农显著增强了RAW264.7 细胞中促炎细胞因子（如TNF-α和IL-6）的mRNA 和蛋白质的表达并且显著增加了COX-2 和iNOS 的表达。此外，二嗪农还对小鼠的血细胞，脾脏，胸腺和淋巴结产生毒性作用，表明它可以影响动物的免疫系统[68]。

3 有机磷农药的脱毒进展

农药的使用保护和提高了农业生产水平，已使人类受益。农药与环境的平衡已经成为农业发展中要迫切解决的问题之一。因此，为了降低有机磷农药对环境和生物造成的污染和危害，减少不必要的经济损失，找到一种安全可靠、无毒无害的有机磷农药脱毒措施迫在眉睫。

目前，国内外有机磷农药降解方法主要有：物理法，包括吸附法、超声波法、洗涤法和辐照法等，化学法，包括氧化分解、水解和光化学降解等，生物降解法，包括微生物降解、降解酶和工程菌[69]等。在有机磷农药降解途径中，随着对微生物研究的不断深入，充分发现了微生物有机磷农药在降解中的重要作用，因此，微生物在降解农药时尤为重要。就目前来看，这些方法各有利弊。其中，生物降解法具有成本低、安全有效、无毒无害、无二次污染等优势[70]。筛选有机磷农药降解菌现已成为研究热点。土壤中微生物种类繁多，一般在长期喷洒农药的土壤中，存在很多能够耐受或降解农药的微生物菌群[71]，这也为筛选农药降解菌提供了便利条件。张六六等[72]采集了OPs富集地区的土壤样品，筛选出了高效降解OPs的微生物菌种，其中枯草芽孢杆菌JWDP-16 菌株对氧化乐果的降解能力最强，对甲胺磷、水胺硫磷、甲拌磷等9种OPs具有良好的广谱降解能力。据报道，能降解敌敌畏的菌属有假单胞菌属、产碱杆菌属和霉菌有木霉属[73]。张亚亚[74]筛选出三株敌敌畏优势降解菌，其中两株都属于芽孢杆菌属，已有研究证明芽孢杆菌可以有效降解农药[75]。

目前，农药降解菌的来源还主要集中于土壤以及环境污水中的微生物，有关动物源的微生物研究还很少。孙勇等[76]采用4 种培养基对金龟幼虫肠道内菌群进行分离并培养,并通过高通量测序进行初步鉴定，将分离的菌株接种于含辛硫磷和毒死蜱的基础盐培养基上，发现肠道中有一些微生物对农药有降解作用。金龟幼虫生活在土壤中，长期接触农药，体内微生物经过自然选择而对农药产生一定的抗性。关于猪肠道是否能分离出降解农药的菌群的研究还鲜有报道，因此，筛选猪源OPs 降解菌还有待被研究，其研究前景也是十分广阔的。

4 小结

随着OPs使用量的增加，其在环境中的残留也会越来越多。OPs通过食物链进入到人体内蓄积，其潜在的危害是值得关注的。国内外文献显示，有机磷农药对动物毒性作用的研究主要集中在肝脏毒性、神经毒性、生殖毒性、内分泌毒性和免疫毒性等多个方面。这些损伤是不容忽视的。但其在动物机体内代谢过程及毒性机制尚未完全明确，因此，研究人员应寻找并建立合适的动物模型，对OPs的毒性机制做更深入的研究，结合不同物种间药物代谢的不同，广泛采集OPs中毒患者的资料，在动物的基础上过渡到人类OPs 中毒的研究，制定相关质量安全标准等。此外，在生产生活中相关从业者一定要规范施用农药，严格控制其使用量，将农药对生态环境造成的威胁降到最低。