拟除虫菊酯类农药在农产品中的污染现状及减除技术研究进展

陈 媛，赖鲸慧，张梦梅，赵恬叶，王 松，李建龙，刘书亮,2,*

（1.四川农业大学食品学院，四川 雅安 625014；2.四川农业大学食品加工与安全研究所，四川 雅安 625014）

随着全球人口快速增长、害虫抗药性增强及粮食产量的提高，农业生产中农药的使用量也不断增加。据统计，2019年中国农药产量为225.4万 t，农药使用量为145.6万 t，其中杀虫剂占比40%[1]。拟除虫菊酯类（pyrethroids，PY）农药以其效率高、作用范围广、稳定性强和毒性相对低的特点，逐渐取代了有机氯和其他剧毒长残留杀虫剂，广泛应用于农业、林业和住宅害虫防治（驱蚊剂）。目前已开发约70多种PY，包括氯氰菊酯、氰戊菊酯、溴氰菊酯、氟氯氰菊酯等，适用于蔬菜、水果、中药材等多种作物及环境中害虫的防治[2]。与此同时，环境及农产品中PY残留问题日趋严重，对生态环境和人类健康造成严重危害，已成为全球食品安全领域关注的热点。

本文介绍了PY的危害及其在土壤、水体和农产品中的污染现状，综述了PY的减除技术，主要包括物理、化学、生物及联合处理，并对其减除新技术进行展望，旨在为农业生产中PY的使用及残留防控提供参考依据。

1 拟除虫菊酯类农药概述

1.1 拟除虫菊酯类农药简介

PY是酸与醇通过酯键形成的高效低毒型仿生杀虫剂，根据其化学结构和毒性，分为I型和II型[3]（图1）。I型PY具有结构多样性的特点，主要为天然除虫菊酯、无苯氧基苄醇的PY或无氰基3-苯氧基苯甲醇（3-phenoxybenzene methanol，PBAlc）的PY。II型PY含有α-氰基-3-苯氧基苄醇，PY含有1～3 个手性中心和2～8 个立体异构体，具有不同的杀虫活性，毒性和生物降解特性[4-7]。

图1 I型、II型拟除虫菊酯的化学结构[8]Fig. 1 Chemical structures of type I and type II synthetic pyrethroids[8]

1.2 拟除虫菊酯类农药毒性

PY具有疏水性、吸附性强的特点，易直接或间接进入自然环境，对水生和陆地生态系统造成破坏[9]，并且能通过食物链进入生物体，从而对人体健康构成威胁。PY可通过破坏害虫细胞膜上的钠离子通道对其产生选择性毒性，其中II型PY还能损害氯离子通道，比I型PY具有更强的神经毒性[10]。同时对水生动物、家蚕、蜜蜂等非靶标生物具有高毒性（包括神经[11]、免疫[12]、心血管[13]和遗传[14]毒性），可致畸、致癌和致突变等[15]。Bragança等[16]研究表明，土壤中PY及其代谢物3-苯氧基苯甲酸（3-phenoxybenzoic acid，3-PBA）可抑制黄瓜种子的萌发和叶绿素的产生。Vieira等[17]发现高效氟氯氰菊酯可诱导热带鱼类线状原螯虾的氧化应激、DNA损伤和渗透调节紊乱。由于PY具有亲脂性，一旦进入生物体内便难以将其除去，长期接触低剂量PY存在健康风险。大量研究表明，PY会影响男性生殖系统，表现为破坏精子DNA及导致生殖激素代谢紊乱[18-19]。而且PY的摄入会增加3～11 岁儿童罹患发育和神经系统疾病的风险[20]，Chen Sheng等[21]调查发现，PY代谢水平与儿童脑瘤风险呈正相关。

2 农产品中拟除虫菊酯类农药污染状况

2.1 农业土壤及水体中拟除虫菊酯类农药残留

农药残留严重威胁农产品质量安全。在进行农业生产时，农药首先散落于农作物表面，部分附着在作物表面的农药被其吸收；剩余部分经雨水冲刷进入土壤及水体中，在环境中被分解产生相应的代谢产物并积累，农作物/动物通过吸收残留在土壤及水体中的农药进而影响农产品的安全。

表1为国内外土壤及水体中PY的残留现状，其中氯氰菊酯检出率最高。通过分析表1土壤中PY残留量，发现农、林、牧业发达地区PY残留量高，但污染状况地域差异显著，这可能与农业现代化水平和田间管理方式有关[22]。另外，其他国家和地区对土壤中PY残留的报道较少，其中巴基斯坦农田土壤中检出浓度最高，美国家庭园林土壤次之，最常检测到的残留物是氯菊酯和丙烯菊酯[23]。

表1 国内外土壤及水体中拟除虫菊酯残留量Table 1 Pyrethroid residues in soil and water worldwide

与土壤相比，关于水体中PY残留状况的研究更多。其中大多数研究集中在中国东南部及中部经济发达地区。广东东江上游及四川淡水养殖水体中的PY检出率较高，分别为44.44%和100%，研究表明PY在农业、养殖业及工业中使用极其广泛[24]。据报道，美国加利福尼亚州水体中常检出联苯菊酯，证实了联苯菊酯广泛分布于城市地表水中[25]。捷克共和国东部水体中检测到34.53 μg/L的氟氯苯菊酯及26.11 μg/L氰戊菊酯[33]。除上述国家和地区外，其余报道的PY质量浓度均低于5 μg/L，表明国外对PY的使用管理更加严格。

2.2 农产品中拟除虫菊酯类农药残留

研究表明，农药残留会降低农产品的质量[17]。李记明等[35]研究了农药残留对葡萄酒酿造的影响，结果显示，农药残留不仅对酵母菌的发酵过程有抑制或刺激作用，还降低了葡萄酒的感官质量，减少了香气成分。因此，对农产品中的PY残留量进行监测有利于保证农产品的品质和修复生态系统[36]。表2为2008ü2018年全球范围内农产品中PY的残留情况。

由表2可知，PY残留广泛存在于农产品。近年来，在中国总共检测出10多种PY，主要包括氯氰菊酯、溴氰菊酯、联苯菊酯、氰戊菊酯、甲氰菊酯、氯菊酯、氯氟氰菊酯、氟氯氰菊酯、高效氯氰菊酯和苯醚菊酯，含量范围为0.95～4 100.00 ng/g。其中氯氰菊酯检出率较高，氰戊菊酯和联苯菊酯次之，并且每个样品中至少存在两种PY残留。田丽等[37]调查了2012ü2018年陕西关中蔬菜中PY残留情况，结果表明韭菜、小白菜、豇豆中氯氰菊酯检出含量均超过GB 2763ü2016《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》规定的最大残留限量（1、2、0.5 mg/kg）。叶类蔬菜中的PY残留水平高于鲜豆类和茎类蔬菜，这种现象可能与农药的使用方法（喷雾、浇灌、浸种）及蔬菜与农药接触的表面积有关[38]。王俊增[39]从蔬菜中检测到20种农药残留，PY检出率为高效氯氰菊酯2.65%、联苯菊酯2.21%、氰戊菊酯0.44%、溴氰菊酯0.22%，其中高效氯氰菊酯和联苯菊酯超标率分别为1.10%、0.44%。农药残留经食物链传递一般呈现富集效应，而调查结果显示，禽、畜肉较果蔬中PY残留少，这可能与饲养方式及生长环境有关，放养式食草动物体内农药残留比圈养式食谷物或饲料动物高。鱼体内PY农药残留介于蔬果及禽畜之间，赵之德等[40]在浙江绍兴富盛镇御茶村试验田中发现联苯菊酯残留状况为茶鲜叶样品（26 ng/g）＞茶园土壤样品（5 ng/g）＞降雨径流（2 μg/L）。

在其他国家/地区的农产品农药残留调查中，PY检出含量范围为3～1 550 ng/g。氯氰菊酯和溴氰菊酯检出率较高，并且氯氰菊酯的含量较其他种类PY高。2012年在泰国的蔬菜和水果中检出的氯氰菊酯含量为570 ng/g，远远高于泰国农业商品和食品标准规定的最大残留限量（50 ng/g）[41]。Akoto等[42]在茄子样本中检测到3种PY残留，其中氯菊酯和溴氰菊酯残留量分别为3、39 ng/g，低于欧盟最大残留限量（maximum residue limit，MRL）50 ng/g和300 ng/g，而丙烯菊酯（126 ng/g）则超过了其规定MRL（10 ng/g）。

表2 国内外农产品中拟除虫菊酯残留量Table 2 Pyrethroid residues in agricultural products worldwide

3 农产品中拟除虫菊酯类农药残留减除技术

3.1 农产品生产过程

目前，随着农业种植和水产业的不断发展，高效低毒农药的需求呈增长趋势。目前禁用农药仅限有机农业生产，其占比很小，在今后相当长时期内农业生产难以禁用农药。据统计，2016年全球农药消费量为410万 t，其中仅1%的农药施用至农作物，其余99%进入土壤及水体中[61]，针对土壤及水体中PY残留量大的问题，许多学者对其减除方法进行了研究，主要包括物理方法（如沉淀、吸附、膜分离、超声波）、化学方法（水解反应、氧化反应、光催化反应）、生物方法（如植物、微生物修复）及联用技术（如吸附-生物修复、氧化反应-生物修复）等。

3.1.1 物理方法

吸附法是一种常用于水体中PY减除的方法，多孔性固体吸附剂主要包括活性炭、大孔吸附树脂、沸石、膨润土、石墨烯和壳聚糖等物质，其具有比表面积大、孔隙率高、吸附效率和安全性高的特点。高俊敏等[62]对水样进行活性炭吸附处理时发现，在最优吸附条件下，甲氰菊酯减除率可达81.6%。Ahmad等[63]通过阳离子交换反应将膨润土表面从亲水性改变为疏水性后发现，其对溴氰菊酯的吸附率从47%提高至98%。

膜分离技术主要通过反渗透（reverse osmosis，RO）、纳滤（nanofiltration，NF）、超滤（ultrafiltration，UF）和微孔过滤（microporous filtration，MF）等技术有效截留水质中对人体有害物质，保留人体所需微量元素[64]。膜分离技术的主要优点为运行条件温和、对污染物去除效果较好和适用范围广，但其造价和能耗高，应用于批量污水处理较少。

超声波具有传播特性、功率大及空化效应。当超声波在液体中传播时，液体会受到拉伸和压缩，形成空化泡，在正压的作用下空化泡迅速崩溃产生高温高压，从而加速农药的降解，适用于少量水体中PY的减除。高立国等[65]利用超声波对氯氰菊酯溶液进行处理，减除率为44.9%。

3.1.2 化学方法

化学方法是利用氧化剂（KMnO4、O3、H2O2、ClO2、过氧乙酸、氯乙酸等）的强氧化作用将农药分子的重键断开，破坏其分子结构，生成相应的酸、醇、胺或其氧化物[64]。研究表明，臭氧不仅能降解农药残留，也能在养鸡场中代替PY消灭害虫，从而降低肉鸡及鸡蛋中的农药残留[66]。

3.1.3 生物方法

生物方法主要是通过生物本身及体内降解酶的作用将水环境、土壤以及生物体表面或内部的农药分解为低毒或无毒小分子化合物，主要包括植物和微生物[67]。

3.1.3.1 植物

在生长过程，植物降解污染物是一种经济、有效、非破坏型的减除方式。植物对土壤中农药的减除主要包括有3种机制：1）植物对污染物进行吸附，通过自身生长代谢活动来转化或降解污染物；2）利用降解酶分解污染物；3）植物根际与微生物的联合代谢作用，共同加速根际区农药的降解。Riaz等[68]评估了凤眼莲、水浮萍和藻类对PY的减除效率，结果表明其减除率分别为76%、68%和70%。靳聪聪[69]利用黑藻和苦草减除环境中农药和其他污染物，其中氰戊菊酯平均减除率高于75%。利用植物减除农药残留具有经济有效、绿色环保等优点，但是植物修复也存在局限性，比如只有适宜浓度范围的农药才能被植物减除，此外植物修复周期比较长。

3.1.3.2 微生物

研究表明，微生物对PY减除效果良好，具有环境修复作用[70]。微生物首先通过自身结构（细胞表面官能团及产生的活性物质）对农药进行吸附，当农药进入细胞内，通过酶的生物化学过程特异性地切断酯键，使农药分子降解成酸和醇，然后再进一步经过氧化、共轭等代谢作用，转化生成毒性更小或无毒的化合物[71]。目前，微生物对农药的降解及应用研究已取得了较好的进展，已经报道的可降解PY的微生物包括细菌、真菌、放线菌及蓝藻等[8]。Bhatt等[72]研究发现，在最适条件下鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas trueperi）CW3对100 mg/L丙烯菊酯7 d的降解率达93%。Mir-Tutusaus等[73]利用白腐真菌（Trametesversicolor）降解炔咪菊酯和氯氰菊酯，结果显示，该菌株在2 d能降解90%以上的炔咪菊酯，15 d可降解90%以上的氯氰菊酯。另外，菌株协同作用是实现PY完全降解的有效途径，地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）B-1与米曲霉（Aspergillus oryzae）M-4的共培养可相互提供降解底物以完全降解β-氯氰菊酯和3-PBA，而不会积累有毒的中间代谢产物[74]。但是在自然条件下，微生物的应用易受环境条件的限制，相比之下，降解酶具有更高的活性和减除效率，酶制剂可通过诱导野生降解菌株表达获得，也可来源于基因工程菌。近年来，有学者通过基因工程技术将编码高效降解酶的基因构建到表达载体中，转化受体菌从而构建出广谱、高效、环境适应性强的农药降解基因工程菌，为利用微生物法减除农药开辟了新的途径。Hu Wei等[75]探索了蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）BCC01降解β-氯氰菊酯的最佳条件，克隆得到PY酯键水解酶基因estA，并表达获得重组蛋白，纯化后的酶具有广谱降解性、高酶活性和良好的稳定性。Zuo Zhenqiang等[76]将有机磷酸盐降解基因mpd和PY水解羧酸酯酶基因pytH整合到恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）KT2440的染色体上，重组假单胞菌KT2440在15 d内完全降解了土壤中有机磷酸盐和PY。

3.1.4 联用技术

环境中含PY的废水成分复杂，采用单一处理方法效果不佳，而将几种方法联合使用有利于提高处理效率。李青云等[77]将物理吸附与生物降解结合，采用沸石固定化铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）GF31，研究其对氯氰菊酯的降解效果，发现固定化后对氯氰菊酯的减除率由37.0%提高至61.4%，说明固定化对生物降解具有强化作用。于波[78]将黑曲霉（Aspergillus niger）固定化至掺杂生物炭的海藻酸钠中，在最优固定化条件下所制得固定化黑曲霉（菌丝）在10 mg/L溴氰菊酯废水中冷藏保存40 d后，对溴氰菊酯的相对减除率为80%，活化后的固定化黑曲霉对溴氰菊酯的相对减除率提高了12%；固定化黑曲霉（菌丝）循环使用7 次后，对溴氰菊酯减除率为82%。韩新锋等[79]对鞘氨醇单胞菌（Sphingomonassp.）SC-1产3-PBA降解酶进行固定化，发现固定化酶在最适反应条件下连续反应900 min后，对5 μg/mL的3-PBA降解率仍有26.14%。Lafi等[80]结合氧化反应与活性污泥处理溴氰菊酯农药废水，210 min后O3和O3/UV氧化系统分别可降解90%和100%的溴氰菊酯。

3.2 农产品或食品

在农产品加工过程中，因加工方式及种类不同，农产品或相关食品中PY残留量也会有所不同。大部分农产品经过加工（如清洗、去皮等）能够降低其PY残留量，但也有一些加工过程（如干燥、脱水、浓缩等）由于食品中的水分减少，会使PY残留量增加。农产品加工过程主要包括清洗、去皮、热处理、粉碎、发酵、榨汁等加工方式。

清洗可以有效减除农产品表面农药残留，这也是日常生活中最常用的方法，适用于叶菜类、花菜类、茎菜类、瓜类、茄果类、水生菜类蔬菜及浆果类、核果类水果中PY的减除。宋佳等[81]通过对比发现淘米水（碱性）比清水对蔬菜中氯氟氰菊酯的减除率提高了37.4%。Fan Xiaojiong等[82]在5 min内利用固定化酯酶对黄瓜中的氯氟氰菊酯、氯氰菊酯和氰戊菊酯进行高效水解，经过4 个循环后，减除率达到85%以上。Wu Yangliu等[83]用0.4 mg/L臭氧溶液洗涤菠菜30 min，联苯菊酯、氟氯氰菊酯、β-氯氰菊酯的减除率达62%～67%。毛春玲等[84]利用分离得到的20%稀释酶液降解残留于平菇中的甲氰菊酯，降解率达到92.5%。据报道，用酶溶液清洗蔬菜比用自来水清洗对氯氰菊酯的减除更有效，用稀释100 倍的酶溶液洗涤生菜和圣女果后，氯氰菊酯分别减少了51.68%和56.82%[85]。部分市售生物酶类清洗剂对PY农药降解效果较差，含有表面活性剂（直链型烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠）的清洗剂难降解，容易造成二次污染[86]。因此开发安全、绿色且高效的果蔬清洗剂成为研究热点。

农产品的表皮或壳能防止大量PY渗透入农产品内部，通过去皮能轻易地除去表层PY农药残留，适用于带皮类蔬菜及水果。Aguilera等[87]发现去皮对西葫芦中氟丙菊酯减除率为100%。

高温加热是食品加工最常用的方式，它会加速热稳定性较低的PY农药分解，因而通过煎、炒、蒸、煮等加工会使其有不同程度的减除，季静[88]对甘蓝进行100 ℃加热5 min处理后，结果显示，甘蓝叶片上溴氰菊酯与氯氰菊酯的减除率达86.7%和84.8%。Li Minmin等[89]研究灭菌对高效氯氰菊酯的影响，结果发现高效氯氰菊酯含量降低了50.4%。加热处理也是降低畜禽肉中农药残留的有效方法，随着温度升高，具有热不稳定性的农药可降解为小分子物质，但也有可能随着蒸汽逸散至空气中[90]。

谷物在去皮后常进行粉碎制成食品，Mahugija等[91]检测了玉米粉碎前后的PY含量，玉米籽粒比玉米粉高12 μg/kg，这可能是酶解或高温造成PY挥发或分解所致。研究发现，高粱经第二次发酵后，其联苯菊酯减除率为59%，比第一次发酵高出12%[92]。果蔬在进行发酵时，PY残留可通过微生物降解、热分解及发酵渣吸附等过程减除[93]。果蔬经榨汁后，残留于果蔬汁中的PY可采用对其具有高效吸附率的益生菌进行去除，Zhang Mengmei等[94-95]采用乳酸菌RS60、酵母菌YS81吸附苹果汁中的氯氰菊酯，吸附率为64.93%和97.6%。

光照处理是环境中PY农药最直接的降解方式，光照降解PY农药残留主要是利用紫外线使化合物的双键断裂，破坏分子结构，最终分解为小分子物质。光照处理也可用于果蔬中PY农药的降解，刘新社等[96]采用紫外照射，将苹果和梨在紫外波长253.7 nm、有效场强为2 224 μW/cm2的条件下处理1 min后，氰戊菊酯降解率分别为42.23%和41.25%。

电离辐射是利用高能射线使化学键断裂，将PY农药由大分子降解成小分子。张海伟等[97]对含水量较高的茶叶进行辐照处理，联苯菊酯减除率最高为52.3%，减除机理为高能射线将水分子中的自由基电离出，从而促进联苯菊酯的降解。

低温等离子体技术主要是利用放电产生的高能电子、正负离子、激发态粒子和具有强氧化性的自由基等与化合物分子反应，使其矿化，生成低毒或无毒小分子物质。Soares等[66]采用低温等离子体技术减除橘子中的氯氰菊酯，结果表明，当电功率为125 W、流速为15 L/min时，氯氰菊酯的含量从1 mg/kg降低至0.25 mg/kg。

4 结 语

PY广泛存在于土壤、水体、农产品中，其中氯氰菊酯具有高检出率，氰戊菊酯次之。PY浓度和检出率由高到低依次为农产品＞土壤＞水。目前，大量研究集中在果蔬、土壤及水体中PY的减除方法，而关于水产品及禽畜肉的研究却相对有限，这可能与减除技术对鲜肉制品的物理化学性质的潜在不良影响相关。因此，禽畜肉中农药残留的减除技术还有待进一步研究。基于PY的稳定性和亲脂性，清水冲洗、洗涤剂浸泡法的减除效果较差；辐射法会降低农产品的质量；化学氧化法和光催化法降解农药效果较好，但易引发二次污染；生物法主要是通过生物或体内酶的作用使残留农药得以减少，由于其效率高、条件温和，已成为近年国内外农产品中农药减除研究的热点。另外，联用技术-固定化细胞/酶技术对PY具有良好的减除效果，不仅能应用于农产品生产过程，还能直接减除农产品表面PY残留。减除机制包括吸附和生物降解等。PY减除技术的未来主要研究方向：1）筛选高效PY降解菌，构建基因工程降解菌，丰富农药降解微生物菌种库；2）解析PY的微生物代谢途径及其机制，探究潜在中间产物的动态变化及毒性；3）开展微生物复合处理技术研究，可利用PY降解的益生菌或酶的协同处理来实现农产品中农残的减除，比如在果蔬汁体系、饲料或者环境（土壤、水体等）中加入益生菌及PY高效降解酶处理来实现PY减除；4）固定化微生物/酶具有良好的重复使用性，可运用于农产品加工过程（酿造、榨汁等）及农业用水的PY减除，以期为农产品中PY农药残留减除提供参考。