手性农药在环境安全方面的对映体选择性作用

Enantioselectivity in environmental safety of current
chiral insecticides
手性农药在环境安全方面的对映体选择性作用
(+)表示右旋，(-) 表示左旋
手性农药目前大约占全部使用农药的25%，随着农药结构越来越复杂，手性农药的比例正在逐渐增加。

手性广泛发生在拟除虫菊酯类杀虫剂和有机磷类杀虫剂等这些现代杀虫剂的支柱的合成中。

尽管公众高度关切杀虫剂的使用，但大家对目前使用的杀虫剂中手性的环境意义了解很少。

事实上，许多现代农药也含有手性结构，即包括对映异构体。

具有相同化学组成的对映异构体具有完全相同的理化性质，因此在标准分析中体现出单一化合物的性质。

由于经济原因，手性农药主要用作外消旋体的混合物。

然而，对映体是已知选择性地与生物系统相互作用并且通常表现截然不同的化合物。

人们对农药的对映选择性在环境安全中的作用了解很少。

其中知识缺口反映在人们像管理非手性农药一样管理正在使用的手性农药。

在这项研究中，他们做了一些拟除虫菊酯类和有机磷杀虫剂的对映异构体农药在手性柱中的特点的研究并且评估了对映选择性在水生生物毒性和生物降解中的表现。

他们运用了手性选择性色谱的拆分方法去分离对映异构体，并且通过这些对映异构体对两种水生无脊椎动物（两种水蚤）的急性毒性的结果差异表征他们的区别。

意外观察到一对对映异构体对淡水无脊椎动物（两种水蚤）的急性毒性具有的显着差异，揭示了水生生物毒性主要来源于外消旋体中的一个特定的对映异构体。

对映选择性通过在野外和实验室两种条件下的沉积物中的微生物降解过程中的峰电位进一步来评估。

在沉积物中，左旋异构体的沉积物优先退化，导致右旋异构体相对浓缩。

在实验室环境下培养的的沉积物中也观察到了对映异构体的选择性降解。

1、Materials and Methods材料与方法
（1）Chemicals.药品
每个选定的杀虫剂（或同分异构体）包含一对对映异构体。

实验化合物的化学结构：
a顺式联苯菊酯b顺式二氯苯醚菊酯c反式二氯苯醚菊酯
d地虫硫膦e丙溴磷
（2）Chromatographic Separation and Analysis.色谱分离与分析
运用高效液相色谱法，使用98%正己烷和2%乙醇（含5%甲醇和5%异丙醇）为流动相。

注射量为20微升。

紫外检测波长为230±15 nm。

通过使用一个在线激光旋光检测器测定，实现对极性的拆分，手性检测器的光源是一个激光（675纳米），和细胞路径为50毫米。

浓度测定采用峰面积,假设相同的响应因子对映体来自相同的化合物。

电子捕获检测器(ECD)系统用于定量分析实验来评估选择性降解的沉积物。

ECD温度设定为310度，补充氮气。

初步实验表明，在实验条件下对映异构体之间没有相互转换发生。

（采用峰面积计算浓度,假设一对对映体的相应因子相同。

）
（3）Aquatic Toxicity Assays.水生生物毒性试验
对映选择性对水生动物毒性的影响差异均通过96 h急性毒性实验得到。

实验动物是水生生物的两种水蚤。

在一个20ml的硼硅酸盐玻璃瓶中准备15ml含有给定的已知浓度范围的对映体（或外消旋体）试验溶液。

施用于5只健康的年龄不大于20h的鳖，所有瓶子都是每隔24小时检测一次直到96小时。

两种水蚤的试验程序相同，除了测试溶液的体积为50ml，施用于5只成年水蚤。

在静态环境下试验96小时，LC50用TOXCALC进行概率值分析法。

（4）Analysis of Field Sediments.沉积物分析
沉积物样品风干,混合,经过0.5 mm筛。

提取物浓缩至小体积进行气相色谱分析。

（5）Incubation Experiments.培养试验
通过实验室条件下的培养试验进一步评估选择性降解。

沉积物采样的表面层（0至5厘米），并使用没有空气干燥，以保持原有的微生物活性。

5g（干重）的沉积物被放置在一个20毫升的玻璃瓶和5ml的去离子水混合。

样品瓶用铝箔覆盖，室温孵育（21±1°C）。

样品在不同时间取出，
并存储在一个冷冻室（21°）进行分析。

沉积物的分析时,定量转移到聚四氟乙烯离心管,与正己烷-丙酮混合(1:1 vol),然后离心。

除去上清液后，沉积物相用新鲜溶剂提取两次。

将提取物用50g无水硫酸钠干燥，然后浓缩进行气相色谱分析。

2、Results and Discussion结果与讨论
（1）Enantiomer Separation and Analysis对映异构体的拆分和分析对映异构体的拆分，在高效液相色谱和色谱分析中都有较高的特异性。

一、对选定的拟除虫菊酯和有机磷农药中的几种对映异构体农药通过高效液相色谱hplc中的手性色谱柱的分离：（从保留时间可以看出右旋的对映体先于左旋的对映体洗脱出来）
二、同时在气相色谱GC分析中，以上是不同深度（0-15cm、15-30cm、30-45cm）的沉积物中顺式联苯菊酯的手性气相色谱图：
随着深度的增加，左旋对映体的峰面积越来越小，同时右旋对映体总是比左旋对映体先洗脱出来，与hplc的测定结果一致。

由光学性质直到右旋异构体的手性碳构型为R型，则左旋异构体的手心碳构型为S型。

（2）Enantioselectivity in Aquatic Toxicity水生生物毒性中的对映选择性
分别观察单个的对映异构体和外消旋体对C. dubia and D. magna两种水蚤的急性水生毒性。

下表是选定的拟除虫菊酯和有机磷杀虫剂中的几种对映异构体农药和他们
的外消旋体的半数致死浓度。

可以看出外消旋体对两种水蚤的毒性很大，基本半数致死中量都小于1，然而同一种农药的左旋和右旋两种对映异构体的lc50是差别很大的。

事实上，当其中一种异构体的活性很高时，它对应的另一个异构体的活性就会比较低。

从选择的这几种农药中还能看到大多数右旋异构体比左旋异构体的活性高。

因此对于目前的手性杀虫剂，尽管外消旋体在商业上使用，但事实上只有一对对映异构体的其中一个异构体对急性毒性有显著贡献。

（3）Enantioselectivity in Degradation.降解中的对映选择性
观察联苯菊酯和二氯苯醚菊酯的对映异构体的浓度和苗圃沉积物处理厂的沉积物的对映体比率。

A、B、C代表三种不同样品采集地点。

商业配方的联苯菊酯的对映体比率er为1.02，商业配方的二氯苯醚菊酯er为0.99，均接近于1。

且联苯菊酯在同一地点不深度的er显著增长，同一深度的左旋异构体比右旋异构体优先降解。

二氯苯醚菊酯同理且趋势更明显。

两种拟除虫菊酯类杀虫剂（a联苯菊酯b二氯苯醚菊酯）在实验室条件下污染沉积物中的er（对映异构体比率）随培养时间的变化。

黑点是池塘沉积物，白点是河道沉积物。

可以看出，无论是顺式联苯菊酯还是顺式二氯苯醚菊酯，无论是在池塘还是河道沉积物中，左旋异构体优先降解与右旋异构体。

以上是室温下培养的不同时间段的沉积物中顺式联苯聚酯的手性气相色谱图：（40天、220天、446天）。

可以看出选择性降解导致的右旋体活性相对富集。

鉴于这些杀虫剂的广泛使用，全面的了解对映选择性的意义可以更好监管开发这些杀虫剂。