新烟碱杀虫剂及增效剂的潜在环境健康风险

第一作者：徐立伟  通讯作者：吴晓玲教授，胥传来教授通讯单位：江南大学论文DOI: https://doi.org/10.1021/acs.est.1c00872

 图文摘要

 成果简介 

近日，江南大学吴晓玲教授、胥传来教授研究团队在环境领域著名期刊ES&T上发表了题为“Potential Environmental Health Risk Analysis of Neonicotinoids and a Synergist”的研究论文(DOI:10.1021/acs.est.1c00872)，系统地研究了多种新烟碱类杀虫剂和胡椒基丁醚(PBO)增效剂在体内的生物转化行为和潜在的环境健康风险。通过建立Cocktail混合暴露模型，发现硝基和氰基类新烟碱在大鼠体内具有不同代谢残留规律，PBO增效剂通过扰动羟基化和去甲基化代谢途径，促进硝基还原途径，改变新烟碱类物质的代谢轮廓。此外，PBO的协同作用通过诱导新烟碱类代谢中间过程中形成的羟胺代谢物，加重体内DNA甲基化。研究揭示了农药共暴露情况下的潜在风险，并提供了可参考的评估策略和理论支持。

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新烟碱类杀虫剂(Neonicotinoid)存在共暴露风险，研究使用7种新烟碱化合物及农药增效剂胡椒基丁醚(PBO)建立了饮水暴露方式的Cocktail模型，发现氰基新烟碱类物质具有肝脏等器官积累的倾向性，硝基新烟碱则具有更高的尿液排出率；在增效剂PBO存在情况下，新烟碱类化合物在体内的代谢轮廓发生改变，主要通过硝基还原途径进行转化，此外代谢过程形成的羟胺类中间产物诱导加剧体内DNA甲基化，导致肝脏中O⁶-甲基脱氧鸟苷(O⁶-medG)水平上升，相关结果表明由于部分官能团的不同，同系列农药在体内具有不同的转化趋势和代谢毒性。

引言

新烟碱杀虫剂作为烟碱乙酰胆碱受体(nAChR)类激动剂，是世界上产量最大的农药类别之一，在数十年的使用后广泛的存在于自然水体、土壤和农作物等环境中，并通过转移进一步积累，表现出不同品种、不同浓度多重混合暴露的复杂环境行为。已有报道非靶标动物和人类长期接触新烟碱杀虫剂的不良影响，包括内分泌系统紊乱、后代神经毒性、肺功能障碍等；此外，农药中常见助剂的协同代谢毒性在研究中也常被忽视。通过SD大鼠模型和饮水暴露方式模拟环境共同暴露情形，研究其在体内代谢的代谢规律具有重要价值和意义。

图文导读

Figure 1. The structure of seven neonicotinoids and the synergist piperonyl butoxide.
    常用的7种新烟碱杀虫剂可以分为两类，氰基烟碱啶虫脒(ACE)，噻虫啉(THI)和硝基烟碱吡虫啉(IMI)，噻虫嗪(THM)，噻虫胺(CLO)，呋虫胺(DIN)和烯啶虫胺(NIT)；胡椒基丁醚(PBO)则是一种常见用于农药制剂中的广谱性增效剂。所有化合物均按照一定比例复配添加至大鼠的日常饮用水中供自由摄取，进行长期暴露。

Figure 2. Distribution and accumulation of neonicotinoids in SD rat tissues after 60 days exposure in different treatments groups (n=5). (A) Neo (E); (B) Neo (E)+PBO (L); (C) Neo (E)+PBO (H); (D) Bioaccumulation (μg/kg) of selected neonicotinoids in the liver; (E) Bioaccumulation (μg/kg) of selected neonicotinoids in the urine; (F) Bubble diagram of the water solubility of selected neonicotinoids (Log P_ow, LD₅₀ value).

在暴露结束后采样，使用高分辨液质联用系统对大鼠的脑、心脏、肝脏、肾脏、脾脏等组织器官和血液、尿液及粪便等样本进行新烟碱药物的定量分析，结果显示大部分新烟碱以原药形式从尿液中排出；同时，氰基类烟碱化合物具有肝脏等组织器官的残留趋势，而硝基类烟碱经尿液的排泄量相对更高；结合各化合物的LD₅₀,油水分配系数和水溶性等参数建立描述模型，结果显示了高分配系数（Log Pow >0）与残留趋势和代谢毒性的正相关性。

Figure 3. Phase I and Phase II metabolic cleavage of N-Nitroimine and N-Cyanoimine neonicotinoid pesticides in rats. (A) The main biotransformation was by CYP450 and AOX enzymes; (B) Relative level changes in 20 neonicotinoid metabolites inurine by heatmaps with clustering analysis.

新烟碱类化合物在体内主要通过肝脏进行I相代谢，结构上具有不同的催化位点。在相同的新烟碱混合暴露情况下，分别添加不同剂量的增效剂PBO，并对尿样中的20种新烟碱代谢物进行相对定量；热图的结果表明随着PBO的增量，烟碱的硝基转化代谢物丰度增加，同时P450酶系统催化的化合物丰度呈下降趋势，结果表明硝基烟碱和氰基烟碱具有不同的代谢方式。

Figure 4. The metabolism of neonicotinoid pesticides with nitro groups in the liver. (A) IMI-NHOH induced O⁶-medG levels in the liver by N-nitroguanidine cleavage to N-nitroimine; (B) MS/MS spectrum of IMI-NHOH; (C) EIC spectrum, MS/MS spectrum of O⁶-medG in liver; (D) Relative level of O⁶-medG in the liver (n=5). *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001, ****p<0.0001. p-Values represent the difference between control and those exposure groups as determined by student’s t-test.

硝基烟碱在代谢中会产生中间代谢物羟胺类化合物，并进一步裂解游离出产物MDOH，该化合物具有诱导DNA中O⁶-medG水平上升的潜在风险。由此，在增效剂PBO的协同作用下，硝基官能团的代谢转化增强，间接增加了DNA过度甲基化的风险。

Figure 5. (A) Cleavage of N-cyanoimine neonicotinoids to desmethyl-N-acetyl and desmethyl-NH metabolites in liver (n=5); (B) Relative level of ACE-desmethyl-N-acetyl and ACE-desmethyl-NH following exposure to different doses of PBO (n=5). *p<0.05, **p<0.01. p-Values represent the difference between Neo (E) and those exposure groups as determined by student’s t-test.

作为典型的氰基类新烟碱杀虫剂，啶虫脒的氰基同样经由P450系统代谢，并可能发生酰胺化II相代谢，相对定量的结果表明在增效剂的作用下，氰基类烟碱代谢率降低；氰基在药物中的引入有助于提高生物利用度，基于氰基-氢键相互作用对蛋白质的亲和能力可能是ACE和THI在组织中残留原因之一。

 小结 

这项工作通过构建基于大鼠的药物混合暴露模型，研究不同基团新烟碱杀虫剂在体内的生物积累和代谢谱差异，以及增效剂存在下通过中间产物诱导的潜在内源性损伤，从多个视角展现了环境中多重药物共同暴露的环境健康风险。

参考文献：

Liwei Xu, Xinxin Xu, Lingling Guo, Zhongxing Wang, Xiaoling Wu, Hua Kuang, and Chuanlai Xu. Potential Environmental Health Risk Analysis of Neonicotinoids and a Synergist, Environmental Science & Technology, Article ASAP. DOI: 10.1021/acs.est.1c00872.

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.1c00872