摘自：《大学化学》2025-02
原文标题：有机磷杀虫剂的前世今生
作者：张峻源，苗志伟
农业病虫害是全球粮食安全和农作物产量的重要制约因素，为应对这一挑战，各类杀虫剂被广泛应用，其中有机磷杀虫剂因其高效、低成本、易生产的优势，在农业生产中占据重要地位。经过近百年的发展，有机磷杀虫剂带来的环境问题和健康风险逐渐显现，引起了广泛关注。随着对其环境和健康影响研究的深入，各国有关部门不断调整政策，大多数高毒有机磷杀虫剂已退出市场，而少数高效、低毒的品种仍在农业生产中发挥关键作用。
1 有机磷杀虫剂的发展历史和应用现状
有机磷化学的起点可以追溯到19世纪初，Lassaigne在1820年通过乙醇与磷酸发生酯化反应，首 次合成了第一个磷酸酯类化合物。1932年，科学家们发现部分有机磷化合物展现出强烈的生物毒性。第二次世界大战期间，德国拜耳公司的Schröder在研发军用有机磷神经毒剂的过程中，从超过3000种新合成的有机磷化合物中，识别出部分对昆虫具有显著杀灭活性的含磷化合物。随后，八甲磷(OMPA，八甲基焦磷酰胺)，特普(TEPP，四乙基焦磷酸酯)，对硫磷(1605，O,O-二乙基-O-(4-硝 基苯基)硫代磷酸酯)等早期的有机磷杀虫剂被开发并推向市场，随后美国的陶氏、氰胺、雪佛龙、壳牌公司和德国的拜耳公司、瑞典的汽巴-嘉基以及日本的住友等各大化工企业也加入到有机磷农药的 开发中，大量有机磷杀虫剂品种在1950–1965年如雨后春笋般涌现。
1935–1985年是有机磷杀虫剂发展的黄金时代，有机磷农药工业的蓬勃发展进一步促进了有机磷 化工的发展。相对于有机氯杀虫剂，有机磷杀虫剂自身的分子结构决定其在自然环境和生物体中容易被降解，生物富集性较低。因此在20世纪70年代以滴滴涕(DDT)为代表的有机氯杀虫剂逐渐被禁 止生产和使用后，物美价廉的有机磷杀虫剂逐渐成为主流，其产量和使用量一度达到全世界杀虫剂产量的70%以上，为防治水稻螟虫、棉铃虫等农业害虫发挥了重要作用。表1列举了若干在商业上 重要的有机磷杀虫剂及目前在我国的登记情况，图1展示了部分重要有机磷杀虫剂的分子结构。
进入20世纪90年代以后，有机磷杀虫剂的高毒性、环境危害性和在作物中的残留等问题暴露出来，高毒性有机磷杀虫剂在全世界逐渐被禁用。图2显示了四种典型的有机磷农药的生命周期。由于传统使用的有机磷杀虫剂研究历史长、品种多、发展比较完善，使得开发比目前品种活性更高、成本更低、毒性更小的新型有机磷杀虫剂难度大大提高，商业风险显著升高。因此，世界上主流的农药开发公司逐渐放缓或停止了对有机磷杀虫剂的创新性研究，转而将目光投向了更高效、选择性更好、毒性更低的烟碱类和菊酯类杀虫剂，有机磷杀虫剂也逐渐被其他种类的农药替代。截至2020年，有机磷杀虫剂在全球杀虫剂的销售份额从2001年的35%已下降到2020年的12.7% (图3)，但因其价格低廉，尤其是在欠发达国家和地区，其仍旧有着不可替代的作用。
2 有机磷杀虫剂的防治目标和防治方式
杀虫剂杀灭害虫的主要作用方式有四种：内吸、触杀、胃毒和熏蒸。内吸作用是指农药被植物吸 收后，通过植物的输导系统传导到各个部位，使植物体内含有农药，从而对害虫产生毒杀作用。害虫取食或接触到处理过的植物后，会中毒死亡。具有内吸作用的农药通常用于防治隐蔽性强、生活习性复杂的害虫。触杀作用是指害虫通过接触农药后，农药通过害虫的表皮进入体内，导致中毒死亡。这种作用要求农药直接喷洒在害虫身上或其活动区域。具有触杀作用的农药一般用于防治活动范围较大的害虫。胃毒作用是指害虫取食了被农药处理过的植物或饵料后，农药通过消化系统进入害虫体内，导致中毒死亡。胃毒作用的农药通常用于防治以取食植物为主的害虫，特别是食叶性害虫。熏蒸作用是指农药以气体或蒸气的形式进入害虫的呼吸系统，使其中毒死亡。熏蒸作用的农药一般用于密闭环境中，如仓库、温室等，常用于防治储藏害虫和温室害虫。不同的杀虫剂因其结构特点不同，理化性质各异，因此在四种作用方式中各有不同的偏向性。在防治害虫时，通常根据害虫的生活习性不同选择具有合适理化性质的农药进行防治。表2中列举了我国常用的有机磷杀虫剂 的施用目标和作用方式。
大多数有机磷杀虫剂的水溶性较差，通常表现为微溶或难溶于水，而能够溶解于脂类和有机溶剂。有机磷杀虫剂的水溶性与农药分子的极性和分子量密切相关。一般而言，含有P＝O双键的有机磷杀虫剂，其溶解性显著优于相应的硫代磷酸酯类杀虫剂，这是因为P＝O双键的极性明显强于P＝S双键。此外，分子中含有较多亲水性基团的农药，其水溶性明显高于含有较多疏水性基团的农药。 有机磷杀虫剂的水溶性与其施用方式密切相关，水溶性较高的杀虫剂能够以水溶液形式喷洒施用， 而水溶性较低的杀虫剂常被制备成一定比例的乳液以便于喷洒作业。为了防止乳液变质，通常会加 入乳化剂、稳定剂等添加剂。具有较低水溶性的杀虫剂可用作土壤灭毒、拌种等用途，且残留时间长，可以有效减少施用量。高水溶性农药在环境中的持久性和流动性较强，容易通过水流和土壤渗透进入地下水和其他水体，因此在大多数国家均受到了严格限制。
低毒有机磷杀虫剂的结构特点
相较于结构相近的高毒性品种，部分毒性较低的有机磷杀虫剂通常含有特定的化学结构特征。这样的结构特征意味着低毒有机磷杀虫剂在温血动物体内可以被更加快速地降解，或者在温血动物体内的代谢产物毒或低毒，而在昆虫体内的代谢产物则具有高毒性。例如，二甲基磷酸酯对温血动物的毒性显著低于结构类似的二乙基磷酸酯。甲基毒死蜱(LD50 > 3000)相比结构相似的乙基毒死蜱(LD50 135–163)， 其急性毒性显著降低。乙拌磷(LD50 2.6)和甲基乙拌磷(LD50 120)是另一个这样的例子，二者的毒性相差了2个数量级。这是由于在温血动物肝脏中存在S-烷基化酶，具有特异性脱甲基的能力。有机磷杀虫剂进入温血动物体内后，很快在S-烷基化酶的作用下脱甲基而解毒。而在昆虫中这种作用就弱得多，吮吸类昆虫和螨类没有这样的能力，因此，二甲基磷酸酯的毒性通常低于结构类似的二乙基磷酸酯。
将农药修饰为硫逐(硫代磷酸酯)或硫赶(硫醇酯)型结构的农药前体，使之在温血动物体内迅速解毒，而在害虫体内则转化为高毒物种，发挥灭杀作用是开发低毒有机磷杀虫剂的常见策略。最典型的例子为马拉硫磷，其在昆虫体内发生氧化反应时，主要生成高毒性的马拉氧磷，而在温血动物体内主要的氧化产物则是毒性较低的羧酸马拉硫磷，其代谢产物可在数天内通过尿和粪便排出体外。此外，还有其他利用温血动物和昆虫代谢能力的差别，引入相关基团进行的结构修饰，这些结构修饰可以同时使用，从而为合成毒性更低、灭杀更专一的有机磷杀虫剂提供了有利条件。表4列举了低毒有机磷杀虫剂常见的结构类型。
这种结构修饰带来的毒性减弱效应的显著程度不一，一个著名的例子是甲基对硫磷(LD50 14–24)和乙基对硫磷(LD50 3.6–13)相比，毒性虽然有所下降，但并不足以使之成为低毒农药。另一个值得注意的现象是，有关这种代谢不同性的比较在过去往往局限于哺乳动物和昆虫，而对鸟、鱼、两栖、 爬行类、软体类等其他种类动物以及植物和真菌的影响往往缺乏研究，这导致很多过去被认为毒性 较低的农药实际上具有较大的环境危害，虽对温血动物低毒，但对其他种类的动物产生了较高的毒性，施用后被鸟、鱼等生物摄入而导致它们的大量死亡。除此之外，部分过去认定的低毒品种还因为其较大的累积效应引起的潜在危害而被禁止使用。
有机磷杀虫剂的未来发展方向
对于仍然处于粮食危机中的第三世界国家和欠发达国家，粮食安全与产出的稳定保障是第一要务。在粮食生产中的农业害虫防治以及如疟疾等虫媒恶性传染病的防治中，有机磷杀虫剂仍然起着 不可或缺的作用。有机磷杀虫剂的使用虽然不利于环境保护，但在减少饥荒和疾病发生等方面作用明显。因此，合理使用有机磷杀虫剂在第三世界国家确保粮食安全和保障人类健康等方面仍然具有重大需求。相比于其他种类的新型杀虫剂，有机磷杀虫剂的研究和开发已经相对成熟，开发新的有 机磷杀虫剂面临严格的法规审查、高昂的开发成本和不可预知的风险。
对于现存允许使用的有机磷杀虫剂，有关其环境效应的研究仍需进一步推进。研究表明，许多有机磷农药在环境中具有持久性，并可能对非目标生物产生负面影响。因此，未来的研究应集中在评估这些农药的环境风险和寻找减少其负面影响的方法。现有有机磷杀虫剂产品的改进关键在于优化其剂型、提高农药利用率、减少使用量以降低对环境的危害。例如，通过微胶囊技术可以控制农药的释放速率，提高其生物利用度，减少对环境的污染。此外，开发更高效的施药技术，如精准农业和无人机施药，可以进一步减少农药用量，提高防治害虫的效果。
过去有机磷农药的主要研究集中在杀虫剂方向，但高效广谱的有机磷除草剂如草铵膦和草甘膦的成功应用启示我们，不应将视线仅局限于杀虫剂，除草剂、杀菌剂、植物生长调节剂和液体肥料等农用化学品的开发仍然是有机磷农药研究的重要方向。此外，由于有机磷化合物在生物系统中具有多种作用，类似环磷酰胺(Cyclophosphamide)之类的有机磷化合物在药物化学和医学中已有丰富的研究，这些含磷药物在农业领域也存在潜在的应用前景。
在开展新型有机磷农药的研发工作中必须特别注重环境友好性，而不仅仅是对人类的低毒性。 有机磷农药对生态系统的影响复杂多样，可能导致生物多样性下降、水体污染等问题。生物降解性好、对非目标生物毒性低的新型有机磷农药是重要的研究方向。因此，未来的研究应全面评估各种有机磷农药对整体环境的影响，开发出更加高效、选择性更高、更加环境友好的产品。
结语
有机磷杀虫剂在20世纪取得了显著的发展，为农业生产和病虫害防治做出了重要贡献。然而， 随着全球环境问题的日益突出和绿色农业理念的广泛传播，有机磷杀虫剂的发展面临着新的挑战和机遇。我国农药行业面临诸如品种结构老化、原创农药品种少、环境友好农药开发研究困难等一系列挑战和问题，现有登记杀虫剂品种中，约70%的品种登记使用已超过15年，导致产品同质化严重， 抗药性上升，药效降低，进而使得用药量增加，进一步增加了农药残留和环境风险。与发达国家相比，我国在农药源头创新、核心工艺开发、关键中间体合成技术等方面存在较大差距，农药创新投入不足，人才储备不足，缺乏持续性的研发创新平台。这些问题不仅制约了我国农药行业的进一步发展，也对农业生产、环境保护和人体健康带来了潜在威胁。未来有机磷杀虫剂的研发应顺应时代潮流，在保障环境友好的前提下，研究开发新型高效品种，通过科学研究、技术创新和政策支持， 实现农业生产与生态环境的协调发展。
（本文对原文内容进行了部分删减）
来源: 大学化学-CNKI