（环境工程专业论文）磺酰脲类除草剂动态构效关系研究及优势菌选择.pdf

_ _一一一一一一一一一一一一-一一一一- ab s t r a c t a l t h o u g h t h e d i s c o v e r y a n d u s a g e o f s u l f o n y l u r e a h e r b i c i d e s h a v e b r o u g h t a n e w s t a g e f o r w e e d c o n t r o l , a n u n d e s i r a b l e c o n s e q u e n c e o f t h e s e p r a c t i c e s i s t h a t t h e r e s i d u e s o f t h e s e c h e m i c a l s re m a i n i n s o i l f o r p r o l o n g e d p e r i o d s , l e a d i n g t o a d v e r s e e ff e c t s . o n t h i s b a s i s , t h i s t h e s i s h a s s t u d i e d t h e d y n a m i c s t r u c t u r e - b i o d e g r a d a t i o n r e l a t i o n s h ip o f t h i s k i n d o f c o m p o u n d s a n d u s e d it t o c h o o s e p o l l u t i o n c o n t r o l w a y s f o r c h l o r s u l fi r r o n . u s i n g t h e h a l f - l i f e o f t a r g e t a s i n d e x o f b i o d e g r a d a t i o n , t h e q u a n t i t a t i v e s t r u c t u r e - b i o d e g r a d a t i o n r e l a t i o n s h i p s ( q s b r ) o f 1 3 c o m p o u n d s h a v e b e e n s t u d i e d w it h s t e p w i s e r e g r e s s io n s t a t i s t i c a l m e t h o d . t h e m a t h e m a t i c m o d e l w a s s e t u p a n d v a l i d a t e d t o h a v e t h e f o r e c a s t f u n c t i o n . t h e m o d e l s h o w e d t h a t t h e r e w e r e s i g n i f i c a n t r e l a t i v i t i e s b e t w e e n t h e i r b i o d e g r a d a t i o n a n d t h e i r t h r e e s t r u c t u r e p a r a m e t e r s : e j.o a n d t h e r e s p e c t i v e c h a r g e o f s a n d n n e x t t o s o n t h e b r i d g e t h r o u g h c o n s u l t i n g m a n y r e f e r e n c e s a n d m o d e l a n a l y s i s , t h e c o n t r o l s t e p i n s u l f o n y l u r e a h e r b i c i d e s d e g r a d a t i o n w a s c o n f i r m e d . t h a t i s t h e b r e a k o f h y d r o g e n b o n d f o r m e d b e t w e e n 3 - n o f h e t e r o c y c l e a n d h b i n d i n g w it h n n e x t t o s o n t h e b r i d g e . a n d i t w a s a l s o c o n f i r m e d t h a t m o r e t h a n o n e m i c r o b e p a r t i c i p a t e d i n t h e mi n e r a l i z a t i o n p r o c e s s o f t h e s e c o m p o u n d s t h e n , c h l o r s u l f u r o n w a s c h o s e n a s t y p i c a l t a r g e t t o s c r e e n i t s s u p e r i o r s t r a i n s a n d t o s t u d y t h e b a c t e r i a s c a t a b o l i c a b i l i t y . u s i n g s o d i u m a l g i n a t e a s e m b e d d i n g m a t e r i a l , t h e b a c t e r i a w e r e i m m o b i l i z e d . a n d t h e d i ff e r e n c e s b e t w e e n t h e d i s s o c i a t e d a n d i m m o b i l i z e d b a c t e r i a w e r e o b s e r v e d u n d e r d i ff e r e n t t e m p e r a t u r e a n d p h a n d s u b s t r a t e c o n c e n t r a t io n . t h e r e s u l t s s u g g e s t e d t h a t t h e i m m o b i l i z e d c e l l s h a d l a r g e r r a n g e s i n p h a n d t e m p e r a t u r e t h a n t h e d i s s o c i a t e d b a c t e r i a a n d t h a t t h e d e g r a d a t i o n w a s q u i t e f a s t . f i n a l l y , t h e i m m o b i l i z e d c e l l t e c h n iq u e w a s a p p l i e d i n b i o r e m e d i a t i o n s i m u l a t i v e e x p e r i m e n t o n s o i l p o l l u t e d妙 c h l o r s u l f u r o n a n d t h e e ff e c t w a s s a t i s f a c t o r y . k e y w o r d s : s u l f o n y l u r e a h e r b i c i d e ; q s b r ; c o n t r o l s t e p ; s u p e r i o r s t r a i n s ; i m m o b i l i z e d c e l l ; b i o r e m e d i a t i o n 南开人学硕士研究生毕业 ( 学位) 论文 第一部分前言 在涉及多学科的环境科学领域中， 评价一个污染物的环境危害主要考虑 两个方面的因素: 该污染物对生物系统的毒害势 ( 毒性大小) ; 该污染物在环 境系统中对于生物系统的暴露势 ( 毒害出 现的可能性) .据报道1 9 9 4 年美国 “ 化学文摘”中登记的化学物质就已达近千万种之多，并且每周正以 6 0 0 0 种的 速度增加，而且大部分新化合物在自 然界中从未发现过 i . 2 1 。 显然， 全 面评价如此众多的化学品的环境危害是几乎办不到的。若能通过化合物的某 一物化性质对其可能造成的环境危害进行预测，以指导危害性较大的污染物 控制对策的选择，这在环境科学研究中无疑具有重要的意义。对有机污染物 来说，构效关系的研究在某种程度上提供了这样的可能。 环境污染物定量构效关系研究的目的是在结构与效应之间建立数学语 言表达。广义的结构是指环境污染物分子的官能团，分子碎片，子结构，化 学组成，或物理、化学、生物化学、量子化学等参数。 广义的效应是指环境 污染物的毒性、致癌、致突变、致畸及环境效应，生物积累等参数。目 前的 工 作主 要 集中 于 定 量结 构 一 生 物活 性 关 系q s a r ( q u a n t it a t iv e s t ru c t u r e - a c t iv it y r e l a t io n s h i p )研究和定量结构一 生物降解性关系 q s b r ( q u a n t i t a t i v e s t ru c t u r e - b i o d e g r a d a t i o n r e l a t i o n s h i p ) 研究。 1 构效关系的研究方法及应用现状 大量人工合成化学品带来的环境污染问题日 益受到人们的关注; 对绝大 多数合成有机化合物来说，生物降解是其重要的降解过程之一。因此评估有 机物的生物降解对了解其在环境中的转化、归宿和选择其污染控制对策有着 重要的作用。 然而， 最初的q s a r 研究主要侧重于模型的 预测功能， 没有进 一步探讨有机化合物导致潜在环境生态效应的原因，所建立的各种预测模型 第一部分前言 也难以对有机化合物尤其是次级代谢物的环境效应进行评价和预测，更不能 对低剂量的典型环境污染物 ( 如高效低毒的新型农药)在长期暴露情况下的 环境效应和生物效应进行分析和判别，当然也就难以指导此类有机化合物污 染控制对策的选择。 戴树桂、 庄源益和宋文华等对典型污染物在环境诸介质中的迁移转化规 律及生态效 应、 q s a r和环境风险 评价、 q s b r及有效生 物处置 等方 面作了 系统的研究， 尤其是在动态定量结构一 生物降解性关系的研究方面作了 有益的 探索。 他们尝试把生物化学、环境化学、分子生物学和量子力学等理论与人 工智能技术相结合，建立了有机污染物生物降解途径理论预测的软件包，通 过生物降解途径的理论预测与q s b r方法的结合来确定有机污染物生物降解 性与生物降解途径的关系， 在此基础之上， 首次 提出了 动态q s b r的概念模 式3 . 4 1 . 1 构效关系研究的方法学基础 将结构描述符或理化性质与有机物的活性联系起来的数学模型统称为 定量结构 活 性关系 ( q s a r ) 模型。 把q s a r应用于生物降 解性 研究就 叫q s b r d o c测定生物降解性的一个不利条件是受试物必须被 用作唯一有机碳源，在有其它可降解的有机物质存在的条件下不能应用，但 它的优点是测定的是完全降解量。此外，也可用c 0 2 排放量来表征被测物的 最终生物降解性。 总的 来说， 所有非 特性参数 重 现性都 较差。 g e ri k e 7 1 1 比 较了 非特性参数 的八种测定方法， 对4 2 种化合物的测量结果表明， 检测条件的不同， 影响着 对许多化合物降解程度的判断。 ( 2 ) 特性参数 用被测物质的减少量来表示生物降解性的优点是被测化合物可以和其 它有机物，如中间代谢产物共存。 但是这种方法需要一系列的分离，定量和 定性分析技术。其中被测物质的去除率、降解产物的生成率以及半衰期等都 可用来表示物质生物降解性。 有机物结构 生物降 解性关系研究要求在相同的外界条件下， 以 确保 化合物生物降解性的差异只来源于化学结构的不同， 而不是环境条件的变化 所致。 1 . 1 . 4 定量构效关系模型的建立及分析方法 回归分析， 多元统计分析是定量构效关系研究中的 基本数学方法。 这些 方法已 在构效关系研究的许多方面得到应用: 在化合物的结构性质 降解性之间建立回归方程;对未知属性的化合进行合理的分类;建立数学模 式，将化合物的结构信息与降解类型联系起来;预报未知物的降解特性;寻 求化合物的代谢途径解决其环境残留问题;指导化合物的结构修饰，筛选及 预测或设计新化合物的合成、使用等等。 南开人学硕士研究生毕业 ( 学位)论文 尽管回归分析，多元分析在数学上都有严格的定义和要求， 而构效关系 的研究对象是化合物和生物体，情况复杂干扰因素多，所获得的数据难以满 足这些数学方法的前提条件，但是实践表明回归分析，多元分析在非数学学 科的q s a r , q s b r研究领域中的应用获得了极大的 成功，为研究工作的深 入开 展提供了巨 大的 推动力。 常 用的 分 析方 法有以 下 几 种o 1 , ( 1 ) 回归分析 回归分析是构效关系研究中最常用的统计分析方法。 一元回归分析只涉 及一个变量与另一个变量的关系，多元回归分析通常表示一个变量与两个或 更多个变量之间存在着线形关系。在此类研究中对数据进行回归分析的主要 内容有: . 获得表示定量构效关系的回归方程; . 回归系数的显著性检验; . 回归方程的显著性检验; . 利用回归方程作出预报。 ( 2 ) 主成分分析 主 成分分 析是一 种多 元统计分析方法。 在q s a r , q s b r 研究中 常常遇 到所选用的结构参数，理化常数之间存在着程度不同的相关性，因而使得提 供的信息发生重盈， 掩盖了要分析的问 题本质. 透过重盛的信息要使本质显 露出来，在数学上可通过变量的线形组合来实现。 ( 3 ) 因子分析 因子分析和主成分分析相当 类似， 它也是常用的多元统计分析方法。 对 于具有复杂相关关系的多 个原始变量，可以 利用相关系数矩阵以 少数几个互 不相关的主因子来代表原 始标量所提供的信息， 使得要研究的问题便于归纳。 因子分析对确定影响化合物生物活性、 降解性的结构因素， 选择恰当的参数， 对化合物进行分类都很有作用。 ( 4 ) 聚类分析 第一部分前言 聚类分析是一种多元统计分类方法， 用该法可以对一群不知类别的观察 对象按彼此相似的程度进行分类。在构效关系研究中应用聚类分析法能将不 同的化合物或不同取代基或不同的结构信息参数等观察对象进行分类，使相 似的化合物或相似的取代基或相似的结构信息参数分别 “ 聚”在一起，达到 “ 物以类聚”的目的。 ( 5) 判别分析 判别分析在多元统计分析中也属数值分类法， 但是与聚类分析有明显的 差别。在判别分析中用以建立判别函数的数据事先已知所属的类别，而聚类 分析的 数据类别是未知的. 在q s b r 研究中运用判别分析可以 解决两 个问 题: 一是根据己 知降解的化合物的结构参数，理化性质建立判别函数。利用判别 函数验证对这些化合物判别归类的准确性;二是预报未知化合物所属的代谢 类型。 1 .2 动态q s b r模型建立的一般原则 戴树桂、 庄源益和宋文华等通过分析有机物生物降 解的基本因素， 指出 动态q s b r 模型应综合反映影响有机物生物降解的四 个方面: 化合物的 摄入、 化合 物的 诱导 作 用、 毒 性 物 质的 形 成 和基 础 酶的 缺乏 t41 。 这四 个 方 面概 括 起 来反映了两个层次的问题。一是有机污染物能否顺利通过细胞膜达到酶活性 位点;二是酶和酶系对有机物的有效催化和去毒机制。而有机化合物的分子 结构和生物降解性之间存在着密切的关系， 选择用于表达有机化合物结构特 性的结构描述符反映上述四 个方面的 特性，再用数学模型加以 解析、表达其 构效关系。 1 .2.1有机物结构与其生物降解途径关系的量化剖析 决定微生物降解有机物途径的因素也很多， 一是有机物本身的化学组成 和分子结构 ( 结构因子5 ) ， 在一定条件下它决定有机物每一分解代谢反应的 可能性与难易程度; 二是环境的物理化学条件 ( 环境因子e ) ; 三是微生物生 南开大学硕士研究生毕业 ( 学位)论文 存的适宜条件 ( 生物因子b ) 。 事实上， 在给定的环境条件和所选择微生物种 属的条件下，决定有机污染物生物降解的因素则由结构因子s 来决定。 而衡 量结构因子s的参数则是电子效应、空间效应和亲脂性效应。对于特定的系 列化合物而言，亲脂性效应能通过诸如正辛醇/ 水分配系数加以确定，因此， 对生物代谢途径中的每一代谢反应而言，有机物的结构参数与生物降解途径 之间 有 着 必 然 的 联 系 6 决定双分子反应的因素有三，一是分子的h o mo( 最高占据轨道能量) 和l u m o( 最低空轨道能量) 是 起决定作用的轨道， 反应时电子从一个分子 的h o m o流入另一个分子的l u m o ; 二是两个反应分子的对称性必须适应 ( 相位匹配原则) ，以使h o m o和 l u m o能产生最大重叠;三是起作用的 h o mo和l u m o的能量必须接近( 相差应小于5 或6 e v ) ， 反应才能发生( 能 量匹配原则) 。 量子化学中有关化学反应的量子理论认为， 从前线轨道分子间相互作用 的性质，引出下列支配化学反应进行途径的一般原理: ( 1 ) 电荷转移与键的交换间位置平行性原理 在化学反应中分子间从h o mo电子流向l u m o容易( 亦即离域化倾向 大)的位置与键的交换容易发生的位置是平行的。 ( 2 ) 前线轨道能级间隔减少原理 由 ( 1 )知离域化作用与键的交换将发生在最大前线轨道密度的位置。 电子离域化使给体的h o mo能级升高，同时受体的l u m o能级下降，因为 一个成键的mo当释放出电子时将变得不稳定而反键mo由于接受了电子而 被稳定化了。两种情形通过键的松动效应使其前线分子轨道 h o m o - l u m o 的能级间隔将会显著的变小。 ( 3 ) 前线轨道h o m o和l u m o在反应中心定域化原理 当h o mo - l u m o相互作用与另外不同的分子形成一个新键时， 在一分 子的反应中心h o mo和l u mo将变得更定域化了。并且在反应中心和分子 第一部分前言 的其余部分键将被肖 d 弱。 ( 4 ) 沿反应途径前线电 子密度增长原理 综上所述， 反应途径是为前线轨道间的相互作用性质所控制的， 反应发 生的位置将由前线轨道最大重叠规则所确定， 即反应分子的h o mo和l u mo 起着主导作用。由此，通过剖析有机物优化构象时的结构参数就可以预测其 生物降解途径。 1 .2 .2动态q s b r 概念模式的建立 在对有机物结构参数进行量化剖析的基础之上， 戴树桂、庄源益和宋文 华等提出了 动态q s b r 概念模式， 其 基本组 成部分是: 一 般q s b r 模型、 反 应机制的剖 析、 控制反 应q s b r模型， 中间的 衔接部分就是反 应机制的剖析 4 1 。 一 般q s b r 模 型 和 传 输 过 程 动 力 学 模 型 给出 系 列 有 机 化 合 物 生 物 降 解 性 的概况， 之后， 通过对己知途径的量子生物学 ( 化学) 、 生物化学等理论的剖 析，给出可能影响 ( 控制)系列化合物生物降解途径的关键点及控制因素， 以 此为 基础构建 控制反 应的q s b r 模型。 具体可分为以 下几个过程: ( 1 )化合物的选择 首先给出待研究化合物的系列。系列化合物的选择可以是相同取代 基和各种不同取代方式，也可以是某一己知系列中典型化合物。 ( 2 ) 一 般q s b r 模型的 建立与 验证 利用数学分析方法在化合物的结构参数和生物降解性之间建立数学 模型，并对模型进行验证。 ( 3 )反应机制的量化剖析 将一般q s b r 模型的结果反映到利用量子生物学( 化学) 、 生物化学 等理论对系列化合物生物降解性的剖析中去。 ( 4 ) 控制反应q s b r研究 把生物降解途径与生物降解机制的量化剖析的结果相结合，确定影 南开大学硕士研究生毕业 ( 学位)论文 响生物降解机制的关键步骤及制约因素，指导高效生物降解优势菌 ( 群)的筛选及实际应用，并最终确立污染控制与预防对策。 ( 5 )模型检验 ( 6 )实际应用 有机污染物控制反应q s b r模型的概念模式如图1 - 1 : 图1 - 1 有机污染物控制反应q s b r模型的概念模式 1 .3 应用前景 1 .3 . 1 动态q s b r 概念模式对优势菌选择模型建立的理论指导 生物降解是有机污染物最重要的降解过程之一。 综合运用量子化学和生 物学的观点剖析生物降解途径，其目 的一是确定典型途径中有机污染物分子 结构与生物降 解途径的关联性;二是剖析环境因素与生物因素对降解反应的 影响程度;而后与实际的情况相对照，最后确定影响典型生物降解途径的关 键步骤作为控制反应。 戴树桂、 庄源益和宋文华等尝试将q s b r应用于氯代芳香化合物的降解 第一部分前言 和偶氮染料废水的 处理上， 并取得了 较为显著的 成效3 . 4 1 。 在对氯代芳香 化 合物的研究中，将有机污染物生物降解途径的理论预测和量化剖析相结合， 建立取代苯及取代酚控制反应q s b r模型， 在此基础之上建立了p s e u d o m n a s s p . 典型生物降 解途径控制反应的q s b r模型。 利用建立的 模型指导1 , 2 - , 1 ,4 - 二氯苯和 1 ,2 ,4 一 三氯苯生物处理优势菌的选择。计算优势菌 p s e u d o m n a s .b 1 3 的酶1 1 对3 ,6 - 一 二氯邻苯二酚和3 , 4 , 6 一三氯邻苯二酚的k m值，说明酶1 1 对 3 , 6 一二氯邻苯二酚和 3 ,4 , 6 一三氯邻苯二酚有较高的活性，与实际结果相吻 a 在对偶氮染料的q s b r研究中， 他们通过调查染料分子结构与其生物降 解性、染料分子典型生物降解途径与脱色机制之间的关系，并选取数种典型 偶 氮染料， 进行 脱色机 制的 量 化剖析 及动态q s b r 研究， 建 立了以 脱色能 力 表征偶氮生物降解性的定量结构一生物降解性关系模型，确定染料脱色反应 为生物降解途径的控制反应， 偶氮氧化还原酶为限速酶.并以此作为理论指 导，从受污染环境中筛选获得数株降解菌，并采用固定化技术对实际废水进 行 处 理， 取 得 很 好的 效 果 14 1 1 .3 . 2 动态q s b r 研究在污染控制对策选择方面的应用 利用动态q s b r 研究， 可以 客观反映污染物产生环境危害作用的机制及 关键点， 全面阐 述污染物在环境中 发生生物转化的全过程， 确定导 致环境效 应的分子及活性部位，从而从环境污染物生物降解的全局角度剖析其环境效 应。 由 于动 态q s b r的 概念模式 综合考 虑各种因 素与 可能 性， 将有机污染物 的环境效应与其生物降解途径相关连，有机污染物的生物效应危险性与其代 谢产物的生物降解性相关连，因而该概念模式的研究除了在典型有毒化学品 的环境危险性评价和污染控制对策的选择中有着积极作用外，也可以 用于确 定有毒有机化学品可能的生物降解性与生物降解途径，进而预测其环境效应 和生物效应并提出有效的防治对策;另外，在对环境友好化学品的设计上也 南开大学硕士研究生毕业 ( 学位)论文 有一定的指导意义。作为定量构效关系研究的一个新的分支，动态q s b r 研 究具有广阔的发展前景。 2 磺酞服类农药的作用机制和环境效应 从7 0 年代杜邦公司 研制出 第一个磺酞脉类除草剂( 氛磺隆) 开始， 经过结 构改造与修饰，开发出一系列品种，磺酞脉类除草剂以前所未有的高活性从 此打破了传统品种的用药量界限， 使除草剂的发展步入了超高效的时代，用 量一般为2 -1 0 0 克/ 公顷，比传统除草剂的除草效率提高 1 0 0 -1 0 0 0 倍。而 且该 类除 草剂对动物低毒， 在非 靶生 物体内 几乎不积累 18 1 。目 前有关磺酞脉 类除草剂的专利有4 0 0 多项， 已 商品化的有3 0 多种. 随着磺酞脉类除草剂的 开发和广泛应用，由 残留物引起的环境问题亦已引起人们的重视。 2 . 1 磺酞脉类农药的结构特征和品种 磺酞脉类化合物从结构上可分为三部分，即疏水部分， 磺酞脉桥和杂环 部 分 19 1 。 其 基 本结 构如图1 - 2 所 示 ( 以 苯 环表 示 其 疏水 部 分 ) . 碗水 邻 分 硅酸用桥 - 众 ， c : 目 吸 。 一舀 、 上 二 杀环 都分 图1 - 2 磺酞脉类化合物的基本结构 从磺酞脉类除草剂开发至今， 己对其各个组成部分进行了各种各样的修 饰，如磺酞脉桥的变化十分丰富，似乎只要不阻断脉桥与杂环部分的共扼就 能保持其除草活性， 磺酞脉中的杂环部分为啼睫- 2 一 基或1 , 3 , 5 一 三啧一 2 一 基时， 除草活性最高.在此类除草剂近十年的研制开发主要集中在疏水部分，原来 的苯环现在可由 各种杂环来代替，如毗吮、 唾吩、 峡喃或蔡环等。 目 前已 商品 化的常见的 磺酞服类除草剂品种有以 下几 种 1 0 - 1 1 ， 见 表1 - 1 . 第一部分前言 表 1 - 1 己商品化的常见磺酞脉类除草剂品种 中文名称商品名应用作物 ch l o r s u l f u r o n 抓磺隆卿 ea n 月e l a r 谷类4 - 2 6 t r i b e n u r o n - me t h v i 苯黄隆 阔叶净/ 巨星 / e x p r e s s 谷类5 - 3 0 me t s u l f u r o n - me t h y l 甲黄隆 a l ly / es c o rt 谷类2 - 8 e t h a me t s u l f u r o n - me t h y l 胺苯黄隆mu s t e r油菜1 5 - 2 0 t r i a s u l f u r o n醚苯黄隆amb e r谷类1 0 - 4 0 p r o s u l f u r o n三氟丙黄隆p e a k / e x c e e d玉米1 0 - 4 0 s u l f o me t u r o n - me t h y l 喷黄隆 ou s t灭生性 7 0 - 8 4 0 b e n s u l f u ron - me t h y l 节啼黄隆 农得时 l o n d a x 水稻2 0 - 7 5 p r i mi s u l f u r o n - me t h y l 氟啼黄隆b e a c o n玉米2 0 - 4 0 ch l o r i mu ron - e t h y l 抓喃黄隆 豆草隆 cl a s s i c 大豆8 - 1 3 ni c o s u l f u r o n 烟啼黄隆 玉农乐 ac c e n t 玉米3 5 - 7 0 ri ms u l f u r o n玉啼黄隆宝成m a t r i x甜菜1 0 - 2 5 t r i fl u s u l f u r o n - me t h y l 氟胺黄隆u p b e e t玉米5 - 1 5 th i f e n s u l f u r o n - me t h y l 嘎黄隆 阔叶散 h a r mo n y 谷类/ 大豆1 0 - 3 5 / 4 - 6 f y r a z o s u l f u r o n - e t h y l 毗啼黄隆 a g r e e n 水稻1 0 - 2 0 哇哮黄隆小麦1 0 0 - 1 5 0 ami d o s u l f u r o n磺胺磺隆谷类2 0 - 6 0 f l u p y r s u l f u r o n - me t h y l - s o d i u m 氟r2嘀磺隆谷类1 0 i ma z o s u l f u r o n咪哇磺隆水稻 7 5 - 1 0 0 f l a z a s u l f u r o n吮啥磺隆草坪2 5 - 1 0 0 e t h o x v s u l f u ron乙氧啥磺隆稻田 1 5 - 3 0 c y c l o s u l f a m u ro n 环丙喷磺隆稻田2 5 - 5 0 南开大学硕士研究生毕业 ( 学位)论文 o : a s u l f u r o n i 环氧it磺隆大豆6 0 - 9 0 2 . 2 磺酞脉类农药的除草机制 2 . 2 . 1 作用表现 磺酞脉除草剂一般不抑制种子的萌发， 子叶能正常开放，但对幼苗的根 和枝芽有很强的抑制作用。用药后早期目 测症包括脉纹变红，叶面退绿，末 端萌芽死亡， 然后慢慢坏死。 对较老的 植物敏感性下降，生长抑制有某些恢 复， 虽然矮化和畸形， 仍能长叶、开花、结子p o t 2 .2 .2 作用机制 l a r o s s a 等 17 2 4 9 1 发 现a l s ( 乙 酞 乳 酸 合 成 酶 ) 是 磺 酸 脉 除 草 剂 的 唯 一 作 用 靶标。磺酞脉类除草剂通过植物的根、茎、叶吸收，在体内向上或向下双向 传导，迅速分布全身，但由根部向上传导的量大于向下传导的量。除草剂通 过抑制乙酞乳酸合成酶， 使具侧链的氨基酸 撷氨酸、 亮氨酸和异亮氨酸 的 合成受到 抑制， 从而导 致为完成g 1 ( 合 成前期 ) 和 g 2( 合成后期) 阶段而 合成 d n a或相应的有丝分裂所必不可少的某物质的合成受到破坏，结果使 细胞分裂和植物的生长受到抑制而死亡 1 2 1 2 .2 .3 作用分子机理 a l s 是 固 定 于 高 等 植物 叶 绿体中 的 酶， 在 金 属 离 子m 犷 + 或m n 2 1 的 活 化 作用下， a l s 与硫胺焦磷酸形成可逆络合物，催化丙酮酸或丁酮酸缩合，而 磺酞服类除草剂则可截留酶与硫胺焦磷酸的作用，从而抑制支链氨基酸的合 成.而支链氨基酸是植物体内蛋白 质合成的 重要物质， 其生物合成受阻， 则 导致蛋白 质合成停止，从而使该植物生长严重受害直至死亡 1 2 1 支链氨基酸在植物体内的合成途径及磺酞脉类作用点见图1 - 3 . 第一部分前言 横眯陈奥除草劣 习 ch3ch2000ooh 。 、c h 2c h 3c h3c - c -o h o cooh j als ch30a ci ooh 外 c h 3 咋- o h o c ooh c h 3- 0 421 h - cr m o h c h 3 - c t 咋h - - c o o h c 比 n h 2 异亮氮欲 c h j - c h - - c h - 0 0 0 h n h 2 c h 3 -ch - c h 2 - c h - c o o n n h 2 蝴氛改 图 1 - 3 支链氨基酸在植物体内的合成途径及磺酞脉类作用点 2 .3 磺酞脉类农药的代谢研究 研究表明磺酞脉类除草剂在水及土壤中的降解方式主要有两种: 化学水 解和微生物降解，通过其他降解途径如光解、挥发等转化的很少，只有 b r o w n ( 1 9 9 8 ) 报道了 啥磺隆 在水溶 液中 和土壤表 面会迅 速光解而消失. 磺酞脉类除草剂的化学水解和微生物降 解是主要降 解途径【 14 1 ， 但不是单 独 的 、 截 然 分 开 的 ， 而 是 同 时 进 行 ， 相 互 影 响 ， 相 互 作 用 15 . 16 . 17 1 2 . 3 . 1 化学水解 h e m m a l a d a 等 1 9 研究了 氯磺隆、 甲 磺隆的 水解 机理， 得出以 下结 论: 在 酸性介质中，级磺隆、甲磺隆先水解为较大分子的芳基磺酞胺甲酸，再水解 为小分 子的 磺酞 胺和c 0 2 ; 在 碱性环境( p h 1 0 - 1 4 ) 中 只有唯一的 一 种水解反 应，即在三啧环上亲核基团被轻基取代。 唾黄隆 ( 酉 旨 型)的化学水解，在碱性介质中为脱酷反应，其中间产物很 南开大学硕士研究生毕业 ( 学位) 论文 难在进行水解作用: 而在酸性介质中水解颇为复杂，脉桥的断裂和三嚓环上 甲 氧基的水解同时发生，导致磺酸脉桥的断裂和三啧环的开环平行作用，这 两 种 水 解 途 径 的 相 对 速 率 受 到 化 合 物p k a 值的 影 响 2 0 1 玉啼黄隆的 水 解与大多 数磺酞 脉类化合物不一 致的 地方 在于随 着p h值 的增加，其水解速率先下降再上升，即在中性条件下其水解最慢，在碱性环 境中 也 可以 迅 速 水 解 2 11 对于绝大多数磺酞脉类化合物， 在酸性条件的水及土壤中都遵循的非酶 化学水解反应，是水分子作用于磺酞脉桥的狡基碳，使脉桥断裂成无除草活 性 的 芳 基 磺 酞 胺 和 氨 基 杂 环 ， 放 出 c 0 2 ( 图1 - 4 ) 14 , 15 . 16 . 18 p a o n 试 - 李- h n - c - h n - 矛 从n- 叹_ 。 双a r ， n - ( r 7 r -s0 2n h 2 h.n- (1n操 ， c0 2 图 1 - 4 服桥断裂 2 .3 . 2 微生物降解 实验结果表明: 磺酞脉类除草剂在灭菌土壤中的降解比 在未灭菌土壤中 缓 慢， 而 且 在未 灭 菌 土 壤中 降 解 产 物 更 为复 杂 p 8 1磺酞 脉 类除 草 剂可 被 微生 物利用，微生物不仅可以直接降解母体化合物，还可以通过分解水解的产物 来促进水解反应。 a n d e r s o n 等 人 2 2 1 发 现 在 土 壤中 喀 黄隆 首 先发 生 水 解， 在 无 菌 条 件 下， 其 主要降 解产物是糖精， 但有土壤微生物存在的条件下， 啼黄隆的苯环可以完 全 矿 化。 显 然水 解 产 物 糖 精的 分 解促 进了 其化 学 水 解的 发生. d a n ie ll e 2 3 1 也 指 出在微生物的作用下中间代谢产物三嗓环在碱性条件下的降解速率要比酸性 条件下快得多。 r o b e r t , k e r ry等 人 2 4 . 2 5 1还 分 别 分 离 出 一 种 放 线 菌 1 9 95年 沈阳 曾 发生 氯 磺隆 污 染 水稻的 重 大 事故，造成近5 33.4公顷稻田受害，其中2 67 公顷绝收:1 9 92年在河北麦田 中施用甲磺隆， 也造成后茬玉米大面积药害;19 94年在江苏油菜田施用胺苯 磺隆，使后茬水稻大面积产生药害;迄今为止，已 发现磺酸脉类除草剂的残 留药害可伤及水稻、大豆、玉米、油菜、棉花、甜菜、亚麻、向日 葵和红花 等多种作物，己 有四 川，安徽，陕西等多个省市发出 通告禁止使用氯磺隆、 甲 黄 隆、 胺 苯 黄隆 等 磺 酞 脉 类除 草 剂 【39 。 国 外 也 有 类 似的 报 道 128， 1 9 84年， 在英国施用氯磺隆的田 地到1 9 8 6 年也发生对甜菜的大面积药害。 一 般认为， 氯 磺隆随水迁移性较强 l0 4 ， 】 ， 其 残留 主 要是结合态残留， 结 合态残留 常被认为是农药的一种解毒机理， 但近年来的 研究发现， 氯磺隆在 一定条件下可再度以 母体化合物或其代谢物的形式释放出 来， 总之，结合残 留物的迁移和淋溶性较弱，而且对后茬作物的生长有抑制作用，达到一定剂 南开人学硕士研究生毕业 学位)论文 量时即 可对后茬作物 产生 药害 4 2 1 磺酞脉类除草剂由于其特有的高效低毒性给残留问题的研究带来了许 多不便。首先，施药剂量低而降解相对迅速，在植物、水和土壤中的消散水 平通常会低于其规定方法的检测极限.其次，由于目标杂草和一些轮作作物 对这类除草剂的敏感性可能存在千万倍的差异， 所以微小的土壤残留有其实 际重要性。对大多数除草剂看来是微不足道的残留，对这类除草剂来说就会 带来负面影响。 2 . 4 . 2 磺酞脉类除草剂的杂草抗性 磺酞脉类除草剂上市不久就有对杂草产生抗药性的报道， 其抗性形成的 速度之快是4 0余年来除草剂使用历史中前所未有的。1 9 8 7 年，爱达荷州冬 小麦田的刺葛芭就对氛磺隆和甲 磺隆的混剂产生了抗性， 以 后迅速扩大到1 3 个州和加拿大的1 个州. 在近 1 0年中，所发现的抗乙酞乳酸合成酶抑制剂的杂草数超过任何其 他作用方式的除草剂，这是由于众多的乙 酞乳酸合成酶抑制剂品种及全球范 围大面积重复使用，促使了此类除草剂的抗性杂草迅速增长。于是，杜邦公 司宣布在美国7 个州不得使用氯磺隆以 保护这一类有价值的除草剂，并加强 了对磺酞脉类除草剂抗性的研究工作。 己经证明，杂草的抗性主要是 a l s的变构和植物解毒代谢功能的提高 所致4 3 1 ， 而 且a l s 遗传因 子的 变异 往往不只一 个位点， 结合 部位的 变构直 接 影响着a l s 与化合物的结合能力; 抗药性问题已成为磺酞脉类除草剂发展的 一大障碍。 2 .4 .3 残留检测分析 磺酞脉化合物生物活性高， 用药量低， 对后茬作物的残留药害严重， 所 以其残留分析方法显得极为重要，难度也较大。目 前，测定磺酞脉除草剂在 水和土壤中的残留主要有化学检测，免疫检测和生物检测。 第一部分前言 化学检测关键在于提取技术，现多采用固相提取，液一 液提取法由于耗 时长，所用溶剂量大而应用不广;超临界流体提取等较先进的方法所需的实 验条件较苛刻， 操作技术难以掌握，费用较高，也缺乏一定的可行性。 检测 方 法多 用h p l c 和g c . h p l c 可 检 测 到0 .2 g g / l 的 样本， 但需 光导 检 测器， 尚不能普及:由于磺酞脉化合物热不稳定，不能直接实用 g c进行分析，必 须 用 重 氮甲 烷 衍 生 化以 后 才 能 测定 4 4 1 ， 其 检 测 限 最 高 可 达0 . 1 1x g / l( 水 样) 和l k g /k g( 土样) ，此法与生物测定结果一致。 k e l l e y 等1 9 8 5 年发 表了 一 种酶联免 疫法 检测磺酞脉除 草剂4 5 。 该 法具 有 快 速、 有效、 专一 性 强的 特点， 土 壤中 氯 磺隆 的 检 测限 可 达0 . 1 - 0 .3 p g / k g o 但酶联免疫法专一性强， 只能检测特异结构的 化合物，且抗体的制备相当困 难，它只能是生物测定的一种补充手段。 生物测定法用敏感植物作指示植物， 效果最直接。 它包括土培生物测定、 水培生物测定、 土壤提取液生物测定和细胞培养生物测定。 该法简便、 快速、 廉 价， 有 效 性、 准 确 性、 可 行 性与 化 学 检 测 一 致， 检测限 可 达0 .0 1 - 0 .0 5 p g /l . , 是化学法所不及的。这些方法中 应用最多的是玉米主根长法。但此法需大量 的土壤和生物材料， 其检测限差异 较大， 影响因素复杂且目 前尚 无公认的计 量反应模式，更不适用于多种污染物同时存在的地区，因而也有其缺陷。 3 磺酞服类农药的构效关系研究 磺酞脉类除草剂以其超高效性为农药的发展开辟了一个新天地， 但由于 其产生的环境危害和存在的抗性问题，许多国家和地区不得不目 前禁用某些 此类除草剂以来保护这种高效品种。由 此，对其进行构效关系关系研究以解 除其环境危害就更有意义和必要性。 对磺酞脉类除草剂构效关系的 研究， 多数集中 在q s a r方面， 并取得一 些成果， 而迄今为止还未有文献报道有对该类除草剂进行q s b r的系统研究。 南开人 学硕士研究生毕业 ( 学位) 论文 磺酞脉类由 三个不同 部分组成。 在决定其总体的除草活性上， 每个部分 都起着重要的作用。图 1 - 6为磺酞脉类化合物嗜黄隆用分子力学进行优化后 的构象，从中可以看到，化合物磺酞脉桥中与磺酞基相连的氮原子上的h与 杂环 n 3原子形成氢键，使杂环与磺酞脉桥基本保持在一个平面上，形成一 个 大“ 共 扼体。 这 就是 该 类 化 合 物的 活 性区 域 4 6 1 _ ， ， 吐 丫、， 图1 - 6 磺酸脉类化合物的优化构象 磺酞脉类化合物的 q s a r研究表明 其除草活性随各取代基的性质和位 置不同而不同。当 杂环为三啧环或喀咙环， 且第 4 , 6位含取代基如c h 3 . o c h 3 时，化合物活性最高，若第 5 位引入取代基则活性降低，若卤素取代 则活性完全丧失;带有正常磺酞脉桥的化合物通常活性最大， 磺酞脉桥经修 饰后也有活性，但桥上修饰的磺酞脉其总体活性与分子中的芳基及杂环部分 有关:若将苯环用毗咙、唾吩、 吠喃或禁环代替，它们具有与苯环相似的稳 定 性 和芳 香 性， 化 合 物也 有 较高 的 活 性 4 7 1 综合 来 看， 高 活 性 化 合 物 所 必 备的 结 构 应 是 11 81 : . 苯环或杂环邻位有取代基，在邻位取代基中，吸电子基团具有增强 活性的作用， 但如果该取代基 ( 例如， 梭基或轻基) 带有酸性质子， 则 除草活性会大大降低; 脉桥上无取代基; 第一部分前言 . 含三氮环或啼睫环， 环上间位含 c h 3 . o c h 3 , c h z c h 3 等短链烷基 或烷氧基。 朱文达等x4 8 曾 对唾吩磺酞脉类化合物的构效关系进行了 研究，他根据 h a n s c h - f u j i t a 方法分析在唾吩环3 一 位有烷氧基甲 基( - c h 2 0 r ) 取代的唾吩