磷化氢毒理学研究综述

第第 23 卷第卷第 2 期期 郑州工程学院学报郑州工程学院学报 Vol 23 No 22002 年年 6 月月 JournalofZhengzhouInstituteofTechnology Jun 2002 文章编号文章编号 1671 1629 2002 02 0084 06 磷化氢毒理学研究综述磷化氢毒理学研究综述 曹 阳 1 宋 翼 2 孙冠英 3 李桂杰 4 1 郑州工程学院粮油食品学院 河南郑州 450052 2 上海良友连锁经营有限公司 上海 200032 3 浙江大学应用昆虫研究所 浙江杭州 310029 4 沈阳师范学院高等 职业技术学院 辽宁沈阳 110036 收稿日期 2001 08 24 基金项目 国家粮食局和澳大利亚国际农业研究中心 ACIAR 资助项目 PHT 94 015 河南省自然科学基金项目 0111010200 作者简介 曹阳 1958 男 辽宁复县人 主要从事储粮害虫综合防治研究 摘要 简要介绍了磷化氢的物理化学特性 详细阐述了磷化氢在生理条件下的反应 特性 对哺乳动物的毒性 对害虫的毒理及害虫对磷化氢的抗性机制 关键词 磷 化氢 毒理 抗药性中图分类号 S37915 文献标识码 A 0 前言 在储藏物害虫防治方面磷化氢具有高毒力 低残留 无植物毒性 使用方便 等特点 它是防治储藏物害虫性能最优良的熏蒸剂之一 已有 60 多年的应用历史 目前 一些储藏物害虫对磷化氢产生了不同程度的抗药性 成为影响磷化氢继续应 用的主要障碍 我国的主要储粮害虫已对磷化氢产生了抗药性 已有研究报道 广东的一个谷 蠹品系对磷化氢抗性高达 1160 倍 1 很多粮库的技术人员反映 以往每年用常规 剂量熏蒸一次储粮 即可安全度过夏季 现在有的单位使用较高的剂量 每年夏季 至少熏蒸 2 次 多则 4 次 杀虫效果还不甚理想 因此一些粮库不得不采用其他防 治技术 增加了防治费用和储粮的不安全性 对储粮害虫磷化氢抗性的综合治理 已引起国内外有关专家和储粮技术人员的极大重视 都在积极开展这方面的研究 迄今为止 因研究的深度不同和方法上的差异 人们对磷化氢的毒理和磷化氢 抗性机理的许多研究结果还没有达成共识 有待进一步深入研究 为了在储藏物害 虫防治中更好地应用磷化氢本文对磷化氢毒理方面的有关文献进行了综述 以供广大储粮技术人员在治理磷化氢抗性害虫的工作中参考 1 磷化氢物理化学性质 磷化氢是无色无味气体 相对分子质量为 34 标准状态下密度为 115307kg m3 与空气的相对比重为 1118 沸点 8715 熔点 13315 稍溶于冷水 不溶于热水 稍溶于乙醇 乙醚和氯化铜溶液 磷化氢渗透力强 粮堆中扩散速度快 对种子发芽力影响小 残留低 磷化氢对铜等金属有一定的腐蚀性 纯磷化氢或与空气的混合气在一般情况下稳定 2 但在吸附表面或某些有机 物的存在下 磷化氢表现出对空气氧化的不稳定性 其原因可能是磷化氢被空气中 的氧气氧化 生成次磷酸 研究发现用 32P 标记的放射性磷化氢对谷物 3 5 烟 草 6 等进行处理时残留物多以次磷酸盐存在 这很可能是由空气氧化所致 不过 催化剂或生物物质参与也可形成同样产物 某些有机反应中在紫外光 核辐射作用下磷化氢可转化成具反应活性的 PH2 自由基 2 7 8 此自由基可攻击烯烃形成有机磷化合物 2 并和空气中磷化氢 的爆炸反应有关 8 2 磷化氢在生理条件下的反应特性 磷化氢在生理环境下既不显酸性也不显碱性 2 在水溶液中很容易被氧化 9 具有较弱的亲核能力 作为还原剂其还原力强但作用缓慢 可作为重金属配位 体 磷化氢在常温条件下可还原许多有机化合物 尤其是含氮芳香族化合物 2 磷化氢作为亲核试剂可与羰基和活化的烯烃反应 在生物体系中许多重要物质都 含活性羟基 例如辅酶 A 和活性酸碱催化剂 它们与磷化氢反应后可导至原有生物 学功能的丧失 磷化氢在水溶液中作为重金属的配位体容易与重金属盐形成它的磷化物 因 此磷化氢可能与含金属元素的辅基反应而影响一些重要的酶的活性 与磷化氢反 应的酶主要有 细胞色素氧化酶 其在氧化型细胞色素 C 催化氧化磷化氢生成次磷酸盐时 被还原 3 过氧化氢酶 磷化氢作为配位体与过氧化氢酶反应 可能是磷化氢毒性的作 用模式之一 3 10 Trimborn 1962 11 的进一步研究发现 磷化氢与血红蛋白在有氧的情况下反 应 使携氧血红蛋白的亚基变性 丧失携氧功能 并可转化成类似的生色团 32P 标 记的放射性磷化氢实验发现磷与蛋白质紧密结合 并在酸水解时释放 5 说明了 磷化氢与蛋白质作用的可能性 3 磷化氢的毒性 哺乳动物暴露在高浓度磷化氢条件下 立即出现疲乏 安静 然后深度不安 伴 随躲避 运动失调 苍白 癫痫状惊厥 并于半小时或更短的时间内死亡 这种反 应物种之间差异小 中等浓度症状同前 只是发病较缓 在较低浓度下 715mg m3 反复接触和吸入不产生可觉察损害 如果停止接触一天后再接触 可有轻度中毒症 状直至死亡 磷化氢浓度等于或高于 715mg m3 则具有一定的累积中毒反应 而小 于或等于 3175mg m3 则不出现明显的累积中毒所出现的临床症状 只可见轻微 的肾损伤 猫 豚鼠和家兔实验遵循同样规律 种间差异小 对人而言 在等于或低于 014mg m3 的磷化氢浓度下间歇性暴露数日可产生 头痛 但无其它症状 据 Modrejewski 和 Myslak 报道磷化氢浓度在 110 10mg m3 范围内可使人眩晕 头痛 恶心 呕吐 产生 精神神经刺激症 的症状 磷化氢浓度 高于 47mg m3 时将导致眩晕 头痛 步态蹒跚 恶心 呕吐 腹泻 上腹部及 胸骨后疼痛 胸部有压迫感呼吸困难 并有心悸症状 高浓度磷化氢条件下 人畜中毒后均出现肺水肿 脑周围小血管出血及肾脏损 伤等病理反应 对人还往往并发尿毒症 12 4 磷化氢的毒理机制 磷化氢对储粮害虫同样具有很强的毒力 因此作为一种高效的储藏物熏蒸 杀虫剂已有四十多年了 早在 60 年代 Quereshi 等 1965 13 Bond 1969 14 就发 现磷化氢不象溴甲烷等熏蒸剂遵循 Haber 规律 即 CT 值规律 CT K 对某一具体 防治对象而言 浓度和时间的乘积是一常数 也就是说熏蒸剂对昆虫的毒杀效果 高浓度 短时间处理与低浓度 长时间处理的效应是一样的 Bell 1979 15 研究 磷化氢对烟草螟 Gautellaelutella 滞育幼虫的毒力时提出 CnT K 这一关系式来描 述磷化氢的作用特点更具指导意义 其中 n 为对数时间和对数浓度回归直线的斜 率 Winks 1984 16 称其为毒力指数 Bell 1986 17 认为 n1 时 浓度是剂量的关键因子 n 1 时时间和浓度同样重要 因此 提出在磷化氢熏蒸时 采用低浓度长时间处理 其杀虫效果比高浓度短 时间的还要好 Bond 1969 14 在对美洲大蠊的研究中还发现磷化氢可穿透试虫体壁直接进 入虫体 气门开闭结构起不到阻止磷化氢进入的作用 而且氧气在磷化氢毒力中起 着重要作用 在无氧环境下磷化氢不显示对试虫的毒力 磷化氢对害虫的作用机理研究较多 基本上形成以下几种毒理机制 411 与呼 吸链有关机制 磷化氢作为配位体易与重金属化合物形成重金属盐配位化合物 其中与铜的 反应活性最强 因此 象细胞色素氧化酶等含铜有机物与磷化氢的毒性机理有密切 的关系 Chefurka 1976 18 发现磷化氢对线粒体呼吸链氧化磷酸化偶联部位 有 抑制作用 Nakakita 1976 19 证实磷化氢主要抑制细胞色素氧化酶和 细胞色 素 a 细胞色素氧化酶是以铁卟啉为辅基的结合蛋白 磷化氢与该酶的 Fe3 结合形 成无催化能力的稳定化合物 细胞丧 失电子传递能力使试虫窒息而死 因此 Nakakita 和 Chefurka 认为磷化氢毒理 机制与氢氰酸等呼吸抑制剂相似 即抑制虫体内细胞色素氧化酶的活力 破坏呼吸 链的完整 使生物氧化过程不能正常进行 致使试虫死亡 412 与过氧化氢酶有关 机制 磷化氢对过氧化氢酶具有抑制作用 Bond 1963 20 Price 1982 21 1983 22 发 现磷化氢体外试验可以非竞争性抑制牛肝的过氧化氢酶 而且研究还进一步表明 试虫体内过氧化氢酶可同样被磷化氢抑制 其过程是缓慢而不可逆的 虫体内过氧 化氢酶受抑状态可维持两周 磷化氢与过氧化氢酶反应的时间相关性可能与磷化 氢对试虫作用的缓效性有关 在对过氧化氢酶进行深入研究前 Chefurka 和 Nakakita 曾认为磷化氢抑制细 胞色素氧化酶活性阻断线粒体呼吸链是其毒性的机制 但 Price 1984 24 在对谷 蠹 Rhyzoperthadominica 的研究中发现上述现象仅在体外实验中存在 体内实验 表明不论敏感还是抗性品系谷蠹体内细胞色素氧化酶受抑程度都不大 Price 1987 24 进一步研究发现磷化氢对谷蠹作用产生的中毒效应与氢氰酸或缺氧致死的 谷蠹不同 用氢氰酸预处理的赤拟谷盗 Triboliumcastaneum 实验也得到同样结果 Hobbs 1989 25 这就更证实了磷化氢并非线粒体呼吸的直接抑制剂 磷化氢与过 氧化氢酶的作用则有不同之处 其酶活在体外体内实验中均受抑制 因此 该机制 可能是磷化氢毒理的主要机制之一 413 氧自由基机制 Nakakita 1987 26 对玉米象 Sitophiluszeamais 和赤拟谷盗的研究中发现试虫体内存在一特异性因子 主要分布在组织细胞 匀浆后的可溶部分 并表现出酶的特性 此因子在无氧的环境下不吸收磷化氢 有 氧环境下可消耗氧气 这些现象与磷化氢对试虫的毒性效应有许多吻合之处 基于 此 Nakakita 提出如下机制来解释磷化氢的毒理机制 PH3 3O2 XE O 2 H3PO3 O 2 超氧化物歧化酶 H2O2 过氧化氢酶 H2O 1 2O2 式中 XE 为特异因子 从上述化学方程可知 当过氧化氢酶活性受抑制之后 虫体内将积累过多的 O 2 和 H2O2 而 O 2 和 H2O2 是已知的细胞毒性物质 可导致试虫 中毒 此机制首先可以解释氧气在磷化氢毒理机制中的重要作用 一方面氧分 压高使磷化氢与氧的反应向右进行增加了虫体内 O 2 的含量 另一方面过氧化氢 酶受磷化氢抑制 不能维持 H2O2 的低水平 这都增强了磷化氢的毒效 其次还可解 释磷化氢在体外对细胞色素氧化酶为什么没有抑制作用 原因是上述反应在磷化 氢进入线粒体之前 将其提前转化而使磷化氢不能与细胞色素氧化酶等标靶部位 作用 414 与其他有关酶作用在磷化氢对储粮害虫的毒理研究中 除上述的酶系之 外 与昆虫抗药性有关的其它酶系研究的还不多 谢尊逸 1986 27 对抗性谷蠹的 多功能氧化酶系 MFO 进行了研究 Rajak 等 1971 28 和 Chaudhray 1992 29 也研 究了多功能氧化酶系 MFO 及细胞色素 P450 酶系 他们的研究发现 这 些酶对储粮害虫体内磷化氢的氧化代谢没有重要影响 Al2hakkak 1989 30 报道过磷化氢对粉斑螟乙酰胆碱酯酶的抑制作用 对其的深入研究不多 尚未得出 详尽结论 5 害虫的磷化氢抗性机制 511 主动排斥 主动排斥机制是磷化氢抗性机制中较新的一种观点 它认为暴露在磷化氢中 的试虫具有将进入体内的磷化氢主动排出体外的能力 并且此能力与代谢强度有 关 Monro 等 1972 31 发现谷象 Sitophilusgranarius 对磷化氢的吸收伴随有呼吸 受抑和代谢减慢的现象 而对抗性谷蠹则没有这些现象发生 正常呼吸的抗性谷蠹 吸收磷化氢的量少于敏感谷蠹 32 22 Price 1987 24 进一步研究发现抗性谷蠹用 磷化氢处理其吸入量不仅小于敏感谷蠹 而且低于抗性死虫对磷化氢的被动吸入 量 此现象随温度的升高敏感品系 S 对 PH3 吸收量增加 抗性品系 R 主动排斥增 强 交换 PH3 快 作为呼吸刺激剂二氧化碳可加强对磷化氢的吸收而增加毒效 Kashi 1975 33 但是在对谷蠹的研究中表明二氧化碳并不促进抗性谷蠹对磷化 氢的吸收 相反 当二氧化碳含量为 75 时 对磷化氢的排斥量还有增加 更进一步 说明此现象与呼吸代谢的关系 随呼吸代谢的加强试虫对磷化氢的主动排斥也加 强 为此 Price 1984 23 提出抗性谷蠹不是经代谢解毒 而是有主动排斥磷化氢减 少其吸入量的解毒机制存在并且与代谢有关 他对锈赤扁谷盗 Cryptolestesferrugineus 和锯谷盗 Oryzaephilussurinamensis 的研究中也发现有主 动排斥磷化氢的现象 22 512 保护性昏迷 许多研究表明 Bond 10 1976 Nakakita 19 1976 Kashi 34 1982 将试虫置于 高浓度磷化氢 中 短时间将产生 Narcosis 即麻痹现象 试虫一旦进入麻痹状态将出现呼 吸减慢 代谢减弱 对磷化氢的吸入量减少 表现反应为腹面向上 足收缩呈爪状 或 呆立不动 对外界刺激如针刺等没有反应 呈假死状态 经过 1 4h 后 散去磷化氢 大多数成虫将恢复正常活动 因此麻痹现象又称为保护性昏迷 高浓度磷化氢对害 虫的作用不符合 CT 值规律 Bond1967 18 其原因可能就是保护性昏迷造成的 此 现象的经常发生将增强试虫对磷化氢的耐受力 Monro 1972 31 认为谷象的选择 抗性可能也是由保护性昏迷引起的 Winks 1984 16 对赤拟谷盗的研究也发现当 磷化氢浓度大于 015mg L 时 熏蒸处理 20h CT 积出现明显的系统偏差 LD50 耐受 力可增加 20 倍 LD99 耐受力可增加 64 倍 说明保护性昏迷是储粮害虫在短时间 内对 磷化氢的抵抗机制 但是 在实际熏蒸中 在有效 的或较高的浓度下 延长熏蒸时间 可以将害虫彻底杀死 因此 保护性昏迷磷 化氢的实际长时间熏蒸中的意义不大 513 关于代谢解毒机制 从代谢角度来看 储粮害虫对磷化氢的抗性 机制与磷化氢的毒理机制往往有非常密切的关系 一种毒剂对昆虫的毒杀作 用涉及到呼吸 消化 神经等各个系统 有时是对某一位点的作用 有时又是对各系 统综合作用的结果 因此从生理代谢角度研究储粮害虫对磷化氢的抗性还有许多 困难和疑点 概括来讲主要有以下几方面 首先是标靶酶及其敏感度的变化 包括 分子的空间构象 活性中心等的变化 导致对磷化氢的敏感度降低 尤其是毒理机 制中所涉及的细胞色素氧化酶系 过氧化氢酶 乙酰胆碱酯酶以及微粒体多功能氧 化酶等与昆虫正常代谢密切相关的酶 其次是解毒酶与解毒代谢的增强 尽管至今 还有发现与磷化氢有关的解毒酶存在 但在对其它种类杀虫剂的研究中已发现确 有存在 35 36 由此推测磷化氢抗性机制中解毒酶的存在是有可能的 其三磷化氢 对储粮害虫机体组织构透性的变化 尽管 Bond 14 60 年代就已经证实磷化氢可穿 过试虫体壁进入虫体 而且不受气门开闭结构阻碍的影响 但从细胞结构与生理方 面的研究分析 细胞组织结构对磷化氢的透性仍可能是磷化氢抗性的重要机制之 一 Price 1979 37 在磷化氢线粒体呼吸影响的研究中就推测磷化氢对抗性谷蠹的 作用与该虫的线粒体外膜的透性有关 Chaudhry 1990 38 也推测抗性谷蠹的气 管壁可能存在透性阻碍 从而减少对磷化氢的吸收 可见透性阻碍机制也是害虫产 生磷化氢抗性的一个重要原因 6 结语 以上综述了近年来有关磷化氢及其相关因子在磷化氢毒杀机理中的作用 和磷化氢抗性机理研究的结果 虽然根本的机理还未揭示 但随研究的不断深入展 开 磷化氢毒理机制将最终被人们发现 从目前储粮害虫对磷化氢抗性发展正日趋 严重 为此对磷化氢毒杀机理及其抗性机理的研究就更为重要 其结果将具有重要 的理论和实际意义 将为未来更合理利用磷化氢和进行磷化氢抗药性害虫的综合 治理提供理论依据 参考文献 1 梁权 广东省储粮害虫对磷化氢的抗性调查 及治理策略 A 中国粮油学会储藏专业分 会第三次学术论文集 C 成都 1988 220 225 2 FluckE Thechemistryofphosphine J Fort