综述：农药，对全球环境健康与行星边界的紧迫挑战

本综述系统阐述农药作为内分泌干扰物（EDCs）、发育与生殖毒物对全球健康的威胁。基于行星边界框架，文章指出农药生产激增、非靶标暴露、远距离迁移及气候变化的协同效应已严重冲击“新型实体”边界，亟需采取综合虫害管理（IPM）策略以应对这一公共健康危机。

　　

背景

农药：现代生活的特征

农药是用于控制害虫（包括植物、昆虫、啮齿动物、真菌、细菌和微生物）的生物活性化学物质。自1940年代伴随第二次世界大战的化学革命以来，许多农药被设计用于靶向特定物种的分子通路和细胞受体。它们已成为作物生产不可或缺的一部分，例如草甘膦等除草剂被认为在短期内大幅提升了农业生产力。然而，关于农药益处的某些说法存在争议。全球一些地区的作物产量并未随农药用量增加而提高，甚至可能下降。例如，欧盟限制使用除草剂莠去津后，玉米生产力未受影响。当特定农药被淘汰时，生产者通常选择两种方案：一是采用其他农药（如用迪克拉和2,4-D替代莠去津和草甘膦），但这些替代品可能毒性更强；二是采用综合虫害与农药管理策略（IPM），包括转向低毒化学农药、更好地利用转基因作物、改进耕作技术、保护有益生物以及非化学方法。农药还用于控制传播致命疾病的物种，如西尼罗河病毒、疟疾和登革热，从而据称通过减少传染病影响来提高生活质量。随着全球农业农药年使用量从1990年的181万公吨增至2022年的369万公吨（30年内增长104%），人们越来越关注农药对暴露个体（包括职业暴露和公众通过农产品消费）的健康负面影响。

许多农药是内分泌干扰化学物、发育毒物或生殖毒物

1990年代，美国国家科学院的报告记录了儿童饮食中农药的存在程度。进一步关注源于许多农药对野生动物和人类内分泌系统产生意外影响的证据。1991年的Wingspread会议研究人员 coined了“内分泌干扰物”（EDC）一词，描述能结合激素受体或改变激素作用其他方面从而扰乱个体健康的化学物。这导致美国国会通过了《食品质量保护法》（1996年），要求美国环保局（EPA）建立一个筛选计划来评估农药的内分泌干扰特性。遗憾的是，尽管有1300多种化学物被确定为“高优先级”，但到2022年，只有不到100种通过了EDSP的第一层筛选，且没有一种完成第二层测试。欧盟也采取了类似措施，但公共卫生倡导者批评其进程缓慢且存在“盲点”。越来越多的证据表明，许多农药具有内分泌作用模式，并影响发育和/或生殖健康。例如，DDT除其主要作用机制外，还被证明是非遗传毒性致癌物、组成型雄烷受体激活剂、间隙连接抑制剂和氧化应激诱导剂。DDT及其代谢物是已知的EDCs，具有雌激素受体激动剂和拮抗剂活性。流行病学和野生动物研究显示，DDT暴露与癌症、免疫系统功能改变、生殖健康 disruptions（包括影响后代的精子表观基因组改变）以及人类神经发育改变相关。系统评价提供了证据，表明几种农药是发育和生殖毒物。职业暴露于农药（广义定义）与男性生殖毒性指标（如精子运动力和DNA完整性受损）相关。孕妇暴露于农药则增加自然流产风险。实验室对照实验表明，动物在低剂量暴露于农药和其他环境化学物时也会受到影响，即使剂量低于毒理学无观测 adverse效应水平（NOAEL）。许多环境流行病学研究（几乎 exclusively 关注非职业暴露个体）显示农药暴露与不良健康 outcomes之间的关联，包括儿童神经行为影响、代谢综合征、癌症风险等。这些结果暗示用于评估化学危害的方法不足以确定对普通人群的“安全”暴露水平。

与农药使用相关的全球挑战

农药使用量高，导致广泛的人类和野生动物暴露

Rachel Carson在1962年的《寂静的春天》中描述了 indiscriminate 使用农药控制昆虫种群造成的环境危害。从1960年代到2000年代，美国用于作物生产的农药使用发生了巨大变化。经通胀调整后，农药支出从1960年约20亿美元增至1998年约150亿美元的峰值，随后 modest 下降至2008年的年支出120亿美元。使用量的增长与同期农药体积增加相匹配，但大部分增长归因于除草剂用量的大幅上升，从1960年的1600万公斤增至2008年的1.79亿公斤，而杀虫剂使用量则从5200万公斤下降至1300万公斤。全球农业农药消费量也显著上升，特别是在2001年至2020年的二十年间，从218万公吨增至345万公吨（增长58%）。除草剂使用量翻倍，而杀菌剂和生物杀灭剂使用量增长44%，杀虫剂仅增长35%。杀虫剂使用趋势的部分原因可能是目标昆虫种群对最流行杀虫剂的抗性增加，以及这些化学物因效果显著降低而被逐步淘汰。除草剂的显著增加主要归因于抗除草剂作物的基因工程。

农药具有脱靶效应

到《寂静的春天》出版时，关于污染物危害的辩论已经开始，DDT对自然生态系统中鸟类的种群水平影响开始被记录和承认。1980年代，美国佛罗里达州Apopka湖的一项研究跟踪了农药对美洲短吻鳄的影响，在一次DDT和杀螨剂三氯杀螨醇意外泄漏后。泄漏5年后，实地研究发现大型短吻鳄的生育成功率显著下降且死亡率高。其他研究记录了幼鳄和少年鳄生殖系统异常发生率的增加。尼罗鳄也 massively 被DDT和其他农药污染，南非克鲁格国家公园鳄鱼肌肉组织中检测到的水平超过150,000 ng/g脂重，比此前任何野生动物物种报告的水平高120倍，强烈怀疑这些农药暴露导致了2008年公园内数百只动物突然大规模死亡。鸟类和人类从未 intended 暴露于DDT（或大多数其他农药）。因此，这些暴露对非目标物种的影响引发了对一旦释放到环境中控制这些农药暴露能力的担忧。新烟碱类农药（“新烟碱”）为例，其设计靶向神经和神经元膜中的电压门控钠通道蛋白，但神经元AChRs也存在于非目标昆虫（如蜜蜂和其他传粉物种）、哺乳动物和鱼类中，令人担忧这些杀虫剂可能通过生态系统和食物链影响非目标物种。新烟碱类在淡水中的测量浓度高于其他杀虫剂，并且 several 研究表明它们对水生生物（包括无脊椎动物和脊椎动物）具有毒性作用。尽管由于昆虫和哺乳动物神经元AChR的结构差异，新烟碱类农药被表征为哺乳动物神经元AChR的“弱激动剂”，但啮齿动物研究揭示了新烟碱类农药对神经 outcomes的影响，如学习、记忆和其他行为特征改变，表明这些农药可能在非目标物种中利用其他作用模式导致不良后果。

农药不会停留在使用地点

持久性有机污染物（POPs）具有在整个生态系统和营养级移动以及全球传输的能力。例如，DDT及其代谢物是已知的POPs；其两种主要代谢物DDE和DDD在厌氧和好氧条件下分别通过生物（微生物转化）或非生物（化学分解、光降解）过程形成。这些代谢物比DDT更稳定，DDE具有特别高的环境稳定性。DDT及其代谢物是疏水的，可以储存在人类和野生动物的脂肪中；这些化学物在自然界中持久存在并在食物网中生物放大。在一项检查施用DDT田地上空大气的研究中，66%的总施用农药被检测为p,p’-DDE，表明土壤中大部分DDT以更稳定的DDE代谢物形式挥发。农药的挥发性增加了它们全球传输的能力。即使许多持久性农药的使用受到限制，这些化合物仍在不再使用或从未使用过的地方被发现。例如，在加拿大落基山脉进行的一项研究中，高海拔降水较多的雪中发现了高水平的有机氯化合物。非凡水平的POPs也在世界两个最深的海沟中检测到。此外，这些化学物在这些海沟的地方性端足类动物群中发现，表明POPs甚至存在于海洋最深处、未受触动的地方。类似地，氯化农药在北极雪、冰川冰和冰川融水中检测到，以及在北极圈内或附近生活的人体中发现。

气候变化可能加剧农药使用

气候变化有可能显著改变农业中农药的使用量以及这些农药的使用模式。 warmer 温度将增加生长季节的长度和每年害虫存在的月数。虽然气候变化以不同方式影响世界各地，但高温和降水量的变化正在导致昆虫和其他害虫的地理范围扩大，增加入侵物种的传播。 warmer 温度还允许一些昆虫物种在历史上它们会休眠的冬季生存，这将增加每年产生的世代数。 increasing 全球温度也将导致重要主食作物发展出不宜居的条件。例如，由于温度升高，作物生长数据的数学模型预测主食粮食作物将向北迁移，导致全球小麦产量下降高达16%，尽管非洲许多地区预计小麦产量会增加。气候变化已经影响葡萄栽培，到2100年，90%的传统葡萄酒葡萄种植区面临毁灭风险，尽管新的葡萄种植区可能会被确定，从而将农药的使用转移到这些地方（如塔斯马尼亚、法国北部和英国南部）。温度升高还可能延长高纬度地区的生长季节， potentially 导致这些地理区域每年有更多月份施用农药。类似地，与气候变化相关的降水模式变化可能影响农药径流和非目标物种的意外暴露。例如，美国中西部玉米带莠去津暴露的最坏情况模型计算表明，归因于气候变化的降水增加可能导致莠去津迁移增加，最终使更多农药到达地下水层。尽管气候变化对农药使用的影响将是复杂的且可能因地区而异，但值得注意的是农药生产本身可能 contribute to 气候变化。气候改变气体包括二氧化碳、甲烷和一氧化二氮在农药制造过程中排放。最后， higher 温度可能增加POP农药的挥发。这可能导致这些污染物释放、动员和降解到空气、水和土壤中的增加。因此，变化的气候 likely 增加农药和其他污染物的全球传输，将这些化学物沉积在远离其最初使用的地方。

农药是全球公平与正义的挑战

公共卫生科学家已经证明人口健康结果存在不平等，因此 critical 理解、考虑和解决健康社会决定因素如何 contribute to 此类 disparities。更近的分析 examined 全球因素如何与特定健康风险相关联，其中许多风险受其他健康社会决定因素影响，包括种族和民族、性别、职业、社会经济地位和收入。有机氯农药（OCPs）是一类在环境中高度持久且与激素作用改变、神经毒性、癌症以及肝肾损伤相关的农药。因此，OCPs在1970年代和1980年代在美国和大多数其他高收入国家被禁止使用。β-六氯环己烷（β-HCH）是杀虫剂林丹最化学和物理稳定的异构体，使其在环境中高度 resistant to 降解。β-HCH在人类中的半衰期约为7年，并且可以在脂质中生物积累，因此暴露可以在该化学物的直接使用和生产之后持续很长时间。尽管在1980年代在美国被禁止使用，β-HCH在30年后仍在普通人群中以可检测水平发现，尽管浓度随时间继续下降。基于NHANES数据的一项研究发现，2015-2016周期美国人体内检测到的平均血清浓度为3.29 ng/g脂质β-HCH。β-HCH是农药在普通人群中暴露不成比例的一个例子；在美国，墨西哥美国人的β-HCH水平 consistently 是非西班牙裔白人和非西班牙裔黑人群体的两倍。对于所有其他种族（即“其他”类别包括 Indigenous、亚裔和非墨西哥西班牙裔人群），暴露是白人的三倍。边缘化种族群体中不成比例的暴露可能 contribute to 其他健康 disparities。性别 also 似乎是影响暴露的一个重要因素。在意大利一项围绕一个化学倾倒场（β-HCH污染水平高）的人群研究中，发现女性血清浓度 consistently 高于男性，即使调整了年龄等混杂因素。无论女性暴露率更高还是女性代谢和排泄率较慢，对女性的不成比例影响都值得关注，特别是因为β-HCH与其他OCPs一样，可以穿过胎盘屏障并通过母乳传递给后代。孕妇更高的农药暴露可能对这些女性 directly 产生不利影响，以及对胎儿发育产生不利影响。国家特定的农药使用也是一个 critically 重要的农药暴露社会决定因素。巴西是农药使用水平最高的国家之一，2022年使用量为800,650公吨，占全球所有施用农药的近四分之一。巴西使用的所有农药中约三分之一已在欧盟被禁止使用，其他农药的最大残留限量可能比欧盟高400倍。这些全球北方和全球南方之间农药使用的显著 disparities 可能加剧在像巴西这样的国家观察到的其他环境 vulnerabilities。职业可能是农药暴露最 critical 的社会决定因素。农业工人承担了农药暴露的主要负担，因为这些个体施用化学物并直接处理已使用农药的作物。墨西哥移民占美国直接处理农药人口的69%。农场工人的暴露通过口服、皮肤和吸入途径发生，并在农药施用者和作物采摘者中都有记录。 migrant 农场工人拥有美国一些最差的 documented 健康 outcomes，尽管这些 outcomes 并非 solely 由于职业化学暴露，但农药暴露的贡献不能 discounted。农场工人不成比例的农药暴露 also 延伸到他们的家庭。农药暴露的“职业带回家途径”意味着农场工人家庭的房屋灰尘中农药浓度高于非农场工人家庭。农药可以 lingering 在衣物和其他个人物品上，这些物品与工人一起旅行到工作地点，并且由于这些个体通常住在工作地点附近，农药可以通过空气进入他们的家中。对家中儿童增加农药暴露的影响不容低估，基于工作 status、职业和其他影响家庭的社会经济因素的暴露不平等为农药的全球健康威胁增加了另一层不公正。尽管对环境和人类健康有负面影响，OCPs的使用 worldwide 正在增加，因为低收入国家继续使用OCP杀虫剂如DDT和β-HCH。尽管DDT的农业用途在1970年代和1980年代在大多数高收入国家被禁止或严格限制，但2006年世界卫生组织主张在一些低和中等收入国家喷洒DDT以控制携带疟疾的蚊子种群。此外，对像埃塞俄比亚这样的 agrarian 国家的研究表明，DDT不仅用于疟疾的 vector control，它还继续用于农业目的，导致野生动物 high DDT暴露，主食作物和乳制品中可测量残留，以及人类生物监测样本（包括母乳）中检测到。

行星边界框架提供了农药影响的全球视角

行星边界的概念在十多年前被引入，作为一个框架来理解和评估人类行动如何影响各种地球系统，以及此类行动是否阻止地球的生物物理系统得以可持续维持。作为该框架的一部分，跨学科科学家努力为人类及其活动对地球生态系统 impact 建立“安全操作空间”。这项初步工作源于一种 shared 理解，即人类活动正在对环境健康的关键方面产生 significant 且有时不可逆转的影响。因此，行星边界（有时称为地球系统指标）成为一个从可持续性角度应对全球挑战的概念。提出了九个边界：气候变化（包括大气中的二氧化碳以及全球温度 measures）、海洋酸化（由于CO₂吸收以及对海洋生物的影响）、臭氧 depletion（包括局部臭氧层变薄）、氮和磷循环的改变（和其他生物地球化学流动）、生物圈完整性（包括生物多样性丧失和物种灭绝率）、淡水使用（由于从生态系统抽取淡水）、土地系统使用（包括森林砍伐和土地转为农业用途）、大气气溶胶负荷（如颗粒物释放到空气中，影响空气 quality 和其他气候健康 measures）、以及新型实体（包括合成化学物和其他材料引入环境）。尽管该框架自其最初构想以来不断更新，新信息 contribute to 对每个行星边界阈值的理解，但该概念已被众多关注可持续性的领域 adopted。关于行星边界的全球讨论认识到，超越一个或多个这些边界阈值的人类活动可能导致地球健康的不稳定，并 ultimately 将生态系统和人类社会的生存置于风险之中。重要的是，对九个行星边界的纵向评估表明，这些边界继续被 transgressed，并且随着时间的推移情况变得更加严峻。有强有力的证据表明农药正在影响生态系统，并可能 contribute towards 推动几个行星边界超越其 established 安全操作阈值。 Significant 工作已经 examined 农药（单独或与其他农用化学物协同）对生物地球化学循环的影响。首先，磷提取对于许多农药的生产至关重要，并且 concerns 已经 raised 星球的 reserves 不足以支持持续和增长的需求。此外，磷 reserves 并非均匀分布在全球，导致在局部地方（特别是在撒哈拉地区）出现破坏性提取实践，并且磷矿加工可能将放射性材料和重金属释放到环境中。也与生物地球化学循环相关的是农药对氮循环的影响，包括微生物组成和微生物活动（如呼吸、酶活性以及 ultimately 固氮）。越来越多的证据表明，几种除草剂对硝化细菌和固氮细菌有毒，它们的存在可能损害土壤肥力的这一方面。农药使用 also 对生物圈完整性有 demonstrated 影响，包括生物多样性丧失。如前所述，许多农药是已知或疑似EDCs和生殖与发育毒物，并且已被证明与许多不同生态系统中野生动物种群 decline 相关。许多研究 focused on 农药，尤其是新烟碱类农药，是否可能 contribute to 非目标物种（包括传粉昆虫、淡水无脊椎动物和其他对生态系统健康和功能 critical 的物种）的死亡。当然，也有证据表明农药使用可能影响淡水的可用性，考虑到这些化学物污染饮用水源的广泛证据。农药可以通过农业径流和生产过程进入饮用水。在美国，内政部和美国地质调查局在1992年至2001年间进行的评估显示，90%以上的溪流和25%以上的含水层中检测到农药。类似的污染在饮用水源中观察到，如马来西亚的Tengi河，其中杀虫剂吡虫啉浓度高达60 ppb，杀菌剂 tebuconazole 高达510 ppb；日本的信浓川，报告了22种除草剂、15种杀虫剂和11种杀菌剂的可检测水平，其中杀菌剂 isoprothiolane 的最高水平超过8,000 ppb；以及中国的东江，报告了周围农业地区常用农药的存在，其中同一种杀菌剂的浓度超过250 ppb。这些研究强调饮用水源污染是一个全球关注的问题。当然，农药使用带来的最大挑战是“新型实体”边界，该边界 specifically 关注合成化学物和其他材料引入环境。尽管农药仅估计占全球所有合成化学物的约2%，但由于这些化学物被设计为具有生物活性，它们的不成比例影响引发了对人类和环境健康的 significant 关注。农药和其他合成化学物释放到环境中是行星边界中增长最快的挑战之一，变化率高于其他挑战可持续性的因素，包括二氧化碳释放到大气中。不幸的是，即使 dedicated to 研究全球变化因子的组织也很少关注合成化学物对行星健康、可持续性以及星球对人类活动 resilience 的挑战。

结论

1960年代，Sir Austin Bradford Hill assembled 了一系列九个“观点”，即标准，可用于观察性研究中帮助建立环境因素与不良健康影响之间的因果论证。虽然整个研究领域围绕如何在观察流行病学研究中证明因果关系而创建，但很少关注Bradford Hill的论点，即 inaction 的后果需要在评估环境因素的潜在影响时进行权衡。他写道，“基于相对轻微的证据，我们可能决定限制一种用于孕妇早期晨吐的药物的使用。如果我们从关联中推断因果关系是错误的，也不会造成太大危害……基于公平证据，我们可能对 what appears to be 一种职业危害采取行动，例如，我们可能在一个有限环境中从一种可能致癌的油改为一种非致癌油，并且如果我们错了也不会造成太多不公正”。这些话语，也与预防原则一致，反映了在评估农药及其对人类、野生动物和行星健康影响时所需要的：即使面对一些不确定性，如果存在与农药相关的灾难性损害可能性，监管机构和其他决策者应限制其使用。当然，当涉及到行星边界时，当边界被 transgressed 时，预计会对生态系统和人口造成灾难性损害。专家已经确定，合成化学物的生产已经超过了新型实体行星边界，而农药是这一全球挑战的一部分。重要的是，行星边界框架有助于推动科学家和决策者采取行动，减少像农药这样 contribute to 边界 transgressed 的化学物的生产和 use。这尤其 critical 考虑到估计只有1%的所有施用农药靶向其 intended 害虫。存在利用综合虫害与农药管理策略（IPM）的替代方法，这些方法可以 contribute to 显著降低农药量，以及转向低毒农药。农药已成为现代生活的一个特征，可用于控制杂草、昆虫和其他害虫。许多成功归因于这些化学物，包括作物生产和控制已知传播传染病的昆虫和其他害虫。几十年来，新的农药类别被引入，通常目标是用毒性较低的替代品替换毒性更强的化学物。尽管取得了这些进展，农药的持续使用引发了对这些化学物对最 heavily 暴露个体（如职业使用者）、非目标物种（包括人类和野生动物）构成的挑战的担忧，以及更普遍地对全球健康和行星边界构成的挑战。解决农药的影响以及支撑其持续使用的生产 treadmill，即使其效力受到挑战并且人类和星球的健康受到威胁，是一场公共卫生危机。迫切需要努力应对农药对行星健康构成的风险。