腈吡螨酯（Cyetpyrafen）的Z-与E-异构体光诱导可逆转化：评估相关风险中被忽视的途径

《ACS Environmental Au》：Photoinduced Back-and-Forth Transformation between Z- and E-Isomers of Cyetpyrafen: An Overlooked Pathway in Assessing the Associated Risks

　　

光转化是调控农药在植物中归趋的关键途径。然而，当农药施用于植物时，Z-与E-异构体之间的光诱导可逆转化在很大程度上尚未被探索，这可能导致有效成分损失或非预期的环境/食品污染。本研究中，研究人员在田间条件下鉴定了杀虫剂Z-腈吡螨酯（Z-cyetpyrafen）在草莓植株中的Z–E异构化。Z–E异构化的最大比例与叶面喷施或根部灌溉处理后2小时至21天期间植株的垂直空间相关：叶片（32.7%或17.9%）>茎（22.5%或9.6%）>根（13.8%或3.7%），表明Z–E异构化程度依赖于光强度。遮光实验进一步证实，紫外线（UV）辐射（<370 nm）主导了光异构化过程。叶片角质层可使Z-腈吡螨酯的Z–E光异构化加速21.4%。光催化直接能量转移被证明是Z–E光异构化的主要驱动力。Z-和E-腈吡螨酯表现出相似的靶标生物活性（朱砂叶螨Tetranychus urticae）和非靶标毒性（大型蚤Daphnia magna和意大利蜜蜂Apis mellifera L.）。因此，开发其混合物而非单一Z-腈吡螨酯将更具成本效益。当仅考虑Z-腈吡螨酯而忽略E-腈吡螨酯时，人类膳食暴露风险被低估了5.6%–21.6%。研究人员证明，其他含有C═C或C═N键的农药也会发生光异构化，这表明对此类农药的单一异构体进行风险评估至关重要。

**光诱导Z/E异构化：农药风险评估中被忽视的关键转化途径——以腈吡螨酯在草莓植株中的可逆异构化为例**

**研究背景与科学问题**

农药在农业生产系统中被广泛且重复地使用，以保障作物产量。目前，超过150种农药含有化学Z/E异构体（几何异构体或顺反异构体），这些异构体因分子中存在旋转受限的双键（如C═C和C═N双键）或刚性环结构而产生不同的空间取代基排列。尽管Z/E异构体具有相同的分子式，但其物理化学性质可能显著不同，这种空间位置的差异会影响其与生物环境的相互作用，进而导致单个异构体之间表现出不同的生物活性、毒性以及环境行为。例如，杀虫剂E-metaflumizone（异构体纯度>90%）对鳞翅目幼虫的生物活性比其Z-异构体高10倍。当含有E或Z异构体的农药被施入农业生态系统后，单一异构体可能发生异构化转变为相反构型。Z-与E-异构体之间的可逆转化可能改变它们在环境和植物中的水平，从而削弱药效并给非靶标生物带来非预期的环境风险。然而，传统的风险评估主要聚焦于单一异构体。因此，从“One Health”视角出发，阐明含E/Z异构体农药在施用后于植物-环境系统中的主要转化过程（如异构化）至关重要。

光辐照已被证明是控制异构化反应的关键因素之一。太阳辐照是农药施用后植物-环境系统中最易获得的介导异构化的因素。在实验室条件下，农药（如嘧菌酯azoxystrobin、烯肟菌酯enestroburin、醚菌酯kresoxim-methyl和拟除虫菊酯类等）的光异构化反应在水溶液或有机溶剂中已有报道。理论上，在含有紫外线的阳光下，此类农药在植物中很容易发生光异构化。叶片角质层蜡质中的光敏物质（如芳香族羰基、烯烃、醌类和醚官能团）可能进一步促进叶片中农药的异构化。然而，目前缺乏来自田间和室内实验的植物基证据来支持农药异构化，且阳光调控植物中异构化过程的潜在机制仍不清楚，这阻碍了对该类异构化反应所引发风险的准确评估。

**研究目标与实验设计**

本研究选取杀虫剂腈吡螨酯（cyetpyrafen）作为模型化合物，因其含有C═C键而存在E/Z异构体。腈吡螨酯在商业上以Z-异构体（Z-cyetpyrafen）形式合成和应用。研究人员系统考察了Z-腈吡螨酯在植物中光诱导异构化的发生、影响因素及机制。具体目标包括：（1）通过田间和实验室实验表征Z-腈吡螨酯在草莓植株中的异构化特征；（2）评估可能影响光异构化反应的因素（光照波长、光强度、叶片角质层和昼夜循环）；（3）通过抑制实验和密度泛函理论（DFT）计算探索腈吡螨酯异构化的潜在机制；（4）评估Z-腈吡螨酯和E-腈吡螨酯的靶标生物活性和非靶标毒性。此外，研究人员还验证了其他含Z/E异构体的农药（如嘧菌酯、metaflumizone和醚菌酯）在植物叶片角质层中异构化的普遍性。

**主要关键技术方法**

本研究的田间实验在中国河北廊坊的温室中进行，采用叶面喷施和根部灌溉两种方式施用Z-腈吡螨酯（30%悬浮剂，推荐剂量10 g a.i./ha），于施药后2小时至21天内分7个时间点采集草莓叶片、茎、果实和根样品。室内实验使用配备1000 W氙灯（波长范围290–800 nm；光强度1600 lx）或500 W氙灯（波长范围290–800 nm；光强度950 lx）的光稳定性耐久试验箱模拟太阳光照，通过丙烯酸箱体滤除<370 nm紫外光以及铝箔包裹避光设置对照组。研究采用超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）分析Z/E异构体，采用UHPLC-QTOF-MS进行非靶标筛查鉴定转化产物。通过添加反式二苯乙烯（trans-stilbene）作为三线态能量转移猝灭剂进行抑制实验，利用ORCA程序（版本5.0.4）在M06-2X/Def2-SVP基组水平上进行DFT计算。靶标生物活性测试采用叶碟浸渍法测定对朱砂叶螨（Tetranychus urticae）的毒力；非靶标毒性测试依据OECD指南214和202分别开展对意大利蜜蜂（Apis mellifera L.）的急性接触毒性测定和大型蚤（Daphnia magna）的急性毒性试验。供试生物来源：朱砂叶螨来自河南农业大学，蜜蜂和大型蚤来自中国农业科学院植物保护研究所环境毒性实验室。采用概率单位分析法（probit analysis）计算半数致死浓度（LC₅₀）和半数有效浓度（EC₅₀）。

**研究结果**

**Z-腈吡螨酯在草莓种植系统中的Z–E异构化发生特征**

通过非靶标筛查策略，研究人员在田间尺度草莓种植系统中鉴定出Z-腈吡螨酯的7种I相和1种II相转化产物，其中E-腈吡螨酯、M-409-5和M-407-2为新鉴定产物。Z–E异构化生成E-腈吡螨酯被证明是Z-腈吡螨酯的主要转化途径。质谱分析显示E-腈吡螨酯与Z-腈吡螨酯具有相同的质荷比（[M + H]⁺ = 394.2483）和特征碎片离子，仅保留时间略有差异。然而，在无紫外线的LED光照下，室内水培植物中未生成E-腈吡螨酯，表明紫外辐照可能是触发Z–E异构化的关键因素。田间试验结果表明，在两种施用方式下，草莓地上部分（叶片、茎和果实）中E-腈吡螨酯比例在施药后2小时至7天内呈增加趋势，14–21天达到相对稳定状态。最大E-腈吡螨酯比例沿草莓组织垂直梯度从上部到地下部分呈递减趋势：叶面喷施处理下叶片（32.7%）>茎（22.5%）和果实（21.6%）>根（13.8%）；根部灌溉处理下叶片（17.9%）>茎（9.6%）>根（3.7%）。叶面喷施处理下根部E-腈吡螨酯比例（13.8%）是根部灌溉处理（3.7%）的3.7倍，表明E-腈吡螨酯主要在地上部分形成后向根部向下转运。

**阳光（UV）诱导的Z–E异构化**

在温室自然阳光照射下，Z-腈吡螨酯在草莓叶片表面和内部均发生Z–E异构化，暴露1–7小时内叶片表面和内部的E-腈吡螨酯比例分别达到3.2%–28.1%和11.6%–41.5%。然而，在无紫外辐射条件下，叶片表面和内部的E-腈吡螨酯比例在1–7小时内保持在4.9%以下，与0小时无显著差异，证实无紫外条件下Z–E异构化不能发生。光强度对异构化程度有显著影响：在950 lx氙灯照射下（叶片外部2.7%，内部5.5%）显著低于1600 lx氙灯（叶片外部5.9%，内部15.0%）和自然阳光（光强度7.0–8.2 × 10³ lx，叶片外部28.1%，内部41.5%），表明光强度越高，Z-腈吡螨酯向E-腈吡螨酯的转化程度越大。

**控制Z–E异构化的因素**

叶片角质层的影响：在阳光照射7小时和氙灯（1600 lx）照射7小时条件下，叶片内部E-腈吡螨酯比例分别是叶片表面吸附的1.5倍和2.5倍。在玻璃表面制备的叶片角质层薄膜中，经氙灯照射5小时后，E-腈吡螨酯比例比无角质层薄膜显著增加21.4%，证实叶片角质层可加速Z-腈吡螨酯的光诱导Z–E异构化。光-暗循环的影响：在1600 lx氙灯照射下进行两次光（2小时）-暗（12小时）循环实验。当以Z-腈吡螨酯为初始化合物时，E-腈吡螨酯比例在光照下逐渐增加，并在每个暗期保持恒定（2–14小时约53%；16–28小时约58%）。当以E-腈吡螨酯为初始化合物时，光照下发生持续的E→Z转化，随后暗期E-腈吡螨酯比例保持稳定。以Z-腈吡螨酯为起点，光照4小时后系统达到E:Z = 58%:42%的相对稳定光稳态。在额外8天的黑暗中，两种异构体的降解率均>90%，且未观察到自发异构化，表明E-和Z-腈吡螨酯在黑暗中构型稳定。

**腈吡螨酯异构化的机制**

添加E-二苯乙烯（三线态能量转移猝灭剂）在照射10分钟至2小时内显著抑制了Z-腈吡螨酯的双键异构化，表明光催化直接能量转移是异构化反应的关键驱动力。Z-腈吡螨酯的带隙（3.67 eV）窄于E-腈吡螨酯（3.73 eV），表明Z-异构体具有更强的光吸收能力。DFT计算显示E-腈吡螨酯在热力学上比Z-腈吡螨酯稳定0.8 kcal/mol，且Z-腈吡螨酯的最高占据分子轨道与最低未占分子轨道之间的能隙（+144.0 kcal/mol）小于E-腈吡螨酯（+149.2 kcal/mol），表明Z-腈吡螨酯更容易被三线态能量转移活化，这解释了以Z-腈吡螨酯为初始化合物时光稳态下E-腈吡螨酯比例更高（E:Z = 58%:42%）的现象。

**Z-腈吡螨酯和E-腈吡螨酯的生物活性、毒性与膳食风险评估**

靶标生物活性测定表明，Z-腈吡螨酯（EC₅₀ = 0.037 mg/L）和E-腈吡螨酯（EC₅₀ = 0.033 mg/L）对朱砂叶螨表现出相似的高生物活性。非靶标毒性方面，两种异构体对成年蜜蜂的急性接触毒性均超过100 μg a.i./bee，属于低毒；但对大型蚤，Z-腈吡螨酯（LC₅₀ = 0.418 mg/L）和E-腈吡螨酯（LC₅₀ = 0.302 mg/L）均属于高毒，且E-腈吡螨酯毒性略高于Z-腈吡螨酯。田间条件下，草莓果实中检出Z-腈吡螨酯（0.02–0.19 mg/kg）和E-腈吡螨酯（0.004–0.02 mg/kg）。计算的总估算每日摄入量（EDI，Z + E）对于中国儿童（1–6岁）和一般人群的范围为7.4 × 10^–9 mg/kg/d至2.5 × 10^–7 mg/kg/d。传统膳食暴露风险评估仅考虑Z-腈吡螨酯而忽略E-腈吡螨酯，后者占总EDI水平的5.6%–21.6%，表明现有评估框架低估了相关暴露风险。

**其他农药光异构化的普遍性**

在叶片角质层中，研究人员观察到其他含Z/E异构体农药的光异构化现象。在氙灯照射5小时后，嘧菌酯（E-异构体）、metaflumizone（<10% Z-异构体和>90% E-异构体的混合物）和醚菌酯（E-异构体）的Z-异构体比例分别逐渐增加至2.4%、53.8%和57.9%。当使用丙烯酸箱体滤除<370 nm紫外光或在黑暗条件下，这三种农药在角质层薄膜中均未发生异构化。结果表明，含有C═C或C═N双键的农药在植物和环境基质中倾向于发生光异构化反应。

**讨论与结论**

本研究首次报道了农药Z-和E-异构体在植物中的光诱导可逆转化循环（来回转化），该过程调控含Z/E异构体农药在植物-环境系统中的归趋。Z-腈吡螨酯向E-腈吡螨酯的转化被证明是太阳（或紫外）照射下植物中的主要转化途径。由于Z-和E-腈吡螨酯对非靶标大型蚤表现出相当的高毒性，E-腈吡螨酯对非靶标物种构成了传统风险评估中仅考虑单一商业异构体（Z-腈吡螨酯）时被忽视的潜在风险。此外，太阳（紫外）诱导的E–Z或Z–E异构化在其他当前使用的农药的植物角质层中普遍存在。光强度被证明是控制植物中Z-腈吡螨酯异构化程度的关键因素，因此，不同地理区域（太阳角度变化）和季节间光强度的差异可能导致农药E–Z或Z–E异构化程度不同，在强光（或紫外）强度地区进行田间条件下此类农药的全面光异构化评估尤为重要。由于Z-和E-腈吡螨酯在光照下可达到光稳态，两种异构体具有相似的生物活性且在黑暗中构型稳定，因此合成E/Z混合物或热力学上更稳定的E-异构体可能成为未来害虫防治的成本效益策略。对于E-和Z-异构体活性差异显著的农药（如E-metaflumizone对鳞翅目幼虫的活性比Z-metaflumizone高10倍），E–Z异构化可能降低药效，应采取措施减轻紫外诱导异构化的发生，例如在制剂中添加紫外吸收剂以延长持效期。

研究结论：光诱导的Z–E或E–Z异构化代表了植物中普遍存在但长期被忽视的农药转化反应，为源于含E/Z异构体农药的对映异构体潜在风险提供了新见解。研究结果强调，对此类农药进行更准确的风险评估必须关注E–Z或Z–E异构化引起的风险，同时可通过综合权衡Z-和E-异构体的异构化、生物活性和毒性来促进开发更具成本效益的农药产品。