卤代苯甲酰脲类杀虫剂作为新兴环境污染物：卤素取代对其持久性、毒性与生物降解的影响

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Benzoylurea insecticides as emerging environmental contaminants: effects of halogen substitution on persistence, toxicity, and biodegradation

　　

苯甲酰脲类杀虫剂（benzoylurea insecticides, BUIs）是N-苯甲酰-N′-苯基脲（N-benzoyl-N′-phenylurea, BPU）的合成衍生物，作为昆虫生长调节剂在现代害虫管理中被广泛使用。其杀虫活性主要源于对几丁质合成酶（chitin synthase）的抑制，该酶负责昆虫外骨骼主要结构组分几丁质的生物合成，干扰几丁质合成可导致昆虫表皮形成异常、蜕皮失败并最终造成幼虫死亡（Sun et al., 2015；Douris et al., 2016）。由于脊椎动物缺乏几丁质合成的生化途径，苯甲酰脲类化合物对哺乳动物及许多非靶标生物通常表现出低毒性，这支持了其在有害生物综合治理（integrated pest management, IPM）策略中的广泛应用（Sun et al., 2015；Sparks, 2024）。自20世纪70年代除虫脲（diflubenzuron）问世并商业化以来，大量研究与开发工作推动了众多苯甲酰脲类杀虫剂的合成与应用，凸显了其在当代作物保护中的持续重要性（Jeschke et al., 2019）。然而，日益增多的环境检出证据、持久性表现、转化产物形成以及生态影响，已引发人们对其长期环境归趋与可持续性的日益关注。 卤素取代，尤其是氟（F）、氯（Cl）和溴（Br）的引入，是优化苯甲酰脲类杀虫剂生物学性能的关键结构修饰手段。类似的氟化结构单元也出现在其他农用化学品中，其中一些化合物或其转化产物可能符合经济合作与发展组织（OECD）对全氟和多氟烷基物质（PFAS）的结构定义。然而，氟化BUIs属于芳香族化合物，在化学结构和生物降解行为上与经典脂肪族PFAS存在根本差异。因此，与PFAS的比较仅限于持久性相关特征或特定氟化转化产物，而非等同的环境行为（Khan et al., 2025a；Khan and Murphy, 2023）。在苯甲酰脲类杀虫剂中，氟最常取代于苯甲酰环上；相比之下，氯和溴则常被引入到由苯胺衍生的苯环上，以影响电子性质和生物活性。除虫脲和氟酰脲（novaluron）等化合物在苯甲酰环和苯环上均引入了策略性定位的卤素原子，以调节其杀虫效力、理化性质和环境稳定性（Figure 1）。 卤素取代基强烈影响分子性质，包括键强度、亲脂性、空间效应和分子构象，从而影响BUIs的构效关系（Table 1）。氟化BUIs，包括除虫脲、氟虫脲（flufenoxuron）、虱螨脲（lufenuron）、氟铃脲（hexaflumuron）和氟苯脲（teflubenzuron），表现出高化学稳定性，并常在农产品和环境基质中被检出，反映了其持久性和环境相关性（Markoglou et al., 2007；Su et al., 2024；Liu et al., 2026）。实验研究也证明了氟化材料与BUIs在萃取和富集过程中的强烈相互作用，凸显了氟化结构单元在决定这些化合物理化行为中的重要作用（Xu et al., 2021；Su et al., 2024；Liu et al., 2026）。 对含卤农药的研究进一步表明，由于芳香族C–F键的高强度，氟的引入通常增强代谢稳定性、亲脂性和分子构象稳定性，而氯和溴取代则主要通过卤键影响分子极化率、空间效应和分子间相互作用（Jeschke, 2009；Jeschke, 2017；Zhu et al., 2023）。这些原理为解释BUIs之间的差异提供了机制框架，但不应被视为对每一种化合物均已通过实验验证。因此，关于氯和溴取代对膜相互作用、沉积物结合、营养级传递和降解行为的影响，是从既有的卤素化学和相关农药类别推断而来，而非在BUIs中得到全面证实（Broniatowski and Wydro, 2024；Olsvik et al., 2023；Rebelo et al., 2023）。总体而言，现有证据表明，广泛卤化可能增加环境持久性并降低可降解性，尽管苯甲酰脲类杀虫剂系统的结构-性质-环境归趋关系仍未得到充分解析（Khan, 2025a；Jeschke, 2010；Ganguly et al., 2020）。重要的是，氟化BUIs的持久性主要反映芳香族C–F键的稳定性及分子的整体理化性质，而非经典PFAS超常持久性所依赖的全氟化脂肪族化学特性。 理解卤素取代、环境行为与非靶标毒性之间的关系，对于农药风险评估和可持续害虫管理至关重要。与苯脲类除草剂类似，苯甲酰脲类杀虫剂可在土壤、水和沉积物中持久存在，其理化性质影响迁移性、生物可利用性和降解过程。大量农业使用可能导致环境污染、生物富集以及对非靶标生物的不利影响（Mohanty et al., 2024），而取代方式依赖的亲脂性和持久性差异可能在氟化、氯化和溴化BUIs之间产生不同的生态风险，尤其是在水生和陆生生态系统中的营养级传递和慢性暴露方面（Olsvik et al., 2023）。尽管应用广泛，目前的知识仍较为零散，大多数研究集中于杀虫效力、合成或分析测定，而非卤素取代对环境持久性、非生物与微生物降解、转化产物形成、生态毒理学响应以及监管决策的影响。 此外，现有信息主要集中在氟化和氯化BUIs，而溴化类似物的研究则十分匮乏。据研究人员所知，此前尚无综述在单一框架内系统整合氟、氯和溴取代对苯甲酰脲类杀虫剂理化性质、环境归趋、非生物与微生物降解、转化产物、生态毒理效应及监管状态的影响。通过整合这些多学科内容，本综述识别了关键知识空白，提出了未来研究优先方向，并为可持续农药设计、环境风险评估和监管决策提供了科学依据。

苯甲酰脲类杀虫剂的环境持久性与生态风险：卤素取代效应的系统综述

一、研究背景与科学问题

苯甲酰脲类杀虫剂（benzoylurea insecticides, BUIs）是一类以N-苯甲酰-N′-苯基脲（BPU）为母体结构的合成昆虫生长调节剂，通过抑制几丁质合成酶（chitin synthase）干扰昆虫外骨骼几丁质的生物合成，导致幼虫蜕皮失败而死亡。由于脊椎动物缺乏几丁质合成途径，该类化合物对哺乳动物和非靶标生物通常呈现低毒性，因而在有害生物综合治理（integrated pest management, IPM）中被广泛使用。自1975年首个商品化品种除虫脲（diflubenzuron）问世以来，大量卤代BUIs被开发并应用于农业、林业和兽医害虫防治。然而，随着环境监测数据的积累，该类化合物在土壤、水体、沉积物和生物体中的广泛检出，以及其持久性、转化产物形成和生态影响等问题日益引发关注。

卤素取代，尤其是氟（F）、氯（Cl）和溴（Br）的引入，是优化BUIs生物学性能的关键结构修饰手段。氟原子因具有最高电负性并形成极稳定的C–F键（键离解能约485 kJ·mol?1），通常增强分子的代谢稳定性和亲脂性；氯原子提供中等电负性和亲脂性，常改善膜通透性和生物活性；溴原子因原子半径大、极化率高，可增强疏水性和分子间相互作用，潜在地促进生物富集和沉积物亲和性。氟化BUIs（如除虫脲、氟虫脲、虱螨脲、氟铃脲、氟苯脲）通常表现出更高的环境持久性，而氯化类似物（如氯氟脲、杀铃脲）和溴化类似物（如溴氟脲）的降解行为和环境归趋研究则相对匮乏。尽管已有研究揭示了卤素取代对农药理化性质的影响，但系统性的结构-性质-环境归趋关系在BUIs中仍未得到充分解析。

现有研究大多聚焦于杀虫效力、合成或分析方法开发，而卤素取代对环境持久性、非生物与微生物降解、转化产物形成、生态毒理响应和监管决策的影响缺乏系统整合。特别是溴化BUIs的环境行为研究几乎空白，转化产物的持久性和毒性也未被系统评估。因此，开展一项系统综述，整合氟、氯和溴取代对BUIs理化性质、环境归趋、降解行为、生态毒理和监管状态的影响，对于可持续农药设计、环境风险评估和监管决策具有重要的科学意义。

二、研究内容与主要结论

研究人员按照PRISMA 2020框架，在Web of Science、Scopus、PubMed、ScienceDirect和Google Scholar数据库中系统检索了1975年至2026年5月期间的相关文献，最终纳入196篇出版物进行定性综合分析。该综述从卤代BUIs的结构化学特征出发，系统阐述了卤素取代类型和位置对分子极性、亲脂性、空间构型和化学稳定性的调控作用，进而分析了这些理化性质如何决定化合物在水、土壤、沉积物和生物体之间的分配行为。研究发现，BUIs普遍具有中等至较高的亲脂性（log K_OW约3.0–5.8），其中高度氟化品种如氟虫脲（log K_OW≈5.11）、虱螨脲（≈5.12）、氯氟脲（≈5.8）和溴氟脲（≈6.2）表现出极强的疏水性和极低的水溶解度，倾向于在沉积物和有机质丰富的土壤中累积，形成长期环境储库。环境监测数据显示，BUIs在地表水中的浓度一般为ng/L水平，在土壤、沉积物和生物体中的浓度可达μg/kg水平，沉积物和水生生物是最易受污染的介质。

在持久性和降解行为方面，研究证实卤素类型是决定BUIs环境稳定性的关键因素，持久性呈现氟化>氯化>溴化的趋势。土壤半衰期数据显示，除虫脲在低浓度（1 mg·kg?1）下为3.0–7.0天，氟虫脲为52.1–75.3天，氟铃脲典型值为57天，氟啶脲（noviflumuron）可达250天。非生物降解主要通过光解和水解进行，但通常仅能断裂苯甲酰脲桥键，生成取代苯甲酰胺等转化产物，难以实现高度卤化BUIs的完全矿化。微生物降解是BUIs环境消减的最重要自然衰减机制，土壤微生物如芽孢杆菌属（Bacillus）、产碱菌属（Alcaligenes）、假单胞菌属（Pseudomonas）、不动杆菌属（Acinetobacter）、镰刀菌属（Fusarium）、青霉菌属（Penicillium）等通过水解脲桥键启动降解过程。目前，水解酶是唯一经实验验证的、直接负责BUIs初始微生物转化的酶类，而细胞色素P450单加氧酶主要参与昆虫体内的氧化解毒而非环境矿化。高度氟化的BUIs因C–F键能极高且氟取代基的强吸电子效应降低了亲核攻击敏感性，其氟化芳香环的微生物脱氟和矿化极为困难，导致持久性部分氟化中间体的积累。

在生态毒理方面，BUIs对水生和陆生非靶标生物构成慢性风险。尽管脊椎动物缺乏几丁质合成途径，但虱螨脲对鱼类的毒性实验表明，持续暴露于疏水性BUIs可引发不良生物学响应。卤素类型进一步调控生物富集行为：溴化污染物在沉积物中的检出水平常高于氯化对应物，溴化农药因更高的亲脂性而具有更强的海洋食物网累积潜力。然而，目前尚无直接野外证据表明卤代BUIs在水生食物网中发生显著的营养级放大（trophic magnification），其生物富集潜力不应仅凭亲脂性推断。

三、主要技术方法

研究人员采用PRISMA 2020系统综述框架，在Web of Science、Scopus、PubMed、ScienceDirect和Google Scholar五个数据库中进行了全面文献检索，检索时间范围为1975年至2026年5月，使用与卤代苯甲酰脲杀虫剂、环境归趋、持久性、生物降解、转化产物、生态毒性和风险评估相关的关键词组合。文献经过查重、标题/摘要筛选和全文评估后，最终纳入196篇出版物。此外，研究人员利用EAWAG-BBD（原明尼苏达大学生物催化/生物降解数据库）途径预测系统（Pathway Prediction System, PPS）对多种BUIs的微生物转化途径进行了基于规则的计算机预测，并与文献中实验鉴定的代谢产物进行比对，以区分已验证的转化产物和计算推断的中间体。

四、研究结果

4.1 环境赋存、残留分布与生物富集

环境监测研究证实卤代BUIs及其代谢物在农业和养殖区域的地表水、沉积物、土壤和水生生物中广泛存在。沉积物和水生生物因该类化合物强疏水性和吸附行为而成为污染最严重的环境介质。氟化BUIs如氟虫脲和氯氟脲因高log K_OW值而常与沉积物累积和生物摄取相关。尽管BUIs具有较高的log K_OW值（3.89–6.2），目前尚无直接野外证据表明其在水生食物网中发生显著的营养级放大，与DDT等有机氯农药的明确生物放大效应形成对比。溴化农药因溴原子较大的原子尺寸和高极化率而通常具有更高的亲脂性和更强的海洋食物网累积潜力，溴化污染物在沉积物中的检出水平常高于氯化对应物。

4.2 持久性与降解行为

环境稳定性与卤代类型密切相关，呈现氟化>氯化>溴化的趋势。氟化BUIs如虱螨脲、氟虫脲、氯氟脲和氟铃脲通常表现出比氯化对应物更大的环境持久性。非生物降解以光解和水解为主，主要通过断裂苯甲酰脲桥键进行，生成2,6-二氟苯甲酸、2,6-二氟苯甲酰胺、4-氯苯基脲、4-氯苯胺和4-氯苯酚等转化产物。微生物降解是BUIs环境消减的最重要机制，非灭菌土壤中除虫脲、氟虫脲和氟啶脲的降解速度显著快于灭菌土壤。水解酶介导的脲桥键断裂是唯一经实验验证的微生物初始转化机制，但高度氟化BUIs的氟化芳香环因C–F键能极高而难以被微生物脱氟和矿化，导致持久性部分氟化中间体的积累。

五、讨论与结论

讨论部分指出，尽管卤代BUIs在环境中广泛存在且具有持久性，但对其生物降解机制的理解仍十分有限。与其它农药类别相比，针对BUIs微生物降解机制的实验研究数量较少，大多数机制性报道发表于二十多年前。目前尚无完整的商业BUI生物降解途径得到实验验证，负责氟化芳香代谢物脱氟或矿化的微生物基因仍属未知。溴化BUIs如溴氟脲的降解动力学和微生物转化途径几乎未被研究，其转化产物的持久性和生态危害尚不明确。转化产物的环境持久性、生物富集潜力和生态毒性也未被系统调查，构成关键知识空白。

研究结论指出，卤素取代是决定BUIs环境持久性、降解行为和生态毒理效应的核心结构因素。氟化BUIs因C–F键的高键能和氟取代基的强吸电子效应而表现出最高的环境持久性，氯化BUIs次之，溴化BUIs理论上更易降解但因其高亲脂性仍可能具有生物富集潜力。转化产物在持久性和生态毒理关注中发挥重要作用，部分代谢物如4-氯苯胺和4-氯苯酚具有生物活性，某些除虫脲代谢物被报道具有临界致突变性。BUIs对水生和陆生非靶标生物构成慢性风险，但营养级放大证据尚不充分。该综述将卤化作用、环境归趋、生物降解、毒性与监管联系起来，识别了关键知识空白，提出了未来研究优先方向，包括利用多组学方法、酶发现和微生物菌群整合策略加速鉴定卤代BUIs的降解微生物和酶，并将转化产物鉴定纳入未来环境风险评估体系，为可持续农药设计、环境风险评估和监管决策提供了科学依据。