基本信息
- 项目名称：
- 高效、安全联苯菊酯构型的研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 农药作为人类文明进步的产物，为解决人类的温饱、增强社会稳定，促进社会发展作出了不可磨灭的贡献。中共十七届三中全会通过的《中共中央关于推进农村改革发展若干重大问题的决定》提出，粮食安全任何时候都不能放松，必须长抓不懈，要抓紧实施粮食战略工程，加快落实全国新增千亿斤粮食生产能力建设规划的重大任务。而环境友好绿色农药的开发是确保农业生产的关键之一，也是全面建设小康社会进程中需要解决的重大科学技术问题。我们以典型手性农药联苯菊酯为模式化合物，在对映体手性分离的基础上，建立了基于对映体选择性和整合生物学效应评价的生物效应/环境毒性比值高的新型农药构型筛选的研究方法，为揭示手性化合物生物效应的对映体选择性的机理和开发新型、安全、高效农药提供了技术支持。
- 详细介绍：
- 环境友好绿色农药的开发是确保农业生产的关键之一，随着手性农药使用量的逐年增加，对手性农药不同对映体进行研究得到高效、安全的新构型已成为绿色农药开发和创制的一个重要方向。本研究以一种广泛使用的新型拟除虫菊酯类农药联苯菊酯（cis-Bifenthrin，cis-BF）为模式化合物，在Sumichiral OA-2500-I手性柱分离cis-BF获得对映体纯标样的基础上，以人乳腺癌细胞系MCF-7和基因工程重组酵母（YES）系统为内分泌干扰研究模型，以大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤PC-12细胞为神经毒性研究模型，以人绒毛膜癌细胞系JEG-3为生殖毒性研究模型，对cis-BF的环境安全和健康风险的对映体选择性进行研究；同时在已有研究的基础上以大型蚤（D.magna）的慢性毒性实验评价了cis-BF对靶标生物杀虫活性的对映体选择性。研究结果显示：1R-cis-BF的杀虫活性远高于1S-cis-BF，而1S-cis-BF对非靶标生物的内分泌干扰效应、神经毒性和生殖毒性则远高于1R-cis-BF。以上结果说明，1R-cis-BF可能是一种更高效、安全的新型农药构型，为进一步对cis-BF的改造提供了重要的基础。同时这一研究为手性农药的发展提供了基于毒理学对映体选择性的高效、安全农药开发和研制的新思路。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 研究目的： 高效、安全绿色农药的研究和创制是我国农业和环保发展的重要内容，本研究针对国家需求，旨在建立基于对映体选择性和整合生物学效应评价基础上的生物效应/环境毒性比值高的新型农药构型，为开发绿色农药提供重要科学依据。 基本思路： 以新型、常用的拟除虫菊酯类农药联苯菊酯为模式化合物，通过评价其对靶标生物的杀虫活性和对非靶标生物的环境安全性，得到了一种可能的联苯菊酯高效、安全的构型，并对其对映体选择性的分子机理进行了研究。 主要创新点和技术关键： 随着手性农药在国内、外的使用量逐年增加，对其改造，开发和研制既具有现实意义，也有相当大的科学意义。 在对映体分离、绝对构型表征的基础上，利用多种细胞系作为体外研究模型、结合基因工程重组酵母评价体系整合评价了联苯菊酯对靶标和非靶标生物的有效性和毒性，并对其毒性的机理进行了研究，研究结果尚未见报道。本研究具有农业化学、生物化学、分离科学等多学科相互交叉、渗透和综合的特点，原创性强。
科学性、先进性
- 拟除虫菊酯是一类典型的手性农药。已有研究表明：它的环境行为、杀虫活性、环境安全性具有显著的对映体差异[1]，但系统、深入的基于生物效应/环境毒性比值，研究新型、高效、安全的拟除虫菊酯类农药的新构型还非常有限。我们作品的科学性和先进性主要表现在： 1. 建立了联苯菊酯高效液相手性拆分技术，为后续的研究提供了基础； 2. 建立了多种以体外培养细胞为模型的环境安全评价方法； 3. 在分子机理上对联苯菊酯杀虫活性和环境安全的对映体选择性的机理进行了探讨，在国内外相关的学术期刊发表了相关的研究论文，研究结果为手性农药的改造和开发提供了技术支持，既具有一定的科学意义，又具有一定的现实意义。 参考文献： 1. Enantioselectivity in environmental safety of current chiral insecticides. Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 2005, 102: 701-706.
获奖情况及鉴定结果
- 所获奖项： 1. 2008年11月获学校第二十届“运河杯”学生课外学术科技作品竞赛特等奖； 2. 2009年6月获浙江省第十一届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。 4篇代表性论文： 1. Enantioselectivity in chronic toxicology and uptake of the synthetic pyrethroid insecticide bifenthrin in Daphnia magna. Environ. Toxicol. Chem., 2009, 28(7): 1475-1479. (IF: 2.309) 2. Induction of macrophage apoptosis by an organochlorine insecticide acetofenate. Chem. Res. Toxicol., 2009, 22 (2): 504-510. (IF: 3.508) 3. Chronic toxicity and cytotoxicity of the synthetic pyrethroid insecticide cis-bifenthrin. J. Environ. Sci., 2009, (In press). (IF: 0.480) 4. Cytotoxicity of lambda-cyhalothrin on the macrophage cell line RAW 264.7. J. Environ. Sci., 2009, (In press). (IF: 0.480)
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 技术指导和数据支持
作品可展示的形式
- 实物、产品、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 本研究集合了农药化学、 毒理学、分离科学等多学科，建立了适合整合评价手性农药环境安全性和生物有效性的多种方法，发现R型联苯菊酯是符合目前“绿色农药”要求的新型、安全、高效的构型，为进一步进行农药的设计、改造提供了十分重要的科学依据。 市场分析和经济效益预测： 手性拟除虫菊酯类杀虫剂既作农用，更多的是农村、城市的家庭、公共场所杀蚊、杀蚤、杀蛛等方面的使用（家庭与公共卫生应用）。在我国目前已有2家一定规模的生产企业（扬农化工集团和南京红太阳集团）生产。然而国外的专利问题制约着我国的发展，如果我们抢先一步，用手性技术这一化学领域最前沿的高新技术，走构型优化新品种之路，一定能事半功倍。在中国无论哪家现有的农药生产厂家实现工业化，几乎不会有任何风险，其经济效益和社会效益不可估量。
同类课题研究水平概述
- 农药的广泛使用既给人们提供了必要的食品，又是造成土壤、地表水污染乃至食品安全的主要因素之一。化学农药的不可替代与环境保护、食品安全的矛盾，使人们把发展化学农药的目标集中在发展拟天然产物（或称仿生）结构的“绿色农药”上，以期得到对靶标生物有更高效能，而对非靶标生物及人类更安全和友好的构型。 手性是自然界的普遍特征，而对映体选择性是生命过程中必然的规律。人们从自然界得到灵感，希望开发出对映体纯的手性化合物，来解决前面所提到的矛盾。目前，手性农药在市场上已占较大的份额（约25%），但目前生产和使用的大部分手性农药仍为外消旋体（Racemate, 对映异构体1:1混合物）。在评价这类农药的药效及研究其环境污染行为时，人们几乎都把它们当作纯的单一化合物来看待，即使发达国家的环境法规亦是如此。 目前，手性农药对映体纯的研究与应用，最成功的一例是除草剂异丙甲草胺（Metolachlor），s-构型的能除草，r-构型的致突变。尽管现在世界几大农药生产公司都在手性农药的对映体水平上从靶标生物角度研究其高效构型，但从非靶标生物的安全性上综合研究工作几乎没有。 手性农药的非靶标生物的安全性（或叫环境安全性）研究，是从早期应用的手性有机氯农药开始的，这类外消旋手性农药一直被看作纯的单一化合物的环境行为来研究。究其研究滞后的原因：一是人们很难得到对映体纯的标样；二是手性分析方法长期以来没有被很好解决。所以从对映体层面上筛选农药构型就不可能。 近年来，Kohler等人提出“对手性污染物的环境归宿应考虑化学结构的立体选择性”。Lewis等也在Nature杂志上撰文指出“土壤环境的变化影响手性污染物的降解”。随着新的手性农药不断出现，仅满足于对老农药的残留调查显然是不够的。 纵观近10余年这方面的研究，其主要有二大方面不足。一是集中在已禁止的老农药的调查，从环境友好角度对映体层面上的研究几乎是空白；二是主要对单一手性中心的农药研究较多，对多手性中心的农药研究甚少，对手性拟除虫菊酯杀虫剂几乎没有。 总之，手性农药的发展将愈来愈快。在对映体水平上研究手性农药是科学发展到今天的必然，基于毒理学效应和生物活性基础的高效、安全新型农药的研究和开发必将成为农业化学和环境科学新的学科生长点。
