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展望农药--徐鸣

最近网络上疯传1篇文章,耸人听闻地讲什么:“我国农药年产量337万吨,平均分摊到每个中国人头上,就是2.59公斤。”夸大其词地把中国形容成“浸泡在农药中。”这种言论更加加剧了吃瓜群众对于农药的恐惧。

任何稍有影响且负责任的观点都要以科学和事实作为依据,而经验告诉人们网上传言的可信度不怎么高。记得20年前,就曾经有人提出“化学农药可以休矣”的片面观点,结果遭到有力反驳。因为准备替代化学农药的生物农药,其本身也是一种化学品,所以该观点完全站不住脚,很快偃旗息鼓。

农药受到不公正待遇

现在又有人语不惊人死不休了。但该文章明显存在漏洞。有错必纠。首先,农药的“原药”与“制剂”是两个不同的概念,简单来讲:原药是纯的;而制剂是在原药中加入了无农药作用的其它物质。该文章作者连基本常识都未搞清楚就信口开河,所以应该在写文章之前先脑补科普常识。真实情况是农药通常是以原药形式在流水线上包装成品。此产品人们称为农药原药,再加入溶剂以及其它无农药活性的惰性填料和辅料,加工成各种制剂。出厂后,农药并不能直接喷洒到农作物上,而是需要农户在使用时在农药原药中加入助剂稀释,变成制剂以后,才能下田喷洒。按惯例,农药制剂中,原药含量平均在30%左右,其余皆为助剂。退一万步讲,就算每个中国人每年吃了2.59公斤制剂,除以365天,即平均每天吃7克制剂,仍然低于每个人每天平均的医药品用药量10克(同为制剂);其次,据我国农业部农技推广中心估计,我国每年在农业上使用的农药原药约35万吨,折算成制剂约为100万吨。以我国13亿人口计算,那么每个人每年平均摊到农药制剂约800克。1小瓶矿泉水重500克。试问2小瓶农药制剂如何“浸泡”?洗把脸冲个手还差不多。

通常情况下,摄入人体内的农药,绝大多数是残留在粮食或蔬果上的。以全球平均每人每年须消耗360公斤粮食和蔬果计,据调查全球农作物上农药制剂残留平均量为粮食产量的0.03%,那么每人每年的农药制剂摄入量约为11克。再换算成原药,每人每年摄入的农药原药不到4克。肯定低于一般人们看病吃药的用量(当然,违规喷洒农药或者违法使用违禁农药例外)。

其实大家有所不知,不仅农药会引起“中毒”之类的意外事故,其它情况同样会引起。美国曾经对引起6岁以下儿童遭受意外事故做过统计:化妆品和保健品占总数的13.4%;清洁剂占9.7%;止痛剂占7.8%;异物占7.4;地方性原因占7.4;止咳感冒制剂占5.5%;植物占4.6;农药占4.1;维生素占3.6;卫生杀虫剂占2.8;其它占11.7。还有美国曾经对10多万起意外事故死亡做过调查,结果发现其中由于农药引起的仅仅7例。但由于机动车引起的车祸有43788例、坠落引起的有15019例。难道有谁因此提出废除汽车、拆除高楼?显而易见,在日常生活中,农药并非是引起意外事故的主要因素。

对于农药“中毒”,关键在于管理。比如一些在我国禁止使用的剧毒农药在美国照样在使用,但为何引起中毒的意外事故很少发生?原因是这些剧毒农药在美国只有专门的商店供应,且是专人买卖、专人保管、专人使用,旁人不允许接触;而在我国却可以随意购买,并在农户家中随意存放。两相一比较,我国应该汲取国外先进的农药管理经验,加强流通领域和具体使用上的管理。

农药的功大于过

电影《一九四二》讲述的是那年河南大旱蝗虫大爆发,上百万民众背井离乡、外出逃荒讨饭的真实故事,影片中灾民们饥寒交迫、卖儿卖女,甚至迫不得已食人的镜头胆颤心惊、惨不忍睹。我国历史上爆发的多次大饥荒,其后果往往伴随着人口骤然减少、社会剧烈动荡,教训极为深刻和惨痛。所以鉴于我国是个人口大国和农业大国,粮食安全一直是现代中国社会与经济发展的核心问题。而农药不仅是确保我国,且是确保全球粮食供应必不可少的重要生产资料。尽管我国至2015年粮食已经连续12年历史性增产,但居安必须思危,且站在一个大国和强国的角度长远考虑,我国13亿人口,约占世界人口的五分之一,却只有占世界7%的可耕地面积,人均粮食拥有量400多公斤,仅比世界人口平均拥有量多出约100公斤,与美国的1100多公斤存在很大差距。要实现伟大的中国梦,任重而道远,我国还需在农业上化更大的力气。而想要提高粮食亩产量,我国比发达国家更加迫切需要农药的大力参与。

20世纪40年代起,农药在农业生产中得到广泛应用且迅猛发展。1950年,世界农药销售额为5亿美元,但到了2011年,便飞速上升到440亿美元。60年间增长了140多倍。虽然近几年全球经济不太景气,农药市场却一直处于产销两旺态势,欣欣向荣。

其实国人并不知道,农药不仅为人类的吃饭问题作出了重大贡献,且在协助人类预防疾病的过程中起到不可磨灭的作用。人类、家畜与农作物一样,总是生活在一个潜在的敌对环境里。目前所知,人类与100万种昆虫和其它节肢动物相处“一室”,其中有不少为害虫。那些害虫除了同人类争夺食物,并传播疾病,使得人类遭受病痛,甚至灾难。对害虫,最直接、最有效的办法就是通过杀虫剂(农药的一大种类)来进行防治。滴滴涕属于最典型最典型最典型(重要的事情讲3遍)的例子。1874年滴滴涕由靑德勒首次合成,不过直到1939年,其杀虫效果才被瑞士科学家穆勒发现。20世纪上半叶,因为人类使用了滴滴涕,灭杀了传播斑疹伤寒的虱子;灭杀了传播鼠疫的跳蚤;灭杀了传播登革热和乙型脑炎的蚊子,从而挽救了全球数以亿计的生命。穆勒还由此获得了1948年度诺贝尔生理及医学奖。

不过任何事物都有其两面性。在为人类创造财富和促进健康的同时,农药也会对人类和环境带来不良影响。即农药在灭杀或控制人类或农作物生存环境中的有害生物时,往往会殃及无辜,伤害了其它动物和植物,污染了环境,破坏了生态平衡。由于环保意识的逐步认识和加强,人们陆续发现诸如滴滴涕之类的某些农药能长期残留在环境中,以及在人和畜体内不可分解。因此,一批农药因毒性、抗性和残留性等问题而被淘汰或者限制使用。

 

新型农药的开发

农药的英文名称为Pesticide。整个单词由害物pest和杀死cide所组成,意思就是“杀死害物的东西”。而灭杀对象可分为害虫insect,使用杀虫剂insecticide;病菌fungi,使用杀菌剂fungicide;杂草herbi,使用除草剂herbicide。无论是杀虫剂、杀菌剂,还是除草剂,从字面上判断,似乎均与“杀死cide”相关。而传统的农药确实是主要在“杀死”两字上做文章。

人类认识自然是螺旋式上升的。当人们意识到某些传统农药的毒性、残留和抗性等一系列问题时,研制和开发新结构或新作用机制的新型农药,以取代传统农药,便成为全球农药科研人员的重中之重。每年,世界各大农药巨头都要投入巨额资金来进行新型农药的研制。10年前,全球农药销售额居前15位的公司就不惜工本,花在研制开发上的费用分别为:拜耳是7.26亿美元,占销售额的9.75%;先正达是4.96亿美元,占6.81%;巴斯夫是4.49亿美元,占10.46%;孟山都是0.4亿美元,占0.93%;陶农科是2.45亿美元,占7.18%;杜邦是2.05亿美元,占8.54%;马克西姆是0.2亿美元,占1.06%;钮发姆是0.27亿美元,占1.48%;住友化学是1.12亿美元,占4.84%;阿里斯达是0.16亿美元,占1.54%;富美实公司是0.7亿美元,占7.87%;联合磷化是0.3亿美元,占3.93%;科麦公司是0.25亿美元,占3.47%;石原产业是0.34亿美元,占8.44%;西珀凯姆是0.07亿美元,占1.97%。其结果是研发的新型农药不断问世并进入市场。

新型农药的设计和开发,主要从两方面着手:一是从结构出发,根据现有农药的化学结构进行改造、修饰,甚至设计并合成具有新结构的农药。如美国默克公司在阿维菌素的化学结构改造中获得的成就,激起了人们的极大兴趣,尤其是对于生物源物质的化学结构改造。该方法可以改善原物质的性能,不仅令其安全性大大提高,且扩大了杀虫谱,进而扩大了应用范围。此外还极大提高了活性。再则,通过对生物源物质的化学结构改造来研发新型农药,既提高了效率,又减少了开发费用;二是从有害物及化合物的作用机制出发,通过寻找新的作用靶标来设计,并运用新的设备,如通过计算机进行辅助设计;通过构效关系设计,来提升设计效率,开发出新的农药品种。用大白话解释,便是作为新开发的农药,其毒性仅仅是针对有害生物的,而对有益生物无不良影响。这就要求农药具有选择性。拿杀虫剂来讲,就必须对危害农作物的害虫有效,而对那些有益昆虫甚至对于人类则相对安全;对于除草剂,就必须有效阻碍杂草的氨基酸和脂肪酸的生物合成,从而使得杂草死亡,而对那些相近种属的作物则相安无事;对于杀菌剂,就必须通过干扰菌丝顶端的细胞功能来灭杀有害菌,而对那些有益菌无影响。例如用于葡萄的杀菌剂,应有效控制病原菌,但是对酿制葡萄酒所需的酵母菌则要网开一面。这种对同类生物的选择性是新型农药必备的基本属性。此外,更要求新型农药对人、畜及各种有益生物如水生生物、禽鸟、爬行动物等无不良影响,农药针对的靶标只作用于有害生物的器官、组织和行为。

另外,农药与医药的开发与应用有不少相通之处。有些农药品种源于医药;有些医药品种却源于农药。所以在新型农药或医药品种研发中,可以借助对方的化学结构和理论进行双向互动。如在农药研发中十分流行的“高通量筛选”及上述的“构效关系研究”和“虚拟设计”等均来自于医药的研发技术。还有不少农药剂型的开发,得益于医药剂型的成果,如泡腾片、水分散粒剂等。

随着科技进步,目前开发的新型农药活性更高、选择性更强。近30年来,人们所应用的农药单位面积原药用量仅为20世纪80年代以前的1%~10%。农药原药用量的不断下降,正是得益于对农药作用机制的深入研究,使药剂的选择性更强;使药剂更有效。

在开发新型农药品种时,宜坚持4个“为”原则,即:市场需要为方向;自身特长为基础;新颖品种为目标;发展迅速为优先。按照4“为”原则,在具体选题时可以从以下4个方面综合考虑:

1.销售额在上亿美元的大型品种。无疑该品种有稳定的市场、成熟的工艺。有的经过相当时间的考验(指传统品种);有的则具备一定特色(多为新品种);

2.发展迅速的,尤其是近年来发展迅速的品种;

3.有公用中间体的品种再结合企业特色。一些中间体能同时合成多种农药,如3-二氯-5-三氟甲基吡啶可合成杀虫剂氟啶脲、杀菌剂氟啶胺、杀菌剂啶酰菌胺、除草剂吡氟草灵和除草剂吡氟甲禾灵。所以用该中间体开发新型农药,会有较大的市场;

4.要充分考虑品种的特点及相邻品种。我国农药生产企业在品种的挑选时往往容易跟风,经常出现多家企业一拥而上,都在开发一类甚至同一个产品,造成重复以致相互挤兑。或导致农药的抗性频发,使得药剂效果下降,最后成本上升。如甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂已经成为企业开发热点,嘧菌酯、肟菌酯、醚菌酯、啶氧菌酯、吡唑醚菌酯等,由此出现严重积压以及发生交互抗性。因此,一个企业在新品种开发和推广时,应该考虑开发不同作用机制的农药。同时,在品种开发中尽量体现自身的特色,包括剂型、混配、应用对象,等等。

       虽然农药科研人员为研发新型农药取得了很大成绩,但至今在全球广泛使用的600余个农药品种里,仍然有一部分存在高毒、高残留、高抗性。另外对一些病、虫、草害依旧缺医少药。所以还需要农药科研人员继续努力。

农药的未来

长期以来,由于传统农药多以灭杀为目的,既影响了自然界的生物链,又破坏了生态环境的平衡。故而人们正在改变直接“灭杀虫、菌、草”的老观念,并建议把“农药Pesticide”改成“有害生物控制剂Pest Control Agent”。即对有害生物进行“生物控制”,包括采用天敌、调整施药方法、免耕或少耕法、综合治理等。另外,也可对农药通过剂型加工的办法进行“害物控制”,如缓释剂等,将害物有效地控制在一定的数量之内,以保证生物链的存在,并不对人畜造成不良影响。

光从字面上把一个“杀”字改为“控制”二字很容易,但实际上需要科技的创新和思维的发散。那么未来的农药将会如何有效地控制危害农作物的虫、菌、草?人们经过多年的努力和试验,觉得“仿生”是未来农药研发的主攻方向。

按照生物学解释,昆虫有“社会性(如蚁类、蜂类)”和“半社会性(如小蠹类)”及游兵散勇类。昆虫在生长繁衍时会产生独有的物质。这些物质包括性信息素、集合信息素、警告信息素、引诱剂、驱逐剂等。昆虫的日常活动就靠信息素进行。如蜂后当受到侵袭时便会分泌集合信息素,可使方圆一定范围的工蜂立即飞来护驾。于是人们从中得到启迪,便使用集合信息素,可把需灭杀的害虫轻而易举吸引到一个人们指定的地方聚集,继而歼之。通常要灭杀几十亩或几十平方公里的害虫,过去往往需要使用几百克甚至上千克农药制剂。运用了仿生方法,只需使用几毫克的集合信息素,就能将这一范围内的害虫在十几平方米的地方高密度集合,然后再使用农药制剂灭杀。如此可使药剂用量减少几个数量级,真正实现农药使用的零增长。虽然使用昆虫生长调节剂可以十分有效调控昆虫种群,大大减少农药的使用量,但要合成这种集合信息素,其光活性、手性的纯度要求极高、难度极大。目前全球有大约几十万种昆虫,而制得的信息素仅仅近百种。还有如甲壳素是昆虫生长中骨架形成的主要成分,必不可少。而甲壳素是通过昆虫体内的甲壳素酶合成产生。破坏昆虫体内的这种特有的酶,就可以非常有效地控制害虫。苯甲酰脲类杀虫剂就具备那种功能。因为该类农药是专门针对昆虫体内特有物质的,所以对人畜和环境均十分安全。

人受到病菌感染会得病。如何预先防止人生病,是医疗的最高境界。我国古代就有“治未病”之说。现代人则通过身体锻炼和服用保健品和补品,来提高自身对病菌的抗病能力。这种抗病能力也就是俗称的“免疫力”。同人畜一样,农作物受到病原菌感染也会得病。有研究人员突发奇想,将人类“治未病”的理念应用到农作物的抗病能力上,通过使用某种物质来大大提升农作物的免疫功能,并引发或激活农作物的抗病能力。该物质称之为“抗病激活剂”。如杀菌剂环丙酰菌胺防治水稻稻瘟病十分有效。但该杀菌剂不具备直接杀菌的活性,也不抑制病原菌丝的生长,而是能够合成一种黑色素。该黑色素既不让病菌孢子渗透进农作物内部,又可加速农作物体内的抗菌物质的合成以抗御病菌。且更重要的是该类农药不易产生抗性。不过该类农药就像人们吃中药调理身体,日久才能见“药”性。

在杀虫剂、杀菌剂和除草剂中,除草剂属于农药市场上产量最大、品种最多,研究人员对其作用机制研究得最为透彻。人们注意到植物都有排他性,为了其自身的生长和繁衍,植物往往会分泌和释放某些化学物质,对周围同种或异种植物产生一定影响,人们将其称为“异株克生物质”。如苹果树产生的根皮苷、桃树产生的扁桃腈糖苷,便可造成果树连栽障碍以及影响附近植物的生长;而蚕豆和玉米间种则可促进这两种农作物共同生长。有研究人员通过提取并分析测定异株克生物质的结构,然后进一步模拟合成,作为开发新型除草剂或者植物生长调节剂的“先导化合物”。该类新型农药达到了利用生物手段来控制农作物生长的小目标。

抗性是自然界中一切生物用来保护自己的必然行为。不少生物的抗性形成与其基因以及自身具备的某种物质或酶(如P450酶)有关。因此研究人员考虑可否通过提取或模拟制取该类物质,作为农作物抗御害虫侵袭的有力防身武器。同时也可作为测定开发新型杀虫剂的靶标。

地球上的微生物、植物、动物和矿物也是未来农药的资源。其实我们的老祖宗,早就懂得从自然资源中获得农药来防病杀虫。如今人们直接利用所采集到的微生物、植物、动物和矿物,研发了大批农药品种,为农业的稳产和高产做出了贡献。然而经过百年来的开发,人们可以直接利用的生物资源越来越少。为此人们不得不寻找新的资源。利用滋生在生物体上的内生菌成为了研发新型农药的资源。该方法10多年前就已经进行,但由于条件所限而未很好地形成产品。现在人们不仅利用寄生于植物的内生菌,且将危害植物的病原菌作为开发新型除草剂的资源,化废为宝、以菌治草;还有将危害燕麦的燕麦叶枯菌经过致病性、寄主专一性和培养条件的研究后,使其成为根除野燕麦的农药。

农药,尤其是杀虫剂的研发,往往是通过多轮筛选并结合化学结构和特性的反复改造来提高生物活性。在筛选中,药剂达到靶标的浓度、持续时间长短则起着决定性的作用。一个在离体时具备很强活性的化合物在活体中往往效果较低甚至无效,其极有可能在未到达靶标位点的过程中即被分解或解毒。对此有研究人员考虑,是否利于对农药具备解毒功能的生物品系作为优化新型农药开发的筛选工具。以昆虫为例。由于长期接触环境中的有毒化合物,大多数昆虫经选择性吸收、代谢、转运和排泄等方式,令其解毒异源物质的能力高度进化,以致具有了对包括农药在内的异源物质的解毒功能。如果能充分了解这种解毒功能的基因,并引进新型农药的研发中,达到轻而易举就可破坏有害生物的解毒功能,这样杀虫剂的效率会大幅提高。

生物型的“仿生”农药可以彻底改变传统农药概念,真正使农药由简单的“杀死”变为能主动调节和控制有害生物,令人类对有害生物的防治从必然王国迈入自由王国。

农药发展的历史,就是一部人类文明史。农药为人类所做的贡献有目共睹。据统计,美国每年在农药上面花费80亿美元,但可挽回300亿美元的农作物损失。同样如此,农药为我国的粮食丰收高产提供了有力的保证。时代在进步,农药同样在进步,而人们的认识更要进步,切不可再将“农药”与“毒药”划上等号,农药应该是人类的“好朋友”,农药绝对是个朝阳产业。

 

注:本文在撰写过程中,得到上海农药研究所原副总工程师、教授级高工张一宾的大力指导。文章中绝大部分数据摘自化学工业出版社出版的张一宾、张怿、伍贤英编著的《世界农药新进展》(二)、(三)。对此深表谢意!

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