作为水稻田主要的杂草之一, 稗草 (Echinochloa spp.) 具有结实率和萌发率高、竞争性强等特点, 会造成水稻产量和品质严重下降, 因而需要开发一些高效、安全、施药期宽和持效期长的稗草防除剂。继双草醚(Bisypyribac-soidum)之后, 日本组合化学工业株式会社于1993年报道了第二个后续商业化的嘧啶 (硫) 苯甲酸酯类除草剂嘧草醚 (Pyriminobac-methyl), 开发代号为KIH-6127、KUH-920, 专门用于水稻田芽前到4叶期的稗草防除, 其持效期长, 对水稻高度安全, 开发情况值得关注。本文从理化性质、毒理学、代谢与残留、作用方式、生物活性、产品的开发和应用等方面对嘧草醚进行了概述。
嘧草醚的IUPAC化学名为2- (4‚6-二甲氧基-2-嘧啶氧基)-6- (1-甲氧亚氨基乙基) 苯甲酸甲酯, CAS登录号147411-69-6, 分子式C17H19N3O6, 分子量361.4。嘧草醚因化学结构中含肟键而存在顺反异构, 两个顺反异构体的理化性质不同, 具体见表1。嘧草醚原药含有两个顺反异构体, 外观为浅黄色至白色固体粉末, 熔点为105℃, 在水中对光和热稳定。日本组合化学工业株式会社开发的嘧草醚原药含量≥93%, 其中 (E) -嘧草醚含量为75%～78%, (Z) -嘧草醚含量为11%～20%, 顺反异构体比例≥5∶1。嘧草醚对哺乳动物的毒性:大鼠急性经口半致死量 (LD50)>5000mg/kg b.w., 大鼠急性经皮LD50>2000mg/kg b.w., 大鼠吸入半致死浓度 (LC50) (4h, 14d观察) >5.5mg/L空气, 对家兔的皮肤和眼睛有轻微刺激性, 对豚鼠皮肤具有致敏性;无可见作用剂量水平NOEL (2y) :雄性大鼠每天0.9mg/kg b.w., 雌性大鼠每天1.2mg/kg b.w., 雄性小鼠每天8.1mg/kg b.w., 雌性小鼠每天9.3mg/kg b.w.;每日允许摄入量ADI (日本食品安全委员会, 2008年) 为0.02mg/kg b.w.;艾姆斯试验 (Ames) 无致突变性, 对大鼠和家兔无致畸性;WHO毒性分类为U级。
嘧草醚的生态毒性:美洲鹑鹌鹑的急性经口半致死量LD50>2000mg/kg,美洲鹑鹌鹑和野鸭的喂食半致死浓度LC50 (5d) >5200mg/kg食物;鱼的半致死浓度LC50 (96h) :鲤鱼>59.8mg/L, 虹鳟鱼21.2mg/L;水蚤 (隆线溞) 的半效应浓度EC50(48h)>63.8mg/L;水藻 (绿藻) 半生物量增长抑制浓度EbC50 (72h) :20.6mg/L, 半生长率抑制浓度ErC50 (24～72h) :73.9mg/L;蜜蜂经口和接触半致死量LD50 (72h)>200μg/只;蚯蚓 (赤子爱胜蚓) 的无可见作用剂量水平NOEL (14d) >1000mg/kg;家蚕的无可见作用剂量水平NOEL>200μg/只。在动物体内, 几乎所有给药标记的14C都在尿液和粪便中排出, 有多个代谢物;在植物体内, 施用于土壤的14C-嘧草醚 (水稻4叶期) 约有10%分布到整个植株, 收获时的残留大部分存在于稻草中。在土壤/环境中的沉积物-水分配系数 (Koc) 为: (E)-嘧草醚425～1270, (Z) -嘧草醚215～636。嘧草醚在水和土壤中的主要代谢途径[4]见图1。由图可知, 嘧草醚在水中的主要代谢途径为光解, 表现为顺反异构体的几何构型转换;嘧草醚在土壤中两个顺反异构体均通过微生物降解为构型保持的4-羟基嘧啶化合物, 最终通过多级降解为CO2。
日本和韩国对嘧草醚的残留进行了限量规定, 在稻谷上均为0.05mg/kg, 其他均为0.01mg/kg。日本对稻草和稻青贮饲料的残留限定建议为0.2mg/kg。日本公告中使用带火焰热离子检测器的气相色谱(GC-FID) 来检测嘧草醚残留, 但存在干扰物多、样品制备耗时等缺点, Kimihko等改进使用CO2超临界流体萃取、捕集柱色谱净化后用气相色谱-质谱联用 (GC/MS) 检测。日本组合化学工业株式会社使用带氮磷检测器的气相色谱 (GC-NPD) 测定在稻谷、稻草和土壤中的嘧草醚残留, 前处理使用丙酮水溶液回流提取、正己烷萃取, 净化使用氧化铝和/或硅胶色谱。嘧草醚属于嘧啶 (硫) 苯甲酸酯类除草剂, 为乙酰乳酸合成酶(ALS) 抑制剂。乙酰乳酸合成酶存在于支链氨基酸缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成途径中的第一步, 其作用是催化两分子的丙酮酸缩合成乙酰乳酸 (后续进一步转化为缬氨酸和亮氨酸) , 或者催化1分子丙酮酸与1分子2-酮丁酸合成乙酰-2-羟基丁酸 (后续进一步转化为异亮氨酸) 。由于支链氨基酸是植物体内蛋白的重要组成成分, 乙酰乳酸合成酶抑制剂将阻碍支链氨基酸的合成, 进而影响蛋白质的合成代谢、抑制细胞分裂和植物生长, 从而表现出除草活性。嘧草醚可于杂草芽前至苗后后期施用, 很快就被稗草的茎叶吸收, 通过内吸传导至整个植株, 抑制乙酰乳酸酶从而阻碍支链氨基酸的合成, 逐渐发挥药效杀死杂草。嘧草醚在使用剂量下对水稻高度安全, 且没有品种敏感度差异, 可在水稻生长的各个时期施用[9]。嘧草醚从药剂施用到敏感杂草死亡有一个过程,开始表现为生长停止和幼嫩组织发黄, 随后整株枯萎坏死。与环酯草醚类似, 嘧草醚也是前体除草剂, 需要在稗草体内代谢去酯化成构型保持的羧酸而活化, 其在稗草体内代谢产生活性途径见图2。嘧草醚及其活化羧酸化合物对水稻和稗草的生长和乙酰乳酸合成酶的抑制活性没有差异, 但由于在水稻和稗草体内的代谢活化及速率不同, 嘧草醚对稗草具有高度选择性。值得注意的是, 2个活化的嘧草醚羧酸异构体与重氮甲烷反应都得到 (E) -嘧草醚。
异构体 (Z) -嘧草醚比 (E) -嘧草醚的亲水性强、土壤吸附性差, 但它们对水稻田稗草的生物活性大致相同。嘧草醚于1996年首次在日本最新获得登记, 其复配用于水稻田一次性除草。目前在日本、韩国和中国等国均有登记。嘧草醚在日本和韩国的制剂登记公司为日本组合化学株式会社、日本三井株式会社、日本农药株式会社和巴斯夫公司等。登记的单剂主要有颗粒剂 (GR) 和可湿性粉剂 (WP) 等,用于水稻直播和移栽田的稗草防治。登记的复配剂型有悬浮剂 (SC) 、水分散颗粒剂 (WG) 、颗粒剂 (GR) 、水面漂浮粒剂 (UG) 和大粒剂 (JB) , 复配数为二元到五元, 其中三元及以上复配多用作一次性除草剂, 用以防除水稻田一年和多年生杂草。日本和韩国登记的嘧草醚复配组合见表2, 可归纳得到以下通式:
嘧草醚+磺酰脲类除草剂(+其他类除草剂)嘧草醚+磺酰脲类除草剂(+其他类除草剂)
其中, 磺酰脲类除草剂为四唑嘧磺隆、吡嘧磺隆、苄嘧磺隆、唑吡嘧磺隆、环丙嘧磺隆和氯吡嘧磺隆中的1种或2种, 其他类除草剂为溴丁酰草胺、唑草酮、双环磺草酮、异戊净、苯噻草胺、丙草胺、杀草隆、环戊草酮、嗪草酮、氰氟草酯和呋草黄等除草剂中的1种或几种组合。嘧草醚的四元和五元复配中均含有磺酰脲类除草剂组分苄嘧磺隆。嘧草醚在中国的登记单剂有2% JB、10% WP和6%可分散油悬剂 (OD), 药土法撒施, 用于防除水稻直播田和移栽田稗草。复配登记只有吡嘧磺隆10%+嘧草醚15%WP, 用于一年生水稻田杂草防除。近年来有关嘧草醚的田试登记申请, 主要为单剂和与苄嘧磺隆的可湿性粉剂复配。嘧草醚属于选择性的水稻田除稗剂, 其开发应用主要集中在与其他除草剂的复配或混用方面, 由此而扩宽除草谱、防止并减缓抗性产生。作为嘧草醚开发应用的先锋市场, 日本和韩国目前已开发出了多种复配制剂。这些复配除了防除一般性的水稻田杂草, 还对一些抗性杂草显示出了较好的防除效果, 如嘧草醚与唑草酮和吡嘧磺隆的三元复配可用于防除3叶期的抗性杂草美洲母草和萤蔺, 与唑草酮和四唑嘧磺隆的三元复配防除抗性杂草萤蔺, 与双环磺草酮和唑吡嘧磺隆的三元复配可防除多种抗性杂草。嘧草醚的三元及以上的复配, 多加入磺酰脲和其他类除草剂制成一次性水稻田除草剂使用, 以达到减少农药使用量和节省劳动力的目的。日本组合化学株式会社开发了一系列嘧草醚水稻田初、中期一次性除草剂 (见表3) , 在水稻1叶期至稗草3叶期间施用, 可有效防除一年生及多年生杂草。表3日本组合化学株式会社开发的含嘧草醚的水稻田一次性除草剂
作为防除水稻田稗草的重要药剂之一, 嘧草醚以其可施用期宽广、对哺乳动物和生态低毒、对水稻的高度安全性和持效期长等特点而日益受到关注。嘧草醚存在肟键上的顺反异构, 两个异构体在稗草体内均代谢活化为相应的羧酸而发挥药效, 生物活性大致相同。嘧草醚多与磺酰脲类和其他类除草剂复配或混用, 可有效防除水稻田一年生和多年生杂草及磺酰脲类抗性杂草。嘧草醚多元复配制剂主要用作水稻初、中期一次性除草剂。由于用量少且杀草谱单一, 嘧草醚的市场需求相对有限, 其生产和供应成本相对较高。随着嘧草醚的不断开发推广和一次性除草剂的发展, 嘧草醚的未来市场可期。