微生物降解烟碱类新药哌虫啶的代谢途径和分子机制研究

Paichongding is a novel chrial neonicotinoids pesticide with excellent insecticidal activity against imidacloprid-resistant brown planthopper. In this project, 14C labeled Paichongding will be used as tracer to investigate screen and identification of degrading bacteria of Paichongding and its environmental fate, biodegradation pathway (including Paichongding and its enantiomorph environmental behavior, seperation, purification and identification of degradation intermediates and degradation pathway) and biodegradation mechanism of Paichongding in soils and water. The aim of the project is to understand the behavior of Paichongding and its enantiomorph in the environment, the metabolic pathways and biodegradation mechanism, which will provide technical support for reasonable and safe use of Paichongding, and it is very important for improving the quality of agricultural products, ecological environment and protection of human health. The project also provide thoretical guidance and method for research and development of new chiral pesticides, structural optimization and the similar studies of new chiral pecticides with independent intellectual property rights.

本项目以拥有自主知识产权的新型高效杀虫剂哌虫啶为对象，以14C标记哌虫啶为示踪剂，综合运用核素示踪、仪器分析技术和现代生物技术，研究哌虫啶高效降解菌的筛选、鉴定、哌虫啶的生物降解特性和代谢途径（哌虫啶生物降解规律、哌虫啶及其对映体的代谢产物分离、纯化、分子结构鉴定及代谢途径）及降解分子机制。旨在更深入地认识哌虫啶在环境中的行为、代谢途径及生物降解分子机制，一方面为合理、安全地使用哌虫啶提供技术支持，对提高农产品质量与安全、改善生态环境和保障人类健康具重要的现实意义和科学意义，另一方面为手性农药新品种研发、结构优化及其新品种创制提供理论指导，同时为具自主知识产权的手性新药的同类研究提供可资借鉴的研究方法。

本研究以我国具有自主知识产权的手性新农药哌虫啶为对象，采用能反映哌虫啶不同对映体分子特征的14C标记化合物为示踪剂，运用现代生物技术和同位素示踪技术，通过平行和组合试验，在对映体层面上研究了哌虫啶四种手性对映异构体(5R,7R)-IPP(RR)、(5S,7S)-IPP(SS)、(5R,7S)-IPP(RS)和(5S,7R)-IPP(RS)在水体和四种典型土壤中的降解与代谢途径，明确了好氧和厌氧条件下哌虫啶在四种不同性质土壤中的降解规律和降解途径，及其对土壤微生物群落结构和土壤酶活的影响。结果表明，（1）农田土壤中含有高效降解IPP的菌株，并能以哌虫啶为唯一碳源与能源生长，如Sphingobacterium sp.和Aspergillus sp.，不同菌株对哌虫啶及其四个对映体的降解效率有一定的选择性差异；（2）四个对映体RR/SS/RS/SR-IPP在四种不同土壤中，RS/SR-IPP 比RR/SS-IPP更容易降解，降解率与土壤的理化性质如pH、有机质含量、阳离子交换量等有关，RR/SS对映体比SR/RS在土壤中形成相对较低的结合残留；（3）LC-MS分析鉴定哌虫啶在水体、好氧土壤和厌氧土壤中可能的代谢降解产物M1、M2、M3、M4、M5，M6，M7和M8等，并推测了其可能的降解途径；（4）在不同土壤和不同培养阶段，IPP对土壤酶活和微生物数有一定的抑制作用，微生物种属会发生一定变化，IPP代谢中间产物M1对线虫的头部摆动、后代数目的抑制作用较强；（5）降解哌虫啶基因主要位于质粒上，共有9个基因参与哌虫啶生物降解，通过现代生物技术构建工程菌，对哌虫啶的降解率提高了近50%。本项目研究为科学、安全地使用哌虫啶提供技术支持，明确了其可能的代谢物组成及分子结构、对土壤微生物和酶活的影响，并系统深入的认识手性杀虫剂哌虫啶在水体和土壤中的选择性环境行为和生物降解机制。本项目迄今已发表研究论文14篇，其中在农业与环境科学领域等国际期刊上发表了13篇高质量的SCI论文，另有1篇SCI论文已经录用，还有1篇正在撰写投稿中。