NO.4_有機磷類農藥氧化後毒性變化研究(探討使用強氧化劑溴的必要性)

大家好~我是小野人~

台灣屬於海島型國家,四面環海,在這樣孤立的環境下從事研發工作確實一不小心就會變成上述故事中的野人,所以小野人所屬的我們公司從一開始投入食品安全快速檢驗技術的研發就積極與其他國家研究單位進行交流,避免讓小野人也淪為野人獻曝故事中的主人公。

今天小野人要分享的有機磷類農藥氧化後毒性變化的研究,小野人聽說有部分農藥殘毒檢驗技術使用強氧化物質溴素或溴水來氧化有機磷類農藥,期望藉著氧化有機磷類農藥來增加其毒性,然後增加檢出該類農藥的機率。但其實小野人在國際上幾乎沒有見到這樣應用的狀況,小野人想說或許這是一個很好的主意,所以小野人就花了時間對有機磷類農藥氧化後毒性變化進行了初步研究,就有容我來個野人獻曝,跟國人一起分享這項研究成果,避免因為錯誤或封閉的資訊而造成我們大家一起變成故事中的主人公。

 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

有機磷類農藥氧化後毒性變化研究

小野人查遍海內外研究報告及文獻並進行多項比對實驗後,終於找出藉著氧化有機磷類農藥來增加其毒性,然後增加檢出少數品項農藥的機率或美化抑制率線性表現的機制,但同時也發現這樣做確實會使農藥快速檢驗技術操作者暴露在高危險的檢驗環境之下。再加上不添加強氧化劑溴素或溴水時,以目前世界各國採用乙醯膽鹼酯酶抑制率設計的農藥殘毒快速檢驗技術皆可以有效率偵測有機磷及氨基甲酸鹽類農藥殺蟲劑的同時,為了美化抑制率線性,進而添加強氧化劑溴素或溴水來增毒強化少數幾種其實不添加強氧化劑也屬於乙醯膽鹼酯酶抑制物的有機磷農藥,值得商榷。

小野人會這樣判斷主要是採用乙醯膽鹼酯酶抑制率設計的農藥殘留快速檢驗技術並無法對單品項農藥進行定性測試,在無法對待測物質進行定性狀態下,定量測試便顯得非常困難。不過也因乙醯膽鹼酯酶無法對待測樣本的殘留農藥品項進行單獨定性辨識的特性,反而讓這項檢驗技術十分適合用於待測樣本農藥殘留總毒性之測試,因為乙醯膽鹼酯酶抑制率就好比一個人類活體的農藥耐受程度,當總毒抑制率超過一定數值,人體就會發生急性中毒現象。所以當發現總毒性抑制率達一定數值時,即表示樣本中含有大量乙醯膽鹼酯酶抑制物,也就意味著該樣本不可以食用機率很大,這樣的技術可以有效率的作為農產品是否含有高量有機磷或胺基甲酸鹽農藥的第一道檢驗防線,至於抑制率過高之樣本中含有甚麼品項農藥和多少殘留濃度,則應交由政府法定之多重分析方法進行複驗確認。

綜上所述,我們可以理解到採用乙醯膽鹼酯酶抑制率設計的農藥殘留快速檢驗技術在沒有加強氧化劑狀況下,本來也就可以用來檢測有機磷及氨基甲酸鹽類農藥,而添加強氧化劑後可以加強辨識某幾個品項的有機磷農藥,但卻無法有效反証沒有添加強氧化劑時的檢測結果就一定沒有其他不受強氧化劑作用的有機磷農藥存在其中,這意味著這個利用強氧化劑強化待測物質毒性的附加實驗,很可能做了之後也不太能證明任何事情。那麼像這樣一個效果不明確,實驗變數多,必須使用的強氧化劑溴具揮發毒性,反應後的產物更可能是強急毒性物質的實驗設計,對於操作者多半為未經嚴格訓練且實驗防護設備業也不足的一般人的快速檢驗技術,是否還有這樣設計的必要,確實尷尬。

這次的研究也讓小野人想起求學的時候,研究所教授講述的一個科學史上真實事件,就是法國著名物理學家布隆德洛(R.Blondlot)宣稱發現了其實是不存在的N射線,他設計了一系列的實驗證明N射線確實存在,但最終被美國光學家伍德(R.W. Wood)以近乎搗蛋的方式在實際拜訪過布隆德洛並體驗其實驗後,證實了N射線並不存在事實,然而就算如此真實的證據擺在眼前,布隆德洛仍堅信這些失敗的實驗設計能真實的證明N射線存在,而類似奇怪的科學事件,也讓後來的諾貝爾化學獎得主美國化學家歐文朗繆爾(Irving Langmuir)在1953年發明了【病態科學】一詞,專指某些科學家一廂情願地研究一種不存在的自然現象,由於過分強烈的主觀願望而相信了虛假的結果。其實科學研究確實必須很客觀的看待實驗結果,不應有過多的主觀期待,對無法明確證明的事實,應該抱持保留態度。因此,小野人已經將研究結果跟Boss報告,並建議維持現行實驗步驟,繼續採用酶常溫活性較為穩定的酵素試劑,搭配較有效率的萃取方法,讓檢驗操作者可以有效率且安全的進行農藥殘留快速檢測技術。而目前添加強氧化劑溴在氧化少部分可以因此增毒的硫代有機磷類農藥的同時,卻破壞其他無此反應的有機磷類農藥或胺基甲酸鹽農藥結構,影響總毒性檢測的準確度,在這樣的不佳的檢測效益及其安全性有更進一步的進展前,小野人也建議暫時不把添加強氧化劑作為小野人公司農藥快速檢驗技術的主要實驗或附加實驗選項。

 

研究摘要

一、有機磷類農藥(殺蟲劑)在生物內之代謝機制

有機磷類農藥在生物內的代謝與細胞色素P450 (Cytochrome P450)有關,經代謝的有機磷農藥若屬於單硫或雙硫這類含有硫原子的硫代有機磷類農藥,其中的硫原子會被氧原子取代,而由-thio形成-oxon的代謝物,即由Phosphorthioate(硫代有機磷)代謝成為 Phosphate(有機磷),此代謝物往往是另一類型毒性更為強大的有機磷農藥,毒性有時直逼神經毒劑沙林。此生物活化作用(Bioactivation)可由圖一有機磷類農藥巴拉松(Parathion/對硫磷)轉換成具有70%沙林毒性的巴拉奧克松(Paraoxon/對氧磷)加以說明。而Paraoxon在生物體內形成後,通常能再進一步的被水解為無毒性的代謝物,可是在水解代謝前,生物體多半已經因為巴拉奧克松(Paraoxon/對氧磷)的強毒性而中毒。

但不同生物對有機磷類農藥的活化作用與第二階段的代謝皆不盡相同,這些差異使有些有機磷對特定的昆蟲(或人類與其他動物)的毒性具有選擇性。這部分可由圖二理解有機磷類農藥馬拉松(Malathion/馬拉硫磷)對哺乳類動物之毒性較弱但對昆蟲毒性較強的原因。馬拉松在哺乳類動物體內可被迅速水解為無毒的去乙基馬拉松代謝物,雖然此代謝物能被去硫化而形成較毒的馬拉奧克松(Malaoxon/馬拉氧磷),但其速率較為緩慢;相對於哺乳類動物,昆蟲則較快速的形成Malaoxon,而其去毒化的水解過程則十分緩慢,形成馬拉松對昆蟲毒性較強。

承上我們可以理解部分檢驗業者在設計農藥殘留快速檢驗技術時會設計添加強氧化劑的附加實驗之緣故,也應該就是該公司研究人員透過氧化作用把待測物質毒性強化後,發現確實會提高一些品項有機磷類農藥的檢出極限值或是可以美化該品項抑制率的線性表現,基於此而設計了添加強氧化劑的附加實驗。不過較為尷尬的是有機磷類農藥細分為無硫、單硫及雙硫三大類,姑且不論硫代磷酸酯類的農藥氧化後是否便會增加毒性,無硫這一類的有機磷劑就是一個巨大的變數,有些還會因為氧化作用結構產生變異而減低毒性。因此,可以理解到並非全部有機磷類農藥都會在氧化後增強毒性,而此附加實驗必須使用的強氧化劑溴具揮發毒性,反應後的產物更可能是強急毒性物質,加上這些毒性化學物質又常具有累積毒性,縱使微量,但採用農藥快速檢驗技術的單位往往必須頻繁進行檢驗作業,有毒物質經年累月的在檢驗操作人員體內不斷累積,恐怕也是一個影響健康的危害因素,所以小野人認為這樣的實驗設計在無法證實可以有效率的提升辨識率的狀態下,是否真的有存在的必要,確實就莫衷一是了。

 

二、坊間檢驗儀販售業者對於使用溴水的錯誤觀念導正

某些使用溴水進行輔助試驗的檢測研發單位或販售業者在操作手冊或在其官網具體說明了下列幾項並非正確的觀點,小野人在此協助其進行更正說明,避免ㄧ般民眾吸收了錯誤的觀念,造成對農殘快檢技術的誤解。(毒理學機制請參考:NO.0_採用乙醯膽鹼酯酶(AChE)抑制率設計的農藥殘留快速檢驗技術概述)

1、某單位及其技術授權公司說明因為胺基甲酸鹽類農藥加保扶具有(P=0),所以不用添加溴水就可以抑制乙醯膽鹼酯酶(AChE)。但實際上胺基甲酸鹽類農藥加保扶之分子式為C12H15NO3,結構式如圖三所示,其並不具有該公司所敘述(P=0)之結構,因為加保扶根本不含磷(P)。而加保扶可以抑制乙醯膽鹼酯酶(AChE)的原因很單純,因為它屬於胺基甲酸鹽類農藥,而胺基甲酸鹽就是乙醯膽鹼酯酶(AChE)的抑制物。至於無須添加溴或溴水主要是因為胺基甲酸鹽類農藥多半不受氧化作用影響,且部分品項不僅毒性不因氧化作用而增強,反而其結構可能會被強氧化物破壞減毒而影響檢驗。

2、某公司說明陶斯松(Chlorpyrifos/氯吡硫磷)因為結構是(P=S)無法直接抑制乙醯膽鹼酯酶(AChE),所以需要添加溴水轉換成(P=0),帶出原本的毒性才能抑制乙醯膽鹼酯酶(AChE)。但事實並非如此,因為陶斯松屬於硫代有機磷劑,本身就是乙醯膽鹼酯酶(AChE)抑制物,只是檢測極限和抑制率線性表現稍差,但其實還是有相當程度的乙醯膽鹼酯酶(AChE)抑制反應,對總毒性測試為主的農殘快速檢驗技術來說,這樣的抑制率表現還是足夠的。而添加溴或溴水主要目的是為了藉由氧化作用將陶斯松(Chlorpyrifos/氯吡硫磷)轉成氧化陶斯松(Chlorpyrifos-oxon/氯吡硫磷-氧),藉以提高急毒性來增強微量偵測極限和美化線性表現,也是就是類似上述巴拉松氧化的機制。但其實現地檢驗當場根本無法得知農作物農藥殘留之品項,而且發生殘留之案件大多也不會屬於微量殘留,更重要的是農殘快速檢驗主要目的是為了在第一時間阻卻農藥殘留總毒性較高之農產品流出市面,所以將抑制率低的農藥氧化增毒來提升抑制率,藉以提升微量檢測極限的做法在以總毒性偵測為主的農藥快速檢驗技術實務上之意義並不明確。

3、某公司說明美文松(Mevinphos/速滅磷)結構為(P=0),並表示雖然美文松是有機磷但又不具有機磷之特性,所以添加溴水後,其毒性反而因此降低了。並藉此來說明美文松在添加溴水後,不僅無法增毒來達到預期增加檢出的目標,反而毒性大幅減低,進而無法有效判斷是否殘留有機磷類農藥,這是因美文松自身不具有機磷劑的特性造成的結果,跟添加溴水無關。但這樣倒果為因的說法是不正確的,其實因為美文松不僅就是有機磷類農藥,還被我國農委會歸類屬於劇毒類有機磷農藥,所以美文松確實擁有道地的有機磷農藥特性。而美文松添加溴水後產生毒性衰減,其實正如小野人研究的結果顯示某些有機磷農藥在被強氧化劑氧化後,會因為氧化作用結構產生變異而減低毒性,這點也是小野人一直無法有效認同添加溴或溴水這樣一個會顧此失彼又有風險的附加實驗存在的原因之一。

其實從上述案例也可以看的一些檢驗技術研發單位或公司在不完全理解待測物質的特性下,就著手研發相關檢驗技術,接著研發出一些近乎不知所以然的技術,然後在自己以為是對的狀態下,就上市宣傳販售了,同時把未知的後果交給一般民眾承擔,小野人覺得這真的非常不妥適。不過小野人估計這應該就是諾貝爾化學獎得主歐文朗繆爾(Irving Langmuir)在1953年發明了【病態科學】一詞時的心境,他一來想提醒科學研究者要客觀務實的從事研究工作,以期研究出有利全人類的科學成果;二來也是提醒一般民眾面對一項科學研發成果的發表,一樣要客觀冷靜的判斷其可信度,不要盲目相信。