农药使用和降解策略：食品安全、挑战和前景

随着世界人口的增长，农业工业化和畜牧业生产的扩大以满足日益增长的粮食需求，为食品安全带来了机遇和挑战。这些挑战赋予食品制造商和加工商更多的责任，以确保食品安全，在食品到达消费者之前防止食品污染。全球农业的不断发展加强了农药的应用，以减少农作物产量损失，提高生产力和产品质量。目前，全世界每年向农作物施用约 200 万吨农药，以提高生产力并减少病虫害造成的损失。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，美国是2020年最大的农药使用国，而世界上接下来的10个最大农药使用国是巴西、中国、阿根廷、俄罗斯联邦、加拿大、法国、澳大利亚、印度和意大利。在2022年更新中，联合国粮农组织报告称，中国农药使用总量大幅下降，中国农药使用量跃居全球第三位。然而，尽管近年来已达到稳定水平，但与 20 世纪 90 年代相比，农药使用总量仍增加了约 50% 。各地区农药使用量及全球农药使用量前五名如图1所示。

图 1. 按地区划分的农药使用情况以及2020 年农药使用量排名前五位的农药使用情况

21世纪最大的挑战之一是如何养活不断增长的人口，同时减少农药、化肥和淡水的不断使用对环境和人类健康造成的不利影响。欧洲绿色协议及其从农场到餐桌战略提出了建立可持续农业的目标，考虑自然保护，以确保公平、健康和环境友好的食品系统。根据“从农场到餐桌战略”，欧盟委员会计划采取行动，到 2030 年将化学农药的使用和风险减少 50%，包括使用更危险的农药。为了实现这一目标，欧盟委员会将修订 SUD 并推广 IPM 等替代做法，以保护收成免受病虫害侵害。 对此，应给予农民大力支持，加快向可持续农业转型。此外，“从农场到餐桌战略”鼓励有机农业，计划到 2030 年将至少 25% 的欧盟农业用地纳入有机农业管理。然而，为了实现拟议的目标，必须解决一些问题。正如所讨论的，必须对主要农业系统中发现的农药混合物进行风险评估，因为它们对土壤健康以及食品安全的影响仍然未知。此外，必须解决被禁用后仍可在环境中持续存在数十年的遗留农药问题。由于当前的欧盟政策没有解决这些问题，因此迫切需要改进策略，包括测试农药混合物对土壤健康影响的创新方法以及针对环境中遗留农药的定位和修复。应优先考虑土壤修复以及建立丰富的地上植物系统，以减轻当前和遗留农药对土壤的影响。因此，除了减少农药的使用外，为了确保食品安全，还需要采用新的方法来检测农药残留，评估多种残留物联合暴露的真实风险，并将其降解为无毒产品，以保障消费者的健康。

考虑到农药筛选和检测，应优先考虑在绿色化学框架内开发的新程序。在这方面，人们提出了基于纳米系统的新型分析技术，用于准确、绿色和超灵敏地检测食品和环境中的农药残留。此外，新型、巧妙设计的纳米材料和先进的仪器应该有助于复杂食品基质中农药的检测，并使其更加灵敏、更具成本效益和更少的时间。

同样，农药降解策略应依赖高效、具有成本效益、环境友好的技术。纳米技术和先进材料的结合可以提供农药降解的创新方法。纳米材料可以通过增加表面积、催化活性和选择性来提高降解过程的效率。此外，利用植物不同部分（种子、果实、叶子和花）或微生物（细菌、藻类和真菌）生产的绿色纳米材料被认为具有生物相容性、可生物降解性、成本效益、生态友好性和环境修复效率。然而，在鉴定农药降解的代谢物或中间体方面存在严重的知识差距，在某些情况下，它们可能比母体化合物的毒性更大。因此，需要对农药降解产物及其毒性进行进一步的综合研究。

农药降解的另一个有希望的方向是使用各种生物信息学工具开发和实施先进、更有效的生物修复技术。通过 CRISPR-Cas、ZFN 和 TALEN 等基因编辑工具进行的基因组工程可以创造出功能改良的微生物，其复杂基因编码参与 OP 代谢的分解代谢酶。然而，将基因工程生物体释放到环境中需要得到各个监管机构的批准。因此，直接应用重组酶（通常称为源自工程微生物的非复制性无细胞催化系统）可用于环境修复（图 2）。

图 2. 适用于有机磷农药的生物和非生物降解策略

新的后基因组研究技术，称为 OMICs 方法，可以提供研究微生物与农药相互作用的工具，并构建基于酶的机制，用于不同环境条件下的生物修复。OMIC 中的生物信息学和计算工具包括宏基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等技术，以及对其相互作用途径的研究，称为相互作用组学。这些技术的整合创建了一种多组学方法，可以全面了解与生物降解相关的过程。在这方面，据报道，CRISPR-Cas、ZFN和TALEN作为利用假单胞菌、大肠杆菌和无色杆菌的基因编辑工具。通过构建表达生物修复特定基因的向导RNA (gRNA)，可用于毒死蜱、甲基对硫磷、甲萘威、三苯基锡和三唑磷的修复。此外，分子对接、分子建模和模拟分析等计算分析可以有效地确定降解代谢物的命运、OPs降解酶的结构和功能表征及其结合特性。还提出开发具有特定功能物种的人工微生物组以促进生物修复过程。有人担心，如果没有创新，例如新基因组技术（NGT）、鼓励基因编辑研究以及修订欧盟现行有关转基因生物（GMO）的立法，“从农场到餐桌”战略提出的目标将难以实现。有必要在这一领域进行更多研究，并对大规模研究中提到的技术进行更深入的实际实施。

关于在食品加工中使用生物修复技术，事实证明，由于细菌微生物区系的活性，一些发酵食品可以消除农药的毒性。食品中存在或添加的乳酸菌可以代谢多种有机磷，将其用作碳和能量的来源。通过天然微生物群或添加到食品中的益生菌菌株进行发酵是一种有前途的农药解毒方法。然而，由于降解的确切代谢途径仍不清楚，因此有必要进行进一步的研究。

为了确保可持续农业的发展，有人建议采用不同的人工智能（AI）方法，例如深度学习（DL）、机器学习（ML）、农业机器人和机器人技术来解决农业中普遍存在的问题并提高生产力。使用机器人技术可以提高产量并节省重复性任务的时间。据估计，如果农民使用低成本农业机器人进行喷洒，可以减少80%的农药使用量。应用神经网络、深度学习和机器学习技术可以早期及时识别病虫害、监测土壤水分和氮含量、通知节水灌溉、检测除草剂使用情况、检测食物损坏等。需要进一步探索所提出的方法，以建立能够实现智慧农业可持续发展的人工智能框架。

总而言之，为了发展可持续的农业和粮食系统，应该考虑粮食生产的整个环境。除了采取适当的农业管理措施外，有必要改进并在全球范围内协调食品安全和食品质量领域的方法，以保护人类健康。应采用覆盖整个食品生产链的整体方法来控制食品污染物。此外，从农场到餐桌的食品生产系统受到气候变化、人口和经济等多种因素的影响，这可能会产生新的食品安全风险并影响人类健康。科学家、政策制定者、监管机构、行业利益相关者和农民之间的合作对于缩小欧盟战略目标与实际实施之间的差距至关重要。需要采用创新技术、促进可持续实践并促进全球范围内的知识交流，以建立可持续农业并确保不让任何人落后的公平和可持续粮食系统。

https://doi.org/10.3390/foods12142709