自1991年第一种新烟碱类杀虫剂（pNNI）吡虫啉（IMI）上市以来，由于其高选择性及系统性特性，pNNIs迅速在全球范围内普及，特别适用于种子包衣[1]，[2]。目前，pNNIs占全球杀虫剂市场的约25%，并在120多个国家获得使用许可[3]，[4]。pNNIs通过与昆虫中的烟碱型乙酰胆碱受体结合，干扰神经传导，导致持续过度刺激，最终导致昆虫死亡[5]。由于这种选择性作用机制，与传统杀虫剂（如有机磷、氨基甲酸酯和有机氯）相比，pNNIs对脊椎动物的急性毒性较低[6]，[7]。然而，它们对非目标生物（尤其是传粉者）具有高毒性，可能严重损害其健康和种群[1]，因此对pNNIs的监管限制日益严格。2018年，欧盟禁止了三种硝基胍类pNNIs（吡虫啉、噻虫嗪[CLO]和噻虫胺[THIA]的户外使用[8]。由于只有大约2% - 20%的种子包衣pNNIs能被植物吸收，平均吸收率为5%[1]，[9]，超过90%的施用量留在土壤中[10]，使土壤成为主要的环境储存库。pNNIs在土壤中的半衰期较长（6.7 - 1230天）[11]，从而增强了其持久性和积累性。这种持久性可能通过直接影响土壤生物、促进其进入水生环境以及被作物吸收等方式，对动物和人类健康造成长期风险[12]，[15]。此外，不同pNNI化合物的混合暴露可能产生协同效应，进一步增加对非目标生物的伤害[18]，[19]。因此，阐明pNNIs的环境污染模式并评估相关风险对于生态和公共卫生保护至关重要。
pNNIs进入土壤后会发生生物降解或化学转化[11]，生成分子量较小的代谢产物（TPNNIs），这些代谢产物通常具有更高的环境持久性、生物累积潜力和毒性[20]，[21]。许多研究表明，多种土壤细菌和真菌可通过硝酸盐还原、氰基和氨基水解以及脱氯反应降解pNNIs[22]，[23]。例如，土壤细菌Stenotrophomonas maltophilia CGMCC 1.1788的休眠细胞能有效将吡虫啉转化为5-羟基吡虫啉（5-OH-IMI），在酸性条件下可进一步转化为吡虫啉烯烃，其对马豆蚜虫成虫的毒性是吡虫啉的19倍[24]。此外，土壤中的pNNIs可通过多种化学途径降解，包括光解、氰基和氨基水解、硝酸盐还原及脱氯，其中氰基和氨基水解是主要的降解途径[25]，[26]。结构修饰（如硝基通过羟基化转化为尿素衍生物）可产生毒性增强的TPNNIs[21]。重要的是，本研究中的一些TPNNIs（如脱硝吡虫啉[DN-IMI]、吡虫啉烯烃和CLO-UREA）的毒性高于其对应的原始化合物[7]，[27]。例如，DN-IMI（吡虫啉的脱硝产物）对小鼠的半数抑制浓度（IC50）为15 nM，而吡虫啉在鼠脑膜中与[³H]尼古丁结合的半数抑制浓度为806 nM[7]。这些化合物可能以更高的亲和力与哺乳动物的烟碱型乙酰胆碱受体相互作用，或靶向不同的生物受体，导致更复杂和化合物特异性的毒性模式[28]。因此，评估环境中TPNNIs的存在情况对于全面了解pNNIs污染及其相关风险至关重要。
长期和大规模的应用导致pNNIs在全球范围内广泛存在于土壤中，包括欧洲[29]，[30]，[31]，亚洲[32]，[33]，[34]，北美洲[35]，[36]，[37]，南美洲[38]，[39]和中美洲[40]。由于pNNIs不仅用于农业害虫控制，还用于城市绿化、家庭害虫管理和畜牧业生产，因此在各种土地利用类型的土壤中都能检测到它们的存在[33]，[41]，包括农田[31]，[40]，森林[42]，[43]，城市绿地[44]，[45]和居民区[41]，浓度通常在ng/g - µg/g范围内[46]。尽管TPNNIs常与pNNIs同时存在于环境中[47]，[48]，但由于分析限制[43]，[49]，关于其环境污染模式的研究仍有限。一项全国性研究表明，中国391个农业土壤样本中有95.7%含有TPNNIs，平均浓度为1.78 ng/g[50]，表明它们在农业土壤中普遍存在。土壤中pNNIs的残留量受多种因素影响，包括土地利用类型、土壤理化性质和气象条件[33]，[46]。这些因素可能影响pNNIs的输入、降解和迁移性，最终决定其在土壤中的残留量[51]。TPNNIs的理化性质与其原始化合物相似，如相对较高的水溶性、较低的吸附能力和较低的挥发性，尽管这些性质在不同化合物间可能存在差异[49]，[50]。因此，TPNNIs的环境行为在某种程度上与其原始化合物相似。此外，TPNNIs的残留量受原始化合物浓度的影响[50]，[52]，进一步复杂化了其环境命运。因此，同时研究pNNIs和TPNNIs对于阐明原始化合物转化和环境因素对土壤中TPNNIs残留量的影响至关重要。
与国际上对pNNIs使用的限制不断增加相反，中国的pNNIs使用量持续上升，2020年的使用量约为2014年的两倍[53]，这凸显了亟需明确其环境污染状况并加强中国的监管管理。以农业为主的流域由于高害虫控制需求，经常出现严重的土壤农药污染[54]，[55]。位于中国中部的沙堰河流域是粮食、棉花和油料作物的主要生产区[50]，耕种面积约占流域总面积的70%[56]。该流域是一个高度集约化的小麦种植系统，农药使用量远高于省级和全国平均水平[57]，[58]，[59]，pNNIs被大量且反复使用[60]。高农业投入强度、长期使用pNNIs以及低作物吸收效率（< 20%）共同导致了pNNIs和TPNNIs的积累和共存[1]。因此，该流域是一个具有代表性的农业环境，有助于研究pNNIs的命运、转化途径和潜在风险放大过程，而这些在更广泛的中国或区域土壤调查中难以研究。春季种植期是管理越冬作物的关键阶段，此时温度升高导致田间害虫数量增加，特别是小麦蚜虫[61]，因此是害虫控制的关键时期[62]。本研究调查了沙堰河流域春季种植期的表层土壤中的pNNIs和TPNNIs。主要目标是：（1）评估农业主导流域中pNNIs和TPNNIs的残留量和污染模式；（2）确定影响它们在土壤中残留量的关键因素；（3）阐明pNNIs对土壤中TPNNIs残留量的影响。研究结果将为pNNIs和TPNNIs的土壤管理提供重要数据，并有助于减轻流域范围内的农业非点源污染。
