土壤中乙草胺的超聲提取方法及化學強化脫氯性能研究

陳經(jīng)濤，李克斌，魏 紅，李顯越，王曉蘭，王建軍

（1.陜西教育學院化學與化工系，陜西 西安 710061；2.西北大學化學與材料科學學院，陜西 西安 710069；3.西安理工大學市政與環(huán)境工程系，陜西 西安 710048）

農(nóng)藥作為一類廣泛使用的特殊化學物質(zhì)，在防治病蟲害、滅除雜草、延長糧食儲存時間等方面表現(xiàn)出良好效果，在作物的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面發(fā)揮了巨大的效益。但農(nóng)藥的大量使用，造成了環(huán)境的污染，并產(chǎn)生了嚴重的后果，對人類及其賴以生存的環(huán)境造成了巨大的威脅[1]。研究農(nóng)藥在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化不僅是新農(nóng)藥開發(fā)的需要，也是開展污染環(huán)境修復，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的要求。

酰胺類除草劑是目前應(yīng)用廣泛的芽前除草劑，在近代農(nóng)田化學除草劑中占有重要地位。其除草效果好、殺草譜較廣、使用方便，主要被用于大豆、谷物及其他幾種闊葉草的優(yōu)先控制[2]。在氯代乙酰胺類除草劑中，乙草胺作為玉米、大豆、棉花和果樹的除草劑，在我國的年使用量已經(jīng)超過10 000 t（原藥）。

乙草胺含氯原子，具有“三致效應(yīng)”（致癌、致畸、致突變）或可疑的“三致效應(yīng)”[3]，已被美國環(huán)境保護局定為B-2類致癌物[4]。乙草胺不易揮發(fā)，對光穩(wěn)定，從文獻查得乙草胺在土壤中的半衰期為1～3個月，可見乙草胺能夠在土壤中長時間存在[5]，并有可能通過滲漏進入地下水系統(tǒng)。因此建立一種快速有效的脫氯方法是十分必要的。

含氯有機物的脫氯降解在國內(nèi)外報道均較多，目前已報道的化學脫氯方法有FeS脫氯[6]，納米鐵脫氯[7]，硫脲脫氯[8]，亞硫酸鹽脫氯[9]等。用硫代硫酸鹽脫氯的報道尚屬少見，本文以硫代硫酸鈉做脫氯原料，調(diào)節(jié)含水量至15%，對乙草胺進行脫氯降解研究。

土壤對農(nóng)藥有吸附作用，土壤中農(nóng)藥殘留檢測的首要任務(wù)是樣品前處理，包括提取、富集和凈化等過程，發(fā)展簡單快速的提取和凈化方法對分析環(huán)境中的復雜樣品非常重要。對于土壤中農(nóng)藥的提取和凈化方法已有大量的報道，傳統(tǒng)的索氏提取具有良好的提取效率，但是具有耗時、需要大量的溶劑、不利于大批量處理等不足，且長時間的索氏提取還會造成某些有機污染物的分解，從而影響分析結(jié)果的準確性；超臨界流體提取具有較高的提取效率，但是儀器花費較高；微波提取能夠在30 min內(nèi)完成樣品的提取，但是需要嚴格控制提取的時間和壓力；加速溶劑提取技術(shù)測定結(jié)果準確，但是一次性設(shè)備投資較大。所以，在日常的分析中，這些提取技術(shù)并未得到普遍應(yīng)用。超聲波提取技術(shù)可以有效地提取土壤中的農(nóng)藥，且提取時間短、效率高、花費較低，故此技術(shù)大量應(yīng)用于環(huán)境樣品的提取[5]。本研究即利用此技術(shù)建立了土壤中乙草胺的提取及定量分析的方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

供試儀器：Waters高效液相色譜儀；色譜柱Inertsil ODS-3，4.6 mm×150 mm，5 μm；色譜柱 μ-ΜBondapakC18，3.9 mm×300 mm，5 μm；RE52CS-2旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；SHB-3循環(huán)多用真空泵；KQ3200E型超聲波清洗器；SHZ-82HE恒溫振蕩器。

供試藥劑：甲醇（色譜純）、丙酮（分析純）、二氯甲烷（分析純）、硫代硫酸鈉（分析純）、無水硫酸鈉（分析純）、乙草胺農(nóng)藥原藥（95%）。

1.2 儲備液配制

1.2.1 乙草胺儲備液的配制 稱取1.315 8 g乙草胺農(nóng)藥原藥（95%）于50 mL容量瓶中，用色譜級甲醇定容,乙草胺濃度為25.00 g/L，0℃下保存。

1.2.2 硫代硫酸鈉儲備液配制 稱取2.928 2 g硫代硫酸鈉于小燒杯中，蒸餾水溶解后轉(zhuǎn)移至容量瓶中，定容，硫代硫酸鈉濃度29.3 g/L。

1.3 土壤樣品的采集與制備

土壤采自陜西歧山，5 a以上未耕種的荒地，取其深度約為15 cm的耕層土壤。將采集到的土壤倒在盤中，在半干狀態(tài)下把土塊壓碎，除去植物殘根等雜物，鋪成薄層并經(jīng)常翻動，在陰涼處風干，風干后的土壤用木棒碾碎后過10目的篩子（粒徑<2 mm），除去2 mm以上的沙礫和植物殘本，將篩分后的土壤裝瓶備用。

1.4 分析方法的建立

1.4.1 色譜條件的建立 （1）最大吸收波長的選取。取適量的乙草胺溶于蒸餾水中，濃度約為10 mg/L，在紫外光譜儀上從200～400 nm掃描(結(jié)果見圖1)，選取最大吸收波長。（2）流動相組成及色譜選擇。在選定柱型基礎(chǔ)上通過改變流動相甲醇/水比例，測定乙草胺的保留時間，測定乙草胺與其它干擾成分的分離情況（結(jié)果見表1，圖2～4）。改變色譜柱重復上面過程。

1.4.2 土壤的培養(yǎng) 用細篩篩分土樣，微量注射器吸取200μL儲備液于一干凈燒杯中，用10 mL丙酮稀釋，取出篩分出的10 g土，混合均勻后，于通風櫥中過夜，使丙酮揮發(fā)至干，再稱取90 g土樣將其稀釋，攪拌均勻后，用保鮮膜封好燒杯口，放入陰暗處，備用。

1.4.3 農(nóng)藥提取效率比較實驗 分別稱取 5 g培養(yǎng)土壤于3個三角瓶中，并分別加入25、25、25 mL丙酮溶劑，比例分別為丙酮/水（V/V）=90/10、80/20、75/25，搖床振搖 1 h，超聲波超聲 15 min，過濾，收集濾液。再重復2次。收集到的濾液轉(zhuǎn)移到一個250 mL的分液漏斗中，加入40 mL 5%的氯化鈉水溶液，25、15、15 mL二氯甲烷，振搖提取3次。合并提取液過無水硫酸鈉小柱，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上減壓濃縮到快干，再用氮氣吹干，用甲醇定容至10 mL待測。每個試樣做兩個平行樣品。

1.5 土壤中乙草胺的硫代硫酸鈉脫氯降解

取3個干凈燒杯分別稱取10 g土于烘箱中，105℃下干燥5 h，取出后冷卻到室溫，衡重，計算土壤含水量，再分別加入1.5 mL乙草胺儲備液和10 mL丙酮，混合均勻后，于通風櫥內(nèi)過夜，揮發(fā)干丙酮，往每個燒杯中加土，使干土量達到150 g，攪拌均勻，把燒杯放在天平上，分加0、1.5、3.0 mL硫代硫酸鈉儲備液，再加一定量的水調(diào)節(jié)水含量至15%（Wt%，干重），再次攪拌均勻后，用保鮮膜封好燒杯口，放入25℃陰暗處。未加硫代硫酸鈉的土樣每隔2d取1次樣，加硫代硫酸鈉的土樣取樣時間為13.5、23、45、90、136 h。取樣后，在三角瓶中加入 25 mL 丙酮溶劑，丙酮/水（V/V）=80/20，搖床振蕩 1 h，超聲波超聲15 min，過濾，收集濾液。重復上述過程2次，收集到的濾液轉(zhuǎn)移到一個250 mL的分液漏斗中，加入40 mL 5%的氯化鈉水溶液，25、15、15 mL二氯甲烷，振搖提取3次.合并提取液過無水硫酸鈉，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上減壓濃縮到快干，吹氮氣至干，用甲醇定容至10 mL，過0.45μm濾膜后直接進HPLC分析。每個試樣做兩個平行樣品。

2 結(jié)果與分析

2.1 選取最大吸收波長

如圖1所示，乙草胺紫外吸收在從短波向長波變化過程中急劇下降，考慮到許多溶劑如水、甲醇、乙腈在210 nm處有吸收，選取225 nm作檢測波長。

圖1 乙草胺紫外吸收光譜

2.2 不同柱型和流動相組成的選擇

不同柱型和流動相的組成下，乙草胺保留時間見表1。

由表 1可見，μ-ΜBondapakC18和 Inertsil ODS-3柱對乙草胺都能較好分離，出峰時間也相當，不過Inertsil ODS-3柱長較短，在相同流動相和流速下其柱前壓較低，所以選用Inertsil ODS-3，反相C18柱留待進一步實驗。甲醇/水不同比例作流動相，乙草胺原藥分離見圖2～4，可以看出流動相比例為甲醇/水(V/V)=70/30時，可得到較好的分離效果。

表1 不同柱型和流動相組成時乙草胺保留時間

2.3 不同溶劑配比例取效率的比較

從圖5中可以看出，丙酮和水3個不同配比的溶劑中，以丙酮/水（V/V）=80/20作為提取溶劑時，提取效率最大，丙酮/水（V/V）=90/10、80/20、75/25時添加回收率分別為76.8%、101.9%、68.1%。

2.4 Na2S2O3對乙草胺的化學降解

圖2 流動相比例甲醇/水=65/35時乙草胺原藥HPLC圖

圖3 流動相比例甲醇/水=70/30時乙草胺HPLC圖

圖4 流動相比例甲醇/水=75/25時乙草胺原藥HPLC圖

圖5 不同提取溶劑比例提取效率柱形圖

2.4.1 Na2S2O3降解乙草胺的HPLC譜圖分析 含水量為15%（干重）、乙草胺濃度為 5.253 mmol/L的土壤在添加184.5 mmol/L的Na2S2O3后，在降解13.5、23、45 h 時，土壤提取液的 HPLC 圖見圖6～8。

圖6 降解13.5 h時提取液的HPLC圖

圖7 降解23 h時提取液的HPLC圖

圖8 降解45 h時提取液的HPLC圖

由圖可見，添加Na2S2O3后，土壤中的乙草胺隨培養(yǎng)時間增加峰面積減?。╰=9.6±0.1 min）；同時，土壤提取液中出現(xiàn)新物質(zhì)，其保留時間t約為2.1±0.1min，該峰面積隨培養(yǎng)時間增大，隨乙草胺峰面積減小而增大。這些結(jié)果表明，土壤中的乙草胺和Na2S2O3發(fā)生反應(yīng)生成新物質(zhì)。乙草胺降解過程中，乙草胺的濃度和色譜峰面積變化見2.4.3中的表2。

水土體系中乙草胺濃度，公式（1）。

2.4.2 Na2S2O3對土壤中乙草胺的降解模型 zheng等[8]研究認為水溶液中酰胺類農(nóng)藥的硫代硫酸鹽脫氯過程為SN2反應(yīng)。水土體系中，乙草胺會在土壤上發(fā)生吸附，土壤中乙草胺消失過程可用圖9示意。假設(shè)只有水相乙草胺能與硫代硫酸鹽反應(yīng)，且按SN2機理進行，可得如下結(jié)論：吸附的乙草胺不能被硫代硫酸鹽降解；土壤不吸附硫代硫酸根，它只存在于土壤水相中；乙草胺的蒸發(fā)消失可忽略不計（飽和蒸汽壓=30×10-3Pa，25℃）；生物降解速率很小可忽略不計（對照實驗支持該假設(shè)）。據(jù)此，我們建立土壤中乙草胺的硫代硫酸鹽脫氯動力學模型如下。

水土體系中乙草胺濃度，公式（1）。

水相中Na2S2O3和乙草胺SN2反應(yīng)，公式（2）。

表2 土壤中有、無Na2S2O3時乙草胺降解過程中濃度（色譜峰面積）變化情況

土壤相中Na2S2O3和乙草胺SN2反應(yīng)，公式（3）。

由（1），（2），（3）式得公式（4）、公式（5）。

圖9 土壤中乙草胺消失過程

2.4.3 Na2S2O3對乙草胺的降解 在Na2S2O3對乙草胺的降解過程中，乙草胺的濃度和色譜峰面積變化結(jié)果見表2，表中同時給出無Na2S2O3，其它條件均相同時的對照實驗結(jié)果。

以乙草胺色譜峰面積對時間作圖，如圖10。從圖10可以看出，在未加硫代硫酸鈉的情況下，乙草胺幾乎不發(fā)生降解，當加入的硫代硫酸鈉的物質(zhì)的量是乙草胺的物質(zhì)的量的2倍時，乙草胺開始降解，并隨著反應(yīng)時間的推移，降解速度越來越慢；當加入硫代硫酸鈉的物質(zhì)的量是乙草胺的物質(zhì)的量的4倍時，乙草胺的降解速度明顯加快。同時，隨著時間的推移，反應(yīng)也變得緩慢。

圖10 硫代硫酸鈉對乙草胺的降解動力學。土壤含水量15%（Wt%），溫度25℃

圖11 硫代硫酸鈉對乙草胺的降解動力學過程

由圖11可見，硫代硫酸鈉和乙草胺的反應(yīng)在硫代硫酸鈉濃度遠大于乙草胺濃度時，能夠很好地符合準一級反應(yīng)動力學。在硫代硫酸鈉用量分別為乙草胺的2和4倍時，乙草胺的半衰期分別約為12和6.5 d，而乙草胺在天然土壤降解半衰文獻值為1～3個月，可見硫代硫酸鈉的確能加快土壤中的乙草胺脫氯去毒過程。

3 小結(jié)

3.1 建立了土壤中乙草胺的HPLC分析條件

Inertsil ODS-3，4.6 mm×150 mm，5 μm 反相C18柱，流動相為甲醇/水（V/V）=70/30，UV 檢測器，檢測波長為225 nm，流動相流速為1mL/min

3.2 建立了土壤中乙草胺的定量提取條件和方法

提取溶劑為丙酮/水（V/V）=80/20，提取過程為搖床搖振、超聲提取、過濾、二氯甲烷萃取、旋蒸濃縮、吹干、定容、過0.45μm膜、進HPLC。

3.3 建立了乙草胺脫氯過程動力學模型

初步研究了硫代硫酸鈉對土壤中乙草胺的化學脫氯過程，建立了多相體系中乙草胺脫氯過程動力學模型；測定了硫代硫酸鈉對乙草胺的脫氯轉(zhuǎn)化過程動力學常數(shù)和半衰期。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在硫代硫酸鈉用量遠大于乙草胺時，乙草胺的化學脫氯降解反應(yīng)很好的符合準一級反應(yīng)動力學。

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