土壤環(huán)境條件對(duì)滅幼脲微膠囊殘留降解的影響1)

嚴(yán)俊鑫 遲德富 張 喆 宇 佳

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

農(nóng)藥的廣泛使用對(duì)農(nóng)作物的穩(wěn)定生產(chǎn)起到了重要作用，但同時(shí)也伴隨著環(huán)境污染和殘留等問題［1］，因此，農(nóng)藥性能的改良和新型農(nóng)藥的研發(fā)備受關(guān)注，農(nóng)藥微膠囊的研發(fā)成為農(nóng)藥領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［2-3］。農(nóng)藥微膠囊技術(shù)是將農(nóng)藥包埋在天然或合成的高分子成膜材料中，使農(nóng)藥與周圍環(huán)境隔離開來，起到保護(hù)和穩(wěn)定農(nóng)藥成分、控制農(nóng)藥釋放等目的，從而減少施藥頻率，因而，農(nóng)藥微膠囊的研究對(duì)于減少農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［4］。滅幼脲作為一種苯甲酰脲類殺蟲劑，使害蟲變態(tài)受阻，最終導(dǎo)致畸形或死亡，對(duì)鞘翅目、雙翅目、鱗翅目等多種害蟲防治效果顯著［5-7］。近年來，關(guān)于滅幼脲微膠囊的研究主要集中在緩釋微膠囊的制備和防效的研究上。田可等利用靜電吸附層層自組裝技術(shù)制備了滅幼脲微膠囊，研究了其模擬體外釋放行為，結(jié)果表明利用此法制備的滅幼脲微膠囊具備明顯的緩釋性能［8］。王翠蓮等研究結(jié)果表明滅幼脲3 號(hào)微膠囊與安高殺4 號(hào)(雜環(huán)類)微膠囊混合劑防治松褐天牛成蟲效果最佳，30 d 后的持續(xù)藥效達(dá)100%［9］。目前，有關(guān)滅幼脲微膠囊在土壤中降解動(dòng)態(tài)的研究尚未見報(bào)道。土壤是農(nóng)藥在環(huán)境中最大的“集散地”。大量研究表明，農(nóng)藥微膠囊在土壤中的降解動(dòng)態(tài)主要取決于農(nóng)藥本身的理化性質(zhì)以及土壤環(huán)境因素［10-13］。本試驗(yàn)以滅幼脲微膠囊為對(duì)象，研究其在不同土壤環(huán)境下的降解動(dòng)態(tài)，以期為滅幼脲微膠囊的性能研究和研發(fā)推廣提供理論依據(jù)，為滅幼脲類農(nóng)藥對(duì)土壤環(huán)境的影響研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 滅幼脲微膠囊的制備

藥品和試劑:滅幼脲(純度＞95%，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所);滅幼脲標(biāo)準(zhǔn)品(天津一方科技有限公司);殼聚糖(分析純，浙江金殼生物化學(xué)有限公司);海藻酸鈉(化學(xué)純，北京旭東化工廠);氯化鈣(分析純，天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠);甲醇(色譜純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司);丙酮(分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司);納米TiO2(純度＞99%，江蘇淮安逸振科技有限公司)。

重結(jié)晶和不同包埋層數(shù)滅幼脲微膠囊的制備:參照Ibanze J A［14］和張思宇［4］的方法，獲得組裝層數(shù)(1、3、5 個(gè)雙層)的滅幼脲微膠囊，按m(納米TiO2)∶m(滅幼脲微膠囊)=1 ∶100 混合，攪拌混合12 h 即得不同包埋層數(shù)的滅幼脲微膠囊。

供試土壤:采自哈爾濱松北皮家店大田。采集地塊近5 a 未施用過滅幼脲，pH 值=6.42，以土柱法采集表層(0 ～10 cm)土，隨機(jī)多點(diǎn)采樣，除去雜質(zhì)，過2 mm 篩，放于冰柜中-20 ℃冷藏，備用。

1.2 試驗(yàn)方法

土壤微生物對(duì)微膠囊降解的影響:稱取土壤樣品12 份(每份450 g)于具塞三角瓶中，置于恒溫箱中(25±1)℃預(yù)培養(yǎng)7 d 后，將樣品分成2 組，其中一組采用高壓濕熱法滅菌30 min［15］(121 ℃，1 MPa)，另一組不滅菌。加無菌水調(diào)節(jié)土壤含水量為其飽和含水量的(60±1)%。土樣中分別加入包埋0、1、3、5個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊溶液，使土樣中的滅幼脲質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.667 mg/kg，充分混勻，待溶劑揮發(fā)后，繼續(xù)培養(yǎng)，于施藥后第1、3、5、7、10、15、21 d 取樣，每個(gè)處理平行制備和測(cè)定3 份。

土壤含水率對(duì)微膠囊降解的影響:稱取土壤樣品12 份(每份225 g)于具塞三角瓶中，分別用蒸餾水調(diào)節(jié)土樣含水量為其飽和含水量的40%、60%、80%。于(25±1)℃下預(yù)培養(yǎng)7 d。土樣中分別加入包埋0、1、3、5 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊溶液，使土樣中的滅幼脲質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.667 mg/kg，充分混勻，待溶劑揮發(fā)后，繼續(xù)培養(yǎng)，于施藥后第1、3、5、7、10、15、21 d 取樣，每個(gè)處理平行制備和測(cè)定3 份。

土壤溫度對(duì)微膠囊降解的影響:稱取土壤樣品12 份(每份225 g)于具塞三角瓶中，用蒸餾水調(diào)節(jié)土樣含水量為其飽和含水量的(60±1)%。分別于(15±1)、(25±1)、(35±1)℃下預(yù)培養(yǎng)7 d。土樣中分別加入包埋0、1、3、5 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊溶液，使土樣中的滅幼脲質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.667 mg/kg，充分混勻，待溶劑揮發(fā)后，繼續(xù)培養(yǎng)，于施藥后的1、3、5、7、10、15、21 d 取樣，每個(gè)處理平行制備和測(cè)定3 份。

1.3 測(cè)定方法

土壤樣品前處理:稱取待測(cè)土壤樣品10 g，置入100 mL 離心管中，加50 mL 丙酮，超聲10 min，4 000 r/min 離心3 min 后將上清液倒入錐形瓶中，再向離心管中加入50 mL 丙酮，重復(fù)上述超聲離心的過程，將2 次離心后的上清液合并在一起，使上清液自然揮發(fā)濃縮至50 mL，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器減壓濃縮至近干，用甲醇定容至2 mL 待測(cè)。

儀器及分析條件:HP1000 高效液相色譜儀(美國安捷倫公司)，C18色譜柱(4. 6 mm×300 mm，4 μm)。分析條件:柱溫，室溫;流動(dòng)相，V(甲醇)∶V(水)=75 ∶25;流速1 mL/min;波長254 nm;進(jìn)樣量20 μL。在設(shè)定的條件下，滅幼脲含量回歸方程為y=22 221x+376.16，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.998 5。按照此方法，滅幼脲的回收率為91.35% ～95.24%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.26% ～4.22%，符合農(nóng)藥殘留分析要求。本方法最低檢出濃度為0.1 mg/kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物對(duì)滅幼脲微膠囊降解的影響

土壤微生物對(duì)包埋0、1、3、5 個(gè)雙層滅幼脲微膠囊降解影響見表1。包埋0、1、3、5 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊在未滅菌土樣中降解速率常數(shù)分別是滅菌土樣的7.62、7.90、8.15、8.34 倍。第21 天，在未滅菌土壤中不同包埋層數(shù)滅幼脲微膠囊的降解率均達(dá)到了92%以上，而在滅菌土壤中的降解率僅為28.34% ～31.33%，滅菌土壤中的試驗(yàn)結(jié)果反映了非生物降解作用?？梢姡寥牢⑸飳?duì)滅幼脲微膠囊的降解起主導(dǎo)作用，微生物加速了滅幼脲微膠囊的降解。在滅菌土壤中，不同包埋層數(shù)滅幼脲微膠囊的殘留量在第1 ～21 天差異均不顯著。在未滅菌土壤中，包埋1 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊在第1 ～21 天的殘留量與對(duì)照相比差異均不顯著，而包埋3、5 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊在第1 ～15 天的殘留量與對(duì)照差異顯著(p＜0.05)，可能與微膠囊的包埋層數(shù)有關(guān)，包埋層數(shù)越多，藥物緩釋時(shí)間越長，因而檢測(cè)到殘留量略高。同時(shí)，包埋3、5 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊在第21天的殘留量與對(duì)照相比差異均不顯著，可能隨著微膠囊的緩釋，經(jīng)過微生物的不斷降解，在第21 d 時(shí)呈現(xiàn)差異不顯著狀況。

2.2 土壤含水量對(duì)滅幼脲微膠囊降解的影響

從表2可以看出，土壤不同含水量對(duì)滅幼脲微膠囊的降解有明顯影響。當(dāng)土壤含水率從40%上升到80%時(shí)，包埋0、1、3、5 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊在土壤中的降解速率常數(shù)分別增長了1.81、1.81、1.82 和1.82 倍。包埋0、1、3、5 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊的降解半衰期隨著土壤含水量的增加呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)，可見，土壤含水量的增加有利于滅幼脲微膠囊的降解，且土壤含水量為60%的條件下滅幼脲微膠囊的降解半衰期最短。土壤含水量為40%時(shí)，包埋1、3、5 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊殘留量在第1 ～21 天與對(duì)照相比差異均不顯著，可能是由于土壤含水量偏低，不利于滅幼脲的水解及微生物對(duì)滅幼脲的分解代謝。土壤水份含量為60%和80%時(shí)，包埋1 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊的殘留量在第1 ～21 天與對(duì)照相比差異均不顯著，這可能由于包埋1 個(gè)雙層的微膠囊在合適的水分條件下較易釋放，所以各時(shí)間點(diǎn)的殘留量與對(duì)照相比呈現(xiàn)差異不顯著的情況，而包埋3、5 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊在第1 ～15 天的殘留量與對(duì)照相比均達(dá)到差異顯著水平(p＜0.05)，第21天的殘留量與對(duì)照相比差異不顯著，可能是由于微膠囊緩釋作用，其殘留量在第1 ～15 天與對(duì)照相比呈現(xiàn)差異顯著狀況，隨著微生物對(duì)滅幼脲的不斷降解和分解，至第21 天時(shí)，其殘留量與對(duì)照差異不顯著。

表1 土壤微生物對(duì)滅幼脲微膠囊降解的影響

表2 土壤含水量對(duì)滅幼脲微膠囊降解的影響

2.3 土壤溫度對(duì)滅幼脲微膠囊降解的影響

土壤溫度對(duì)不同包埋層數(shù)的滅幼脲微膠囊降解的影響如表3。隨著溫度的升高，包埋0、1、3、5 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊在土壤中的降解速率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，當(dāng)溫度從15 ℃上升到35 ℃時(shí)，不同包埋層數(shù)的滅幼脲微膠囊的降解速率常數(shù)分別增長了2.07、2.07、2.06、2.07倍，半衰期分別降至5.14、5.25、5.31、5.36 d。當(dāng)土壤溫度從15 ℃升高至25 ℃時(shí)，包埋0、1、3、5 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊的降解速率常數(shù)呈較快增長，分別增長了2.01、2.00、2.00、2.00倍，當(dāng)溫度從25 ℃升高至35 ℃時(shí)，各包埋層數(shù)滅幼脲微膠囊的降解速率常數(shù)增長減緩，分別增長了1.03、1.04、1.03、1.03 倍?？梢?，土壤溫度的升高有利于滅幼脲微膠囊的降解。在測(cè)定時(shí)間內(nèi)，包埋1、3、5 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊在土壤溫度為(15±1)℃的條件下殘留量與對(duì)照相比差異均不顯著，可能是溫度較低，限制了微生物的繁殖和活力，從而呈現(xiàn)差異不顯著狀況。當(dāng)土壤溫度為(25±1)、(35±1)℃時(shí)，包埋1 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊的殘留量在第1 ～21 天與對(duì)照相比差異均不顯著，而包埋3、5個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊在第1 ～15 天的殘留量與對(duì)照相比差異顯著(p＜0.05)，這可能與微膠囊的包埋層數(shù)有關(guān)，包埋層數(shù)越多，藥物緩釋時(shí)間越長，因而檢測(cè)到的殘留量略高。包埋3、5 個(gè)雙層的微膠囊第21 天的殘留量與對(duì)照相比差異不顯著，可能是隨著微膠囊的緩釋，經(jīng)過微生物的降解，第21 天時(shí)微膠囊的殘留量均與對(duì)照呈現(xiàn)差異不顯著的狀況。

表3 土壤溫度對(duì)滅幼脲微膠囊降解的影響

3 結(jié)論與討論

有關(guān)研究表明，農(nóng)藥在土壤中的降解受到相關(guān)環(huán)境因子的影響，微生物降解是農(nóng)藥在土壤中的主要降解途徑［11］，李彥文等［16］研究發(fā)現(xiàn)，不同農(nóng)藥在未滅菌的土壤中的降解速率明顯高于滅菌土壤。本試驗(yàn)結(jié)果表明，不同包埋層數(shù)的滅幼脲微膠囊在未滅菌土壤中的降解速率常數(shù)均為滅菌土壤中的7 倍以上，農(nóng)藥在未滅菌土壤中的殘留降解較滅菌土壤快，說明土壤微生物對(duì)滅幼脲微膠囊的降解起主導(dǎo)作用，這與施國涵的報(bào)道一致，可能是土壤中真菌分泌的水解酶加速了農(nóng)藥代謝［17］。

陳莉等［18］發(fā)現(xiàn)土壤濕度的增加能夠加速氰戊菊酯的降解。一般認(rèn)為［19］，水分增加既可促進(jìn)化學(xué)水解，也有利于微生物代謝降解，因而會(huì)加快農(nóng)藥的降解速度。本研究表明，土壤含水量對(duì)不同包埋層數(shù)滅幼脲微膠囊的降解速率有顯著影響，當(dāng)含水率從40%上升到80%時(shí)，包埋0、1、3、5 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊在土壤中的降解速率常數(shù)分別增長了1.81、1.81、1.82、1.82 倍，可見，濕潤的土壤環(huán)境有利于滅幼脲微膠囊的降解，在一定的土壤含水量范圍內(nèi)，隨著土壤含水率的增加，農(nóng)藥的降解速率升高較快，一方面可能是水分的增加降低了土壤對(duì)農(nóng)藥的吸附作用［20］，提高了農(nóng)藥的化學(xué)降解，另一方面可能由于適宜的水分為微生物的生長提供了良好的環(huán)境條件，使之大量繁殖，微生物活動(dòng)及酶活性大大提高，加大了對(duì)農(nóng)藥的降解速度［21-22］。本實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤含水量由60%上升至80%時(shí)，微膠囊的降解速率略降低，可能由于土壤水分含量過高，不利于微生物的生長和抑制了酶活性或稀釋了酶濃度［11］，從而影響農(nóng)藥降解。

有研究表明［23-24］，在一定溫度范圍內(nèi)，農(nóng)藥在土壤中的降解速率隨溫度的增加而加快。徐珍等［24］研究表明，土壤溫度在15 ～25 ℃時(shí)，苯甲酰脲類農(nóng)藥的降解速率隨溫度升高而明顯加快，而溫度在25 ～35 ℃之間，降解速率的增加不明顯。本研究結(jié)果表明，土壤溫度對(duì)滅幼脲微膠囊的降解有顯著影響，隨著溫度的升高，滅幼脲微膠囊的降解速率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，當(dāng)溫度從15 ℃升高至25 ℃時(shí)，包埋0、1、3、5 個(gè)雙層的滅幼脲微膠囊的降解速率常數(shù)呈較快增長，分別增長了2.01、2.00、2.00、2.00 倍，可能是升高的溫度更接近于微生物生長的最適溫度，土壤微生物活動(dòng)及酶活性大大提高，使農(nóng)藥微膠囊的降解速率加快。本研究中，當(dāng)土壤溫度從25 ℃升高至35 ℃時(shí)，各包埋層數(shù)滅幼脲微膠囊的降解速率常數(shù)增長減緩，可能是溫度較高時(shí)，超出了微生物適宜的溫度范圍，從而減緩了滅幼脲微膠囊的降解速率增幅，這與高海英［25］的研究結(jié)果一致。

本研究表明，土壤微生物、含水量、溫度對(duì)滅幼脲微膠囊的降解影響顯著，滅幼脲微膠囊的最適降解土壤溫度為25 ～35 ℃，最適降解土壤含水量為60%。根據(jù)《化學(xué)農(nóng)藥環(huán)境安全評(píng)價(jià)試驗(yàn)準(zhǔn)則》［26］中對(duì)農(nóng)藥的殘留性等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，推測(cè)滅幼脲微膠囊在本試驗(yàn)土壤環(huán)境中屬易降解農(nóng)藥，有關(guān)滅幼脲微膠囊在其他土壤環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品中的殘留降解情況還有待于進(jìn)一步研究。

［1］ 李海山，譚鑫，劉鐵錚. 農(nóng)藥污染現(xiàn)狀及對(duì)策［J］. 河北果樹，2012(1):34-35.

［2］ 何冠茹，楊靜美，吳運(yùn)福，等.α-三聯(lián)噻吩微膠囊的制備及其光活化性能［J］.農(nóng)藥，2009，48(6):414-416，428.

［3］ 華乃震. 農(nóng)藥微膠囊劑的加工和進(jìn)展(Ⅰ)［J］. 現(xiàn)代農(nóng)藥，2010，9(3):10-14.

［4］ 張思宇.光降解阿維菌素微膠囊的制備與表征［D］. 哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2009:9-16.

［5］ 楊榮萍，劉明輝，曾春，等.滅幼脲的作用機(jī)理及其在林業(yè)害蟲防治中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010(15):220，223.

［6］ 吳秋雁，仇序佳.滅幼脲作用機(jī)制的研究進(jìn)展［J］. 昆蟲知識(shí)，1991，28(3):180-181.

［7］ 劉國光，徐曉白.滅幼脲類農(nóng)藥對(duì)非靶生物的影響及其在生物體內(nèi)的代謝［J］.環(huán)境科學(xué)，1993，14(6):47-50.

［8］ 田可，遲德富，張喆. 滅幼脲緩釋微膠囊的制備與性能［J］. 農(nóng)藥，2011，50(3):184-186，196.

［9］ 王翠蓮，董廣平，程杰，等.應(yīng)用滅幼脲3 號(hào)微膠囊與其它農(nóng)藥微膠囊混合防治松褐天牛成蟲研究［J］. 林業(yè)科學(xué)，2000，36(1):76-80.

［10］ 馮建國，路福綏，李偉，等. 微膠囊農(nóng)藥的研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.世界農(nóng)藥，2009，31(4):37-42.

［11］ Guan Huanan，Chi Defu，Yu Jia，et al. of residues from a novel nano-imidacloprid formulation in soyabean fields［J］. Crop Protection，2010，29(9):942-946.

［12］ 李曉亮，秦智偉，侯利園，等. 土壤環(huán)境因素對(duì)殘留農(nóng)藥降解的影響［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，40(4):132-135.

［13］ 盧桂寧，陶雪琴，楊琛，等. 土壤中有機(jī)農(nóng)藥的自然降解行為［J］.土壤，2006，38(2):130-135.

［14］ Ibá~nze J A，Litter M I，Pizarro R A. Photocatalytic bactericidal effect of TiO2on Enterobacter cloacae:Comparative study with other Gram(-)bacteria［J］. Jounral of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry，2003，157(1):81-85.

［15］ Sun D D，Tay J H，Tan K M. Photocatalytic degradation of E.coliform in water［J］. Water Research，2003，37(14):3452-3462.

［16］ 李彥文. 惡唑菌酮?dú)埩舴治龇椒捌湓谕寥乐械霓D(zhuǎn)歸研究［D］.長沙:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005:29-33.

［17］ 施國涵. 土壤微生物對(duì)滅幼脲3 號(hào)殺蟲劑代謝作用的研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1990，10(3):296-303.

［18］ 陳莉，章鋼婭，胡鋒.氰戊菊酯在土壤中的降解及其影響因子研究［J］.土壤學(xué)報(bào)，2008，45(1):90-97.

［19］ Ibarz G，D?hne L，Donath E，et al. Resealing of polyelectrolyte capsules after core removal［J］. Macromolecular Rapid Communications，2002，23(8):474-478.

［20］ 黃國強(qiáng)，李凌，李鑫鋼.農(nóng)藥在土壤中遷移轉(zhuǎn)化及模型方法研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，2002，21(4):375-377，380.

［21］ 王軍，朱魯生，林愛軍，等. 二甲戊樂靈在土壤中的吸附及微生物降解［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，22(4):488-492.

［22］ Fuesler T P，Hanafey M K. Effect of moisture on chlorimuron degradation in soil［J］. Weed Science，1990，38(3):256-261.

［23］ Oppong F K，Sagar G R. The activity and mobility of triasulfuron in soils as influenced by organic matter，duration，amount and frequency of rain［J］. Weed Research，1992，32(3):157-165.

［24］ 徐珍，郭正元，黃帆，等.氟鈴脲的土壤降解動(dòng)力學(xué)研究［J］.土壤，2008，40(1):125-129.

［25］ 高海英.三唑酮在土壤環(huán)境中的吸附和降解行為研究［D］.長沙:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006:32-40.

［26］ 國家環(huán)境保護(hù)局，南京環(huán)境科學(xué)研究所. 化學(xué)農(nóng)藥環(huán)境安全評(píng)價(jià)試驗(yàn)準(zhǔn)則(續(xù))［J］.農(nóng)藥科學(xué)與管理，1990(4):4-9，3.