生物作用對(duì)聯(lián)苯菊酯對(duì)映體降解行為的研究*

石健　范素素　張?chǎng)╂肌≈莒`　袁玲

(南通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院　江蘇南通 226019)

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環(huán)境工程

生物作用對(duì)聯(lián)苯菊酯對(duì)映體降解行為的研究*

石健范素素張?chǎng)╂贾莒`袁玲

(南通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院江蘇南通 226019)

摘要為了研究生物對(duì)聯(lián)苯菊酯對(duì)映體殘余量及對(duì)映體降解動(dòng)態(tài)的影響，本實(shí)驗(yàn)選擇以土壤、活性污泥、植物為研究對(duì)象，運(yùn)用高效液相色譜法(HPLC)檢測(cè)不同介質(zhì)中的微生物對(duì)聯(lián)苯菊酯對(duì)映體的降解作用。結(jié)果表明：外消旋體的降解率為活性污泥>植物>未滅菌土(表層)>未滅菌土(下層)>滅菌土(表層)≥滅菌土(下層)；對(duì)映體的降解率差為植物>活性污泥>未滅菌土(下層)>未滅菌土(表層)。

關(guān)鍵詞聯(lián)苯菊酯生物降解土壤活性污泥

Research on Degradation of Bifenthrin Enantiomers by Biological Effects

SHI JianFAN SusuZHANG WenjieZHOU LingYUAN Ling

(SchoolofChemistryandChemicalEngineering,NantongUniversityNantong，Jiangsu226019)

AbstractIn order to study the residual amount and degradation dynamics of bifenthrin enantiomers by biological effects, in this study the soil, activated sludge and plants are selected as experimental materials and high performance liquid chromatography method is applied to test the degradation of bifenthrin enantiomers by biological in different medium. The results show that the degradation rate of racemic follows activated sludge> plants>unsterilizationsoil (surface layer)> unsterilizationsoil (lower layer)> sterile soil (surface layer)≥ sterile soil (lower layer); the difference of enantiomers’ degradation rate is plants>activated sludge> unsterilizationsoil (lower layer) > unsterilizationsoil (surface layer).

Key Wordsbifenthrinbiodegradationsoilactivated sludge

0引言

聯(lián)苯菊酯作為常用的擬除蟲菊酯類農(nóng)藥[1]，在農(nóng)作物病蟲害的防治和家庭有害昆蟲防治中廣泛應(yīng)用。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的一些研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)WANG L等[2]以動(dòng)物為模型對(duì)聯(lián)苯菊酯對(duì)映體毒性立體選擇性進(jìn)行研究，張聰[3]對(duì)聯(lián)苯菊酯的細(xì)胞毒性及殺蟲活性的對(duì)映體選擇性進(jìn)行了研究，周子燕等[4]研究了聯(lián)苯菊酯在茶葉中的消解動(dòng)態(tài)及最終殘留。但研究微生物對(duì)聯(lián)苯菊酯對(duì)映體的降解動(dòng)態(tài)情況尚未見(jiàn)報(bào)道。

微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的一個(gè)部分，主要承擔(dān)著分解動(dòng)植物殘?bào)w等有機(jī)物的重要使命[5]。故本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用高效液相色譜法對(duì)不同介質(zhì)中的微生物對(duì)聯(lián)苯菊酯對(duì)映體的降解行為進(jìn)行研究，從對(duì)映體的層次分析手性農(nóng)藥的立體選擇性，對(duì)于相關(guān)毒性和健康風(fēng)險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)具有重要的參考作用。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

高效液相色譜儀(安捷倫1260)，手性柱(CHIRALPAK IF-3柱，規(guī)格：150 mm×4.6 mm，3 μm)，聯(lián)苯菊酯純物質(zhì)(98.4%，鹽城科菲特生化技術(shù)有限公司)，甲醇(HPLC，sigma)，0.01 mol/L乙酸銨溶液(阿拉丁，由乙酸銨固體與哇哈哈水溶解配制而成)，石油醚(sigma)，分析天平(上海恒平)，離心機(jī)(凱特TD4)，移液槍(200～1 000 μL，eppendorf)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE-52，上海亞榮生化儀器廠)。

1.2色譜條件

采用CHIRALPAK IF-3手性柱分離：流動(dòng)相為甲醇/醋酸銨(V/V)=80/20，流速為0.5 mL/min，波長(zhǎng)為220 nm，溫度為35 ℃，進(jìn)樣量為10 μL。

1.3樣品的施藥

土壤的培養(yǎng)：取兩份質(zhì)量相同的土壤，其中一份滅菌。噴灑一定量的聯(lián)苯菊酯溶液，然后每隔一段時(shí)間進(jìn)行取樣。

污泥的培養(yǎng)：污泥樣品于2014年6月份取自南通市第二污水處理廠，帶回后在常溫下靜止數(shù)天以便耗光養(yǎng)分。以100∶5∶1的比例配置尿素、淀粉、磷酸二氫鉀的混合物作為養(yǎng)分加入到污泥里。然后加入聯(lián)苯菊酯溶液并慢慢增加用藥量，最終使得污泥里的微生物適應(yīng)聯(lián)苯菊酯溶液且以其為養(yǎng)料。最后每隔一段時(shí)間進(jìn)行取樣。

蔥樣的培養(yǎng)：將蔥樣種植到相同質(zhì)量的5份土壤中，噴入一定量的聯(lián)苯菊酯溶液，然后每隔一段時(shí)間進(jìn)行取樣。

1.4樣品的前處理

土壤：稱取混合均勻的土壤5 g置于研缽中，加入10 g的弗羅里硅土(用前需630 ℃高溫活化4～6 h)，充分研磨、裝柱(柱的底端塞入一團(tuán)脫脂棉，然后將研磨均勻的樣品倒入柱中，頂端加濾紙并輕輕敲打)；然后配置正己烷-乙酸乙酯淋洗液(比例6∶1)，倒入柱中，收集前45 mL洗脫液于燒杯中；用減壓蒸餾法將洗脫液蒸干，最后用甲醇(色譜級(jí))定容，過(guò)0.45 μm濾膜，待測(cè)。

活性污泥：取25 mL溶液于離心管中，加入10 mL的石油醚，用震蕩儀震蕩5 min后置于離心機(jī)內(nèi)，以3 500 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，取15 mL上層清液倒入分液漏斗中，進(jìn)行分液；然后將上層溶液倒入蒸餾瓶進(jìn)行減壓蒸餾，最后用甲醇(色譜級(jí))定容，過(guò)0.45 μm濾膜，待測(cè)。

植物(蔥樣)：用剪刀將蔥樣剪碎置于40 mL離心管中，加入15 mL石油醚，置于超聲波萃取機(jī)中萃取10 min；超聲結(jié)束后取出離心管放入離心機(jī)中，以3 500 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，取上清液；重復(fù)此步驟兩到三次，最后合并上清液并減壓旋蒸至干；用少量的甲醇(色譜級(jí))定容，過(guò)0.45 μm濾膜，待測(cè)。

2方程的確定

2.1線性方程的確定

根據(jù)文獻(xiàn)[3]：聯(lián)苯菊酯對(duì)映體分別為1S-cis-BF(左旋)和1R-cis-BF(右旋)，如圖1。

圖1　聯(lián)苯菊酯對(duì)映體在CHIRALPAK IF-3

配制一系列質(zhì)量濃度梯度的聯(lián)苯菊酯標(biāo)準(zhǔn)溶液，以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)、峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(見(jiàn)圖2)，可得左旋體回歸方程為y=57 625.96x-4 049.11(R2=0.999 6)；右旋體回歸方程為y=57 544.55x-3 600.08(R2=0.999 6)。

圖2　聯(lián)苯菊酯對(duì)映體擬合線性圖

2.2降解速率方程的確定

聯(lián)苯菊酯在樣品中的降解過(guò)程可以通過(guò)動(dòng)力學(xué)方面的知識(shí)進(jìn)行研究。一般農(nóng)藥在農(nóng)作物或者土壤中的殘留量隨時(shí)間變化關(guān)系符合一級(jí)反應(yīng)，本文將采用一級(jí)反應(yīng)來(lái)描述聯(lián)苯菊酯的降解，其方程如下：

(1)

式中，[A]代表反應(yīng)物A的質(zhì)量濃度；[A0]代表反應(yīng)物A的初始質(zhì)量濃度；t代表時(shí)間；k代表農(nóng)藥降解速率常數(shù)。

2.3半衰期方程的確定

半衰期指農(nóng)藥最高質(zhì)量濃度降低一半所需要的時(shí)間，一般可用來(lái)表示農(nóng)藥的穩(wěn)定性、持久性：

(2)

3結(jié)果與討論

3.1微生物對(duì)聯(lián)苯菊酯的降解作用

聯(lián)苯菊酯對(duì)映體在不同介質(zhì)中的降解速率及半衰期分別見(jiàn)圖3、圖4所示。

圖3　聯(lián)苯菊酯對(duì)映體在不同介質(zhì)中的降解速率

圖4　聯(lián)苯菊酯對(duì)映體在不同介質(zhì)中的半衰期

降解速率與手性農(nóng)藥在環(huán)境中的持留性、殘留水平等有著密切的關(guān)系，而半衰期可以反映藥物降解速度的快慢。由圖3和圖4可知，滅菌土壤中聯(lián)苯菊酯的降解速率約為未滅菌土中的一半，半衰期約為未滅菌土壤中的一倍，說(shuō)明在聯(lián)苯菊酯的降解過(guò)程中，微生物的降解起到了重要作用。因?yàn)槲⑸锏臄?shù)量又與有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)，而各介質(zhì)之間的理化性質(zhì)以及所處的生態(tài)環(huán)境不同導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量不同，最終使得微生物的數(shù)量產(chǎn)生明顯的差異，對(duì)聯(lián)苯菊酯的降解也出現(xiàn)的差異性。

圖3中聯(lián)苯菊酯降解速率為污泥>植物>未滅菌(表層)>未滅菌(下層)>滅菌(表層)≥滅菌(下層)；圖4中聯(lián)苯菊酯半衰期為污泥<植物<未滅菌(表層)<未滅菌(下層)<滅菌(表層)≤滅菌(下層)。因?yàn)樽匀煌寥廊狈θ藶楦N，沒(méi)有養(yǎng)分補(bǔ)給，最終導(dǎo)致養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)速率變慢，土壤微生物含量降低；而被植被影響過(guò)的土壤，其土壤環(huán)境會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致土壤中微生物的結(jié)構(gòu)和多樣性受到影響。1998年，夏北成[6]對(duì)植被對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明被植被影響的土壤環(huán)境中微生物的生命力更加旺盛，更有利于微生物的生長(zhǎng)和繁殖。而污泥是一種更復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)，來(lái)源不同的污泥，種群結(jié)構(gòu)也有所不同。通過(guò)不斷的馴化污泥，使得里面的微生物不斷的調(diào)整，從而可提高微生物某種特定功能的穩(wěn)定性。

3.2聯(lián)苯菊酯對(duì)映體的降解動(dòng)態(tài)

降解率表示農(nóng)藥降解的快慢程度，可表示為：

降解率(%)={[降解前的含量(g)-降解后的含量(g)]/降解前的含量(g)}·100%

(3)

圖5為聯(lián)苯菊酯對(duì)映體在未滅菌土壤的表層和下層的降解率的曲線變化。從圖中看出前15d內(nèi)，聯(lián)苯菊酯的降解率直線上升，15d之后降解率慢慢趨于平衡，說(shuō)明聯(lián)苯菊酯的快速降解主要發(fā)生在15d之內(nèi)。

圖5　聯(lián)苯菊酯對(duì)映體在未滅菌土壤

圖6為聯(lián)苯菊酯對(duì)映體在活性污泥里降解率的曲線變化。從圖中看出前20 h內(nèi)，聯(lián)苯菊酯的降解率直線上升，20 h之后降解率慢慢趨于平衡，說(shuō)明聯(lián)苯菊酯的快速降解主要發(fā)生在20 h內(nèi)。

圖6　聯(lián)苯菊酯對(duì)映體在污泥里的降解率

圖7為聯(lián)苯菊酯對(duì)映體在活性污泥里植物體內(nèi)降解率的曲線變化。從圖中看出聯(lián)苯菊酯的降解在15 d內(nèi)一直在逐漸升高。

圖7　聯(lián)苯菊酯對(duì)映體在植物體內(nèi)里的降解率

由圖5～圖7可知，聯(lián)苯菊酯對(duì)映體在未滅菌土壤、污泥及植物體內(nèi)均存在一定程度的降解差異性。在未滅菌土(表層、下層)，污泥，植物內(nèi)降解率差分別為0.5%，0.7%，3.12%，11.79%，說(shuō)明聯(lián)苯菊酯對(duì)映體降解存在立體選擇性，且在植物體內(nèi)的降解率差最大，其次是污泥，土壤中最小。這可能是因?yàn)槲⑸锝M成比較復(fù)雜，類群繁多，功能多樣，不同的介質(zhì)環(huán)境下的微生物具有不同的結(jié)構(gòu)和多樣性，從而對(duì)聯(lián)苯菊酯對(duì)映體的降解出現(xiàn)了選擇差異性。

4結(jié)論

(1)聯(lián)苯菊酯在幾種不同介質(zhì)中的降解速率為污泥>植物>未滅菌土(表層)>未滅菌土(下層)>滅菌土(表層)≥滅菌土(下層)。

(2)滅菌土壤中的降解速率最小，半衰期最大，說(shuō)明在聯(lián)苯菊酯的降解中，微生物的降解起到重要作用。

(3)不同的介質(zhì)環(huán)境下的微生物的數(shù)量產(chǎn)生明顯差異且具有不同的結(jié)構(gòu)和多樣性，從而導(dǎo)致聯(lián)苯菊酯對(duì)映體的降解出現(xiàn)選擇差異性。

參考文獻(xiàn)

[1]康燕玉. 聯(lián)苯菊酯在土壤中殘留動(dòng)態(tài)以及相關(guān)降解影響因子的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展,2013,30(1):86-89.

[2]WANG L, LIU W, YANG C, et al. Enantioselectivity in estrogenic potential and uptake of bifenthrin [J]. Environmental Science & Technology, 2007,41(17):6124-6128.

[3]張聰.聯(lián)苯菊酯的細(xì)胞毒性及殺蟲活性的對(duì)映體選擇性研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2009.

[4]周子燕,李昌春,胡本進(jìn),等.聯(lián)苯菊酯在茶葉中的消解動(dòng)態(tài)及最終殘留[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(30):15045-15046.

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[6]夏北成. 植被對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),1998,9(3):296-300.

(收稿日期：2015-02-04)

作者簡(jiǎn)介石健，女，1972年生，浙江新昌人，教授，主要研究方向?yàn)樗廴究刂萍夹g(shù)。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(21177067)，江蘇省自然科學(xué)基金(BK2010034)，南通市社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目(HS2012001)，南通市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(CP12011001)及江蘇省青藍(lán)工程計(jì)劃項(xiàng)目資助。