土壤理化性質(zhì)對草甘膦殘留檢測的影響

孫立思, 王 娜, 孔德洋, 郭欣妍, 單正軍, 王 瑛

(1.南京理工大學化工學院， 江蘇 南京 210094； 2.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所， 江蘇 南京 210042； 3.國家環(huán)境保護農(nóng)藥環(huán)境評價與污染控制重點實驗室， 江蘇 南京 210042)

土壤理化性質(zhì)對草甘膦殘留檢測的影響

孫立思1,2,3, 王 娜2,3①, 孔德洋2,3, 郭欣妍2,3, 單正軍2,3, 王 瑛1②

(1.南京理工大學化工學院， 江蘇 南京 210094； 2.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所， 江蘇 南京 210042； 3.國家環(huán)境保護農(nóng)藥環(huán)境評價與污染控制重點實驗室， 江蘇 南京 210042)

在土壤環(huán)境中草甘膦極易被土壤顆粒吸附，并與土壤中有機質(zhì)、金屬氧化物等反應，對草甘膦的檢測造成影響。采用磷酸鈉和檸檬酸三鈉混合溶液超聲提取、正己烷萃取凈化、氯甲酸-9-芴基甲酯(FMOC-Cl)衍生化、液相色譜-熒光檢測器測定的方法，分別探究了腐殖酸含量、重金屬離子含量以及土壤pH值對草甘膦檢測方法的影響。結果表明，隨著土壤中有機質(zhì)含量增加，草甘膦的回收率逐漸降低；在土壤pH值為3～11范圍內(nèi)，隨著pH值增加，草甘膦的回收率總體呈增加趨勢，在pH值為8～9時取得最大值，當pH值>9時回收率又有所降低；土壤中的重金屬離子Cu2+、Fe2+、Fe3+、Zn2+和Ni2+可以與草甘膦形成穩(wěn)定的絡合物，使回收率降低，而重金屬離子Co2+和Mn2+對草甘膦檢測沒有影響。該研究建立的土壤和沉積物中草甘膦的標準檢測方法能夠滿足各種類型土壤和沉積物的檢測要求。

草甘膦； 土壤； 理化性質(zhì)； 檢測方法

草甘膦(glyphosate)是一種非選擇性廣譜有機磷除草劑,在農(nóng)業(yè)中常用于控制多種一年生和多年生雜草[1],可以破壞雜草的地下組織,近幾年已成為使用最為普遍、銷售量最大的除草劑。盡管草甘膦易被土壤成分吸附,但由于其具有較高的水溶性以及在環(huán)境中有較長的半衰期,使得草甘膦在施藥較長時間后或者在遠離施藥點的地方均能檢測到[2-4]。多項研究表明草甘膦具有毒性作用,對生態(tài)環(huán)境和人體健康都具有潛在危害[5-8]。

目前,國內(nèi)外對用于土壤中的除草劑進行過廣泛的研究[9-13],但對草甘膦檢測與土壤理化性質(zhì)的關系研究較少。草甘膦極易吸附在土壤中,這是由于草甘膦在土壤溶液中主要以兩性離子存在,結構式中具有羧基、氨基和膦酸基3個極性基團[14-16],可以與土壤中的二氧化硅、金屬離子、金屬氧化物以及天然有機化合物反應。草甘膦在土壤中的吸附作用不僅受物理因素如表面積的影響,也受化學因素,如腐殖質(zhì)、土壤pH值、陽離子以及和磷酸鹽的競爭作用等的影響[17-20]。筆者分別探究了腐殖酸含量、重金屬離子含量以及土壤pH值對草甘膦檢測方法的影響,并對土壤和沉積物中草甘膦的檢測方法作出評價。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器:高效液相色譜儀,配備熒光檢測器(Waters,美國);高速離心機(Centrifuge C5804,Eppendorf,德國);恒溫混勻儀(Eppendorf,德國);WH-3微型旋渦混合儀(上海楚定分析儀器有限公司,中國);Milli-Q超純水器(Mimpore,美國);AG-285電子天平(Mettler,瑞士); HQ30d便攜式多參數(shù)pH計(HACH,美國)。

試劑:乙腈為色譜純,購于德國Merck公司;氯甲酸-9-芴基甲酯(FMOC-Cl)為標準品,腐殖酸純度w>90.0%,均購于上海安譜科學儀器有限公司;磷酸鈉、四硼酸鈉、檸檬酸三鈉、正己烷、磷酸、石英砂、鹽酸、氫氧化鈉、硝酸鈷、硫酸鐵、硫酸亞鐵、硫酸鎳、硫酸銅、硫酸鋅和硫酸錳均為分析純,購于南京化學試劑有限公司。

農(nóng)藥標準品:草甘膦(Sigma,美國)。

采集土壤樣品概況見表1。

表1土壤樣品概況

Table1Generalizationofthesoilsamples

樣品采樣位置w(有機質(zhì))/(g·kg-1)pH值w(鐵)/%CEC/(cmol·kg-1)湖南紅壤湖南7845235696東北黑土吉林206838205231太湖水稻土江蘇204624200107前湖沉積物江蘇362755292172秦淮河沉積物江蘇267654292273

1.2 儲備液與工作溶液配置

1.0 g·L-1草甘膦標準儲備液配置:準確稱取50.0 mg草甘膦標準品,用去離子水溶解,轉(zhuǎn)移至50.00 mL容量瓶中,用去離子水定容,并超聲使之充分溶解,4 ℃條件下保存。

系列標準工作溶液配置:以去離子水梯度洗脫法逐級稀釋草甘膦儲備液,根據(jù)檢測要求配置一系列濃度的標準工作溶液,在4 ℃條件下保存。

1.3 試驗方法

1.3.1腐殖酸對草甘膦檢測的影響

稱取10.0 g石英砂,分別加入0、2.0、5.0、

10.0、20.0和50.0 g·kg-1腐殖酸標準品,混勻后,加入0.1和1.0 mg·kg-1的草甘膦標樣,按照1.4節(jié)所述方法進行測定,探究腐殖酸濃度對草甘膦檢測的影響。

1.3.2土壤pH值對草甘膦檢測的影響

稱取10.0 g石英砂,加入2.0 g·kg-1腐殖酸標準品,混勻后用HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)石英砂pH值,使pH值范圍為3～11,加入1.0 mg·kg-1草甘膦標樣,按照1.4節(jié)所述方法進行測定,探究土壤pH值對草甘膦檢測的影響。

1.3.3土壤重金屬離子對草甘膦檢測的影響

稱取10.0 g石英砂,分別加入w為0、0.5、2.0、5.0、20.0和100.0 g·kg-1重金屬離子,加入1.0 mg·kg-1草甘膦標樣,按照1.4節(jié)所述方法進行測定,分別探究7種重金屬離子對草甘膦檢測的影響。

1.3.4實際樣品檢測

稱取10.0 g實際土壤,分別添加低、中、高3種不同含量(0.1、0.5 和 1.0 mg·kg-1)草甘膦標樣,按照1.4節(jié)所述方法進行測定,每種含量平行測定6次,分別計算不同添加含量的加標回收率和相對標準偏差。

1.4 樣品前處理及檢測方法

1.4.1樣品前處理

稱取10.0 g樣品于50 mL離心管中,加入50 mL 0.03 mol·L-1磷酸鈉和0.01 mol·L-1檸檬酸三鈉混合提取液,超聲提取30 min后,以10 000 r·min-1離心5 min(離心半徑為15 cm),取上清液過濾。濾液先用HCl調(diào)節(jié)pH值至9,靜置10 min后過濾,加入50 mL正己烷液液萃取進行凈化,充分振蕩后靜置,棄有機相留水相,再用50 mL正己烷萃取1次。取1 mL萃取液于1.5 mL PE管中,加入0.12 mL 0.05 mol·L-1四硼酸鈉溶液和0.2 mL 1.0 mg·mL-1FMOC-Cl,渦旋使之充分混勻,常溫下衍生反應4 h,過0.22 μm孔徑濾膜后,用液相色譜-熒光檢測器分析檢測。

1.4.2儀器條件

Waters高效液相色譜儀檢測條件:色譜柱,使用Cosmosil 5C18-AR-Ⅱ(250 mm×4.6 mm×5 μm)液相色譜柱,或其他等效類型色譜柱;流動相,A為乙腈,B為φ=0.2%的磷酸水溶液,梯度洗脫程序如表2所示;流速1.0 mL·min-1;柱溫35 ℃;進樣量20 μL;熒光條件，激發(fā)波長254 nm,發(fā)射波長301.5 nm。

表2梯度洗脫程序

Table2Gradientelutionprocedure

t/min流速/(mL·min-1)流動相比例/%乙腈(A)磷酸水溶液(B)0103565101025751510802020103565

2 結果與討論

2.1 腐殖酸對草甘膦檢測的影響

土壤中有機質(zhì)含量是影響草甘膦吸附量的主要因素[21],而腐殖質(zhì)作為土壤中有機質(zhì)的重要存在形式,對草甘膦的影響尤為顯著。草甘膦分子具有羧基、氨基和膦酸基團這3個極性基團,這些基團可以通過氫鍵與腐殖酸結合[22]。草甘膦添加量為0.1和1.0 mg·kg-1時,在不同腐殖酸含量條件下的回收率如圖1所示。草甘膦回收率隨著腐殖酸濃度的增加而減小,且回收率與腐殖酸含量存在較好的線性關系,這與YU等[23]的研究結果相一致。由表1可知,不同類型土壤和沉積物的有機質(zhì)含量大不相同,這是影響草甘膦檢測的主要原因。

圖1 腐殖酸含量對草甘膦回收率的影響Fig.1 Effect of humic acid content on glyphosate recovery rate

2.2 土壤pH值對草甘膦檢測的影響

土壤pH值隨著土壤類型和組成不同而發(fā)生改變,對草甘膦的吸附效果有較大影響。對于離子型和有機酸型農(nóng)藥,當土壤pH值接近農(nóng)藥的酸度系數(shù)(pKa)時,吸附效果最強。草甘膦分子中含有3個可電離的活潑氫,其pKa值分別為2.53、5.9和10.9[13]。所以在酸性條件下,草甘膦大多以分子態(tài)形式存在,而在堿性條件下,大多以陰離子形態(tài)存在。在堿性環(huán)境中,土壤帶有負電荷,會與草甘膦發(fā)生排斥,進而減少草甘膦吸附量。在pH 值為3～11范圍內(nèi),1.0 mg·kg-1草甘膦的回收率如圖2所示。隨著pH值增大,草甘膦的回收率先逐漸增大,在pH值為 8～9處取得最大值,當pH值>9時,回收率逐漸降低到與pH 值為7時相等。草甘膦回收率在不同pH值條件下差別并不大(相對極差為0.17),這是由于樣品提取液(0.03 mol·L-1磷酸鈉和0.01 mol·L-1檸檬酸三鈉混合溶液)本身就是一種緩沖溶液,使得土壤pH值對草甘膦的影響大大減小,說明建立的檢測方法適用于各種pH值條件的土壤。

圖2 土壤pH值對草甘膦回收率的影響Fig.2 Effect of soil pH on glyphosate recovery rate

2.3 土壤重金屬離子對草甘膦檢測的影響

土壤中的重金屬離子對草甘膦的吸附也有影響,重金屬離子可以和草甘膦形成穩(wěn)定的絡合物,如Cu-Gly復合體[24-25]。在不同含量7種常見重金屬離子(Cu2+、Fe2+、Fe3+、Zn2+、Ni2+、Co2+和Mn2+)環(huán)境下,1.0 mg·kg-1草甘膦回收率的變化情況見圖3。

圖3 重金屬含量對草甘膦回收率的影響Fig.3 Effect of heavy metal content on glyphosate recovery rate

當重金屬離子含量小于0.5 g·kg-1時,草甘膦回收率基本不受影響,這是由于提取液中添加了檸檬酸三鈉金屬離子絡合劑,消除了金屬離子的干擾。當重金屬離子含量大于0.5 g·kg-1時,對于Cu2+、Fe2+、Fe3+、Zn2+和Ni2+離子,草甘膦回收率隨著重金屬離子濃度的增加而急劇下降,說明這些重金屬離子能與草甘膦絡合形成穩(wěn)定化合物;而對于Co2+和Mn2+,離子濃度增加對草甘膦的回收率基本沒有影響,說明這2種重金屬離子不能與草甘膦作用,對草甘膦的檢測沒有影響。

2.4 實際樣品的檢測

選取國內(nèi)具有代表性的3種土壤和2種沉積物,包括湖南紅壤、東北黑土、太湖水稻土以及前湖沉積物、秦淮河沉積物,按照1.3.4節(jié)的方法對實際樣品進行檢測。水稻土和前湖沉積物樣品加標色譜圖如圖4所示。由圖4可知,色譜峰峰型較好,分離度高,能很好地滿足草甘膦的測定要求。

由表3可知,3種土壤樣品中均有草甘膦檢出,且檢出濃度低于GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》限值(0.5 mg·kg-1)。然而,在湖沉積物和河沉積物中均沒有目標物檢出,這是由于草甘膦與土壤的吸附能力較強,流動性能較差,并且在水-沉積物體系中更易降解。5種土壤和沉積物的回收率均大于75%,相對標準偏差均小于12%,說明該方法對大部分土壤和沉積物均適用,且方法操作穩(wěn)定。由

于不同土壤的理化性質(zhì)不同,回收率也會存在差距。由上述研究發(fā)現(xiàn),草甘膦回收率主要受土壤有機質(zhì)含量影響,紅壤中有機質(zhì)含量較低,對草甘膦的吸附較弱,所以回收率較高,均超過90%;而沉積物中有機質(zhì)含量較高,對草甘膦的吸附較強,回收率相對較低。

草甘膦標樣添加量為1.0 mg·kg-1。

表3方法精密度和準確度

Table3Precisionandaccuracyofthedeterminationmethod

樣品 CK中草甘膦含量/(mg·kg-1)不同含量草甘膦的回收率/%不同含量草甘膦的相對標準偏差(RSD)/%01mg·kg-105mg·kg-110mg·kg-101mg·kg-105mg·kg-110mg·kg-1湖南紅壤015906297419649448374647東北黑土019826184388083693520583太湖水稻土011899789578127409558395前湖沉積物ND783576357584875999268秦淮河沉積物ND7761769775301114619863

n=6。ND為未檢出。

3 結論

(1)土壤中有機質(zhì)含量對草甘膦回收率起主要影響作用,有機質(zhì)含量越高,對草甘膦的吸附越強,回收率越低。

(2)土壤pH值對草甘膦的回收率有較大影響。在酸性土壤中,草甘膦以分子形態(tài)存在;而在堿性條件下,草甘膦大多以陰離子形態(tài)存在,與帶有負電荷的土壤顆粒相排斥,減少了草甘膦的吸附量,導致回收率提高。

(3)土壤中的重金屬離子Cu2+、Fe2+、Fe3+、Zn2+和Ni2+可以與草甘膦形成穩(wěn)定的絡合物,使草甘膦回收率降低;而重金屬離子Co2+和Mn2+對回收率沒有影響。

(4)筆者建立的土壤和沉積物中草甘膦的標準檢測方法能滿足各種類型的土壤和沉積物。其中,磷酸鈉和檸檬酸三鈉混合提取液具有緩沖溶液的效果,可以適應各種pH值環(huán)境的土壤;檸檬酸三鈉可以去除土壤中大部分重金屬離子的干擾,故該方法對重金屬污染土壤依然適用。

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InfluenceofSoilPhysicalandChemicalPropertiesonDetectionofGlyphosateResidue.

SUNLi-si1,WANGNa2,3,KONGDe-yang2,3,GUOXin-yan2,3,SHANZheng-jun2,3,WANGYing1

(1.School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China； 2.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China； 3.Key Laboratory of Pesticide Environmental Assessment and Pollution Control, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China)

In the soil environment, glyphosate is apt to get adsorbed to soil particles, and react with organic matter and metal oxides in the soil, which may affect detection of glyphosate. Influences of humic acid content, heavy metal ion content and pH of the soil on detection of glyphosate were explored，using the sodium phosphate and trisodium citrate aqueous supersonic extraction method, hexane purification method, 9-fluorenylmethylchloroformate (FMOC-l) derivatization method and HPLC-FLD. It turned out that recovery rate of glyphosate in soil decreased with increasing organic matter content, increased with increasing soil pH in the range of 3-11 (peaking at pH 8-9 and falling at pH over 9 back to the level at pH 7), decreased with the existence of heavy metal ions, such as Cu2+, Fe2+, Fe3+, Zn2+and Ni2+because they formed complexes with glyphosate, but was not affected by the existence of Co2+and Mn2+. All the findings demonstrate that the standard detection method can meet the requirements for detecting glyphosate in various types of soils and sediments.

glyphosate; soil; physical and chemical properties; detection method

X592

： A

： 1673-4831(2017)09-0860-05

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.09.013

孫立思(1992—),女,山東德州人,碩士生,主要從事農(nóng)藥環(huán)境行為特征、生態(tài)效應與污染控制研究。E-mail: sunlisi0229@163.com

(責任編輯： 許 素)

2017-02-06

國家環(huán)境保護標準項目(2015-22)

① 通信作者E-mail: wangna@nies.org

② 共同通信作者E-mail: wangying701@mail.njust.edu.cn