3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在海南土壤中的降解特性

鄭 釗，許佳彬，王 威，鄒麗君，梁曉宇,2，王 萌,2，張 宇,2

(1. 海南大學 植物保護學院，海口 570228；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風險評估實驗室， 海口 570228)

擬除蟲菊酯農(nóng)藥(pyrethroid)是一類應用廣泛的合成殺蟲劑，其品種和用量僅次于有機磷農(nóng)藥，在殺蟲劑類別中排名第2[1]。目前，多項研究表明擬除蟲菊酯農(nóng)藥在日常生活[2-4]、海產(chǎn)品[5]、果蔬[6, 7]中檢出率較高，并且對人體具有生殖、免疫等方面毒性[8-12]。土壤是農(nóng)藥施用后的重要歸宿之一，是農(nóng)藥在環(huán)境中存在的重要介質(zhì)，其中，降解是農(nóng)藥在環(huán)境存在的最后一道關(guān)卡。擬除蟲菊酯農(nóng)藥在土壤中的降解是生物降解和非生物降解綜合作用的結(jié)果，生物降解主要包括土壤酶、土壤微生物以及蚯蚓等的作用，非生物降解主要指水解、光解和氧化還原反應等[13]。研究發(fā)現(xiàn)，水稻土、沙土和壤土對氯氟氰菊酯、聯(lián)苯菊酯和高效氯氰菊酯具有較強的吸附性[14]，且難淋溶[15]，施用后主要分布在表層土壤中。因此，針對3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在海南沙土和壤土中的降解進行研究十分必要。為了評估其對海南土壤環(huán)境的危害，筆者選擇在海南具有代表性的沙土和壤土作為供試土壤，實驗室條件下研究3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在沙土和壤土中的降解特性，旨在為擬除蟲菊酯農(nóng)藥在海南的環(huán)境風險評估提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器及藥劑Agilent 6890N氣相色譜儀[配電子捕獲檢測器(63Ni-ECD)]和安捷倫BD-1色譜柱(30 m×250 μm，0.25 μm)，安捷倫科技有限公司；H1850A高速冷凍離心機，湘儀離心機有限公司；HY-6A雙層搖床，常州中捷實驗儀器制造有限公司；HVE-50高壓滅菌鍋，日本HIRAYAMA公司；PYX-250S-B恒溫培養(yǎng)箱，韶關(guān)市科力實驗儀器公司。純度均為99%的功夫菊酯(Cyhalothrin)、高效氯氰菊酯(Beta-cypermethrin)和聯(lián)苯菊酯(Bifenthrin)標準品均購自Dr.Ehrenstorfer Gmbh。正己烷(色譜純)購自賽默飛世爾科技有限公司，正己烷(分析純)購自廣東光華科技股份有限公司，其余試劑如丙酮、無水硫酸鈉和二水合氯化鈣均為分析純，購自廣州化學試劑廠。無水硫酸鈉經(jīng)馬弗爐650 ℃煅燒4 h，存于干燥皿中備用。

1.2 供試土壤供試土壤采集于海南儋州(0～15 cm表層土壤)，去除植物根系及石塊等雜質(zhì)后的土壤經(jīng)研磨、風干后過900 μm標準篩，4 ℃保存?zhèn)溆谩Ｍ寥览砘再|(zhì)見表1。

表1 供試土壤的理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of soil tested

1.3 土壤處理好氧土壤：分別稱取20 g土壤(準確到0.01 g)于250 mL棕色錐形瓶中，加水至土壤最大持水量的60%，用透氣的硅膠塞封口后，放入溫度為25 ℃的黑暗培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)，每個處理重復10次。定期取樣，培養(yǎng)過程中保持水分不變。

積水厭氧土壤：在好氧土壤的基礎(chǔ)上，于土壤表面形成1 cm水層并通入N2造成厭氧環(huán)境，試驗過程中保持土壤表面1 cm水層。

1.4 樣品制備稱取10.00 g處理后的土壤于三角瓶中，加入農(nóng)藥混勻，待丙酮揮發(fā)完畢后加入190.00 g土壤再次混勻。在三角瓶外部包裹一層錫箔紙防止農(nóng)藥光降解[16]，置于恒溫培養(yǎng)箱中黑暗避光25 ℃恒溫培養(yǎng)，加入適量水保持土壤含水量。定期稱取土壤樣品進行檢測。

將土壤樣品置于具塞三角瓶中，加入50 mL丙酮振蕩提取2h后過濾。濾液過2 cm無水Na2SO4柱后，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至近干。加入分析純正己烷分液，正己烷分20 mL和10 mL 2次加入，每次振蕩萃取3 min，將兩次萃取有機相合并旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至近干，用2.00 mL色譜純正己烷定容，再用正己烷稀釋100倍后待測。

1.5 色譜條件采用BD-1色譜柱(30 m×250 μm，0.25 μm)；檢測器選用ECD檢測器；色譜柱升溫程序為150 °C保持1 min，然后以6 ° C·min-1升至270 °C保持6 min；進樣口溫度260 °C；檢測器溫度320 °C；分流進樣10∶1；進樣量1.0 μL；載氣氮氣(純度≥99.999%)，流速為1.0 mL·min-1。

1.6 添加回收試驗將濃度為0.1，1.0，10.0 mg·L-1的標準溶液加入空白土壤，振蕩混勻后在通風柜中靜置30 min，每個處理5次重復，按上述方法進行前處理及測定，計算添加回收率和相對標準偏差。

1.7 降解半衰期計算方法及分級標準擬除蟲菊酯農(nóng)藥在土壤中的降解按照一級動力學方程ct=c0e-kt，降解半衰期按照t0.5=ln2/k計算。農(nóng)藥在土壤中的降解等級按照《化學農(nóng)藥環(huán)境安全評價試驗準則》進行劃分[17]，詳情見表2。

表2 農(nóng)藥在土壤中的降解等級劃分Tab.2 Grading of degradation characteristic in soil

2 結(jié)果與分析

2.1 3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在土壤中的添加回收率及相對標準偏差從表3可知，在0.1～10 mg·kg-1添加水平下，3種農(nóng)藥在沙土中的平均回收率在72.17%～98.16%之間，相對標準偏差在2.43%～9.23%之間；3種農(nóng)藥在壤土中的平均回收率在72.41%～92.99%之間，相對標準偏差在1.67%～9.80%之間。3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥的回收率及相對標準偏差均符合農(nóng)藥殘留試驗準則要求[17]。

表3 3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在沙土和壤土中的添加回收率Tab.3 Recovery of cyhalothrin, beta-rypermethrin and bifenthrin in sandy soil and loam(n=5)

2.2 好氧條件下3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在土壤中的降解特性表4為好氧條件下3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在沙土和壤土中的降解參數(shù)，回歸曲線符合一級動力學方程。沙土基質(zhì)線下功夫菊酯、高效氯氰菊酯和聯(lián)苯菊酯的降解半衰期分別為115.52，115.52，99.02 d，降解速率為聯(lián)苯菊酯>高效氯氰菊酯和功夫菊酯。壤土基質(zhì)中功夫菊酯、高效氯氰菊酯和聯(lián)苯菊酯的降解半衰期分別為99.02，49.51，99.02 d，降解速率為高效氯氰菊酯>功夫菊酯和聯(lián)苯菊酯。3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在壤土基質(zhì)下的降解速率均快于或等于沙土基質(zhì)。根據(jù)《化學農(nóng)藥環(huán)境安全評價試驗準則》可知，只有在壤土基質(zhì)中的高效氯氰菊酯屬于中等降解農(nóng)藥，其余均為較難降解農(nóng)藥。

巴特等的研究表明，擬除蟲菊酯農(nóng)藥在壤土中的降解速率一般快于沙土和黏土[1]，與本研究結(jié)果相一致。有機質(zhì)的含量會影響高效氯氰菊酯，有機質(zhì)含量高會加速高效氯氰菊酯的降解速率[18]。本研究中高效氯氰菊酯在壤土基質(zhì)中的降解半衰期顯著快于沙土基質(zhì)，原因可能是壤土基質(zhì)中有機質(zhì)的含量高于沙土。其他研究中擬除蟲菊酯類農(nóng)藥在土壤中的降解半衰期皆短于30 d[19-20]，與本研究差異較大，原因可能是海南土壤中有機質(zhì)含量較其他土壤少，影響了擬除蟲菊酯農(nóng)藥的降解。三唑酰草胺在吉林黑土、江西紅土和安徽水稻土中的降解速率不同，吉林黑土中降解最快，江西紅土最慢，這個趨勢與土壤中有機質(zhì)含量的差異相同，有機質(zhì)含量高的土壤中降解速率快[21]。

表4 好氧條件下3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在沙土和壤土中的降解參數(shù)Tab.4 Degradation parameters of cyhalothrin, beta-rypermethrin and bifenthrin in sandy soil and loam under aerobic conditions

2.2 厭氧條件下3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在土壤中的降解特性厭氧條件下，3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在沙土和壤土中的降解皆符合一級動力學方程(表5)。從表5可知，功夫菊酯、高效氯氰菊酯和聯(lián)苯菊酯在沙土基質(zhì)中的降解半衰期分別為49.51，49.51，57.76 d，功夫菊酯和高效氯氰菊酯的降解速率相同且略快于聯(lián)苯菊酯。3種農(nóng)藥在壤土基質(zhì)中的降解半衰期分別為30.13，34.66，57.76 d。降解速率為功夫菊酯>高效氯氰菊酯>聯(lián)苯菊酯。與好氧條件類似，3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在沙土基質(zhì)中的降解速率較慢或等于壤土基質(zhì)。厭氧條件下，6個處理的降解半衰期在30.13～57.76 d之間，均為中等降解農(nóng)藥。

厭氧條件下，3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在土壤中的降解速率較好氧條件下加快，并且壤土基質(zhì)下的降解速率快于沙土基質(zhì)，趨勢與好氧條件一致。厭氧條件下，通過在土層表面施加1 cm的水層及惰性氣體的通入，使得好氧微生物的活性減弱，厭氧微生物活性增強[21]。而微生物對擬除蟲菊酯農(nóng)藥在土壤中的降解起著非常重要的作用[22]，可見，擬除蟲菊酯農(nóng)藥在海南土壤中的降解主要是厭氧微生物作用的結(jié)果。

表5 厭氧條件下3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在沙土和壤土中的降解參數(shù)Tab.5 Degradation parameters of cyhalothrin, beta-rypermethrin and bifenthrin in sandy soil and loam under anaerobic conditions

3 討 論

實驗室條件下，3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在海南標志性土壤沙土和壤土中的殘留隨著時間的延長而減少，降解動態(tài)均符合一級動力學方程。降解半衰期在30.13～138.63 d之間，屬于中等降解農(nóng)藥或較難降解農(nóng)藥。本研究的降解半衰期顯著高于其他研究[23-24]，其原因為土壤中有機質(zhì)的含量過低。土壤中有機質(zhì)的含量會影響農(nóng)藥的降解速率，有機質(zhì)含量越高農(nóng)藥降解相對較快[25]。壤土基質(zhì)下擬除蟲菊酯農(nóng)藥的降解快于沙土基質(zhì)，其原因可能是壤土中有機質(zhì)的含量略高，并且土壤黏粒含量高于沙土。

微生物作用是擬除蟲菊酯農(nóng)藥在土壤中降解的主要方式，張春榮等的研究發(fā)現(xiàn)，好氧條件下農(nóng)藥的降解快于厭氧條件[26]，與本實驗結(jié)果相反。其原因為海南土壤由于土壤中有機質(zhì)含量過低，土壤中好氧微生物含量及活性不高[27]。

綜上所述，海南土壤基質(zhì)有機質(zhì)含量過低，導致農(nóng)藥降解緩慢，3種擬除蟲菊酯農(nóng)藥在海南沙土和壤土介質(zhì)下屬于中等降解農(nóng)藥或較難降解農(nóng)藥，壤土基質(zhì)下降解速率較沙土基質(zhì)快，且厭氧條件可以加快農(nóng)藥的降解。實際使用后會殘留在土壤中并造成一定的危害，實際條件下應注意用藥。