微酸性電解水對溶液體系中毒死蜱的降解機(jī)制及途徑分析研究

李慧穎，李嘉欣，郝建雄

（河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

有機(jī)磷農(nóng)藥殘留引起的環(huán)境污染及食品安全等問題日益受到關(guān)注。目前已經(jīng)開展果蔬農(nóng)藥殘留降解方法方面的研究，其中臭氧降解法[1-2]、過氧化氫降解法[3]以及光催化降解法[4]是降解農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留的典型化學(xué)方法。此外，還有些降解農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留的新方法如油菜素內(nèi)酯降解法[5]等。但這些方法多為環(huán)境農(nóng)藥殘留的消除控制技術(shù)[6-7]，能應(yīng)用在降解果蔬上農(nóng)藥殘留的方法鮮見報道。

微酸性電解水為pH 5.5～6.5的電解離子水，作為一種優(yōu)良新型的殺菌劑，其殺菌效果已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，應(yīng)用于食品加工[8-10]、醫(yī)療衛(wèi)生[11-12]和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[13-15]中的研究均已展開。將微酸性電解水應(yīng)用于果蔬中農(nóng)藥殘留的降解研究，拓寬其在食品安全方面的應(yīng)用領(lǐng)域，對于該技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用將提供一條新的途徑。有研究結(jié)果表明微酸性電解水能有效去除白菜中的辛硫磷和油菜中的乙酰甲胺磷[16]，但是對于微酸性電解水消除果蔬農(nóng)藥殘留的降解機(jī)制及途徑還有待研究。

本研究選取有機(jī)磷農(nóng)藥毒死蜱標(biāo)準(zhǔn)品水溶液體系為研究對象，考察了水溶液體系中單一組分對微酸性電解水的敏感性，通過鑒定不同反應(yīng)階段農(nóng)藥降解產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，對其降解途徑進(jìn)行分析，旨在為將微酸性電解水用于消除果蔬農(nóng)藥殘留提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

毒死蜱標(biāo)準(zhǔn)品（100 μg/mL）：農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研檢測所提供；氯化鈉、碘化鉀（均為分析純）:天津市百世化工有限公司；硫代硫酸鈉、可溶性淀粉、冰乙酸、三氯甲烷（均為分析純）:天津市永大化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

質(zhì)譜儀（5975系列）、氣相色譜儀（7890）：安捷倫科技有限公司；電子天平（AR1140）：上海梅特勒-托利多儀器有限公司；電子天平（FA2004B）：上海精科天美科學(xué)儀器有限公司；精密pH計（PHS-3C）：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；旋渦混合器（VORIEX-5）：海門市其林貝爾儀器制造有限公司；可調(diào)式電解水發(fā)生器：河北科技大學(xué)生工學(xué)院分離工程實驗室自制。

1.3 方法

1.3.1 酸性電解離子水的制備

采用可調(diào)式電解水發(fā)生器來制備微酸性電解水[17]，制備4種不同有效氯濃度（available chlorine concentration，ACC）的微酸性電解水，分析不同ACC和不同反應(yīng)時間對毒死蜱降解效果的影響。制得的電解水需5 min內(nèi)完成理化指標(biāo)的檢測，pH值用pH計檢測，有效氯濃度采用碘量法測定[18]。微酸性電解水制備條件和理化指標(biāo)詳見表1。

表1 微酸性電解水制備條件及理化指標(biāo)Table 1 Production conditions and physical and chemical indicators of slightly acidic electrolyzed water

1.3.2 微酸性電解水對毒死蜱標(biāo)準(zhǔn)品的降解

1.3.2.1 反應(yīng)時間對微酸性電解水降解毒死蜱效果的影響

取5 mL 1號微酸性電解水樣品于10 mL離心管中，加入200 μL毒死蜱標(biāo)準(zhǔn)品溶液，立即開始計時并振蕩，然后加入1 mL的0.2 mol/L硫代硫酸鈉溶液（中和劑）終止反應(yīng)，立即取1 mL三氯甲烷進(jìn)行萃取，重復(fù)萃取兩次，最后用三氯甲烷定容至2 mL，用0.22 μm濾膜過濾后，備用待檢測。按照上述操作步驟，設(shè)定反應(yīng)時間分別為 0.5、1、2、3、5、10 min，并對 2、3、4 號微酸性電解水樣品進(jìn)行重復(fù)試驗。

1.3.2.2 微酸性電解水有效氯濃度對降解效果的影響

取5 mL 1號微酸性電解水樣品于10 mL離心管中，加入200 μL毒死蜱標(biāo)準(zhǔn)品溶液，立即開始計時并振蕩，振蕩時間分別為0.5、2 min和10 min，然后加入1 mL的0.2 mol/L硫代硫酸鈉溶液（中和劑）終止反應(yīng)，立即取1 mL三氯甲烷進(jìn)行萃取，最后用三氯甲烷定容至2 mL，用0.22 μm濾膜過濾后，備用待檢測。按照上述操作步驟，取2、3、4號微酸性電解水樣品進(jìn)行重復(fù)試驗。

1.3.2.3 微酸性電解水降解毒死蜱產(chǎn)物分析

采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（high-performance liquid chromatography，GC-MS）進(jìn)行分析，得到有效氯濃度為1.95 mg/L的微酸性電解水對4 μg/mL的毒死蜱水溶液處理10 min和30 min后的總離子流圖（total ion chromatogram，TIC）。

1.3.3 GC-MS分析毒死蜱降解產(chǎn)物

色譜柱：DB-FFAP；進(jìn)樣口溫度：250℃；柱溫：60℃保持10 min，以10℃/min上升至220℃，保持33 min；載氣：氦氣，流速1 mL/min；不分流；接口溫度：250℃；離子源溫度：250℃；電離方式：EI；掃描范圍：25 amu ～450 amu；掃描周期：0.2 s。

1.3.4 農(nóng)藥降解率計算

氣相色譜定量方式采用外標(biāo)法，以峰面積計算樣品中農(nóng)藥的殘留量，按公式（1）計算，農(nóng)藥降解率按公式（2）計算。

式中：ω為樣品中農(nóng)藥含量，μg/L；φ為標(biāo)準(zhǔn)溶液中農(nóng)藥的含量，mg/L；A為樣品中農(nóng)藥的峰面積；AS為標(biāo)樣中農(nóng)藥的峰面積；V1為提取溶劑總體積，mL；V2為吸取出用于檢測的提取溶液的體積，mL；V3為樣品定容體積，mg/L；V4為樣品的體積，mL。

式中：G1為樣品降解前農(nóng)藥殘留量，μg/L；G2為樣品降解后農(nóng)藥殘留量，μg/L。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

上述試驗均重復(fù)測定3次，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，處理間的平均數(shù)比較用SPSS統(tǒng)計軟件中的ANOVA法，最小差異顯著性水平為5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 微酸性電解水對毒死蜱的降解效果

2.1.1 反應(yīng)時間對微酸性電解水降解毒死蜱效果的影響

分別在微酸性電解水有效氯濃度為1.95、5.66、10.63、29.32 mg/L下對水體系中毒死蜱進(jìn)行降解研究，結(jié)果見圖1。

圖1 反應(yīng)時間對微酸性電解水降解毒死蜱效果的影響Fig.1 The influence of reaction time on degradation effects of chlorpyrifos by slightly electrolyzed water

4個有效氯濃度水平下毒死蜱的降解率均達(dá)到99.6%以上，在低有效氯濃度水平下，毒死蜱的降解率隨時間的延長而逐漸增加，處理時間10 min后，增加到99.69%。而在5.66、10.63、29.32 mg/L有效氯濃度下，0.5 min時毒死蜱降解率就高于99.95%，時間的延長并沒有使毒死蜱降解率發(fā)生明顯改變，說明毒死蜱的降解過程是一個快速的反應(yīng)過程，只要有效氯濃度達(dá)到一定值，如30 mg/L左右，0.5 min就可以將4 μg/mL的毒死蜱徹底降解。

2.1.2 微酸性電解水有效氯濃度對降解效果的影響

選擇4個有效氯濃度水平，處理時間為0.5 min、2 min和10 min時的毒死蜱的降解效果作圖，結(jié)果如圖2。

圖2 有效氯濃度對微酸性電解水降解毒死蜱效果的影響Fig.2 The influence of available chlorine concentration on degradation effects of chlorpyrifos by slightly electrolyzed water

同一反應(yīng)時間內(nèi)，不同有效氯濃度的微酸性電解水對于降解毒死蜱效果的影響趨勢相似，濃度的增加能增強(qiáng)微酸性電解水對毒死蜱的降解效果。當(dāng)有效氯濃度達(dá)到5.66 mg/L時，微酸性電解水對毒死蜱的降解率達(dá)到99.96%以上；當(dāng)有效氯濃度大于5.66 mg/L時，毒死蜱降解率無明顯提高，在有效氯濃度為29.32 mg/L時，微酸性電解水對毒死蜱的降解率達(dá)到100%。由此看來，在一定濃度的毒死蜱水溶液體系中，低濃度有效氯的微酸性電解水對毒死蜱的降解就能達(dá)到理想效果。

2.1.3 微酸性電解水降解毒死蜱產(chǎn)物分析

圖3、圖4分別為有效氯濃度為1.95 mg/L的微酸性電解水對4 μg/mL的毒死蜱水溶液處理10 min和30 min后的總離子流圖。

圖3 毒死蜱降解產(chǎn)物總離子流圖（10 min）Fig.3 The total ion current of chlorpyrifos degradation products（10 min）

圖4 毒死蜱降解產(chǎn)物總離子流圖（30 min）Fig.4 The total ion current of chlorpyrifos degradation products（30 min）

在圖3和圖4的總離子流圖中，除了毒死蜱，還發(fā)現(xiàn)了毒死蜱降解產(chǎn)物氯吡硫磷一氧（diethyl 3，5，6-trichloro-2-pyridyl ester，CPO），從圖中可以看出，毒死蜱和CPO的保留時間分別為24.357、24.180 min。

在用超聲波處理蘋果濃縮汁里的毒死蜱的研究中，Zhang等也檢測出了毒死蜱的主要降解產(chǎn)物CPO，并認(rèn)為CPO的產(chǎn)生是由·OH引起的[19]。張慶芳等使用γ射線輻射毒死蜱，研究其輻射效果及降解產(chǎn)物，毒死蜱經(jīng)輻射處理后發(fā)現(xiàn)4種降解產(chǎn)物，其中就有CPO[20]。因此可以認(rèn)為，CPO是毒死蜱氧化過程中主要的中間產(chǎn)物，與本試驗結(jié)果一致。圖3和圖4可以看出，隨著反應(yīng)時間的延長，毒死蜱減少而CPO增多。CPO峰面積隨反應(yīng)時間的變化見圖5。

圖5 氯吡硫磷一氧峰面積隨反應(yīng)時間的變化Fig.5 The relationship between CPO peak area and treatment time

由圖5可知，CPO含量隨著反應(yīng)時間的延長有先增加后減少的趨勢。由此猜想微酸性電解水首先降解毒死蜱，后進(jìn)一步降解CPO，只是微酸性電解水降解CPO的速率比降解毒死蜱的速率慢，短時間內(nèi)，不能將CPO徹底清除。

2.2 微酸性電解水對毒死蜱的降解途徑分析

微酸性電解水降解有機(jī)磷農(nóng)藥是個復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程。光催化降解有機(jī)磷農(nóng)藥過程中·OH攻擊有機(jī)磷農(nóng)藥的P=S鍵而把原來的P=S鍵轉(zhuǎn)換成P=O鍵，這是光催化降解有機(jī)磷農(nóng)藥的一個反應(yīng)特性[21]。借鑒光催化降解有機(jī)磷農(nóng)藥的機(jī)制，以毒死蜱為例，本研究對微酸性電解水處理有機(jī)磷農(nóng)藥毒死蜱的降解過程進(jìn)行了分析。目前對于微酸性電解水的活性成分研究結(jié)果顯示，微酸性電解水的主要活性成分為強(qiáng)氧化性的HOCl和·OH[22]?；谝陨峡紤]，認(rèn)為毒死蜱降解成CPO可能是HOCl和·OH共同參與的結(jié)果。在微酸性電解水的作用下，首先有機(jī)磷農(nóng)藥的P=S鍵受到攻擊，通過親電子反應(yīng)形成含有磷-硫-氧環(huán)的中間產(chǎn)物，此中間產(chǎn)物是很多S-氧化物反應(yīng)中的中間產(chǎn)物。含有磷-硫-氧環(huán)的中間產(chǎn)物進(jìn)一步丟失S而形成含有P=O鍵的氧化物，釋放出的S被迅速氧化成SO42-。含有P=O鍵的氧化物進(jìn)一步被降解，最終降解成CO2、SO42-、PO43-等物質(zhì)。

圖6為毒死蜱在微酸性電解水中的降解途徑分析示意圖。

圖6 毒死蜱在微酸性電解水作用下的降解途徑假設(shè)Fig.6 The hypothesis degradation pathways of chlorpyrifos in slightly electrolyzed water

從毒死蜱到CPO，可能有兩種途徑；一是從（1）→（2）→（4）→（5），即 HOCl攻擊（1）的 P=S鍵，-H 加到S上，-OCl加到P上，然后產(chǎn)生中間產(chǎn)物（4），中間產(chǎn)物（4）丟失S而產(chǎn)生產(chǎn)物（5）。第二種可能途徑是從（1）→（3）→（4）→（5），即·OH 攻擊（1）的 P=S鍵，-OH 加到 P上，S被活化，產(chǎn)生中間產(chǎn)物（3），中間產(chǎn)物（3）進(jìn)一步脫氫，轉(zhuǎn)換為中間產(chǎn)物（4），中間產(chǎn)物（4）脫硫產(chǎn)生產(chǎn)物（5）。

從 CPO 到 3，5，6-三氯吡啶-2-醇，·OH 攻擊（5）的-P=O旁邊的P-O鍵，導(dǎo)致產(chǎn)生產(chǎn)物（6）和含有OHP=O 結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物（7）；或者·OH 攻擊（5）的 -P=O旁邊的P-O鍵，導(dǎo)致產(chǎn)生產(chǎn)物（6）和含有H-P=O結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物（8）。降解產(chǎn)物（6）、（7）、（8）在 HOCl和·OH 的作用下進(jìn)一步降解成更小的小分子物質(zhì)，最終降解成CO2、PO43-等物質(zhì)。

3 結(jié)論

本研究以毒死蜱標(biāo)準(zhǔn)品為研究對象，研究了毒死蜱對微酸性電解水的敏感性及其降解產(chǎn)物。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)溶液體系中微酸性電解水對毒死蜱降解效果顯著，有效氯濃度為5.66 mg/L時，反應(yīng)時間30 s內(nèi)，毒死蜱降解率達(dá)到99.96%。試驗還檢測到毒死蜱直接降解產(chǎn)物氯吡硫磷一氧，在此基礎(chǔ)上推斷了毒死蜱在HOCl和·OH作用下的假設(shè)降解途徑。

本研究在既定農(nóng)藥初始濃度和反應(yīng)時間條件下檢測出直接降解產(chǎn)物，對于其他中間產(chǎn)物并未檢出，因此只能進(jìn)行降解途徑的假設(shè)。下一步的研究將進(jìn)一步降低農(nóng)藥初始濃度或縮短反應(yīng)時間，以便發(fā)現(xiàn)中間產(chǎn)物，從而探明微酸性電解水處理有機(jī)磷農(nóng)藥的降解途徑。另外，本研究僅以一種有機(jī)磷農(nóng)藥毒死蜱作為研究對象，還需進(jìn)一步拓展農(nóng)藥研究范圍。