農(nóng)藥在土壤中的結(jié)合殘留及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

唐東民,宗貴儀,唐 勇

(1.眉山市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,四川眉山 620010;2.四川省綿陽(yáng)市工貿(mào)學(xué)校,四川綿陽(yáng) 621023)

農(nóng)藥進(jìn)入土壤后,通過(guò)化學(xué)、物理和生物的作用可與土壤牢固結(jié)合,在采用不改變農(nóng)藥及土壤結(jié)構(gòu)的條件下,不能被普通溶劑所提取,即形成結(jié)合殘留 (Bound Residue)。由于常規(guī)的分析方法不能測(cè)定結(jié)合態(tài)農(nóng)藥殘留,人們對(duì)土壤或植物體中可能存在的結(jié)合農(nóng)藥殘留的性質(zhì)以及結(jié)合殘留的生物可利用率、毒性和累積特性了解得很少,對(duì)結(jié)合殘留的環(huán)境歸宿也還不清楚[1]。農(nóng)藥結(jié)合殘留的形成,即可作為它在環(huán)境中的解毒機(jī)制,同時(shí)結(jié)合態(tài)農(nóng)藥也可在環(huán)境中再釋放,造成對(duì)生態(tài)環(huán)境的再污染。因此研究農(nóng)藥的結(jié)合殘留,對(duì)研究農(nóng)藥的環(huán)境歸宿,評(píng)價(jià)農(nóng)藥對(duì)環(huán)境影響具有重要意義[2]。同時(shí),對(duì)土壤中農(nóng)藥監(jiān)測(cè),分析技術(shù)與方法的建立等也有重要意義。

1 結(jié)合殘留的定義

結(jié)合殘留最初由 Robert于 1984年提出,并被國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)( IUPAC)引用并最終定義為：“按照優(yōu)良農(nóng)業(yè)耕作措施所使用的農(nóng)藥,采用不會(huì)顯著地改變這些農(nóng)藥殘留物化學(xué)性質(zhì)的方法仍不能被提取的農(nóng)藥殘留物”[3]。隨后 Führ又對(duì)該定義進(jìn)行了修改,其范圍擴(kuò)大到農(nóng)藥及其代謝物：“結(jié)合殘留就是經(jīng)提取后仍存在于土壤、植物或動(dòng)物等基質(zhì)中的以母體化合物或其代謝物形式存在化合物,但所采取的提取方法必須不能顯著地改變化合物本身性質(zhì)或基質(zhì)的結(jié)構(gòu)”[4]。Weller等[5]把結(jié)合殘留定義為共價(jià)鍵殘留、溶解性共價(jià)鍵結(jié)合殘留、吸附結(jié)合殘留和俘獲結(jié)合殘留等。由于目前對(duì)結(jié)合殘留的定義主要來(lái)源于試驗(yàn)結(jié)果,因此,有人認(rèn)為結(jié)合殘留僅僅是操作上的定義[6]。

2 結(jié)合殘留形成的機(jī)制

吸附是最重要的農(nóng)藥 -土壤/底泥間交互作用的方式,它調(diào)控著農(nóng)藥在其液相中的濃度及其活性、生物可利用性、毒性等[7];它主要受土壤顆?？障兜拇笮?、形狀、組成以及農(nóng)藥分子結(jié)構(gòu)、極性、溶解性、官能團(tuán)組成等影響[8,9]。因此,農(nóng)藥在土壤 -水環(huán)境中的吸附 -解吸被認(rèn)為是影響其行為和歸宿的支配要素之一[10]。農(nóng)藥結(jié)合殘留的形成通過(guò)物理作用或化學(xué)作用實(shí)現(xiàn),主要包括氫鍵、離子結(jié)合、質(zhì)子結(jié)合、電荷轉(zhuǎn)移、范德華力、配位體交換、疏水分配、共價(jià)鍵結(jié)合、鰲合等,結(jié)合殘留形成過(guò)程,并不是所有機(jī)理都同時(shí)進(jìn)行,往往是多種機(jī)理同時(shí)發(fā)生,這取決于體系的官能團(tuán)和酸度等因素[3]。

2.1 吸附過(guò)程

通常認(rèn)為,農(nóng)藥殘留物在土壤中的吸附特征是：起始為迅速的物理吸附,繼而逐漸增強(qiáng)為化學(xué)吸附。對(duì)于離子型農(nóng)藥來(lái)說(shuō),與土壤腐殖質(zhì)結(jié)合主要是通過(guò)其陽(yáng)離子基團(tuán)而發(fā)生離子交換。Ye等[11]研究表明,在 pH、CEC、有機(jī)質(zhì)和粘粒中等影響因素中,pH是最關(guān)鍵因素,甲磺隆 (metsulfuron-methyl)結(jié)合殘留量隨著 pH的降低而增加,他們認(rèn)為主要通過(guò)離子交換與胡敏酸和富里酸作用;同時(shí)甲磺隆還可通過(guò)電子轉(zhuǎn)移、π-π電荷轉(zhuǎn)移等與土壤發(fā)生作用。而 H鍵結(jié)合在非離子極性農(nóng)藥的吸附中起著重要作用,如 2,4-D、2,4,5-T和百草畏 (dicaba),可通過(guò) -COOH,-COOR基團(tuán)和特有基團(tuán)與土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)生 H-鍵結(jié)合[12,13]。而 Klaus等[14]認(rèn)為敵菌靈 (anilazine)既可通過(guò)醛基 (-CH2O-)、羥基 (-OH)與腐殖質(zhì)親水區(qū)極性基團(tuán)形成氫鍵、共價(jià)鍵而相互結(jié)合,也可以嵌入疏水區(qū)與之形成疏水鍵。

疏水分配理論認(rèn)為低溶解度或疏水性的非極性農(nóng)藥與土壤溶液是不混溶的,但能與土壤腐殖物質(zhì)中疏水基包括脂肪、蠟、樹(shù)脂和某些脂族側(cè)鏈等部分結(jié)合。對(duì)于 DDT、滅草定、麥草畏、毒銹定等農(nóng)藥來(lái)說(shuō),疏水分配是與土壤/底泥發(fā)生相互作用的一種重要的機(jī)制[15,16]。研究表明,除草劑 (thiazafluron和metamitron)其雜環(huán)和芳香環(huán)通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移和疏水鍵與腐殖質(zhì)上的芳核發(fā)生作用[17,18]。

2.2 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程

農(nóng)藥或其降解物最能通過(guò)化學(xué)、光化學(xué)或酶促作用與其含有相似官能團(tuán)的腐殖質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),特別是與具有酚或醌結(jié)構(gòu)的腐殖質(zhì)組分間化學(xué)反應(yīng)。在土壤的腐殖化過(guò)程中,聚合是最重要的反應(yīng)機(jī)制,而氧化偶合又是最重要的聚合反應(yīng)。聚合反應(yīng)是一種自由基反應(yīng),酚、苯胺、氯基酸等類化合物在此反應(yīng)中可經(jīng)共價(jià)鍵結(jié)合形成聚合物,最具有縮合反應(yīng)活性的農(nóng)藥殘留物是芳胺和酚類[11]。氧化偶合,主要受生物和非生物催化劑調(diào)節(jié),例如植物酶、微生物酶、無(wú)機(jī)化合物、粘土礦物以及土壤提取物等的作用而發(fā)生。Scheunert等[19]研究表明,百草強(qiáng)的降解物 4-iso-propylaniline通過(guò)共價(jià)結(jié)合的方式與胡敏酸類聚物和富里酸類聚物發(fā)生聚合。汪海珍等[20]指出,酰苯胺類、氨基甲酸酯類、苯脲類、二硝基苯胺類除草劑,硝基苯胺類殺菌劑,對(duì)硫磷、甲基對(duì)硫磷等有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑等農(nóng)藥也可不經(jīng)過(guò)微生物作用直接與土壤腐殖物質(zhì)形成共價(jià)鍵結(jié)合殘留物。其機(jī)理有兩種可能性,即與土壤腐殖物質(zhì)中的羰基、醌和羧基等形成能被水解的結(jié)合鍵或結(jié)合力很強(qiáng)的、不能水解的鍵[21]。

2.3 捕獲/鎖定作用

以前的研究認(rèn)為不同土壤中的有機(jī)質(zhì)在成分和結(jié)構(gòu)上都是均一的,可用線性分配模型來(lái)表示,有機(jī)物在土壤 /底泥中的吸附解吸是可逆的[22,23];但近年來(lái)眾多研究者開(kāi)始認(rèn)識(shí)到有機(jī)質(zhì)的組成和成分并不是線性分配模型認(rèn)為的那樣具有均一性,土壤有機(jī)質(zhì)既不是簡(jiǎn)單的聚合物,也不是同質(zhì)的固體,具有高度的地質(zhì)化學(xué)異質(zhì)性[24,25]。因此,不同組分對(duì)有機(jī)物在土壤中的鎖定表現(xiàn)出不同的作用[26]。Nam等[27]認(rèn)為粘土礦物中存在許多納米級(jí)的微孔或空穴,這些微孔大小正好是有機(jī)污染物分子大小的范圍,污染物分子一旦被這些微孔鎖定住就很難再擴(kuò)散出來(lái),其結(jié)合殘留程度也就越強(qiáng)。Pignatello認(rèn)為[28]在具有剛性腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)的致密區(qū)域能產(chǎn)生壽命較長(zhǎng)的位點(diǎn),這些位點(diǎn)的原子空間結(jié)構(gòu)和電子排布具有異質(zhì)性,有機(jī)物通過(guò)和其周圍的孔洞發(fā)生交互作用把這些孔洞填充起來(lái),從而把有機(jī)物分子鎖定在孔洞中而難以被提取出來(lái)。黃擎等[29]用二氯甲烷提取在黑土不同粒徑有機(jī)-礦質(zhì)復(fù)合體中的菲和蒽,隨著有機(jī)-礦質(zhì)復(fù)合體結(jié)合時(shí)間的延長(zhǎng),二氯甲烷提取率逐漸下降,他們認(rèn)為造成此種現(xiàn)象主要是因?yàn)椋悍坪洼炀徛M(jìn)入到固態(tài)有機(jī)質(zhì)的內(nèi)部,分子“陷入”土壤的微小孔隙中,菲和蒽從孔隙水?dāng)U散進(jìn)入土壤顆粒結(jié)構(gòu)的微孔中,隨著時(shí)間的推移而進(jìn)入更深的吸附位點(diǎn),被束縛其中。

3 結(jié)合殘留的分析技術(shù)與方法

由于農(nóng)藥在土壤中形成結(jié)合態(tài)殘留的形式和機(jī)制不同,所采用的分析方法也就不同,這取決于所研究農(nóng)藥及供試土壤的性質(zhì),而研究目的在于將結(jié)合態(tài)殘留物以適合于做定性分析的形式提取出來(lái)。結(jié)合殘留的分析技術(shù)與方法主要涉及到結(jié)合殘留在土壤中的分布、提取以及結(jié)構(gòu)特征的研究。研究結(jié)合殘留分布的主要方法是放射性標(biāo)記法和同位素示蹤;提取方法主要有：超聲波提取、微波提取、超臨界流體萃取 (supercritical fluid extraction,SFE)以及加速溶劑提取 (accelerated solvent extraction,ASE)等;結(jié)構(gòu)特征分析方法主要有：水解法、衍生物提取、高溫分解與熱解吸、光譜法(電子自旋共振 ESR,傅里葉變換紅外 FTI R、核磁共振NMR、熒光光譜)、免疫分析以及凝膠色譜、排阻色譜等方法。Northcott和Jones在這方面做了詳細(xì)而全面的論述[30]。

4 結(jié)合殘留的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)境意義

4.1 結(jié)合殘留釋放的可能性

由于土壤中動(dòng)植物和微生物的作用,以結(jié)合態(tài)存在于土壤中的農(nóng)藥殘留物有可能被重新釋放出來(lái),被動(dòng)植物吸收利用。研究發(fā)現(xiàn),在一定條件下,氯磺隆結(jié)合殘留物能重新釋放出來(lái),以可提取態(tài)存在于土壤溶液中,并且釋放出來(lái)的氯磺隆較難揮發(fā)或以 CO2的形式消失[31,32]。徐建民等[33]采用分級(jí)方法研究了甲磺隆結(jié)合殘留在土壤的分布,結(jié)果顯示,土壤中大部分是活性較高的松結(jié)態(tài)甲磺隆殘留物,而穩(wěn)結(jié)態(tài)和緊結(jié)態(tài)的含量較少,說(shuō)明其潛在的環(huán)境威脅也較大;而青霉 (Penicilliumsp.)有利于松結(jié)態(tài)甲磺隆尤其是松結(jié)態(tài)富里酸甲磺隆的降解[34]。Xu等[35]用14C標(biāo)記法研究了DDT結(jié)合殘留的釋放,表明DDT結(jié)合殘留物可以通過(guò)微生物作用而重新釋放出來(lái),產(chǎn)物以14C-DDD為主,占到了整個(gè)產(chǎn)物的50%。

4.2 結(jié)合殘留的生物有效性

以前認(rèn)為結(jié)合態(tài)農(nóng)藥殘留的生物有效性較低,然而越來(lái)越多的研究證實(shí)農(nóng)藥的結(jié)合殘留物具有一定的生物有效性,特別是對(duì)微生物來(lái)說(shuō)更是如此,但對(duì)于不同的供試生物體來(lái)說(shuō),其生物有效性不同。研究發(fā)現(xiàn),氯磺隆結(jié)合殘留能顯著抑制油菜及水稻幼苗的生長(zhǎng)[36,37];汪海珍等[38]研究結(jié)果表明,土壤中甲磺隆結(jié)合態(tài)殘留物的生態(tài)效應(yīng)較強(qiáng),對(duì)土壤細(xì)茵、真茵具有顯著的刺激作用,對(duì)土壤放線茵抑制率高達(dá) 100%。然而有些報(bào)道卻證實(shí),隨著DDT與土壤接觸時(shí)間的增加,其結(jié)合強(qiáng)度也增強(qiáng),植物根系吸收 DDT的量也隨時(shí)間增長(zhǎng)呈不斷下降趨勢(shì),表明生物有效性越低[39]。通過(guò)對(duì)蚯蚓的試驗(yàn)表明,雖然經(jīng)老化后的有機(jī)物其可提取態(tài)含量降低,生物有效性也降低了,但仍能在蚯蚓體內(nèi)富集,存在一定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[40～42]。

5 研究展望

關(guān)于農(nóng)藥殘留的研究在我國(guó)已有 20多年的歷史,但過(guò)去我們從事的大多是可萃取的農(nóng)藥殘留研究,對(duì)于結(jié)合態(tài)農(nóng)藥殘留研究得很少。就目前的研究水平、農(nóng)藥的施用狀況等來(lái)說(shuō),今后研究?jī)?nèi)容主要有以下幾方面：

(1)目前絕大多數(shù)研究均在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,研究主要集中在其毒性或有效性的鑒定上,而有關(guān)田間研究的詳細(xì)報(bào)道則頗罕見(jiàn)[43],因此研究結(jié)果往往與實(shí)際情況存在偏差;同時(shí),結(jié)合殘留分析的方法學(xué)仍處于發(fā)展、完善階段[44],要加大結(jié)合殘留物分析技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

(2)結(jié)合態(tài)農(nóng)藥殘留的生物有效性它不僅影響到后茬作物生產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量,而且直接關(guān)系到人類的健康。因此農(nóng)藥結(jié)合殘留的生物效應(yīng)值得重視,開(kāi)展結(jié)合殘留物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

(3)對(duì)于農(nóng)藥結(jié)合殘留釋放的影響因子等還有待進(jìn)一步研究,例如越來(lái)越多的研究表明,施用外源有機(jī)物料能帶入大量的溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM),而DOM對(duì)農(nóng)藥等有機(jī)物的吸附解吸、生物有效性、降解等具有重要影響[45～47]。外源加入DOM對(duì)農(nóng)藥是促進(jìn)其結(jié)合殘留的形成還是抑制,結(jié)合殘留形成后是促進(jìn)其釋放還是抑制等,這方面的研究鮮有報(bào)道。同時(shí),植物根區(qū)作為根土界面一種特殊區(qū)域,根際分泌物是否對(duì)結(jié)合態(tài)農(nóng)藥殘留存在活化或鈍化作用,也很少見(jiàn)到報(bào)道。

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