韓新寧
(寧夏師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,寧夏 固原 756099)
農(nóng)藥作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的生產(chǎn)資料,為全世界避免和挽回因農(nóng)業(yè)病、蟲、草害損失的糧食占總產(chǎn)量的1/3[1].自1991年第一個(gè)新煙堿殺蟲劑——吡蟲啉問世后,該殺蟲劑就以獨(dú)特新穎的作用方式、良好的根部內(nèi)吸性、低哺乳動(dòng)物毒性、高效、廣譜和對(duì)環(huán)境相容性好等特點(diǎn)而廣受歡迎,成為全球銷售額最大的殺蟲劑[2].啶蟲脒是繼吡蟲啉和烯啶蟲胺后第三個(gè)商品化的新煙堿類殺蟲劑,具有良好的觸殺胃毒和滲透作用[2].新煙堿類農(nóng)藥是一類高效植食性殺蟲劑[3],但會(huì)對(duì)非目標(biāo)生物(蜜蜂、鳥類、蚯蚓等)和人類健康構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)[4-5].所以,2018年歐盟禁止吡蟲啉、噻蟲胺及噻蟲嗪3種新煙堿類農(nóng)藥在室外環(huán)境下使用[6].盡管吡蟲啉對(duì)蜜蜂的毒性和抗性問題在國際市場(chǎng)上存在使用爭議,但目前卻沒有品種能夠完全取代它,在我國仍在大量使用.要確定新煙堿類殺蟲劑對(duì)人類和生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn),就必須深入了解影響該類化合物在土壤中的吸附和解吸因素,明確它們?cè)诓煌h(huán)境中的降解途徑和過程[7],這樣才能正確評(píng)價(jià)農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的影響,也能探索潛在的處理農(nóng)藥殘留污染問題的方法.
農(nóng)藥在土壤中的殘留行為與土壤性質(zhì)及環(huán)境因素有關(guān),如土壤類型、有機(jī)質(zhì)含量、pH值、微生物、時(shí)間、溫度、濕度、覆蓋度、灌溉甚至農(nóng)藥配方中的納米顆粒等[8-10].Sarkar等[11]研究表明,土壤類型會(huì)影響吡蟲啉在土壤中的穩(wěn)定性,不同類型土壤吡蟲啉半衰期有顯著差異.宋超等[12]指出土壤微生物是影響農(nóng)藥殘留降解的首要因素,滅菌處理土壤中農(nóng)藥降解速率明顯低于非滅菌土壤,這是由于土壤中特定功能性微生物和酶是徹底消除土壤中農(nóng)藥殘留量的主要途徑[13-14].其中,嗜熱球菌和厚壁菌門是農(nóng)藥降解的主要微生物[15],如光合細(xì)菌(Rhodopseudomonascapsulata)就可以有效降解吡蟲啉[16].此外,環(huán)境溫度、土壤含水量和初始濃度等因素也會(huì)對(duì)農(nóng)藥殘留降解產(chǎn)生不同影響:在5℃~35℃范圍內(nèi),隨著溫度的升高,農(nóng)藥降解速度加快;土壤含水量為最大持水量的60%左右時(shí)降解最快;農(nóng)藥初始濃度越高,降解速度越慢.但也研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí),多菌靈在煙葉中的降解速率最快,溫度為35℃時(shí)降解速率最慢[17].在眾多影響因素中,影響農(nóng)藥殘留的主要因素也是重要研究內(nèi)容.Lammoglia等[18]利用Stics-Macro模型與拉丁超立方實(shí)驗(yàn)相結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)對(duì)滅草松和丙草胺殘留影響最大的是年際間的氣候變化因素,其次為土壤類型.而Wahla等[19]對(duì)美屈津的殘留影響程度研究指出:溫度>接種體濃度> pH >農(nóng)藥濃度.微生物活性、有機(jī)質(zhì)和pH值對(duì)吡蟲啉降解有較大影響[20].Fernández-Bayo等[21]發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量較低的土壤中吡蟲啉的吸附量與土壤有機(jī)碳之間并不相關(guān).與酸性物質(zhì)相比,堿性條件對(duì)吡蟲啉降解更有利[7].所以,土壤中農(nóng)藥殘留量的主要影響因素與所處環(huán)境和土壤自身屬性有關(guān).
枸杞(LyciumbarbarumL.)是名貴的中藥材和良好的保健品,干果含糖量達(dá)40%~60%,極易發(fā)生病蟲害.因其獨(dú)特的地理氣候條件,寧夏成為枸杞的原產(chǎn)地和生長的最佳生態(tài)區(qū),種植面積已達(dá)100萬畝,占全國的45%,加工轉(zhuǎn)化率達(dá)25%[22],其中中寧枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)都居首位.然而,由于部分干果中最大農(nóng)藥殘留量過高,直接影響了枸杞的品質(zhì)和價(jià)值.新煙堿類農(nóng)藥就是近年來使用最廣泛的殺蟲劑之一,其中吡蟲啉和啶蟲脒對(duì)枸杞蚜蟲、癭螨、負(fù)泥蟲、蛀果蛾等都有良好的殺蟲效果.樊桂紅[23]、王瑩等[24]通過對(duì)寧夏主產(chǎn)區(qū)枸杞干果農(nóng)藥殘留檢測(cè)發(fā)現(xiàn)吡蟲啉和啶蟲脒檢出率居高不下.一般農(nóng)藥80%~90%最終將進(jìn)入土壤環(huán)境[25],但對(duì)不同環(huán)境條件寧夏中寧枸杞種植園土壤中這兩種農(nóng)藥降解的影響因素還未見報(bào)道.因此,確定不同溫度、濕度、鹽堿化程度、初始濃度和微生物條件下寧夏中寧枸杞種植園土壤中吡蟲啉及啶蟲脒降解速率及半衰期變化規(guī)律,能夠?qū)υ摰貐^(qū)枸杞種植園新煙堿類農(nóng)藥污染土壤的防治和食品安全提供科學(xué)依據(jù).
主要藥品:甲醇(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、石英砂(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、NaHCO3(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、Na2CO3(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、NaCl(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、Na2SO4(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、乙腈(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、甲酸(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、石墨化炭黑(上海麥克林生化科技有限公司).
主要儀器:LCMS-8040液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(島津企業(yè)管理(中國)有限公司)、 TGL-16M離心機(jī)(湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司)、LD-WSYP土壤檢測(cè)儀(山東萊恩德智能科技有限公司)、VD-850 潔凈工作臺(tái)(上海力辰邦西儀器科技有限公司)、PHS-25PH計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)、QHP-250BE生化培養(yǎng)箱(上海力辰邦西儀器科技有限公司)、YX280/20高壓滅菌鍋(上海三申醫(yī)療器械有限公司)、DHG-9036A干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)、BCD-230WETCL冰箱(合肥晶弘電器有限公司).
寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市中寧縣(105°26′~ 106°7′E,37°09′~ 37°50′N)是寧夏枸杞品質(zhì)最好、種植面積最大的主產(chǎn)區(qū),目前枸杞種植約1.33萬公頃,主要集中在舟塔鄉(xiāng)、大戰(zhàn)場(chǎng)鎮(zhèn)、恩和鎮(zhèn)、寧安鎮(zhèn)和鳴沙鎮(zhèn),其中舟塔鄉(xiāng)的面積最大,供試土壤就采自該鄉(xiāng).研究區(qū)土壤普遍為砂壤土,2.0 mm~0.02 mm顆粒含量約600 g/kg~670 g/kg,0.02 mm~0.002 mm顆粒含量在120 g/kg~200 g/kg,小于0.002 mm的顆粒含量少于200 g/kg,少數(shù)土壤屬于壤土或黏壤土.
供試土壤中吡蟲啉和啶蟲脒均未檢出.其基本理化性狀如表1所示.
表1 供試土壤基本理化性狀
按以下要求進(jìn)行培養(yǎng),測(cè)定6種情況下各土樣中吡蟲啉和啶蟲脒的殘留量.
(i)溫度:取過2 mm篩的新鮮土壤1.0 kg于塑料盆中,分別吸取吡蟲啉和啶蟲脒母液(原液稀釋10倍)均勻滴入石英砂中混勻,將混有藥液的石英砂與土壤充分?jǐn)嚢柚辆鶆颍雇寥乐羞料x啉和啶蟲脒濃度為1.0 mg/kg,含水量均調(diào)節(jié)到最大田間持水量的60%,鋁箔紙封口,分別置于5℃、15℃、25℃和35℃的生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng).每5 d補(bǔ)充無菌水以維持含水量為最大持水量的60%.
(ii)水分:取過2 mm篩的風(fēng)干土壤1.0 kg于塑料盆中,分別吸取吡蟲啉和啶蟲脒母液均勻滴入石英砂中混勻,再將混有藥液的石英砂與土壤充分?jǐn)嚢柚辆鶆?,使土壤中吡蟲啉和啶蟲脒濃度為1.0 mg/kg,施藥后加入適量蒸餾水調(diào)節(jié)含水量分別為飽和持水量的20%、40%、60%和80%,鋁箔紙封口,置于 25℃下培養(yǎng).每5 d補(bǔ)充無菌水以維持含水量要求.
(iii)初始濃度:取過2 mm篩的新鮮土壤1.0 kg于塑料盆中,吸取吡蟲啉和啶蟲脒母液均勻滴入石英砂中混勻,再將含有藥液的石英砂與土壤充分?jǐn)嚢柚辆鶆?,使土壤中吡蟲啉和啶蟲脒濃度分別為0(對(duì)照,同體積甲醇)、1.0 mg/kg、5.0 mg/kg和 10.0 mg/kg,鋁箔紙封口,置于25℃的生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng).每5 d補(bǔ)充無菌水以維持含水量為最大持水量的60%.
(iv)pH值:研究區(qū)堿性成分主要為NaHCO3和Na2CO3,根據(jù)其含量特點(diǎn),將NaHCO3和Na2CO3按摩爾比2∶1混合配用,將土壤pH值分別調(diào)節(jié)為7.5、8.0、8.5、9.0、9.5.
(vi)含鹽量:根據(jù)研究區(qū)鹽分主要為NaCl和Na2SO4,根據(jù)其含量特點(diǎn),將NaCl和Na2SO4按摩爾比1∶1混合配用,將土壤全鹽含量分別調(diào)節(jié)為1.0 mg/kg、2.0 mg/kg、3.0 mg/kg、4.0 mg/kg.
(vii)微生物:滅菌與不滅菌.在加入兩種農(nóng)藥前,先將部分供試土壤采用濕熱法間歇滅菌3次,每次30 min,在無菌操作下調(diào)節(jié)土壤含水量為最大持水量的 60% 后,加入同樣方法滅菌后的混有藥液的石英砂,混合均勻.非滅菌土壤處理:無滅菌過程,其余操作完全同滅菌土壤處理.土壤中吡蟲啉和啶蟲脒濃度均為1.0 mg/kg,將處理好的非滅菌土、滅菌土鋁箔紙封口后置于25℃的生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng),鋁箔紙封口.每5 d補(bǔ)充無菌水以維持含水量為最大持水量的60%.
每個(gè)處理重復(fù)3次.所有處理均在施藥后2 h、3 d、7 d、14 d、21 d、30 d和60 d取樣,測(cè)定吡蟲啉和啶蟲脒殘留量.
烘干法測(cè)定土壤水分,其他樣品-20℃保存,用于土壤吡蟲啉和啶蟲脒殘留量的測(cè)定.
稱取5 g樣品,加入20 mL乙腈提取,震蕩15 min,然后5000轉(zhuǎn)離心5 min,取2 mL上清液加入石墨化炭黑50 mg,過濾膜,等待進(jìn)樣.稀釋4倍,流動(dòng)相為乙腈和0.1%甲酸水,流速0.3 mL.檢測(cè)限為0.01 mg/kg.
不同溫度條件下,寧夏中寧枸杞園土壤中吡蟲啉和啶蟲脒的降解動(dòng)態(tài)都符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式(表2).由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,土壤溫度從5℃上升到35℃時(shí),吡蟲啉的半衰期從37.23 d逐漸減少到6.92 d,啶蟲脒的半衰期從33.84 d減少到4.74 d,差異均達(dá)到極顯著水平.溫度每升高10℃,吡蟲啉半衰期縮短27.8%、53.0%和45.5%;啶蟲脒的半衰期縮短幅度分別為39.24%、69.39%和34.56%,前期降幅較大,后期降幅減緩.兩種農(nóng)藥均在土壤溫度為35℃時(shí)降解最快、半衰期最短.
表2 土壤溫度對(duì)吡蟲啉和啶蟲脒殘留降解的影響
李義強(qiáng)[17]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí),多菌靈在煙葉中的半衰期最短,在溫度為35℃時(shí)降解速率最慢.這是由于25℃煙葉生長較好,酶的活性最強(qiáng),對(duì)農(nóng)藥降解和代謝能力較強(qiáng),而35℃條件下,煙葉在高溫脅迫下,酶的活性有一定程度干擾,代謝能力較低,多菌靈的降解轉(zhuǎn)化傳導(dǎo)能力較低.Bhardwaj[26]指出溫度升高,生物體代謝活動(dòng)旺盛,在0℃~40℃土壤微生物代謝能力隨溫度升高而加強(qiáng),莠去津在土壤中的降解速率與溫度呈正相關(guān)[27].本研究結(jié)果說明吡蟲啉、啶蟲脒和莠去津在土壤中的降解對(duì)溫度的響應(yīng)一致.此外,盛夏時(shí)期土壤中吡蟲啉和啶蟲脒降解最快,該時(shí)期也是枸杞盛果期,農(nóng)戶噴灑農(nóng)藥也最頻繁,高溫促使農(nóng)藥更快降解,這有利于土壤和枸杞果實(shí)中殘留的新煙堿類農(nóng)藥保持較低量.相同溫度條件下吡蟲啉和啶蟲脒在青島土壤中的降解半衰期普遍較短[12],這可能是因?yàn)楸狙芯抗┰囃寥罏楣嘤偻粒瑢儆谏百|(zhì)壤土,孔隙度相對(duì)較大,更有利于農(nóng)藥降解,而且該地區(qū)土壤普遍呈弱堿性,研究表明,pH值對(duì)農(nóng)藥降解有一定的促進(jìn)作用[28].且寧夏枸杞園夏季土壤各菌群多樣性和豐度均顯著大于秋季和春季,所以土壤溫度較高時(shí)能夠顯著促進(jìn)農(nóng)藥降解[29].
土壤濕度對(duì)吡蟲啉和啶蟲脒的影響基本一致(表3):從20%到60%,隨著土壤濕度的增加,兩種農(nóng)藥降解速度加快,半衰期顯著縮短,但濕度增加到80%時(shí),半衰期均顯著增長,農(nóng)藥降解速率最慢.土壤濕度為60%時(shí)兩種農(nóng)藥降解最快,半衰期分別為12.69 d和7.32 d.原因可能是土壤含水量增加致使氧氣減少,而供試土壤是砂質(zhì)壤土,土壤微生物以好氧微生物為主[29],土壤中氧氣減少抑制了某些好氧微生物的代謝進(jìn)而影響啶蟲脒和吡蟲啉的降解[1].李義強(qiáng)[17]研究發(fā)現(xiàn),在一定的濕度范圍內(nèi),隨著濕度的增加,多菌靈降解速率也逐漸加快;濕度為60%時(shí)半衰期最短,降解速率最快,濕度為100%時(shí)半衰期最長,降解速率最慢,與本研究結(jié)果一致.苗輝等[30]研究結(jié)果表明莠去津的降解速率隨土壤濕度的升高而降低,濕度對(duì)莠去津的降解無明顯促進(jìn)作用.雖然兩種農(nóng)藥隨著土壤濕度的變化降解速率變化趨勢(shì)相同,但不同濕度下兩者降解速率差異顯著:在4個(gè)土壤濕度梯度中,吡蟲啉在80%時(shí)半衰期最長,20%時(shí)次之,但啶蟲脒在20%時(shí)半衰期最長,濕度為80%時(shí)的半衰期比20%時(shí)縮短近一倍時(shí)間,說明和干旱條件相比,啶蟲脒在土壤濕度更高的灌淤土中降解較快.
表3 土壤濕度對(duì)吡蟲啉和啶蟲脒殘留降解的影響
研究區(qū)土壤普遍屬于弱堿性土壤,pH值在7.57~8.66(均值為8.29).隨著pH值的增大,吡蟲啉和啶蟲脒的降解速率先加快后減慢(表4),兩種農(nóng)藥在pH值為8.5時(shí)半衰期都最短,但在pH值為9.0時(shí)半衰期分別比pH值為8.5增加了13.64%和20.32%,到pH值為9.5時(shí)比pH值為8.5分別增加了21.41%和38.89%;啶蟲脒增幅大于吡蟲啉,說明啶蟲脒對(duì)土壤高pH值更敏感.陳莉等[28]研究指出,土壤酸堿度也能明顯影響其降解,堿性越強(qiáng),降解越快,與本研究結(jié)論不同.這是由于該研究供試土壤為浙江嘉興的青紫泥、江蘇常熟的烏柵土和黃泥土,土壤pH值為6.07~7.13,屬于弱酸性至中性土壤,pH值還沒有達(dá)到抑制農(nóng)藥降解的程度.高pH值抑制新煙堿類農(nóng)藥的降解會(huì)導(dǎo)致土壤微生物群落的多樣性及豐度同時(shí)得到抑制.
表4 土壤pH值對(duì)吡蟲啉和啶蟲脒殘留降解的影響
表層土壤全鹽含量為0.76 g/kg~1.62 g/kg(均值為1.31 g/kg),屬于輕度鹽漬化土壤.吡蟲啉和啶蟲脒在不同含鹽量條件下降解趨勢(shì)與不同pH值不同.土壤含鹽量在1.0 g/kg~2.5 g/kg范圍內(nèi),隨著含鹽量的增加,兩種農(nóng)藥降解速率無特定變化趨勢(shì),但土壤含鹽量達(dá)到3.0 g/kg時(shí),二者的降解速率明顯減緩,半衰期分別比含鹽量1.0 g/kg時(shí)增加了3.36 d和3.72 d.說明在低含鹽量對(duì)兩種農(nóng)藥的降解速率并無明顯影響,但當(dāng)濃度達(dá)到3.0 g/kg時(shí),可能是由于鹽分抑制了土壤中某些微生物的生長與增殖,進(jìn)而間接影響了吡蟲啉和啶蟲脒的降解.
表5 土壤含鹽量對(duì)吡蟲啉和啶蟲脒殘留降解的影響
農(nóng)藥的降解速率和初始濃度也密切相關(guān).初始濃度越高吡蟲啉和啶蟲脒的降解速率越慢(表6),但也并非呈線性增加,如吡蟲啉濃度分別為1 mg/kg、5 mg/kg和10 mg/kg時(shí),半衰期分別為12.69 d、28.81 d和54.33 d.相同初始濃度下啶蟲脒的半衰期分別為7.32 d、24.45 d和49.28 d,整體快于吡蟲啉.大量研究表明,一般農(nóng)藥初始濃度越高,農(nóng)藥檢出量越大[31-32].IMI的半衰期可達(dá)400天,這取決于不同的環(huán)境條件,如土壤組成和植被[1].高濃度吡蟲啉在土壤中耗散半衰期 65 d,堆肥中為6.6 d[33].吡蟲啉在枸杞葉片和果實(shí)中的降解半衰期為3.8 d和4.3 d[34].所以,相同農(nóng)藥所處環(huán)境不同,降解速率差異達(dá)到極顯著.
表6 初始濃度對(duì)吡蟲啉和啶蟲脒殘留降解的影響
其他環(huán)境條件都相同時(shí),土壤滅菌情況下吡蟲啉和啶蟲脒半衰期是不滅菌時(shí)的8.16倍和10.87倍,降解速率呈極顯著差異.從取樣的時(shí)間點(diǎn)來看,培養(yǎng)前期不滅菌的土樣吡蟲啉和啶蟲脒的降解速度很快,到培養(yǎng)21 d~60 d期間,兩種農(nóng)藥降解速度明顯減緩,說明培養(yǎng)前期土壤微生物降解所占比例非常大.這可能決定于土壤中微生物的種群數(shù)量消長特點(diǎn).當(dāng)微生物在土壤中的種群數(shù)量以幾何級(jí)數(shù)增長時(shí),其生命力旺盛,代謝能力強(qiáng),能夠在短時(shí)間內(nèi)充分利用和分解土壤中的農(nóng)藥;培養(yǎng)后期土壤微生物代謝能力下降,不利于吡蟲啉和啶蟲脒的微生物降解,此時(shí)非生物降解起主導(dǎo)作用[30].苗輝在研究莠去津的降解中也指出,酸性或堿性的土壤環(huán)境對(duì)其穩(wěn)定性影響不大,降解代謝可能更大程度上是依賴土壤微生物的作用.
表7 初始濃度對(duì)吡蟲啉和啶蟲脒殘留降解的影響
寧夏中寧枸杞園土壤中吡蟲啉和啶蟲脒的降解動(dòng)態(tài)符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式.土壤溫度升高,吡蟲啉和啶蟲脒半衰期縮短;兩種農(nóng)藥均在35℃時(shí)降解最快、半衰期最短.隨著土壤濕度的增加,兩種農(nóng)藥半衰期顯著縮短,但當(dāng)濕度增加到80%時(shí),半衰期均顯著增長;土壤濕度為60%時(shí)兩種農(nóng)藥降解最快.
隨著土壤pH值的增大,吡蟲啉和啶蟲脒的降解速率先加快后變慢,兩種農(nóng)藥在pH值為8.5時(shí)半衰期都最短.土壤含鹽量在1.0 g/kg~2.5 g/kg時(shí),兩種農(nóng)藥降解速率與含鹽量不相關(guān),但含鹽量達(dá)3.0 g/kg時(shí),二者的降解速率明顯減緩.
吡蟲啉和啶蟲脒初始濃度越高降解速率越慢.其他環(huán)境條件都相同時(shí),土壤滅菌情況下吡蟲啉和啶蟲脒半衰期是不滅菌時(shí)的8.16倍和10.87倍,降解速率呈極顯著差異.相同條件下啶蟲脒降解速率比吡蟲啉快.
整體而言,土壤微生物是新煙堿類農(nóng)藥在寧夏中寧枸杞園土壤中降解的首要影響因素,農(nóng)藥初始濃度、溫度和濕度也都影響顯著,土壤pH值和含鹽量相對(duì)影響較小.