丁香菌酯在水中的光解影響因素研究

周雨杭, 于曉龍, 曹戰(zhàn)文, 郭 南,侯新港, 逯忠斌, 侯志廣

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院，長春 130118)

丁香菌酯C26H28O6(coumoxystrobin)是由沈陽化工研究院有限公司創(chuàng)制、吉林省八達(dá)農(nóng)藥有限公司開發(fā)并登記的一種新型甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑(結(jié)構(gòu)式見圖式1)，主要用于防治蘋果腐爛病，其作用機(jī)制是通過阻斷細(xì)胞色素之間的電子傳遞進(jìn)而抑制線粒體的功能，達(dá)到抑制真菌生長和殺滅真菌的效果[1]。隨著甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑市場份額的逐步增加，可能會給人類健康和生態(tài)環(huán)境帶來巨大潛在威脅[2-3]，丁香菌酯作為新型甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑，其對環(huán)境的安全性問題不容忽視。

圖式1 丁香菌酯的結(jié)構(gòu)式Scheme 1 Structural formula of coumoxystrobin

光化學(xué)降解是農(nóng)藥在水環(huán)境中降解的重要途徑之一[4]。已有諸多研究者對甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑在水中的光化學(xué)降解進(jìn)行了研究。許靜等[5]的研究結(jié)果表明，在氙燈照射下，醚菌酯和嘧菌酯在純水中易光解，氰烯菌酯屬難光解性農(nóng)藥；王璐芳[6]研究發(fā)現(xiàn)，4 種甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑光降解速率大小為：烯肟菌胺＞肟醚菌胺＞醚菌胺＞E-苯氧菌胺；管磊等[7]研究表明，吡唑醚菌酯的光解速率與初始濃度呈負(fù)相關(guān)，在不同類型水中的光解速率從大到小依次為去離子水、自來水、池塘水、純凈水和河水，光解速率隨H2O2濃度的增大而增大。已有研究表明，丁香菌酯對平突船卵溞等水生生物的急性毒性屬于高毒[8]，在稻田土壤中第28 天時的降解率達(dá)90%以上，在三個地區(qū)的植株中的半衰期分別為5.42、8.75 和9.73 d[9]，而連續(xù)兩年在橘園土壤中的殘留半衰期為78.75 和164.35 d[10]。目前關(guān)于其在水中的光化學(xué)降解尚未見報(bào)道。鑒于此，本文采用高效液相色譜 (HPLC) 法研究了丁香菌酯在水環(huán)境中的光化學(xué)降解及其影響因素，旨在揭示其光解特性，有助于了解其在環(huán)境中的歸趨和生態(tài)效應(yīng)，為其合理使用、環(huán)境安全性評價(jià)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器及試劑

Agilent 1200 型高效液相色譜儀配紫外檢測器(美國安捷倫科技有限公司)；CY-GHX-AC 型光化學(xué)反應(yīng)儀(上海川一實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)；DC-2010低溫恒溫槽(上海川一實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)；UV-2450型紫外分光光度計(jì)(島津儀器蘇州有限公司)；ST300 ZH 型pH 計(jì)(奧豪斯儀器常州有限公司)；YXQ-30SⅡ 型立式壓力蒸汽滅菌器；LE204E/02 型萬分之一電子天平(梅特勒-托利多儀器上海有限公司)；LAB-DI-10 型實(shí)驗(yàn)室純水機(jī)(長春萊博帕特科技發(fā)展有限公司)。

丁香菌酯(coumoxystrobin) 標(biāo)準(zhǔn)品(純度98.5%，上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司)；甲醇(色譜純，北京邁瑞達(dá)科技有限公司)，其他試劑為市售分析純；試驗(yàn)用水為純水機(jī)所制超純水，樣品過0.22 μm 有機(jī)濾膜。

1.2 試驗(yàn)方法

參考GB/T 31270.3—2014《化學(xué)農(nóng)藥環(huán)境安全評價(jià)試驗(yàn)準(zhǔn)則第3 部分：光解試驗(yàn)》[11]方法。由于丁香菌酯難溶于水[1]，故比較了丁香菌酯在甲醇、乙腈和吐溫80 水溶液中的溶解效果，發(fā)現(xiàn)在水中添加體積分?jǐn)?shù)為0.6%的吐溫80 后，丁香菌酯的平均回收率為99.66%，故選擇在每個樣品中添加0.6%的吐溫80 作為助溶劑。試驗(yàn)在光化學(xué)反應(yīng)儀中進(jìn)行，反應(yīng)溫度控制在(20 ± 5) ℃。每處理重復(fù)3 次，取平均值，并設(shè)錫箔紙包裹的黑暗對照試驗(yàn)。為減小丁香菌酯在水中離子化，從而對光解產(chǎn)生影響，采用pH 值為7 的緩沖溶液進(jìn)行光解試驗(yàn)。為避免生物作用的影響，試驗(yàn)中所用容器及緩沖溶液均經(jīng)過高溫、高壓滅菌處理，滅菌后的緩沖溶液重新校正pH 值，儲存于棕色瓶中備用。

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制 準(zhǔn)確稱取98.5%丁香菌酯標(biāo)準(zhǔn)品0.01g (精確至0.000 1 g)于10 mL 棕色容量瓶中，用甲醇溶解并定容，得到質(zhì)量濃度為1 000 mg/L 的丁香菌酯標(biāo)準(zhǔn)儲備液，于4 ℃條件下保存。在試驗(yàn)過程中，根據(jù)需要取適量儲備液，用甲醇稀釋至所需濃度后使用。

1.2.2 不同光源對丁香菌酯光化學(xué)降解的影響

用添加了0.6%吐溫80 的pH = 7 的緩沖溶液將儲備液配制成質(zhì)量濃度為5 mg/L 的光解反應(yīng)液，在每個反應(yīng)管中分別倒入50 mL 反應(yīng)液，使之充滿石英光解反應(yīng)管，分別以500 W 氙燈 (光強(qiáng)為2.25 cd) 及20 W 低壓汞燈 (光強(qiáng)為5 cd) 為光照條件，在光解反應(yīng)儀中進(jìn)行試驗(yàn)，于不同時間點(diǎn)取樣，測定樣品中丁香菌酯含量。

1.2.3 初始濃度(C0)對丁香菌酯光化學(xué)降解的影響 用添加了0.6%吐溫80 的pH = 7 的緩沖溶液將儲備液配制成1、5、10 和15 mg/L的丁香菌酯光解反應(yīng)液，在每個反應(yīng)管中分別注入50 mL 反應(yīng)液，使之充滿石英光解反應(yīng)管，置于500 W 氙燈光解反應(yīng)儀中進(jìn)行試驗(yàn)，定期取樣，測定樣品中丁香菌酯的濃度。

1.2.4 溶液pH 值對丁香菌酯光化學(xué)降解的影響

考慮到實(shí)際水環(huán)境中的酸堿性，按實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則要求配制pH 值為4、7 和9 的緩沖溶液。分別用添加了0.6%吐溫80 的pH 值為4、7 和9 的緩沖溶液將儲備液配制成5 mg/L 的反應(yīng)液，置于500 W氙燈光解反應(yīng)儀中進(jìn)行試驗(yàn)，定期取樣，測定樣品中丁香菌酯的濃度。

1.2.5 吐溫80 對丁香菌酯光化學(xué)降解的影響 用添加了0.6%吐溫80 的pH 7 緩沖溶液配制5 mg/L 的光解反應(yīng)液，并用pH 7 緩沖溶液配制5 mg/L 的光解反應(yīng)液作為吐溫80 的空白對照，置于500 W 氙燈光解反應(yīng)儀中進(jìn)行試驗(yàn)，對照組取樣時吸取5 mL光解反應(yīng)液并加入5 mL 甲醇混勻溶解后過膜進(jìn)樣。

1.3 HPLC 分析條件

參考文獻(xiàn)[12]中的色譜條件。檢測器為可變波長紫外檢測器 (VWD)；色譜柱為Thermo-BDS Hypersil C18色譜柱(250 mm × 4.6 mm，5 μm)；柱溫30 ℃；流動相為V(乙腈) :V(水) = 70 : 30；流速1 mL/min；進(jìn)樣量10 μL；檢測波長320 nm。采用外標(biāo)法定量。在上述色譜條件下，丁香菌酯的保留時間為9.3 min。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用準(zhǔn)一級反應(yīng)動力學(xué)方程擬合丁香菌酯光解試驗(yàn)殘留數(shù)據(jù)，按公式 (1) 計(jì)算。

式中，t為時間，h；C0為丁香菌酯的初始質(zhì)量濃度，mg/L；Ct為t時刻的丁香菌酯質(zhì)量濃度，mg/L；k為光解速率常數(shù)，h-1。

當(dāng)丁香菌酯光解50%時(即Ct=C0/2)，所需時間為其光解半衰期(t1/2)，由 (2) 式計(jì)算。

當(dāng)丁香菌酯光解90%時(即Ct= 90%C0)，所需時間為其光解半衰期(t90)，由 (3) 式計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

對各影響因素的黑暗對照組于不同時間取樣，測定樣品中丁香菌酯殘留濃度后發(fā)現(xiàn)，黑暗對照組的丁香菌酯殘留濃度與初始濃度C0相比均沒有明顯的降低，說明丁香菌酯在水中避光的條件下較穩(wěn)定，不易發(fā)生水解或降解非常緩慢。

2.1 不同光源對丁香菌酯光解的影響

丁香菌酯在不同光源下的光化學(xué)降解情況見表1。可見，在500 W 氙燈和20 W汞燈兩種光源的照射下，丁香菌酯的光解符合準(zhǔn)一級動力學(xué)方程，光解速率常數(shù)和半衰期有很大的差異。在20 W汞燈照射下，丁香菌酯在水中的光解較快，其速率常數(shù)是500 W 氙燈下速率常數(shù)的2 倍，主要原因是丁香菌酯的光解會受到其自身的吸收光譜與光源發(fā)射光譜的影響。只有當(dāng)光源的發(fā)射光譜與丁香菌酯的吸收光譜有部分重合時，丁香菌酯才有可能發(fā)生自敏化光解或者直接光解[13]。丁香菌酯的吸收波長主要集中在190～350 nm，最大吸收波長在205 nm 左右。由于低壓汞燈發(fā)射的光譜主要集中在253.7 nm，而丁香菌酯在此波長下有顯著的光吸收，因此丁香菌酯在20 W 汞燈照射下光解較快；而由于氙燈的發(fā)射光譜主要集中在450～500 nm，丁香菌酯在此波段吸收較少，所以在500 W 氙燈的照射下光解較慢。

表1 丁香菌酯在不同光源下的光解動力學(xué)參數(shù)Table 1 Photolysis kinetic parameters of coumoxystrobin under different light sources

2.2 初始質(zhì)量濃度對丁香菌酯光降解的影響

結(jié)果(表2) 表明，當(dāng)初始質(zhì)量濃度為1、5、10 和15 mg/L 時，其光解均符合準(zhǔn)一級動力學(xué)方程，半衰期分別為1.68、2.23、2.25 和2.79 h，即隨著初始濃度的增加，丁香菌酯的半衰期逐漸增大，表明丁香菌酯的光解速率會隨著初始濃度的升高而減慢，這與楊昱[14]對苯噻菌酯、殷星[15]對嘧菌酯的光解研究中的結(jié)論相似。究其可能原因是多方面的：其一是在光照條件一定的情況下，丁香菌酯分子數(shù)越多，分子層越厚，導(dǎo)致單位面積的丁香菌酯分子吸收的光子量減少，從而降低了降解速率，這與梁菁等[4]和鄒雅竹等[16]的研究結(jié)果類似；其二是隨著丁香菌酯的初始質(zhì)量濃度增大，其產(chǎn)生的中間代謝產(chǎn)物分子也增多，產(chǎn)物分子會與母體分子競爭光子，從而降低了丁香菌酯吸收光子的效率，降低其光解速率，這與張衛(wèi)等[17]研究的在不同初始濃度對阿維菌素光解的影響結(jié)果相似；其三是丁香菌酯的濃度越高，在紫外輻射下母體化合物之間、母體與產(chǎn)物或產(chǎn)物與產(chǎn)物之間越容易發(fā)生縮合反應(yīng)，從而影響了丁香菌酯的光解速率。

表2 丁香菌酯在不同初始濃度下的光解動力學(xué)參數(shù)Table 2 Photolysis kinetic parameters of coumoxystrobin at different initial concentrations

2.3 pH 值對丁香菌酯光降解的影響

實(shí)際上，一方面，自然環(huán)境中的水體酸堿性不是恒定不變的，另一方面，光解產(chǎn)物也會改變水體的酸堿度，這對于丁香菌酯的光解反應(yīng)有著抑制或促進(jìn)的雙重作用。由丁香菌酯在不同pH 溶液中的光化學(xué)降解情況(表3)可見，在pH 值為4、7 和9 的緩沖溶液中，丁香菌酯的光解反應(yīng)符合準(zhǔn)一級動力學(xué)方程，半衰期分別為2.20、2.23 和2.01 h，光解速率由大到小依次為pH 9、pH 4 和pH 7。經(jīng)過顯著性分析發(fā)現(xiàn)，光解速率和半衰期有一定的差異，但在酸性和中性條件下的試驗(yàn)差異并不顯著，表明酸性和中性條件對丁香菌酯光解的影響差異較小。丁香菌酯在堿性條件下的光解速率大于中性和酸性，說明堿性溶液中在光照下產(chǎn)生的羥基自由基促進(jìn)了丁香菌酯的光解，這與張傳琪等[18]得出的對烯啶蟲胺和鄭立慶等[19]對呋蟲胺的光解試驗(yàn)結(jié)果相似。

表3 丁香菌酯在不同pH 溶液中的光解動力學(xué)參數(shù)Table 3 Photolysis kinetic parameters of coumoxystrobin in different pH solutions

2.4 吐溫80 對丁香菌酯光降解的影響

由表4 可以看出，丁香菌酯在吐溫80 溶液中的光解符合準(zhǔn)一級動力學(xué)方程，添加了0.6% 吐溫80 與未添加的光解速率分別為2.23 和1.26 h。與未添加的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，丁香菌酯在添加了0.6% 吐溫80 后光解速率較慢，說明吐溫80 對丁香菌酯的光解表現(xiàn)出淬滅作用。這與張楠[20]對雙氯芬酸在表面活性劑溶液中的光解結(jié)果基本一致。

表4 丁香菌酯在吐溫80 溶液中的光解動力學(xué)參數(shù)Table 4 Photolysis kinetic parameters of coumoxystrobin in the solution containing Tween 80

3 結(jié)論

本文采用室內(nèi)模擬方式系統(tǒng)研究了不同因素對丁香菌酯在水中光化學(xué)降解的影響。丁香菌酯在水中的光解反應(yīng)符合準(zhǔn)一級動力學(xué)方程，且t1/2＜3 h，按照GB/T 31270.3—2014《化學(xué)農(nóng)藥環(huán)境安全評價(jià)試驗(yàn)準(zhǔn)則第3 部分：光解試驗(yàn)》[11]的等級劃分，丁香菌酯屬于易降解農(nóng)藥。

丁香菌酯的光解受光源、初始濃度、pH 值和表面活性劑等多種因素的影響。丁香菌酯在20 W低壓汞燈輻射下的光解速率明顯大于500 W 氙燈；在同一光源照射下，丁香菌酯的光解速率隨初始濃度的增加而降低；丁香菌酯在堿性溶液中的光降解較快，在中性條件下較慢；吐溫80 對丁香菌酯在水中的光解表現(xiàn)出淬滅作用。