陜西農(nóng)田土壤新煙堿類農(nóng)藥殘留和生物有效性

摘要：為評(píng)估新煙堿類農(nóng)藥潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，研究了陜西省不同地區(qū)吡蟲啉、噻蟲嗪、噻蟲胺和啶蟲脒的污染殘留情況，探究了不同新煙堿類農(nóng)藥生物有效性及其影響因素。結(jié)果表明：陜西省農(nóng)田土壤中新煙堿類農(nóng)藥殘留范圍為吡蟲啉ND-113.71 μg·kg-1、啶蟲脒ND-19.48 μg·kg-1、噻蟲胺ND-184.32 μg·kg-1和噻蟲嗪ND-145.02 μg·kg-1，其中噻蟲胺和噻蟲嗪殘留量較高，需 要引起足夠的重視。此外，新煙堿類農(nóng)藥的生物有效性大小為噻蟲胺《吡蟲啉《啶蟲脒《噻蟲嗪，且其生物有效性隨著土壤pH的增大而增大，隨土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤老化時(shí)間的增加而降低。研究表明，陜西省農(nóng)田土壤中新煙堿類農(nóng)藥殘留需引起重視，同時(shí)Tenax單點(diǎn)萃取技術(shù)可以作為簡(jiǎn)單快速評(píng)價(jià)新煙堿類農(nóng)藥生物有效性的替代方法，進(jìn)一步為農(nóng)業(yè)土壤新煙堿類農(nóng)藥污染問(wèn)題以及農(nóng)作物的質(zhì)量安全和食用風(fēng)險(xiǎn)提供評(píng)價(jià)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤；生物有效性；新煙堿類農(nóng)藥；殘留

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-2043（2024）07-1524-09 doi：10.11654/jaes.2023-0087

新煙堿類農(nóng)藥是繼有機(jī)磷類、氨基甲酸酯類、擬除蟲菊酯類殺蟲劑之后的新一代殺蟲劑。隨著高毒農(nóng)藥在全球市場(chǎng)中退出，新煙堿類殺蟲劑逐漸成為防治刺吸式口器害蟲最為有效的一類殺蟲劑，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。有研究表明農(nóng)田中殘留的新煙堿類農(nóng)藥可被作物吸收，并可能在花粉、花蜜以及水果蔬菜中積累；也有研究揭示了新煙堿類農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物的不利影響，如抑制蚯蚓的生長(zhǎng)，誘導(dǎo)蚯蚓體內(nèi)抗氧化酶（超氧化物歧化酶和過(guò)氧化氫酶）的變化，新一代新煙堿類農(nóng)藥氟吡呋喃酮增加了蚯蚓體內(nèi)活性氧水平和丙二醛含量；更有研究表明吡蟲啉具有一定的免疫毒性和生殖毒性，并且能引發(fā)DNA損傷。因此，農(nóng)用土壤中新煙堿類農(nóng)藥的污染情況備受關(guān)注。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)新煙堿類農(nóng)藥的殘留特征進(jìn)行了研究，并針對(duì)新煙堿類農(nóng)藥污染進(jìn)行了人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。陜西省作為農(nóng)業(yè)大省在農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí)也無(wú)法避免農(nóng)藥污染問(wèn)題，而且陜北、關(guān)中、陜南3個(gè)地區(qū)自然條件截然不同，因此農(nóng)藥污染問(wèn)題更為復(fù)雜。目前有關(guān)學(xué)者已經(jīng)對(duì)陜西省農(nóng)田土壤及農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥污染問(wèn)題開展了相關(guān)研究，但主要集中在有機(jī)氯、有機(jī)磷等農(nóng)藥，而陜西省新煙堿類農(nóng)藥的殘留特征及其生物有效性的研究卻鮮見報(bào)道。

目前，環(huán)境中新煙堿類農(nóng)藥的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估都是基于其在環(huán)境中的總量，然而真正被生物所利用的只是總量的一部分，因此僅考察總量可能高估新煙堿類農(nóng)藥的實(shí)際危害。本研究以陜西省農(nóng)田土壤作為研究對(duì)象，考察陜西省農(nóng)田土壤中新煙堿類農(nóng)藥的殘留特征，評(píng)估其生物有效性，探究其生物有效性的影響因素，以期為陜西省農(nóng)田土壤中新煙堿類農(nóng)藥的污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器設(shè)備

儀器設(shè)備主要有：1260 InfinityⅡ型高效液相色譜儀[安捷倫科技（中國(guó)）有限公司）]，RE100-Pro旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（美國(guó)SCILOGEX有限公司），ST-24水浴氮吹儀（上海滬析實(shí)業(yè)有限公司），KQ-300DE超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）。

1.1.2 試劑材料

試驗(yàn)所用試劑：丙酮（分析純）、正己烷（分析純）、乙腈（色譜純）、聚2，6-二苯基對(duì)苯醚（Tenax） 60-80目A購(gòu)自西格瑪化學(xué)試劑（中國(guó)）有限公司；新煙堿類農(nóng)藥吡蟲啉、噻蟲嗪、噻蟲胺和啶蟲脒均為分析標(biāo)準(zhǔn)品，純度＞98%，購(gòu)自阿拉丁試劑公司。

1.2 土壤樣品的采集及測(cè)定

1.2.1 土壤樣品的采集

供試土壤取自陜北、關(guān)中及陜南的農(nóng)田，共計(jì)采集115個(gè)樣品，采樣點(diǎn)分布見圖1。2021年2月采集陜北土樣18個(gè)；5、10月采集關(guān)中土樣65個(gè)；6、10月采集陜南土樣32個(gè)。采樣點(diǎn)位置分布在33°02＇-38°22＇N，106°41＇-109°43＇E。土壤樣品自然風(fēng)干過(guò)10目篩網(wǎng)后用于土壤基本理化性質(zhì)的測(cè)定，過(guò)100目篩網(wǎng)后用于土壤新煙堿類農(nóng)藥殘留的檢測(cè)。

人工模擬土壤的組分及其酸堿度、濕度均參照世界經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD，1984）的標(biāo)準(zhǔn)。其中每500 g的人工土壤中包括70%石英砂（粒徑50-200μm的石英砂質(zhì)量占50%以上）、20%高嶺土及10%泥炭蘚（風(fēng)干并磨細(xì)），pH調(diào)節(jié)為（6．0±0．5），濕度調(diào)節(jié)為田間持水量的50%-70%。

1.2.2 新煙堿類農(nóng)藥殘留量的測(cè)定

土壤中新煙堿類農(nóng)藥測(cè)定流程：利用QuECh-ERSc（Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safe）前處理方法，將得到的萃取上清液置于50 mL新離心管中（內(nèi)含240 mg PSA和900 mg MgSO4），充分渦旋，5 000 r·min-1離心5 min，取全部上清液，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，氮?dú)獯抵两?，過(guò)0.22 μm有機(jī)系濾膜，進(jìn)HPLC儀器測(cè)定。以不含新煙堿類農(nóng)藥的土壤作為試劑空白，按照上述步驟提取凈化濃縮測(cè)定，每個(gè)樣品3個(gè)試劑空白。

高效液相色譜參考條件：流動(dòng)相A-水（75%），B-乙腈（25%）；吸收波長(zhǎng)270 nm；柱溫35℃；流速1.0mL·min-1；進(jìn)樣量10 μL。

1.2.3 質(zhì)量保證與控制

為驗(yàn)證前處理及測(cè)定方法的可靠性，以不含新煙堿類農(nóng)藥的空白土壤為對(duì)象，探究4種新煙堿類農(nóng)藥在低、中、高3種添加水平（20、40、80 μg·kg-1）下的加標(biāo)回收率（平均回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差），其中噻蟲嗪的最低檢出限為8 μg·kg-1、噻蟲胺的最低檢出限為6μg·kg-1、吡蟲啉的最低檢出限為5 μg·kg-1、啶蟲脒的最低檢出限為6 μg·kg-1。

1.3 新煙堿類農(nóng)藥生物有效性分析方法的建立

1.3.1 生物有效性分析方法原理

生物有效性指污染物能夠通過(guò)生物吸收、轉(zhuǎn)化或其他生化行為等被獲取的程度。聚2，6-二苯基對(duì)苯醚（Tenax）是一種孔隙多、比表面積大、吸收容量大的樹脂，它可吸附溶于水相的有機(jī)污染物，使不同賦存狀態(tài)的污染物從沉積物或土壤固相上以不同速率不斷解吸，直至污染物在樹脂相、水相和土壤相三相之間達(dá)到平衡。有研究發(fā)現(xiàn)，快速解吸組分可以作為生物有效性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此，Tenax提取是一種能較好預(yù)測(cè)生物有效性的提取方法。

1.3.2 Tenax加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)

探究土壤在低、中、高3種添加水平（20、80、200μg·kg-1）下通過(guò)Tenax提取的加標(biāo)回收率，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)平行。Tenax加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)操作流程如參考文獻(xiàn)。

1.3.3 三相脫附動(dòng)力學(xué)

Tenax樹脂與新煙堿類農(nóng)藥的吸附過(guò)程可以分為快速、慢速和極慢速解吸3個(gè)階段，通過(guò)三相脫附動(dòng)力學(xué)方程得到的快速脫附組分因容易脫附進(jìn)入到水相中，易于被生物吸收富集，因此可表征生物有效性。

式中：S0和St分別為初始點(diǎn)和t時(shí)間點(diǎn)土壤中新煙堿類農(nóng)藥的含量，μg·kg-1；Frap、Fslow和Fvs分別為快速、慢速和極慢速解吸組分所占比例，%；krap、kslow和kvs。分別為快速、慢速和極慢速解吸組分解吸速率常數(shù)，h-1；

選取陜北、關(guān)中和陜南地區(qū)典型代表土壤進(jìn)行三相脫附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以脫附時(shí)間（t）為橫坐標(biāo)，殘存率（St/S0）為縱坐標(biāo)，通過(guò)Origin軟件繪制得到非線性曲線。

1.3.4 單點(diǎn)位萃取

生物有效性的測(cè)定周期較長(zhǎng)，為簡(jiǎn)化操作流程、縮短相應(yīng)的時(shí)間周期，本研究通過(guò)三相脫附動(dòng)力學(xué)過(guò)程，探究Tenax連續(xù)萃取6h和24 h得到的組分所占比例（F6、F24）與Frap的關(guān)系，并就后續(xù)F6和F24在生物有效性評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用展開探討。

1.3.5 生物有效性影響因素的探究

選取土壤pH、土壤有機(jī)質(zhì)及老化時(shí)間為影響因素，探究新煙堿類農(nóng)藥在不同條件下的生物有效性的差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 新煙堿類農(nóng)藥殘留量

陜西省農(nóng)田土壤中的新煙堿類農(nóng)藥的殘留量見表1。陜北地區(qū)噻蟲胺檢出率最高，為94.4%，最高檢出量為14.85 μg·kg-1；關(guān)中地區(qū)吡蟲啉檢出率最高，為66.2%，最高檢出量為113.71 μg·kg-1；陜南地區(qū)吡蟲啉檢出率最高，為37.5%，最高檢出量為27.10 μg·kg-1。噻蟲胺和噻蟲嗪的殘留范圍較高，分別為ND-184.32 μg·kg-1和ND-145.04 μg·kg-1。陜西農(nóng)田土壤中吡蟲啉殘留范圍為ND-113.71 μg·kg-1，其最大殘留量高于浙江、江蘇、廣東和江西4省，低于海南和山東；啶蟲脒殘留范圍為ND-19.48 μg·kg-1，其殘留范圍高于江西，低于海南。陜西省新煙堿類農(nóng)藥的檢出率以及檢出量存在很大的差異，在陜北地區(qū)噻蟲胺的檢出率很高，這可能是因?yàn)猷缦x胺在陜北地區(qū)使用廣泛；而在陜南以及關(guān)中地區(qū)的噻蟲胺和吡蟲啉檢出量較高。新煙堿類農(nóng)藥的加標(biāo)回收率以及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差見表2。

2.2 Tenax加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)

Tenax脫附動(dòng)力學(xué)過(guò)程加標(biāo)回收率見表3。吡蟲啉、啶蟲脒、噻蟲胺和噻蟲嗪的平均回收率為80%-120%（個(gè)別點(diǎn)位低于80%），相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差＜5%，說(shuō)明該方法符合基本定量要求。

2.3 Tenax三相脫附動(dòng)力學(xué)

為獲得Tenax三相脫附動(dòng)力學(xué)方程中的Frap，先要得到殘存率與時(shí)間的關(guān)系。選取新煙堿類農(nóng)藥較高的土壤樣品進(jìn)行Tenax連續(xù)提取，新煙堿類農(nóng)藥的殘存率結(jié)果見表4。經(jīng)336 h的連續(xù)提取，新煙堿類農(nóng)藥在土壤中的殘存率趨于穩(wěn)定，Tenax脫附動(dòng)力學(xué)過(guò)程已接近完成。土壤中新煙堿類農(nóng)藥的殘存率從40.0%-81.0%不等，這可能是新煙堿類農(nóng)藥自身理化性質(zhì)差異導(dǎo)致的。

新煙堿類農(nóng)藥的擬合曲線的相關(guān)系數(shù)（R2）均大于0.99，擬合過(guò)程良好。新煙堿類農(nóng)藥的Frap、Fslow和Fvs的范圍分別為6.58%-30.43%、11.56%-24.91%和44.66%-81.86%，krap，kslow和kvs的數(shù)量級(jí)范圍分別在10-1-100、10-3-10-2和10-6-10-4，這與其他文獻(xiàn)中報(bào)道的Tenax連續(xù)萃取常數(shù)的數(shù)量級(jí)基本一致，進(jìn)一步證明了該擬合過(guò)程基本符合三相脫附動(dòng)力學(xué)方程。而Liu等的研究顯示，其krap、kslow和kvs分別為10-1、10-3-10-2和10-5，與本研究中新煙堿類農(nóng)藥比較接近，數(shù)量級(jí)基本一致，而krap與kvs存在一些差異，這可能與其自身理化性質(zhì)、化學(xué)結(jié)構(gòu)以及在環(huán)境中的行為和生物可利用性有關(guān)。

新煙堿類農(nóng)藥Tenax三相脫附動(dòng)力學(xué)方程如圖2所示。從圖2可知新煙堿類農(nóng)藥在經(jīng)過(guò)100 h連續(xù)提取后，脫附動(dòng)力學(xué)趨于穩(wěn)定，且其殘存率為噻蟲嗪＜啶蟲脒＜吡蟲啉＜噻蟲胺。新煙堿類農(nóng)藥的Frap大小為噻蟲胺（6.6%）＜吡蟲啉（15.4%）＜啶蟲脒（25.2%）＜噻蟲嗪（30.4%）。新煙堿類農(nóng)藥的殘存率越高，快速脫附組分則越低。生物有效性最高的是噻蟲嗪，其次為啶蟲脒和吡蟲啉，最低的為噻蟲胺。一般有機(jī)污染物的自身性質(zhì)[尤其是正辛醇水分配系數(shù)（Kow）]對(duì)其在土壤環(huán)境中的吸附遷移等會(huì)產(chǎn)生重要影響，并最終影響其生物有效性。新煙堿類農(nóng)藥同樣如此，F(xiàn)rap越小則1g Kow越大，這是因?yàn)?g Kow越大，其越容易吸附到土壤有機(jī)質(zhì)表面而難以脫附，進(jìn)而使得Frap較小，即生物有效性較低。

2.4 Tenax單點(diǎn)位萃取

由上述Tenax脫附動(dòng)力學(xué)可知，F(xiàn)rap是基于完整的脫附動(dòng)力學(xué)擬合而來(lái)，即為預(yù)測(cè)生物有效性所測(cè)得土壤中的Frap周期較長(zhǎng)，一般需要幾天到數(shù)月不等。有研究表明，當(dāng)Tenax連續(xù)萃取6h和24 h時(shí)得到的組分所占比例（F6和F24）也可代替Fra。評(píng)價(jià)新煙堿類農(nóng)藥的生物有效性。新煙堿類農(nóng)藥的Frap與F6和F24的相關(guān)性結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，F(xiàn)rap與F6和F24呈現(xiàn)顯著相關(guān)，F(xiàn)6/Frap和F24/Frap的值分別為0.59和1.05。有研究者認(rèn)為，Tenax脫附動(dòng)力學(xué)擬合得到的Frap約為凡的2倍，與F24相比較接近。因此，F(xiàn)6和F24單點(diǎn)位萃取為簡(jiǎn)單、迅速而有效地評(píng)價(jià)土壤中新煙堿類農(nóng)藥生物有效性提供了新思路。

2.5 不同因素對(duì)生物有效性的影響

新煙堿類農(nóng)藥在土壤環(huán)境中的化學(xué)行為受到眾多因素的影響：一方面自身性質(zhì)的差異導(dǎo)致其在土壤中的吸附等過(guò)程不同；另一方面，新煙堿類農(nóng)藥受到土壤性質(zhì)等因素的影響?；陉儽薄㈥P(guān)中和陜南土壤基本理化性質(zhì)的差異，本研究以人工模擬土壤為基質(zhì)，探究土壤pH、土壤有機(jī)質(zhì)及老化時(shí)間對(duì)新煙堿類農(nóng)藥在土壤中生物有效性的影響。

土壤pH對(duì)Tenax提取新煙堿類農(nóng)藥的影響如圖4所示，新煙堿類農(nóng)藥的Tenax提取量（生物有效性）隨土壤pH增大而增加，并且F6/Frap≈0.5，F(xiàn)24/Frap≈1．0，說(shuō)明單點(diǎn)位萃取可近似地表征生物有效性的大小。當(dāng)pH=6.0時(shí)，新煙堿類農(nóng)藥在土壤中的生物有效性（F24）最低；當(dāng)pH=8．0時(shí)，其生物有效性（F24）最高。

當(dāng)土壤pH較低時(shí)，土壤顆粒表面的羧酸根容易得到H+而質(zhì)子化形成羧基，利于水分子從土壤顆粒表面脫附，新煙堿類農(nóng)藥分子會(huì)獲得更多的吸附位點(diǎn)并吸附到土壤顆粒表面；并且土壤溶液中有機(jī)分子吸附到土壤固相上，增加了新煙堿類農(nóng)藥的吸附點(diǎn)位，導(dǎo)致土壤中新煙堿類農(nóng)藥吸附到土壤顆粒表面，使其在土壤中的自由溶解態(tài)濃度減小，也即生物有效性降低。通過(guò)新煙堿類農(nóng)藥與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析可知，與其余的新煙堿類農(nóng)藥相比，噻蟲胺在土壤環(huán)境中的殘留受到土壤pH的影響更為顯著。噻蟲胺水解主要是由于在堿性條件下，OH—進(jìn)攻其自身結(jié)構(gòu)中硝基鄰近基團(tuán)C=N上的C原子，使其發(fā)生堿性水解，導(dǎo)致噻蟲胺殘留量降低。

土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)Tenax提取新煙堿類農(nóng)藥的影響如圖5所示，新煙堿類農(nóng)藥的生物有效性隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而降低。當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量為10 g·kg-1時(shí)，其生物有效性（F24）最高，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量為30 g·kg-1時(shí)，其生物有效性（F24）最低。土壤有機(jī)質(zhì)也會(huì)對(duì)新煙堿類農(nóng)藥的環(huán)境行為產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響其生物有效性。土壤中新煙堿類農(nóng)藥分子中的硝基和氯等極性基團(tuán)與土壤有機(jī)質(zhì)表面的活性官能團(tuán)產(chǎn)生氫鍵等相互作用，導(dǎo)致新煙堿類農(nóng)藥分子吸附到有機(jī)質(zhì)表面，使得土壤中新煙堿類農(nóng)藥的自由溶解態(tài)濃度降低，進(jìn)而使得Tenax提取的有效態(tài)新煙堿類農(nóng)藥含量降低，即土壤有機(jī)質(zhì)的增加使新煙堿類農(nóng)藥的生物有效性降低。

土壤老化時(shí)間對(duì)Tenax提取新煙堿類農(nóng)藥的影響如圖6所示。新煙堿類農(nóng)藥的生物有效性隨著土壤老化時(shí)間的增加而下降。當(dāng)土壤老化時(shí)間為24 h時(shí)，其生物有效性（F24）最高；當(dāng)土壤老化時(shí)間為120 h時(shí)，其生物有效性（F24）最低。土壤老化時(shí)間對(duì)于新煙堿類農(nóng)藥的影響體現(xiàn)在：隨老化時(shí)間增加，新煙堿類農(nóng)藥在土壤中會(huì)發(fā)生吸附、遷移、降解等復(fù)雜的環(huán)境行為過(guò)程，從而導(dǎo)致新煙堿類農(nóng)藥生物有效性的變化。土壤中的新煙堿類農(nóng)藥會(huì)隨著老化時(shí)間的增加發(fā)生擴(kuò)散，使其在土壤中含量降低。但還需考慮的是，新煙堿類農(nóng)藥自身的性質(zhì)（如水溶性、脂溶性等）與外界環(huán)境條件（如光照、溫度等）可能也會(huì)影響其在環(huán)境中的殘留，進(jìn)而影響其生物有效性的變化。因此，相對(duì)于土壤pH和有機(jī)質(zhì)而言，老化時(shí)間對(duì)新煙堿類農(nóng)藥生物有效性的影響是一個(gè)更為復(fù)雜的過(guò)程。

3 結(jié)論

（1）陜西農(nóng)田土壤中新煙堿類農(nóng)藥殘留量較高，需要引起重視。

（2）通過(guò)Tenax連續(xù)提取新煙堿類農(nóng)藥，其過(guò)程基本符合三相脫附動(dòng)力學(xué)方程。Tenax連續(xù)萃取6h和24 h得到的組分所占比例（F6和F24）可代替快速解吸組分所占比例（Frap）來(lái)評(píng)價(jià)土壤中新煙堿類農(nóng)藥的生物有效性。

（3）陜西省農(nóng)田土壤中新煙堿類農(nóng)藥的生物有效性大小始終為噻蟲胺＜吡蟲啉＜啶蟲脒＜噻蟲嗪，且新煙堿類農(nóng)藥生物有效性隨著土壤pH的增大而增大，隨土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤老化時(shí)間的增加而下降。

（責(zé)任編輯：李丹）

基金項(xiàng)目：陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023-YBNY-237）；陜西省農(nóng)業(yè)廳科技計(jì)劃專項(xiàng)（2020NCNY0016）