甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂是基于天然抗生素strobilurin A为先导化合物开发的新型杀菌剂, 是能量生成抑制剂, 具有广谱性及较高的杀菌活性, 对14-脱甲基化酶抑制剂、苯基酰胺类、二甲酰亚胺类和苯并咪唑类产生抗性的菌株具有较好的效果, 已成为农用杀菌剂中的主流产品之一。目前, 广泛使用的品种有嘧菌酯、吡唑醚菌酯、肟菌酯、醚菌酯和啶氧菌酯等^[1]。甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂对陆生动物的毒性较低^[2], 但是其对水生生物的生态风险较高。张国富等^[3]研究表明嘧菌酯原药和制剂对斑马鱼均具有中等以上毒性。李祥英等^[4]对嘧菌酯和吡唑醚菌酯的研究表明, 嘧菌酯对羊角月牙藻、大型溞和斑马鱼的急性毒性均为高毒, 吡唑醚菌酯对羊角月牙藻、大型溞和斑马鱼的急性毒性分别为中毒、剧毒和剧毒。刘小波等^[5]研究表明, 吡唑醚菌酯、嘧菌酯和啶氧菌酯原药对斑马鱼的急性毒性等级分别为剧毒、高毒和高毒。

无论采用何种使用方式, 大部分农药最终都将进入土壤。农药在土壤中的吸附、降解特性被认为是其在土壤-水环境中归趋的主要支配因素, 不仅制约着农药在土壤-水环境中的相对分布, 而且也影响农药在土壤-水环境中的迁移、滞留、转化和生物利用等过程^[6]。农药在土壤中的吸附及降解特性研究一直是农药环境行为研究的重要内容, 其对预测和评价农药的潜在环境风险有着重要意义。目前有关甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂在土壤中吸附特性的研究尚未见报道, 该类农药在土壤中的降解特性数据也较少^[7], 由此产生的地下水污染问题还没有引起重视。笔者通过对该类杀菌剂在土壤中吸附、降解特性的研究, 了解其在土壤环境中的存在状态和迁移转化规律, 为评价该类杀菌剂对地下水的环境污染及环境安全性提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试农药:啶氧菌酯原药(w为95.0%, 江苏优士化学有限公司提供), 肟菌酯(w为96.0%, 江苏七洲绿色化工股份有限公司提供)。供试农药信息见表 1。

供试土壤:选择江西红壤、东北黑土与太湖水稻土3种有代表性的土壤作为试验土壤, 土样经风干、研碎、过0.83或0.25 mm孔径筛网后备用, 其基本理化性质见表 2。

仪器:2695-2996高效液相色谱仪(美国沃特斯公司), CLC-生态培养箱(德国MMM公司), E24A-恒温数字振荡器(美国NBS公司), CR22GII高速离心机(日本日立公司), R-210旋转蒸发仪(德国Buchi公司), MG-2200氮吹仪(日本EYELA公司)。

试剂:乙酸乙酯、丙酮和磷酸等均为分析纯(南京化学试剂有限公司); 甲醇和乙腈为色谱纯(德国Merk公司)。

标准品:硝酸钠、莠去津、DDT、利谷隆、萘和菲(w为100%, 德国Dr. Ehrenstorfer GmbH公司)。

1.2 试验方法

土壤降解试验^[8-10]:分别称取20.0 g过0.83 mm孔径筛的上述3种土壤于3组150 mL三角瓶中, 每组10个, 调节土壤水分至饱和持水量的40%, 敞口置于(25±1) ℃生态培养箱中避光恒温预培养2周。后向各土壤中分别滴加0.4 mL 100 mg·L^-1的2种农药试验溶液, 于通风橱中待溶剂挥发完全后, 好氧条件下的土壤降解试验调节土壤水分至饱和持水量的60%, 积水厌气条件下的土壤降解试验加水至土壤表面有1 cm水层, 用棉塞将瓶口塞紧, 置于(25±1) ℃生态培养箱中恒温培养, 定期取样, 测定土壤中2种农药含量。以方程C_t=C₀×e^-kt和t_1/2=ln 2/k计算半衰期。其中, C_t为t时刻土壤中农药残留量, mg·kg^-1; C₀为土壤中农药初始含量, mg·kg^-1; k为降解速率常数; t为反应时间, h或d; t_1/2为降解半衰期, h或d。

土壤吸附试验(批平衡法)^[11-13]:称取20 g(精确到0.1 g)过0.83 mm孔径筛的上述3种土壤于200 mL具塞锥形瓶中, 加入0.01 moL·L^-1的CaCL₂溶液100 mL, 分别滴加1 g·L^-1的储备液0.2和0.1 mL, 100 mg·L^-1的储备液0.4和0.2 mL, 使初始理论质量浓度分别为2.0、1.0、0.4和0.2 mg·L^-1, 塞紧瓶塞, 置于恒温振荡器中, 于(25±2) ℃条件下以150 r·min^-1振摇24 h达到平衡后, 将土壤悬浮液转移至离心管中, 高速离心, 吸取上清液的80%体积量, 测定上清液中啶氧菌酯含量, 以Freundlich方程C_s=K_d×C_e^1/n描述吸附规律。其中, C_s为土壤对农药的吸附量, μg·g^-1; K_d为吸附系数; C_e为吸附平衡时水相中农药质量浓度, mg·L^-1; 1/n为C_s与C_e关系曲线的斜率。同时设置未加土壤的农药水溶液(0.01 moL·L^-1 CaCL₂介质)空白处理以及不加农药的土壤空白处理以校正农药水溶液的不稳定性及土壤干扰物产生的影响。土壤有机碳分配系数计算公式为K_oc=100K_d/w(OC)。其中，K_oc为以有机碳含量表示的土壤吸附系数，mL·g^-1；w(OC)为土壤有机碳质量分数，%。

土壤吸附试验(HPLC法)^[14]:用乙腈溶解并稀释硝酸钠、莠去津、DDT、利谷隆、萘、菲和肟菌酯的标准溶液, 至硝酸钠质量浓度为100 mg·L^-1, 其他受试物质量浓度为10 mg·L^-1。分别进液相色谱测定, 确定标准物质的保留时间t_R, 其中硝酸钠的保留时间用来确定色谱死时间t₀。配制含有各参比物的混合标准溶液, 其中硝酸钠质量浓度为100 mg·L^-1, 其他参比物质量浓度为10 mg·L^-1。将肟菌酯和参比物混合标样分别进样测定液相色谱保留时间t_R, 根据方程k′=(t_R-t₀)/t₀计算相应的容量因子k′。将各参比物的lg k′值和lg K_oc进行线性拟合, 通过线性方程获得肟菌酯的K_oc。

吸附自由能(△G)的计算公式为△G=-RT ln K_oc。其中，R为气体摩尔常数, 8.314 J·K·mol^-1; T为绝对温度, K。

1.3 残留分析

水样提取:取水样50 mL, 分别用30 mL乙酸乙酯萃取2次, 合并有机相, 旋转蒸发至近干, N₂吹干后, 甲醇定容, 过0.45 μm孔径滤膜, 待高效液相色谱仪测定。

土壤样品提取:称取20 g土壤至250 mL离心管中, 加入40 mL丙酮, 置于恒温振荡器中以200 r·min^-1振荡提取1 h, 高速离心分离、过滤后, 土壤再用40 mL丙酮振荡提取2次, 合并提取液。提取液置于旋转蒸发仪上将有机溶剂蒸发完全后, 水相分别用30 mL乙酸乙酯萃取2次, 合并有机相, 有机相旋转蒸发至近干, N₂吹干后, 甲醇定容, 过0.45 μm孔径滤膜, 待高效液相色谱仪测定。

HPLC分析条件:Waters 2695 HPLC仪, 2996PDA检测器; 色谱柱:XTerra^@ RP18, 5 μm×4.6 mm×250 mm; 温度条件:柱温30 ℃; 流动相:V(甲醇):V(水)=70:30的混合溶液, 肟菌酯测定时水相用磷酸调节pH值至3;流速:1.0 mL·min^-1; 进样量:20 μL; 啶氧菌酯和肟菌酯的检测波长分别为216和248 nm。上述条件下, 啶氧菌酯和肟菌酯的保留时间分别为7.7和6.6 min。

回收率:水中农药添加质量浓度为0.10~1.0 mg·L^-1时, 啶氧菌酯和肟菌酯的回收率分别为77.0%~88.5%和75.1%~93.9%, 相对标准偏差分别为3.80%~6.10%和5.40%~10.5%。土壤中农药添加量为0.20~2.0 mg·kg^-1时, 啶氧菌酯和肟菌酯的回收率分别为74.4%~77.3%和77.5%~89.2%, 相对标准偏差分别为5.20%~11.5%和5.70%~10.3%。

检测限:啶氧菌酯的仪器最小检出量为1.3×10^-10 g(信噪比3:1), 水中最低检测质量浓度为0.01 mg·L^-1, 土壤中最低检测量为0.02 mg·kg^-1; 肟菌酯的仪器最小检出量为1.3×10^-10 g(信噪比3:1), 水中最低检测质量浓度为0.005 mg·L^-1, 土壤中最低检测量为0.01 mg·kg^-1。

2 结果 2.1 2种甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂在土壤中的降解特性 2.1.1 在好氧与积水厌气土壤中的降解特性

啶氧菌酯与肟菌酯在好氧与积水厌气土壤中的降解试验结果见表 3。由表 3可知, 积水厌气条件下啶氧菌酯和肟菌酯的降解半衰期分别为43.9~73.7和2.68~3.10 d, 好氧条件下啶氧菌酯和肟菌酯的降解半衰期分别为102~301和3.81~4.31 d。根据GB/T 31270.1—2014《化学农药环境安全评价试验准则第1部分：土壤降解试验》^[10]中农药在土壤中的降解性划分定级, 常温、积水厌气条件下, 啶氧菌酯在江西红壤、太湖水稻土和东北黑土中均为中等降解性, 肟菌酯在上述3种土壤中均为易降解性; 常温、好氧条件下, 啶氧菌酯在江西红壤和东北黑土中为较难降解性, 在太湖水稻土中为难降解性, 肟菌酯在上述3种土壤中均为易降解性。

积水厌气条件有利于啶氧菌酯和肟菌酯的降解, 说明土壤中的厌氧微生物是影响啶氧菌酯和肟菌酯降解的重要因素。杨昱等^[15]也发现苯噻菌酯在渍水条件下降解速率加快, 笔者的试验结果与其一致。推测厌氧条件下的微生物群落对甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂的降解起重要作用。

2.1.2 在不同土壤中的降解动力学

啶氧菌酯和肟菌酯在不同土壤中的降解动力学参数见表 4。从表 4可知, 好氧和积水厌气条件下, 2种甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂在不同类型土壤中的降解均较好地遵循了一级动力学方程, 且在不同土壤中的降解速率有一定差别。

好氧条件下, 啶氧菌酯在3种土壤中的降解速率常数由大到小依次为东北黑土(0.007 d^-1)>江西红壤(0.006 d^-1)>太湖水稻土(0.002 d^-1), 啶氧菌酯在碱性的东北黑土中降解最快。甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂分子上具有酯键和醚基等(表 1), 这些官能团在碱性条件下易发生水解反应, 据此推测啶氧菌酯在好氧土壤中主要是因为水解作用而降解, 土壤pH值是影响啶氧菌酯降解速率的主要因素。许静等^[7]对嘧菌酯、醚菌酯和氰烯菌酯的研究也发现, 土壤pH值是影响这3种甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂土壤降解速率的主要影响因素, 笔者的试验结果与其一致。好氧条件下, 肟菌酯在3种土壤中的降解速率常数由大到小依次为江西红壤(0.182 d^-1) > 太湖水稻土(0.181 d^-1) > 东北黑土(0.161 d^-1), 与啶氧菌酯相比较, 肟菌酯结构中具有更多的酯键和醚基, 更易于发生水解反应而降解, 从而表现出较快的降解速率, 农药本身的理化性质也是影响其降解速率的重要影响因素。

积水厌气条件下, 啶氧菌酯在3种土壤中的降解速率常数由大到小依次为江西红壤(0.016 d^-1) > 太湖水稻土(0.011 d^-1) > 东北黑土(0.009 d^-1), 啶氧菌酯在酸性红壤中的降解速率最快。如2.1.1节所述, 积水厌气条件下, 厌氧微生物是影响啶氧菌酯降解性的关键因素, 土壤pH值已不是主要因素, 因此积水厌气条件下的降解规律与好氧条件下的降解规律并不一致。肟菌酯在3种土壤中的降解速率常数由大到小依次为东北黑土(0.259 d^-1)>太湖水稻土(0.226 d^-1)>江西红壤(0.223 d^-1), 由于肟菌酯的快速降解性, 土壤各特性对其降解速率的影响差异并不显著。土壤生态环境是一个多介质、多界面的复杂体系, 甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂在土壤中的降解是生物和非生物的共同作用。

2.2 2种甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂在土壤中的吸附性能 2.2.1 啶氧菌酯在土壤中的吸附性能

啶氧菌酯在土壤中的吸附动力学研究结果(表 5) 表明, 啶氧菌酯在3种不同土壤中的吸附能力由大到小为太湖水稻土(K_d=30.0) > 东北黑土(K_d=14.4) > 江西红壤(K_d=5.76), 3种供试土壤对啶氧菌酯的吸附均较好地符合Freundlich吸附等温方程。啶氧菌酯在江西红壤、东北黑土和太湖水稻土3种土壤中的K_oc分别为811、613和926, 根据GB/T 31270.4—2014《化学农药环境安全评价试验准则第4部分：土壤吸附/解吸试验》^[13]的评价标准, 啶氧菌酯在3种土壤中均属较难吸附等级(200 < K_oc≤1 000)。此外, 1/n均接近于1, 说明试验浓度范围内, 啶氧菌酯的吸附基本符合线性关系。

啶氧菌酯在3种土壤中的△G绝对值均 < 20 kJ·mol^-1, 说明啶氧菌酯在3种土壤中的吸附以物理作用为主。△G为负值, 说明啶氧菌酯在土壤中的吸附是自发过程, 啶氧菌酯在土壤中的吸附作用力可能存在氢键、范德华力、偶极键力和疏水作用。影响农药在土壤中吸附的因素包括农药性质及土壤理化性质, 土壤pH值及土壤有机质含量是影响吸附性能的最主要因素。啶氧菌酯为非离子型农药, 对比试验结果可知, 土壤对啶氧菌酯的吸附性能和土壤有机质含量有较好的相关性, 土壤有机质含量越高, 吸附性能越强。

2.2.2 肟菌酯的吸附特性

肟菌酯在土水体系中不稳定, 试验周期内批平衡法无法获得满意的质量平衡结果, 故采用高效液相色谱估测法测定肟菌酯在土壤中的吸附性(K_oc), 估算结果见表 6。根据GB/T 31270.4—2014, 肟菌酯属易吸附等级(K_oc > 20 000)。

2.3 2种甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂对地下水的潜在淋溶风险分析

1986年, 美国加利福尼亚州食品和农业局(CDFA)以是否在地下水中检出为标准, 将44种农药划分为淋溶、不淋溶与淋溶待定3种类型。1989年, Gustafson以CDFA这44种农药检出结果为基础数据, 以好氧条件下农药的土壤半衰期(t_1/2)和K_oc为变量, 将变量进行对数化处理后制图分析, 确定了地下水污染指数(groundwater ubiquity score, GUS, S_GU), 用于评估农药对地下水的淋溶风险。S_GU=lg t_1/2×(4-lg K_oc)。GUS值≥2.8为淋溶; GUS值≤1.8为不淋溶; 1.8 < GUS值 < 2.8为淋溶待定^[16]。啶氧菌酯和肟菌酯在不同土壤中的GUS值见表 7。

由表 7可知, 啶氧菌酯在3种土壤中的GUS值介于1.8~2.8之间, 具有一定的淋溶性, 肟菌酯在3种土壤中的GUS值均 < 1.8, 不淋溶。因此, 啶氧菌酯对地下水具有一定的潜在污染风险, 肟菌酯对地下水的潜在污染风险较小。

3 结论

(1) 甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂因其结构不同, 在土壤中的降解速率也存在较大的差异。常温、积水厌气条件下, 啶氧菌酯在江西红壤、太湖水稻土和东北黑土中均为中等降解性, 肟菌酯在上述3种土壤中均为易降解性; 常温、好氧条件下, 啶氧菌酯在江西红壤和东北黑土中为较难降解性, 在太湖水稻土中为难降解性, 肟菌酯在上述3种土壤中均为易降解性。

(2) 好氧条件下, 土壤pH值是影响啶氧菌酯降解速率的主要因素; 积水厌气条件下, 厌氧微生物是影响啶氧菌酯降解性的关键因素。好氧与积水厌气条件下, 肟菌酯降解均较快, 土壤性质影响差异不显著。积水厌气条件有利于甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂的降解, 厌氧微生物是影响该类农药降解的主要因素。

(3) 啶氧菌酯在3种土壤中均属较难吸附等级, 土壤有机质含量是影响啶氧菌酯在土壤中吸附性能的主要因素。高效液相色谱法估算得到肟菌酯K_oc > 20 000, 属易吸附等级。

(4) 啶氧菌酯对地下水具有一定的潜在污染风险, 肟菌酯对地下水的潜在污染风险较小。