杠柳新苷P在水和土壤中的降解與移動特性

何振宇，宋梁棟，賀保國，胡兆農，吳文君

(1. 西北農林科技大學 植物保護學院 農藥研究所，陜西楊凌　712100；2.陜西省植物源農藥研究與開發重點實驗室，陜西楊凌　712100；3.興平市植保植檢站，陜西興平　713100)

?

杠柳新苷P在水和土壤中的降解與移動特性

何振宇1,2，宋梁棟3，賀保國1,2，胡兆農1,2，吳文君1,2

(1. 西北農林科技大學 植物保護學院 農藥研究所，陜西楊凌712100；2.陜西省植物源農藥研究與開發重點實驗室，陜西楊凌712100；3.興平市植保植檢站，陜西興平713100)

摘要采用室內模擬試驗，研究植物殺蟲活性成分杠柳新苷P在不同水體和不同類型土壤中的降解與移動特性，分析其對不同水體與不同類型土壤的污染風險性。結果表明：溫度和pH對杠柳新苷P在水中的降解均有一定程度的影響。溫度為50 ℃、pH=9時，降解速率最快，其水解半衰期為2.36 d。土壤降解與土壤淋溶試驗表明，杠柳新苷P在麥田土、果園土和菜園土中的降解半衰期分別為4.33、4.25和3.85 d，降解速率依次為菜園土>果園土>麥田土；對比試驗研究表明，在未滅菌的土壤中，杠柳新苷P的降解速率比滅菌的土壤中顯著加快。

關鍵詞植物源農藥；杠柳新苷P；水體降解；土壤降解；土壤淋溶

植物源農藥作為一種新興農藥，具有傳統化學農藥無法比擬的優勢，目前，國內外的研究普遍認為，其大多數具有低毒、低污染、低殘留、不易產生抗藥性等良好的環境安全性[1]。然而，植物源農藥絕不意味著無毒，部分植物源農藥品種仍可對環境和人體健康帶來一定的不利影響[2]。并非所有的植物源農藥在水體與土壤中均容易降解、無殘留[3]。如天然除蟲菊對魚毒性大，且易光降[4]，煙草、狼毒等對高等動物具有較高的毒性[5]。由于植物源農藥的成分復雜，化學結構新穎，作用機理特殊，其環境行為和生態毒性可能與傳統的化學農藥存在較大的不同[6]。因此，對植物源農藥進行系統的環境行為安全性評價具有重要的理論意義和應用價值。

杠柳(PeriplocasepiumBunge)是蘿藦科(Asclepiadaceae)杠柳屬的一種蔓生性灌木，又名北五加、香加皮[7]。20世紀80年代，日本學者Itokawa等[8-9]從杠柳根皮中分離得到的化學成分主要有杠柳毒甙、北五加皮甙等。近年來，西北農林科技大學農藥研究所對杠柳根皮的殺蟲活性成分進行全面的研究，從杠柳根皮中分離得到一種新型糖苷類活性化合物杠柳新苷P(periplocoside P)，其結構式見圖1[10-11]。同時，該研究所以杠柳新苷類活性化合物為主要成分，開發了杠柳根皮提取物的10%微乳劑和15%水乳劑，但其環境安全性研究，目前國內外尚無相關報道。

本研究根據《化學農藥環境安全評價試驗準則》[12]，以杠柳新苷P作為杠柳新苷類活性化合物的代表，研究其在水體和土壤中的降解與移動特性，并對其影響因素進行探討，旨在為杠柳殺蟲制劑的登記和科學合理使用提供依據。

1材料與方法

1.1材 料

杠柳新苷P(Periplocosides P)：從杠柳根皮中分離，純度95%以上，由西北農林科技大學農藥研究所自行制備。

土壤：選擇河南二合土、東北黑土和江西紅土進行土壤淋溶試驗，選擇麥田土、菜園土和果園土進行土壤降解試驗。6種土壤在去除雜物后風干處理，研碎，過0.15 mm孔徑篩，備用。其相關理化性質見表1。

圖1　杠柳新苷P的化學結構式

土壤類型Typeofsoilw(有機質)/(g·kg-1)MassfractionoforganicmatterpHw(砂粒)/%Massfractionofsand(>0.002mm)w(粉粒)/%Massfractionofparticle(0.002～0.005mm)w(粘粒)/%Massfractionofclayparticle(<0.05mm)陽離子交換量/(cmol·kg-1)Cationexchangecapacity河南二合土Henancompositesoil13.707.2141.5841.0517.379.47東北黑土Northeastphaeozem24.236.4436.7229.0833.4830.68江西紅土Jiangxiredsoil3.745.3244.1528.5127.346.62麥田土Wheatfieldsoil20.177.6442.8641.9715.1710.85菜園土Vegetablegardensoil16.037.6740.7440.3518.9110.41果園土Orchardsoil19.817.6045.9442.7311.3310.80

1.2水體降解試驗

按照Clark-Lubs緩沖體系設置5、7、9共3個pH，每個pH下設置25 ℃和50 ℃ 2個溫度條件，配置后重新調節pH。無菌條件下添加杠柳新苷P，使初始質量濃度達200 mg·L-1，后置于恒溫培養箱中避光培養。定期采集水樣，利用HPLC檢測水樣中杠柳新苷P的質量分數，并計算其水解半衰期。

1.3土壤降解試驗

將麥田土、蔬菜田土、果園土烘干后研碎并過0.12 mm篩，無菌組土壤進行高溫高壓蒸汽滅菌30 min。取25 g土與3.6 g杠柳浸膏拌勻后置于100 mL具塞三角瓶中，加8 mL水使土壤含水率為田間持水量的60%，置于25 ℃培養箱下恒溫避光培養，于第0、1、4、7、14和28天分別取樣3.0 g。經40 ℃鼓風干燥后，以20 mL甲醇超聲提取3次，過濾后合并提取液，旋轉蒸發后用色譜級甲醇溶解定容至5 mL，經HPLC檢測樣品中杠柳新苷P的質量分數，計算其降解半衰期。

1.4土壤淋溶試驗

采用土壤薄層層析法，稱取烘干后過0.12 mm篩的河南二合土、江西紅土、東北黑土各10 g，置于研缽中，加適量蒸餾水研磨后，將攪拌均勻的土樣涂布于10 cm×20 cm層析玻璃板上，土層厚度為0.5～1.0 mm，并將涂布好的土壤薄板在室內晾干。于距薄板底部2.0 cm處，用毛細管點藥約10 μL。用純水作為展開劑，展開劑前沿距原點4 cm處停止。晾干后將薄板上的土壤等距分為0～2、2～4、4～6、6～8、8～10和10～12 cm 6段，超聲提取后用HPLC測定各段杠柳新苷P的質量分數，并計算其Rf值。

1.5檢測條件

色譜條件：大連依利特EC2000色譜工作站；色譜柱為Hpersil BDS-C18柱，4.6 mm×250 mm，粒徑5 μm；柱溫25 ℃；流動相為V(CH3OH)∶V(H2O)=90∶10；檢測波長205 nm；流速1 mL·min-1；進樣量為5 μL。在上述色譜條件下，杠柳新苷P質量濃度在0.05～5.00 mg·L-1呈良好的線性，標準曲線方程為y=1.100 5x+7.767 9(R2=0.995 8)。式中y為質量濃度，x為峰面積。

1.6數據處理

試驗數據、圖表均采用Excel 2010軟件進行處理。

2結果與分析

2.1杠柳新苷P在3種土壤中的移動特性

農藥在土壤中的移動性是評價其對地下水污染風險的重要指標之一。通過薄層層析法測定杠柳新苷P在江西紅土、東北黑土和河南二合土的遷移能力，其淋溶試驗結果見表2。杠柳新苷P在3種土壤中均主要分布于0～2 cm土壤段，Rf值均在0～0.34。依據農藥移動性能等級劃分，杠柳新苷P在江西紅土和河南二合土中的移動等級均為Ⅱ(弱)，在東北黑土中的移動等級為Ⅰ(很弱)。表明杠柳新苷P具有較差的水溶性，對比試驗結果進一步說明土壤的理化性質對杠柳新苷P在土壤中的移動能力影響較小。

2.2杠柳新苷P在3種土壤中的降解特性

土壤的降解作用是農藥在環境中消失的一種最基本途徑,在一定程度上決定農藥的藥效與其對環境的安全性。本試驗在 25 ℃恒溫條件下測定杠柳新苷P在麥田土、菜園土、果園土中的降解特性。杠柳新苷P在上述3種土壤中的降解動態均能較好地遵循一級動力學方程，結果見表3與表4。

隨著采樣時間的延長，杠柳新苷P在3種土樣中的降解率逐漸變大。7 d后其殘留量均小于50 μg·g-1，降解半衰期分別為4.33、3.85和4.25 d。第28 天采樣時，杠柳新苷P的降解率均達95%以上(表3)；而杠柳新苷P在滅菌土壤中的降解半衰期分別為5.73、6.03和6.48 d(表4)，其降解半衰期均大于未經滅菌土壤。依據國家環保總局《化學農藥環境安全評價試驗準則》中農藥土壤降解性劃分等級，杠柳新苷P在上述3種土壤中均具易降解性。

表2　土壤薄層層析試驗結果

注：ND.未檢出。

Note：ND meas non-detected.

表3　不同時間土壤中杠柳新苷P的殘留量

2.3杠柳新苷P的水體降解特性

在不同溫度(25 ℃、50 ℃)和不同pH(5、7、9)條件下，杠柳新苷P的水解曲線如圖2所示，水解動力方程及半衰期見表5。由圖2可以看出，水相中杠柳新苷P質量分數隨時間的推移逐漸減小，其降解速率在最初的5 d內最大，第5 天時其殘留質量分數(除pH=7，25 ℃外)均小于50 μg·g-1，5 d后降解速率逐漸減小。結果表明，杠柳新苷P的水解規律均符合一級動力方程，且其在25 ℃和50 ℃條件下，pH=9的緩沖溶液中杠柳新苷P水解速度最快，其次是在pH=5緩沖溶液，而在pH=7緩沖溶液中的水解最慢；50 ℃的水解半衰期均小于25 ℃，依據農藥水解特性等級劃分杠柳新苷P屬于易水解。

表4　杠柳新苷P的土壤降解半衰期和動力方程

注：農藥降解動態可用方程CT=C0e-KT來具體表達；其中K為降解速率常數；C0為農藥的初始質量濃度；CT為T時刻農藥的質量濃度。表5同。

Note： Pesticide degradation dynamic level expressed in equation ofC=C0e-KT;K.disappearance rate constant;C0.initial mass concentration of pesticides;CT.mass concentration of pesticides atTtime.The same as table 5.

圖2　不同溫度下杠柳新苷P的水解曲線

溫度/℃Temperature水體pHpHofwaterR2降解動力方程Kineticalequationofdegradation水解半衰期/dHalf-lifeofwater2550.8694CT=99.179e-0.162T4.2870.9274CT=151.77e-0.116T5.9790.9104CT=136.44e-0.291T2.385050.9021CT=88.639e-0.194T3.5770.9599CT=105.88e-0.175T3.9690.7898CT=87.735e-0.294T2.36

3討 論

土壤和水體是農藥進入環境后的“儲藏庫”與“集散地”，施入農田的農藥大部分殘留于土壤環境介質中[13-15]。楊煒春等[16]認為，農藥在土壤中的吸附、脫附是農藥在土壤-水環境中歸宿的主要支配因素。當農藥被土壤強烈吸附以后，其生物活性和微生物對它的降解性能都會被減弱。吸附性強的農藥，其移動性和擴散能力較弱，不易進一步造成對周圍環境的污染[17]。因此，研究農藥在水體中的水解和土壤中的吸附行為，不僅可為農藥的使用技術提供指導，避免對后茬作物的影響，而且還可為新農藥的優選、降低農藥的使用量和減少對環境的污染提供理論依據和科學指導。

進入土壤和水體中的農藥將發生一系列的物理化學過程，如被土壤膠粒及有機質吸附、向深層土壤移動、向大氣中揮發擴散、被作物吸收、被土壤微生物降解等。農藥在土壤中的物理行為在很大程度上取決于農藥在土壤中的吸附和解吸能力[18]。本研究結果表明，杠柳新苷P在無菌土壤中的降解半衰期均顯著大于未經滅菌的土壤，說明微生物的活動是其降解的一個重要因素。農藥的微生物降解作用實際上表現為酶促反應，大多數農藥的微生物降解途徑已明確。綜合來說，農藥的微生物降解途徑包括氧化、還原、水解、脫鹵縮合、脫羧、異構化等，微生物降解是一些農藥在土壤中的遷移轉化的主要方式。如：滴滴涕(DDT)、對硫磷、艾氏劑等的主要消失途徑均是通過微生物降解。影響微生物降解的主要條件是溫度、微生物的菌屬、土壤的含水量、有機物含量等[19]。杠柳新苷P(PSP)在50 ℃水解速率顯著大于25 ℃，說明其在高溫下更容易水解。溫度影響微生物降解的速度主要是由于溫度影響微生物的活性，從而影響降解速度[20]。例如，在微生物適宜溫度0～35 ℃范圍內，鄭和輝等[21]研究甲草胺的微生物降解，發現甲草胺的微生物降解通常符合一級反應模型。此外，pH也是影響PSP在土壤中降解的一個重要因素。同一溫度下，PSP在中性pH條件下水解最慢，堿性條件下水解速率大于酸性條件。朱忠林等[22]發現溴氟菊酯農藥的水解速率隨pH的增大而加快，在pH為5、7、9的溶液中其水解半衰期分別為15.6、8.3和4.2 d。同時，無論在何種溫度和酸堿度條件下溴氯菊酯農藥水解半衰期均小于1個月，屬于易水解。但并非所有的農藥都能很快水解，如丁草胺[23]在純水中黑暗放置30 d，發現丁草胺的濃度并無變化，說明該農藥在水體中的穩定性很高，對地下水有嚴重的污染性。

目前，對農藥的研究只集中于其某一單一過程，如微生物降解、水解、光解等，并沒有結合其他過程進行研究，而在農藥的遷移轉化過程中，這些過程會互相影響。研究農藥在土壤中的遷移轉化的對象主要是施入土壤中的農藥，但農藥遷移轉化的中間產物可能與原來的農藥有著截然不同的性質和結構(可能更具毒性或穩定性)，且有的農藥在酸性和堿性條件下的轉化產物并不一樣。在以后對農藥的研究中，應把農藥轉化的中間產物作為農藥遷移轉化的一個重要參數來考慮。

本研究結果表明杠柳新苷P在土壤中移動性弱，易降解，其殘留等級為低殘留，可能是由多種因素共同影響所致。但是，目前杠柳新苷P在土壤中的具體降解反應還不清楚，尚需進一步的試驗進行論證。

參考文獻Reference：

[1]李凡海,王桂清.我國生物源農藥應用現狀及對策探討[J].農業科技與裝備,2014(8):58-60.

LI F H,WANG G Q.The present application situation and the countermeasures of biological pesticides in China [J].AgriculturalScience&Technology,2014 (8):58-60 (in Chinese with English abstract).

[2]DUBEY N K,SHUKLA R,KUMAR A,etal.Prospects of botanical pesticides in sustainable agriculture[J].CurrentScience,2010,98(4):479-480.

[3]BAKER B P,BENBROOK C M,GROTH E,etal.Pesticide residues in conventional,integrated pest management (IPM)-grown and organic foods:insights from three US data sets[J].FoodAdditives&Contaminants,2002,19(5):427-446.

[4]程暄生,趙平,于涌.天然除蟲菊[J].農藥,2005,44(9):391-394.

CHENG X SH,ZHAO P,YU Y.Natural insecticidal pyrethrum [J].Pesticides,2005,44(9):391-394 (in Chinese with English abstract).

[5]韓志華,朱忠林,單正軍.幾種植物源農藥對環境生物的毒性[J].應用與環境生物學報,2005,11(3):346-348.

HAN ZH H,ZHU ZH L,SHAN ZH J.Toxicity of botanical pesticides to environment organisms [J].ChineseJournalofApplied&EnvironmentalBiology,2005,11(3):346-348 (in Chinese with English abstract).

[6]EL-WAKEIL N E.Botanical pesticides and their mode of action [J].GesundePflanzen,2013,65(4):125-149.

[7]師寶君,高履桐,姬志勤,等.杠柳殺蟲活性成分的分離[J].農藥學學報,2012,14(1):103-106.

SHI B J,GAO L T,JI ZH Q,etal.Isolation of the insecticidal ingredients fromPeriplocasepium[J].ChineseJournalofPesticideScience,2012,14(1):103-106 (in Chinese with English abstract).

[8]ITOKAWA H,XU J P,TAKEYA K,etal.Studies on chemical constituents of antitumor fraction fromPeriplocasepium.V.structures of new pregnane glycosides,periplocosides J,K,F and O[J].Chemical&PharmaceuticalBulletin,1988,36(11):982-987.

[9]ITOKAWA H,XU J P,TAKEYA K.Studies on chemical constituents of antitumor fraction fromPeriplocasepiumBGE.I.[J].Chemical&PharmaceuticalBulletin,1987,35(11):4524-4529.

[10]師寶君.杠柳和昆明山海棠根皮殺蟲活性成分研究[D].陜西楊凌:西北農林科技大學,2009.

SHI B J.Studies on the insecticidal constituents of the roots bark ofPeriplocasepiumandTripterygiumhypoglaucum[D].Yangling Shannxi:Northwest A&F University,2009(in Chinese with English abstract).

[11]陳翠翠,高履桐,師寶君,等.杠柳新苷P和E對東方粘蟲和小地老虎幼蟲中腸蛋白酶活性的影響[J].昆蟲學報,2012,55(4):412-419.

CHEN C C,GAO L T,SHI B J,etal.Effects of periplocosides P and E fromPeriplocasepiumon the proteinase activities in the midgut of larvae ofMythimnaseparataandAgrotisypsilon[J].ActaEntomologicaSinica,2012,55(4):412-419 (in Chinese with English abstract).

[12]MENSINK B,SCHEEPMAKER J.How to evaluate the environmental safety of microbial plant protection products:a proposal[J].BiocontrolScience&Technology,2007,17(1):3-20.

[13]SANKARARAMAKRISHNAN N,SHARMA A K,SANGHI R.Organochlorine and organophosphorous pesticide residues in ground water and surface waters of Kanpur,Uttar Pradesh,India[J].EnvironmentInternational,2005,31(1):113-120.

[14]ARIAS-ESTéVEZ M,LPEZ-PERIAGO E,MARTN-EZCA RBALLO E,etal.The mobility and degradation of pesticides in soils and the pollution of groundwater resources[J].Agriculture,Ecosystems&Environment,2008,123(4):247-260.

[15]KJAER J,ERNSTSEN V,JACOBSEN O H,etal.Transport modes and pathways of the strongly sorbing pesticides glyphosate and pendimethalin through structured drained soils[J].Chemosphere,2011,84(4):471-479.

[16]楊煒春,劉維屏,馬云,等.撲草凈和撲滅通在土壤中吸附及其與色譜熱力學函數的相關性[J].土壤學報,2004,39(5):693-698.

YANG W CH,LIU W P,MA Y,etal.Adsorption of herbicide prometryne and prometon on soils and correlation with their chromatographic thermodynamics[J].ActaPedologicaSinica,2004,39(5):693-698 (in Chinese with English abstract).

[17]李克斌,劉惠君,馬云,等.不同類型表面活性劑在土壤上的吸附特征比較研究[J].應用生態學報,2004,15(11):2067-2071.

LI K B,LIU H J,MA Y,etal.Adsorption characteristics of three types of surfactants in soils[J].ChineseJournalofAppliedEcology,2004,15(11):2067-2071 (in Chinese with English abstract).

[18]鄭立慶,方娜,周慶祥,等.農藥在土壤中的吸附及其影響因素[J].安徽農業科學,2007,35(21):6573-6575.

ZHENG L Q,FANG N,ZHOU Q X,etal.Absorption of the pesticides in soils and its influencing factors[J].JournalofAnhuiAgriculturalSciences,2007,35(21):6573-6575 (in Chinese with English abstract).

[19]HARITASH A K,KAUSHIK C P.Biodegradation aspects of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs):a review[J].JournalofHazardousMaterials,2009,169(1):1-15.

[20]MARIA D P C,LENNART T.Effect of biobed composition,moisture,and temperature on the degradation of pesticides[J].JournalofAgricultural&FoodChemistry,2007,55(14):5725-5733.

[21]鄭和輝,葉常明.甲草胺和丁草胺等除草劑在多介質環境中環境行為綜述[J].環境科學進展,1999,7(3):1-10.

ZHENG H H,YE CH M.The behavior summary of alachlor and butachlor in the multi-medium environment[J].AdvancesinEnvironmentalScience,1999,7(3):1-10 (in Chinese with English abstract).

[22]朱忠林,單正軍,蔡道基.溴氟菊酯的光解、水解與土壤降解[J].生態與農村環境學報,1996,12(4):5-7.

ZHU ZH L,SHAN ZH J,CAI D J.Photnlysis,hydrolysis of bronuthrinate and its degradation in soil[J].RuralEco-Environment,1996,12(4):5-7 (in Chinese with English abstract).

[23]鄭和輝,葉常明.乙草胺和丁草胺的水解及其動力學[J].環境化學,2001,20(2):168-171.

ZHENG H H,YE CH M.Hydrolysis of chloracetanilide herbicidesacetohlor and butachlor[J].EnvironmentalChemistry,2001,20(2):168-171 (in Chinese with English abstract).

Received 2015-03-04Returned2015-06-02

Foundation itemSpecial Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (No.200903052); Agricultural Science and Technology Key Project of Shaanxi Province(No.2015NY033).

First authorHE Zhenyu,male,master student.Research area:pesticide toxicology. E-mail: 274945399@qq.com

(責任編輯：史亞歌Responsible editor:SHI Yage)

Degradation and Moving Characteristics of Periplocosides P in Water and Soil

HE Zhenyu1,2,SONG Liangdong3,HE Baoguo1,2,HU Zhaonong1,2and WU Wenjun1,2

(1. Institution of Pesticide Science,College of Plant Protection,Northwest A&F University,Yangling Shaanxi 712100,China; 2. Key Laboratory of Botanical Pesticide R&D in Shaanxi Province,Yangling Shaanxi712100,China;3. Plant Protection and Quarantine Station of Xingping,Xingping Shaanxi713100,China)

AbstractIn this study,the degradation characteristics,moving characteristics and pollution risk of periplocosides P in different water and different types of soil were analyzed using the indoor simulation test method. The results showed that the temperature and pH influenced the degradation of periplocosides P in water to a certain degree. The half-life of fastest hydrolysis was 2.36 d under the condition of 50 ℃ and pH=9. The soil degradation and soil leaching test showed that the half-life of periplocosides P degradation in vegetable garden soil,orchard soil and wheat field soil soil was 4.33 d,4.25 d and 3.85 d,respectively. Meanwhile,the degradation rate of periplocosides P in vegetable garden soil,orchard soil and wheat field soil were sequenced in descending order. The degradation rate of periplocosides P in non-sterile soil was faster than in sterile soil. In conclusion,periplocosides P is an easily degradable compound in environment.

Key wordsBotanical insecticide；Periplocosides P；Hydrolysis；Soil degradation；Soil leaching

收稿日期：2015-03-04修回日期：2015-06-02

基金項目：國家公益性行業(農業)科研專項(200903052); 陜西省農業科技創新與攻關項目(2015NY033)。

通信作者：胡兆農，男，教授，博士，博士生導師，主要從事農藥毒理學研究。E-mail：huzhaonong@nwsuaf.edu.cn

中圖分類號S481+.8

文獻標志碼A

文章編號1004-1389(2016)04-0619-07

Corresponding authorHU Zhaonong,male,Ph.D,professor,doctoral supervisor.Research area:pesticide toxicology.E-mail: huzhaonong@nwsuaf.edu.cn

網絡出版日期：2016-04-02

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20160402.1118.038.html

第一作者：何振宇，男，碩士生，從事農藥毒理學研究。E-mail：274945399@qq.com