吡唑醚菌酯在不同土壤中的吸附和降解 及竹炭對其影響

劉旭東，韓 磊，姚小龍，羅 躍，龍友華，吳小毛

(1.貴州大學 作物保護研究所，貴陽 550025；2.貴州大學 獼猴桃工程技術(shù)研究中心，貴陽 550025；3.貴州大學 農(nóng)學院，貴陽 550025)

作為一種新型的土壤污染修復劑，生物炭被稱為是土壤肥力和土壤可持續(xù)性的優(yōu)良改良劑和環(huán)境管理的重要工具[1]，是由木材、秸稈和稻殼等生物質(zhì)不完全燃燒所形成的多孔碳質(zhì)固體，其富含碳(C)、氫(H)、氧(O)等元素，具有較大的比表面積、豐富的微孔結(jié)構(gòu)和較高的孔隙率以及其他物理化學特性[2]。這些特性可使它有效地吸附和隔離土壤中的農(nóng)藥。

研究表明，土壤經(jīng)生物炭改良后可有效提高對農(nóng)藥的吸附，且表現(xiàn)出顯著的脫附延遲[3]；可有效降低農(nóng)藥的下滲和遷移，從而減小污染物對地下水的潛在污染[4]。在土壤中添加1%的小麥灰可對敵草隆的吸附量提高7～80倍[7]。由于生物炭對農(nóng)藥的吸附，在土壤中添加生物碳后，微生物對農(nóng)藥的利用率下降，導致農(nóng)藥的生物降解被抑制，礦化進程被延遲。如在土壤中加入少量的生物炭可抑制苯甲腈的生物降解[5]，以及降低敵草隆對稗草的生物有效性和除草效果[6]。這說明土壤中施入生物炭后，一方面能有效降低土壤中殘留農(nóng)藥的生物有效性和生態(tài)毒性[7]；另一方面還可導致土壤施用除草劑的藥效降低以及農(nóng)藥半衰期延長[8]。鑒于生物炭材料的差異，以及土壤理化性質(zhì)與生物炭對污染物環(huán)境行為的復雜性，非常有必要研究土壤中生物炭對農(nóng)藥吸附和降解的影響規(guī)律，有利于合理評價生物炭輸入農(nóng)田的綜合效應，指導生物炭合理施用。

吡唑醚菌酯(pyraclostrobin)又名唑菌胺酯，是一種高效、廣譜的新型甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑。甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑是目前全球銷量最大的一類殺菌劑，其大量廣泛應用可導致該類藥劑進入并污染水體環(huán)境。近年來甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑在水體中被頻繁檢出。Wightwick等[9]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，嘧菌酯、吡唑醚菌酯和肟菌酯在澳大利亞園藝集水區(qū)水樣中的最大檢出量分別為0.03、0.10、0.73 μg/L，而吡唑醚菌酯在沉積物中的最大檢出量為1.0 μg/L。目前，關(guān)于竹炭對土壤中吡唑醚菌酯的環(huán)境行為影響研究未見報道。本研究目的在于通過揭示竹炭對土壤中吡唑醚菌酯吸附及降解動態(tài)的影響規(guī)律，為土壤中生物炭的綜合效應評估、土壤中吡唑醚菌酯的環(huán)境污染風險評價以及農(nóng)藥污染治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 農(nóng)藥、試劑和儀器

吡唑醚菌酯(pyraclostrobin)標準品(質(zhì)量分數(shù)≥ 99%，上海阿拉丁生化科技有限公司)。甲醇、甲酸均為LC-MS級(德國SIGMA公司)；乙二胺-N-丙基硅烷(PSA)與C18固相分散劑(貴州昌恒生物科技有限公司)。無水硫酸鎂、氯化鈉等試劑未作說明均為分析純。

LC-MS/MS G6470型液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀(美國Agilent公司)；Thermo ST8 ST8R高速離心機(美國Thermos公司)；GXM-258A恒溫培養(yǎng)箱(寧波江南儀器廠)；VM100漩渦振蕩儀(北京托摩根生物科技有限公司)。

1.1.2 供試生物炭

供試生物炭為竹炭(購自江蘇點滴化學有限公司)。通過BET法計算比表面積，Horvath-Kawazoe (H-K)方法計算微孔平均直徑(dp)，采用相對壓力P/P0=0.95時的吸附量來計算微孔體積。測得其比表面積為918.4932 m2/g，總微孔體積為0.3248 cm3/g，總孔隙體積為0.4493 cm3/g與微孔平均直徑為0.4643 nm。

1.1.3 供試土壤和吸附劑

選擇我國5種不同類型的典型農(nóng)田土壤(湖南紅土、黑龍江黑土、浙江水稻土、陜西黃土和山西褐土)作為供試土壤，均采自農(nóng)田0～20 cm的耕作土層。采集后去掉石塊和其他雜物。經(jīng)自然風干、研碎后過篩(降解試驗土壤過2 mm篩，吸附試驗土壤過0.25 mm篩)，在4 ℃條件下貯存，備用。供試土壤的理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

本試驗以黑土添加竹炭制作人工吸附劑。竹碳在黑土中質(zhì)量分數(shù)分別為0%、0.1%、0.5%、1%、2%和5%，添加竹炭的土壤于振蕩器上反復振蕩，使竹炭和土壤顆粒充分混合均勻，作吸附劑備用。

1.2 試驗方法

1.2.1 吸附試驗

吸附試驗采用批處理恒溫振蕩法[10]。背景溶液為含0.01 mol/L CaCl2的溶液，并添加500 mg/L疊氮鈉以抑制微生物生長。吡唑醚菌酯標準品用丙酮溶解配成100 mg/L儲備液保存于4 ℃冰箱，每次吸附試驗前用背景溶液稀釋成5種不同濃度(0.25、0.5、1、2、5 mg/L)的工作溶液。

稱取5種土壤和吸附劑各2.0 g置于150 mL錐形瓶中，分別加入吡唑醚菌酯工作溶液20 mL，封口膜密封，于25 ℃以120 r/min速度在旋轉(zhuǎn)式振蕩器上振蕩24 h后(經(jīng)預試驗表明振蕩24 h可達到吸附平衡)將其懸浮液轉(zhuǎn)移至離心管中，然后4000 r/min離心10 min，提取凈化，分別測定吸附平衡時水相、土壤和吸附劑中吡唑醚菌酯的含量。每處理重復3次，并設空白對照。

1.2.2 土壤降解試驗

分別稱取5種土壤各250 g于不同的500 mL三角瓶中(包括添加及未添加竹炭的土壤樣品)，試驗前將稱量好的5種土壤置于恒溫培養(yǎng)箱25 ℃中預培養(yǎng)7 d。用丙酮配制100 mg/L吡唑醚菌酯標準溶液，并稀釋成所需濃度，隨后取0.1 mL加到各土壤中，用玻璃棒拌勻，在通風處放置一定時間待丙酮揮發(fā)完全，使土壤中吡唑醚菌酯初始質(zhì)量分數(shù)為5 mg/kg。通過加超純水將土壤含水量調(diào)節(jié)到飽和持水量的60%，塞上棉塞，置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)進行避光培養(yǎng)，分別于0 (2 h)、1、2、4、7、10、14、21、30、40 d后取樣檢測吡唑醚菌酯的含量，每處理設3次重復。培養(yǎng)過程中及時調(diào)節(jié)三角瓶內(nèi)水分含量，以保持原有持水狀態(tài)。

1.2.3 土壤殘留吡唑醚菌酯提取

準確稱取10 g樣品于裝有1 g氯化鈉、4 g無水硫酸鎂的50 mL離心管中，隨后加入5 mL超純水、10 mL乙腈，充分震搖混勻10 min，混勻后于50 mL離心機上3000 r/min離心10 min，使提取劑中的水相和有機相分層。隨后移取1.5 mL上清液于裝有150 mg無水MgSO4、50 mg PSA的2 mL離心管中，漩渦混勻2 min，將2 mL離心管于10000 r/min轉(zhuǎn)速下離心5 min，取上清液過0.22 μm有機濾膜，裝瓶，待進樣。

1.2.4 儀器分析方法

液相色譜條件：EclipsePlus C18色譜柱(2.1 mm× 50 mm，1.7 μm)；流動相為V甲醇∶V0.1%甲酸水溶液=70∶30；流速0.3 mL/min；進樣量2.0 μL；柱溫40 ℃。

質(zhì)譜條件：電噴霧正離子源(ESI+)，正離子多反應監(jiān)測(MRM)模式。毛細管電壓3.5 kV，霧化氣流速5.0 L/min，鞘氣流速11.0 L/min，碎片電壓157 V，噴針電壓500 V。定量離子對為388.1＞193.9*，碰撞能量48 V；定性離子對為388.1＞163，碰撞能量為32 V。

1.2.5 統(tǒng)計與計算

采用Origin2018進行數(shù)據(jù)分析。以一級動力學方程Ct=C0e-kt擬合吡唑醚菌酯在土壤中的降解曲線。土壤對農(nóng)藥的吸附用以下公式計算[12]：

(1)土壤對農(nóng)藥的吸附量(Cs) 式中：Cs指土壤對供試物的吸附含量(mg/kg)，C0、Ce、V分別指水溶液中吡唑醚菌酯的初始質(zhì)量濃度(mg/L)、平衡質(zhì)量濃度(mg/L)和水溶液初始體積(mL)；m指土壤質(zhì)量(g)。

(2)用Freundlich方程描述吡唑醚菌酯在土壤中的吸附規(guī)律[12]：

式中：Kd為Freundlich吸附系數(shù)；n為經(jīng)驗系數(shù)。

(3)土壤吸附自由能(GΔ )與吸附常數(shù)Koc的關(guān)系可用下式表示[13]：

式中：R為摩爾氣體常數(shù)；T為絕對溫度(K)；om為土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 方法的準確度和精密度

以吡唑醚菌酯標準液質(zhì)量濃度為橫坐標，峰面積為縱坐標繪制標準曲線。在0.1～5 mg/L范圍內(nèi)得到吡唑醚菌酯的回歸方程為y=74013x+9696.8 (R2=0.9983)。在0.1～5 mg/kg質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，吡唑醚菌酯在紅土、黑土、水稻土、黃土和褐土中的添加回收率分別是87%～107%、89%～105%、91%～ 107%、93%～106%和91%～105%，相對標準偏差分別為2.35%～6.54%、3.10%～4.96%、4.06%～5.91%、2.82%～4.96%和5.06%～6.10% (表2)。此方法下吡唑醚菌酯分離效果良好、重復性高，準確度和精密度均符合農(nóng)藥殘留要求。吡唑醚菌酯的色譜圖見圖1。

2.2 吡唑醚菌酯在土壤中的吸附

通過研究吡唑醚菌酯在不同類型土壤中的吸附發(fā)現(xiàn)，吡唑醚菌酯在紅土、黑土、水稻土、黃土和褐土5種土壤中的吸附均能較好的擬合Freundlich平衡方程，相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.9983、0.9898、0.9971、0.9978和0.9964 (表3)。根據(jù)《化學農(nóng)藥環(huán)境安全評價試驗準則第4部分：土壤吸附/解吸驗》劃分標準[12]，吡唑醚菌酯在供試土壤中的吸附性均屬于中等吸附。吡唑醚菌酯在5種土壤中的吸附自由能(ΔG)均小于40 kJ/mol (表3)。根據(jù)McCall分類法[14]推測其在5種土壤中的吸附方式均為物理吸附且是自發(fā)的可逆吸附過程。

表2 吡唑醚菌酯在5種土壤中的添加回收率(n=5)

2.3 吡唑醚菌酯在土壤中的吸附系數(shù)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

以土壤pH、有機質(zhì)含量(OM)、陽離子交換量(CEC)、黏粒含量(Clay)、粉粒含量(Silt)和沙粒含量(Sand)為自變量，吸附系數(shù)(Kd)為因變量，進行單因子回歸分析。結(jié)果表明，吡唑醚菌酯在土壤中的吸附能力受土壤pH、有機質(zhì)含量、陽離子交換量、黏粒含量、粉粒含量和沙粒含量影響，其中與土壤有機質(zhì)含量相關(guān)性最高(R2=0.9643)且呈顯著正相關(guān)(P＜0.01)(表4)，說明土壤有機質(zhì)是影響土壤對吡唑醚菌酯吸附行為的主導支配因素。

表3 吡唑醚菌酯在5種土壤中的吸附參數(shù)

表4 吡唑醚菌酯在土壤中的Kd值與土壤理化性質(zhì)的 相關(guān)性分析

2.4 竹炭對土壤吸附吡唑醚菌酯的影響

吡唑醚菌酯在添加不同質(zhì)量分數(shù)竹炭的黑土中的吸附同樣較好地擬合Freundlich平衡方程。添加0.1%、0.5%、1%、2%和5%質(zhì)量分數(shù)竹炭處理組的吸附相關(guān)系數(shù)分別為0.9943、0.9882、0.9607、0.9616和0.9042，未添加竹炭處理組的吸附相關(guān)系數(shù)為0.9951(表5)。在0.1%、0.5%、1%、2%和5%竹炭處理組的Freundlich吸附系數(shù)(Kd)分別是未添加竹炭處理組的1.10、2.26、4.20、7.79、14.40倍。竹炭具有較大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)及表面官能團，對吡唑醚菌酯具有強烈的吸附性。隨著土壤中竹炭含量的增加，土壤對吡唑醚菌酯的吸附性隨之增強。

2.5 吡唑醚菌酯在土壤中的降解

本試驗嚴格按照《化學農(nóng)藥環(huán)境安全評價試驗準則第1部分：土壤降解試驗》要求[15]，在避光條件下，分別測定了吡唑醚菌酯在5種土壤中的降解性能，結(jié)果見表6。吡唑醚菌酯在紅土、黑土、水稻土、黃土和褐土中的降解半衰期分別為17.77、12.60、13.33、16.91、15.40 d，根據(jù)《化學農(nóng)藥環(huán) 境安全評價試驗準則第1部分：土壤降解試驗》劃分標準，均屬易降解。在紅土、黑土、水稻土、黃土和褐土中其降解速率大小為黑土＞水稻土＞褐土＞黃土＞紅土。

表5 竹炭對吡唑醚菌酯在黑土中的Freundlich吸附參數(shù)影響

表6 吡唑醚菌酯在5種土壤中的降解

2.6 竹炭對土壤中吡唑醚菌酯降解的影響

吡唑醚菌酯在不同質(zhì)量分數(shù)竹炭土壤中的降解方程見表7。吡唑醚菌酯的降解半衰期隨竹炭含量的增加而延長。相比未添加竹炭土壤，在添加0.1%、0.5%、1%、2%和5%竹炭土壤中的半衰期分別延長了4.52、22.27、45.37、74.25、103.12 d。說明施入的竹炭可增強土壤對農(nóng)藥的吸附。

表7 吡唑醚菌酯在不同質(zhì)量分數(shù)竹炭土壤中的降解

3 結(jié)論

(1)吡唑醚菌酯在紅土、黑土、水稻土、黃土和褐土中的吸附能較好的擬合Freundlich方程，且吸附性均屬于中等吸附，其在5種土壤中的吸附自由能(ΔG)均小于40 kJ/mol，推測該吸附屬物理吸附且是自發(fā)的可逆吸附過程。

(2)通過吡唑醚菌酯的吸附系數(shù)(Kd)與5種土壤各理化性質(zhì)之間單因子相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)吡唑醚菌酯在土壤中的吸附與土壤有機質(zhì)表現(xiàn)出顯著的線性正相關(guān)，其次與土壤黏粒含量同樣表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。

(3)在0.1%、0.5%、1%、2%和5%竹炭處理組的Freundlich吸附系數(shù)(Kd)分別是未添加竹炭處理組的1.10、2.26、4.20、7.79、14.40倍。土壤中施入竹炭可提高對吡唑醚菌酯的吸附性，且隨著土壤中竹炭含量的增加，土壤對吡唑醚菌酯的吸附性隨之增強。

(4)吡唑醚菌酯在紅土、黑土、水稻土、黃土和褐土中降解半衰期分別為17.77、12.60、13.33、16.91、15.40 d，屬易降解類農(nóng)藥。在0.1%、0.5%、1%、2%和5%竹炭處理組，其半衰期分別相比未添加竹炭土壤延長了4.52、22.27、45.37、74.25、103.12 d。說明竹炭增強了土壤對農(nóng)藥的吸附作用。