唑啉草酯的水解及光解特性

歐 將, 劉開林, 滕玉婷, 曾利紅,張貴群, 聶春林, 歐曉明*,

(1. 湖南化工研究院 國家農藥創制工程技術研究中心/湖南省農用化學品重點實驗室，長沙 410014；2. 湖南化研院檢測技術有限公司，長沙 410014；3. 湖南農業大學 植物保護學院，長沙 410128)

唑啉草酯(pinoxaden，圖式1)是由先正達公司研發的具有內吸傳導性的一種新型苯基吡唑啉類除草劑，主要通過抑制雜草乙酰輔酶A 羧化酶(acetyl CoA carboxylase)阻礙葉面脂肪酸的合成，破壞葉片細胞膜含脂結構導致雜草死亡，主要登記用于防除麥類作物田一年生禾本科雜草[1-2]。

農藥的水解和光解作為農藥環境化學行為的重要組成部分，是評價農藥對生態環境影響及其在環境中殘留特性的重要指標[3]。目前，國內外對唑啉草酯的研究限于合成、藥效和殘留分析方面[4-8]，有關其在溶液中的水解和光解特性的研究鮮有報道。農藥殘留專家聯席會議(JMPR)指出[9]，唑啉草酯在植物、水、土壤等環境介質中可發生降解，其降解產物可達20 余種，其中在緩沖溶液中較穩定的水解產物有M2 (8-(2,6-二乙基-4-甲基苯基)-9-羥基-1,2,4,5-四氫吡唑[1,2-d][1,4,5]二氮雜卓-7-酮) (圖式1)。Mcmanus等[10]通過對歐洲各地農業場所淺層地下水樣品的采集和監測，發現地下水樣中存在著唑啉草酯及包括M2 在內的7 種降解產物。筆者在前期采用高效液相色譜法建立了唑啉草酯在水和土壤中殘留分析方法的基礎上[8]，采用室內模擬試驗繼續開展了唑啉草酯的水解和光解特性及其降解產物研究，以期為該除草劑的正確使用及其環境安全性評價提供依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

主要儀器：LC-20AT 型高效液相色譜儀配二極管陣列檢測器(日本島津公司)；Aglient 1290 型高效液相色譜-G6470 型三重四極桿質譜聯用儀(美國安捷倫科技有限公司)；AL204 型萬分之一電子天平(梅特勒-托利多儀器上海有限公司)；XT5409-XPC150 型氙弧燈光穩定性試驗箱(杭州雪中炭)；XT5107-IH250 型恒溫恒濕培養箱(杭州雪中炭)；TA8134 型數字式照度儀(蘇州特安斯)；UV-A 型紫外輻射照度計(北京師范大學光電儀器廠)；916 型自動電位滴定儀(瑞士萬通中國)；DDS-307A 型雷磁電導率儀(上海儀電科學儀器)；HQ-40d 型溶解氧測定儀(美國哈希公司)；112S-3030CH 型立式壓力蒸汽滅菌器(日本三洋)；SWCJ-1D 型超凈工作臺(浙江孚夏醫療科技)；KQ-800B 型超聲波清洗器(江蘇昆山市儀器公司)；Elix3 Synergy UV-R 型超純水儀(美國Millipore公司)。

藥劑和試劑：唑啉草酯(pinoxaden)標準品，(純度98.3%，沈陽化工研究院有限公司)；唑啉草酯代謝物M2 標準品(純度99.8%，響水中山生物科技有限公司)；甲醇、乙腈(色譜純，霍尼韋爾國際公司)；其余化學試劑均為分析純；純水，采自實驗室Elix3 Synergy UV-R 超純水儀制備。

1.2 試驗體系

pH 值為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0 和9.0的緩沖溶液根據文獻方法[11]配制，現配現用，使用前滅菌并重新校準pH 值。

河水、池塘水和稻田水分別采自湖南省長沙市雨花區黎托段瀏陽河水、湖南農業大學附近教學基地3 號塘和湖南省瀏陽市普跡鎮普泰村易家組水稻田。水樣經中性濾紙過濾后測定pH 值、電導率和溶解氧含量。供試水樣的理化性質見表1。

表1 供試水樣的理化性質Table 1 Physical and chemical properties of tested water samples

1.3 儀器分析條件

1.3.1 唑啉草酯檢測方法 采用高效液相色譜(HPLC)法測定。Agilent extend C18色譜柱(4.6 mm ×250 mm，5.0 μm)，柱溫40 ℃；流速1 mL/min；進樣量20 μL；流動相為V(乙腈) :V(0.1%磷酸水溶液) = 62 : 38；檢測波長260 nm。在此條件下，唑啉草酯的保留時間約為8.5 min。

1.3.2 唑啉草酯代謝物M2 檢測方法 采用高效液相色譜-串聯質譜(HPLC-MS/MS)法測定。色譜條件：Aglient Eclipse Plus C18色譜柱(50 mm ×2.1 mm，1.8 μm)；柱溫35 ℃；進樣體積5 μL；流動相為0.1%甲酸水溶液(A)與0.1%甲酸甲醇溶液(B)的混合溶液，流速0.4 mL/min，采用梯度洗脫程序，即0～4.9 min，V(A) :V(B) = 80 : 20；5.0～5.5 min，V(A) :V(B) = 10 : 90；5.6～7.0 min，V(A) :V(B) = 80 : 20。

質譜條件：電噴霧離子源(ESI + )；正離子多反應監測模式(MRM)；離子噴霧電壓3500 V；霧化氣壓力0.31 MPa；干燥氣溫度300 ℃，流速5 L/min；定性離子對(m/z)：317.2/131.1；定量離子對(m/z)：317.2/174.2；錐孔電壓135 V；碰撞能量均為35 V。在此條件下，M2 的保留時間為3.5 min。

1.4 水解試驗

參照文獻[12]方法進行。采用pH 值分別為4.0、7.0 和9.0 的緩沖溶液配制質量濃度為10.0 mg/L的唑啉草酯供試溶液，將其分裝于具塞試管中，分別置于(25 ± 1)和(50 ± 1) ℃的恒溫恒濕培養箱中避光培養，按表2 所述的取樣時間分別取樣，每次取兩個平行樣，按照1.3 節儀器分析條件同時檢測唑啉草酯和M2 的殘留量。

表2 唑啉草酯水解試驗取樣時間表Table 2 Sampling time for hydrolysis test of pinoxaden

1.5 光解試驗

參照文獻[13]方法進行。采用pH 值分別為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 和8.0 的緩沖溶液以及純水、河水、池塘水和稻田水配制質量濃度為10.0 mg/L的唑啉草酯供試溶液，分裝于具塞石英光解反應管中，分成兩組：一組置于(25 ± 2) ℃、平均照度為3840 lx 的氙弧燈光穩定性試驗箱中進行光解試驗；一組置于(25 ± 2) ℃的恒溫恒濕培養箱中作黑暗對照。定期取樣，每次取兩個平行樣，按照1.3 節分析條件同時檢測唑啉草酯和M2 的殘留量。

1.6 數據處理

所有試驗數據采用DPS 統計軟件進行分析[14]。

一級動力學方程Ct=C0e-kt擬合唑啉草酯的水解和光解試驗數據；降解半衰期為t1/2= ln2/k=0.693/k；溫度效應系數為Q=k(t+25)/kt；反應活化能為Ea=RTln(A/k)[15]。其中：Ct為t時刻溶液中唑啉草酯殘留的質量濃度(mg/L)；C0為唑啉草酯的初始質量濃度(mg/L)；k為降解速率常數(h?1)；kt為t溫度條件下的速率常數(h?1)；R為氣體常數[8.314 J/(K·mol)]；T為熱力學溫度(K)；A為頻率因子。

2 結果與討論

2.1 唑啉草酯的水解特性

2.1.1 唑啉草酯的水解動力學 唑啉草酯的水解試驗結果見表3。可見，唑啉草酯在不同pH 值的緩沖溶液中的濃度均隨著培養時間的延長而逐漸降低，水解動力學規律均符合一級動力學方程。25 ℃條件下，pH 值越高，水解速率越快，在pH 值為4.0、7.0 和9.0 的緩沖溶液中，其水解半衰期分別為347、40.8 和1.08 h；而50 ℃條件下其水解半衰期分別為57.8、11.6 和0.498 h。根據《化學農藥環境安全評價試驗準則》[12]，唑啉草酯屬于易水解類化合物。JMPR 報告[9]指出在25 ℃條件下，唑啉草酯在pH 值為4.0、7.0 和9.0 的緩沖溶液中的水解半衰期分別為413、238 和4.80 h，50 ℃條件下則分別為93.6、28.8 和 <4.80 h，本研究結果與之存在一定差異，分析原因可能由于不同緩沖溶液體系中特定離子如Na+、H2BO3?、PO43-等濃度的不同，影響唑啉草酯在緩沖溶液中的水解速率導致的。

表3 唑啉草酯在不同pH 值和不同溫度條件下的水解動力學參數Table 3 Hydrolytic kinetics parameters of pinoxaden under different pH and temperature

2.1.2 溫度和pH 值對唑啉草酯水解的影響 唑啉草酯水解速率可以用溫度效應系數Q值來評價，Q值越大，反應越快。結果(表3)表明，唑啉草酯在pH 值為4.0、7.0 和9.0 緩沖溶液中的Q值分別為6.00、3.53 和2.18，溫度對唑啉草酯的水解具有明顯的影響，且在酸性條件下其水解速率受溫度的影響更大，這與歐曉明等[15]研究的硫肟醚(sulfoxime)的水解結果一致，即溫度越高，分子在緩沖溶液中的運動速率越快，導致反應體系的內能提高，農藥水解速率加快。

唑啉草酯水解反應的活化能(Ea)為24.9～57.3 kJ/mol。在一定溫度下，有機化合物的反應活化能越大，反應速率越慢[16]。本研究中，唑啉草酯的活化能隨著緩沖溶液pH 值的升高而變小，表現為其在pH 值為4.0 的緩沖溶液中水解最慢，在pH 值為9.0 的緩沖溶液中水解最快。反應活化能的大小同時反映了溫度對反應速率常數(k)影響的程度，一般活化能越高，則隨溫度的升高其反應速率增加越快[15]，與唑啉草酯的Q值隨著pH 值的增加而降低的結果是一致的。

2.2 唑啉草酯的光解特性

2.2.1 pH 值的影響 結果(表4)表明，在氙燈光照下，唑啉草酯在緩沖溶液中的光解動力學規律符合一級動力學方程，決定系數R2均在0.9422 以上。唑啉草酯的光解速率隨pH 值升高而加快，其中以在pH 值為8.0 的條件下的光解速率最快，是酸性(pH 3.0)條件下的6.3 倍。在黑暗對照試驗中，唑啉草酯的水解速率隨著pH 值升高而顯著加快，在pH 值為3.0、4.0 和5.0 的緩沖溶液中，其降解主要以光解為主，水解速率緩慢；當pH 值升高至6.0、7.0 和8.0 時，唑啉草酯的水解速率顯著加快，在pH 值為8.0 時水解貢獻率最高達85.5%，說明唑啉草酯在發生光解作用的同時，水解作用也顯著加快了其降解速率。程功等[17]在研究丙炔氟草胺(flumioxazin)以及侯麗娜等[18]在研究腐霉利(procymidone)在緩沖溶液中的光解時，均發現堿性條件下的光解速率比中性和酸性條件下快，并認為在堿性條件下是大量存在的·OH 加快了農藥的光解反應。

表4 唑啉草酯在不同緩沖溶液中的光解動力學參數Table 4 Photolysis kinetics parameters of pinoxaden in different buffer solutions

2.2.2 自然水體的影響 結果(表5)表明，在氙燈光照下，初始質量濃度為10.0 mg/L 的唑啉草酯，在純水、河水、池塘水和稻田水4 種水體中的光解動力學規律均符合一級動力學方程，其光解速率從高到低依次為：池塘水>稻田水>河水>純水，光解半衰期分別為5.17、7.79、8.56 和38.5 h。

表5 唑啉草酯在自然水體中的光解動力學參數Table 5 Photolysis kinetics parameters of pinoxaden in natural water

不同自然水體對光能的吸收和傳導能力不同導致農藥光解速率存在差異[19]，純水因電導率最小、溶解性物質的含量最低以及對光的傳導阻礙作用小而可加快農藥的光解[20]。而本研究中唑啉草酯在純水中的光解速率最慢，與鄒雅竹等[21]研究咪鮮胺(prochloraz)在純水中的光解結果基本一致。根據表1 中供試水樣的理化性質數據可知，唑啉草酯的光解速率大小與自然水體的pH 值大小一致，即依次為池塘水>稻田水>河水>純水，且與不同自然水體中溶解氧的含量存在正相關關系，其中溶解在池塘水中的空氣中的分子態氧最多，為13.77 mg/L。溶解氧對農藥的光解同時存在光氧化作用和氧化淬滅作用，溶解氧濃度越高，其作用效率越強，表觀光解速率的變化就是兩者作用競爭的結果[22]。由此推測唑啉草酯的光氧化作用效率高于氧化淬滅作用，從而加快了其光解速率。

2.3 唑啉草酯降解產物的測定

唑啉草酯施入環境中后，其降解產物可達20余種，其中M2 為主要降解產物[9]。因此，本研究采用HPLC-MS/MS 法同時檢測了唑啉草酯水解和光解樣品中M2 的殘留量。

以唑啉草酯在25 ℃、pH 值為7.0 的緩沖溶液中的水解和光解為例：隨著唑啉草酯水解時間的推移，降解產物M2 在緩沖溶液中的含量不斷增加，且M2 未進一步發生水解，表明唑啉草酯的主要水解產物是M2(圖1)。緩沖溶液的pH 值升高，導致·OH 的量增加，從而加速了唑啉草酯的酯基水解為烯醇中間體，生成M2 (圖2)。而隨著唑啉草酯光解時間的延長，緩沖溶液中M2 的含量呈現先增加后逐漸減少的趨勢(圖3)，表明光解是唑啉草酯降解的一個重要途徑。JMPR 報告[9]和歐洲食品安全局(EFSA)報告[23]均指出：在水解條件下唑啉草酯的主要降解產物為M2，并且能夠在溶液體系中穩定存在；而在氙燈光照條件下，唑啉草酯降解為M2 后，會在溶液體系中進一步發生光解。本研究結果與之一致。

圖1 水解條件下唑啉草酯和M2 隨時間變化曲線(pH 7.0，25 ℃)Fig. 1 The variation curve of pinoxaden and M2 with time under hydrolysis conditions (pH 7.0, 25 ℃)

圖2 唑啉草酯降解為M2 的反應Fig. 2 Reaction of the degradation of pinoxaden to M2

圖3 光解條件下唑啉草酯和M2 隨時間變化曲線(pH 7.0，25 ℃)Fig. 3 The variation curve of pinoxaden and M2 with time under photolysis conditions (pH 7.0, 25 ℃)

3 結論

唑啉草酯的水解和光解均符合一級動力學方程。按照我國農藥水解特性等級劃分，唑啉草酯屬于易降解農藥；其水解速率隨反應溫度的升高而加快；在堿性條件下唑啉草酯水解最快；其活化能與緩沖溶液的pH 值呈顯著負相關，溫度效應系數隨緩沖溶液pH 值的升高而減小，表明酸性條件下其水解速率受溫度影響更大。

在模擬太陽光氙燈輻射下，唑啉草酯在自然水體中的光解速率由快到慢依次為：池塘水>稻田水>河水>純水，光解速率差異與水體中的pH 值和溶解氧含量有關；在緩沖溶液中的光解速率隨著pH 值的升高而加快。唑啉草酯在緩沖溶液中水解的主要產物是 M2 (8-(2,6-二乙基-4-甲基苯基)-9-羥基-1,2,4,5-四氫吡唑[1,2-d][1,4,5]二氮雜卓-7-酮)，其降解機理為酯的水解反應；在光解條件下M2 會進一步發生降解，說明光解是唑啉草酯的重要降解途徑。要系統評價唑啉草酯在環境中使用的安全性，還需要對其在代表性農耕土壤中的光解、滯留、遷移和吸附性等環境歸趨以及其水解和光解產生的代謝物在生態毒理學效應等方面進一步研究。