丁香菌酯在水中的光解影響因素研究

周雨杭, 于曉龍, 曹戰文, 郭 南,侯新港, 逯忠斌, 侯志廣

(吉林農業大學 植物保護學院，長春 130118)

丁香菌酯C26H28O6(coumoxystrobin)是由沈陽化工研究院有限公司創制、吉林省八達農藥有限公司開發并登記的一種新型甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑(結構式見圖式1)，主要用于防治蘋果腐爛病，其作用機制是通過阻斷細胞色素之間的電子傳遞進而抑制線粒體的功能，達到抑制真菌生長和殺滅真菌的效果[1]。隨著甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑市場份額的逐步增加，可能會給人類健康和生態環境帶來巨大潛在威脅[2-3]，丁香菌酯作為新型甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑，其對環境的安全性問題不容忽視。

圖式1 丁香菌酯的結構式Scheme 1 Structural formula of coumoxystrobin

光化學降解是農藥在水環境中降解的重要途徑之一[4]。已有諸多研究者對甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑在水中的光化學降解進行了研究。許靜等[5]的研究結果表明，在氙燈照射下，醚菌酯和嘧菌酯在純水中易光解，氰烯菌酯屬難光解性農藥；王璐芳[6]研究發現，4 種甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑光降解速率大小為：烯肟菌胺＞肟醚菌胺＞醚菌胺＞E-苯氧菌胺；管磊等[7]研究表明，吡唑醚菌酯的光解速率與初始濃度呈負相關，在不同類型水中的光解速率從大到小依次為去離子水、自來水、池塘水、純凈水和河水，光解速率隨H2O2濃度的增大而增大。已有研究表明，丁香菌酯對平突船卵溞等水生生物的急性毒性屬于高毒[8]，在稻田土壤中第28 天時的降解率達90%以上，在三個地區的植株中的半衰期分別為5.42、8.75 和9.73 d[9]，而連續兩年在橘園土壤中的殘留半衰期為78.75 和164.35 d[10]。目前關于其在水中的光化學降解尚未見報道。鑒于此，本文采用高效液相色譜 (HPLC) 法研究了丁香菌酯在水環境中的光化學降解及其影響因素，旨在揭示其光解特性，有助于了解其在環境中的歸趨和生態效應，為其合理使用、環境安全性評價提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 儀器及試劑

Agilent 1200 型高效液相色譜儀配紫外檢測器(美國安捷倫科技有限公司)；CY-GHX-AC 型光化學反應儀(上海川一實驗儀器有限公司)；DC-2010低溫恒溫槽(上海川一實驗儀器有限公司)；UV-2450型紫外分光光度計(島津儀器蘇州有限公司)；ST300 ZH 型pH 計(奧豪斯儀器常州有限公司)；YXQ-30SⅡ 型立式壓力蒸汽滅菌器；LE204E/02 型萬分之一電子天平(梅特勒-托利多儀器上海有限公司)；LAB-DI-10 型實驗室純水機(長春萊博帕特科技發展有限公司)。

丁香菌酯(coumoxystrobin) 標準品(純度98.5%，上海安譜實驗科技股份有限公司)；甲醇(色譜純，北京邁瑞達科技有限公司)，其他試劑為市售分析純；試驗用水為純水機所制超純水，樣品過0.22 μm 有機濾膜。

1.2 試驗方法

參考GB/T 31270.3—2014《化學農藥環境安全評價試驗準則第3 部分：光解試驗》[11]方法。由于丁香菌酯難溶于水[1]，故比較了丁香菌酯在甲醇、乙腈和吐溫80 水溶液中的溶解效果，發現在水中添加體積分數為0.6%的吐溫80 后，丁香菌酯的平均回收率為99.66%，故選擇在每個樣品中添加0.6%的吐溫80 作為助溶劑。試驗在光化學反應儀中進行，反應溫度控制在(20 ± 5) ℃。每處理重復3 次，取平均值，并設錫箔紙包裹的黑暗對照試驗。為減小丁香菌酯在水中離子化，從而對光解產生影響，采用pH 值為7 的緩沖溶液進行光解試驗。為避免生物作用的影響，試驗中所用容器及緩沖溶液均經過高溫、高壓滅菌處理，滅菌后的緩沖溶液重新校正pH 值，儲存于棕色瓶中備用。

1.2.1 標準溶液的配制 準確稱取98.5%丁香菌酯標準品0.01g (精確至0.000 1 g)于10 mL 棕色容量瓶中，用甲醇溶解并定容，得到質量濃度為1 000 mg/L 的丁香菌酯標準儲備液，于4 ℃條件下保存。在試驗過程中，根據需要取適量儲備液，用甲醇稀釋至所需濃度后使用。

1.2.2 不同光源對丁香菌酯光化學降解的影響

用添加了0.6%吐溫80 的pH = 7 的緩沖溶液將儲備液配制成質量濃度為5 mg/L 的光解反應液，在每個反應管中分別倒入50 mL 反應液，使之充滿石英光解反應管，分別以500 W 氙燈 (光強為2.25 cd) 及20 W 低壓汞燈 (光強為5 cd) 為光照條件，在光解反應儀中進行試驗，于不同時間點取樣，測定樣品中丁香菌酯含量。

1.2.3 初始濃度(C0)對丁香菌酯光化學降解的影響 用添加了0.6%吐溫80 的pH = 7 的緩沖溶液將儲備液配制成1、5、10 和15 mg/L的丁香菌酯光解反應液，在每個反應管中分別注入50 mL 反應液，使之充滿石英光解反應管，置于500 W 氙燈光解反應儀中進行試驗，定期取樣，測定樣品中丁香菌酯的濃度。

1.2.4 溶液pH 值對丁香菌酯光化學降解的影響

考慮到實際水環境中的酸堿性，按實驗準則要求配制pH 值為4、7 和9 的緩沖溶液。分別用添加了0.6%吐溫80 的pH 值為4、7 和9 的緩沖溶液將儲備液配制成5 mg/L 的反應液，置于500 W氙燈光解反應儀中進行試驗，定期取樣，測定樣品中丁香菌酯的濃度。

1.2.5 吐溫80 對丁香菌酯光化學降解的影響 用添加了0.6%吐溫80 的pH 7 緩沖溶液配制5 mg/L 的光解反應液，并用pH 7 緩沖溶液配制5 mg/L 的光解反應液作為吐溫80 的空白對照，置于500 W 氙燈光解反應儀中進行試驗，對照組取樣時吸取5 mL光解反應液并加入5 mL 甲醇混勻溶解后過膜進樣。

1.3 HPLC 分析條件

參考文獻[12]中的色譜條件。檢測器為可變波長紫外檢測器 (VWD)；色譜柱為Thermo-BDS Hypersil C18色譜柱(250 mm × 4.6 mm，5 μm)；柱溫30 ℃；流動相為V(乙腈) :V(水) = 70 : 30；流速1 mL/min；進樣量10 μL；檢測波長320 nm。采用外標法定量。在上述色譜條件下，丁香菌酯的保留時間為9.3 min。

1.4 數據處理

所有試驗數據采用Excel 進行統計分析。采用準一級反應動力學方程擬合丁香菌酯光解試驗殘留數據，按公式 (1) 計算。

式中，t為時間，h；C0為丁香菌酯的初始質量濃度，mg/L；Ct為t時刻的丁香菌酯質量濃度，mg/L；k為光解速率常數，h-1。

當丁香菌酯光解50%時(即Ct=C0/2)，所需時間為其光解半衰期(t1/2)，由 (2) 式計算。

當丁香菌酯光解90%時(即Ct= 90%C0)，所需時間為其光解半衰期(t90)，由 (3) 式計算。

2 結果與討論

對各影響因素的黑暗對照組于不同時間取樣，測定樣品中丁香菌酯殘留濃度后發現，黑暗對照組的丁香菌酯殘留濃度與初始濃度C0相比均沒有明顯的降低，說明丁香菌酯在水中避光的條件下較穩定，不易發生水解或降解非常緩慢。

2.1 不同光源對丁香菌酯光解的影響

丁香菌酯在不同光源下的光化學降解情況見表1。可見，在500 W 氙燈和20 W汞燈兩種光源的照射下，丁香菌酯的光解符合準一級動力學方程，光解速率常數和半衰期有很大的差異。在20 W汞燈照射下，丁香菌酯在水中的光解較快，其速率常數是500 W 氙燈下速率常數的2 倍，主要原因是丁香菌酯的光解會受到其自身的吸收光譜與光源發射光譜的影響。只有當光源的發射光譜與丁香菌酯的吸收光譜有部分重合時，丁香菌酯才有可能發生自敏化光解或者直接光解[13]。丁香菌酯的吸收波長主要集中在190～350 nm，最大吸收波長在205 nm 左右。由于低壓汞燈發射的光譜主要集中在253.7 nm，而丁香菌酯在此波長下有顯著的光吸收，因此丁香菌酯在20 W 汞燈照射下光解較快；而由于氙燈的發射光譜主要集中在450～500 nm，丁香菌酯在此波段吸收較少，所以在500 W 氙燈的照射下光解較慢。

表1 丁香菌酯在不同光源下的光解動力學參數Table 1 Photolysis kinetic parameters of coumoxystrobin under different light sources

2.2 初始質量濃度對丁香菌酯光降解的影響

結果(表2) 表明，當初始質量濃度為1、5、10 和15 mg/L 時，其光解均符合準一級動力學方程，半衰期分別為1.68、2.23、2.25 和2.79 h，即隨著初始濃度的增加，丁香菌酯的半衰期逐漸增大，表明丁香菌酯的光解速率會隨著初始濃度的升高而減慢，這與楊昱[14]對苯噻菌酯、殷星[15]對嘧菌酯的光解研究中的結論相似。究其可能原因是多方面的：其一是在光照條件一定的情況下，丁香菌酯分子數越多，分子層越厚，導致單位面積的丁香菌酯分子吸收的光子量減少，從而降低了降解速率，這與梁菁等[4]和鄒雅竹等[16]的研究結果類似；其二是隨著丁香菌酯的初始質量濃度增大，其產生的中間代謝產物分子也增多，產物分子會與母體分子競爭光子，從而降低了丁香菌酯吸收光子的效率，降低其光解速率，這與張衛等[17]研究的在不同初始濃度對阿維菌素光解的影響結果相似；其三是丁香菌酯的濃度越高，在紫外輻射下母體化合物之間、母體與產物或產物與產物之間越容易發生縮合反應，從而影響了丁香菌酯的光解速率。

表2 丁香菌酯在不同初始濃度下的光解動力學參數Table 2 Photolysis kinetic parameters of coumoxystrobin at different initial concentrations

2.3 pH 值對丁香菌酯光降解的影響

實際上，一方面，自然環境中的水體酸堿性不是恒定不變的，另一方面，光解產物也會改變水體的酸堿度，這對于丁香菌酯的光解反應有著抑制或促進的雙重作用。由丁香菌酯在不同pH 溶液中的光化學降解情況(表3)可見，在pH 值為4、7 和9 的緩沖溶液中，丁香菌酯的光解反應符合準一級動力學方程，半衰期分別為2.20、2.23 和2.01 h，光解速率由大到小依次為pH 9、pH 4 和pH 7。經過顯著性分析發現，光解速率和半衰期有一定的差異，但在酸性和中性條件下的試驗差異并不顯著，表明酸性和中性條件對丁香菌酯光解的影響差異較小。丁香菌酯在堿性條件下的光解速率大于中性和酸性，說明堿性溶液中在光照下產生的羥基自由基促進了丁香菌酯的光解，這與張傳琪等[18]得出的對烯啶蟲胺和鄭立慶等[19]對呋蟲胺的光解試驗結果相似。

表3 丁香菌酯在不同pH 溶液中的光解動力學參數Table 3 Photolysis kinetic parameters of coumoxystrobin in different pH solutions

2.4 吐溫80 對丁香菌酯光降解的影響

由表4 可以看出，丁香菌酯在吐溫80 溶液中的光解符合準一級動力學方程，添加了0.6% 吐溫80 與未添加的光解速率分別為2.23 和1.26 h。與未添加的實驗結果相比，丁香菌酯在添加了0.6% 吐溫80 后光解速率較慢，說明吐溫80 對丁香菌酯的光解表現出淬滅作用。這與張楠[20]對雙氯芬酸在表面活性劑溶液中的光解結果基本一致。

表4 丁香菌酯在吐溫80 溶液中的光解動力學參數Table 4 Photolysis kinetic parameters of coumoxystrobin in the solution containing Tween 80

3 結論

本文采用室內模擬方式系統研究了不同因素對丁香菌酯在水中光化學降解的影響。丁香菌酯在水中的光解反應符合準一級動力學方程，且t1/2＜3 h，按照GB/T 31270.3—2014《化學農藥環境安全評價試驗準則第3 部分：光解試驗》[11]的等級劃分，丁香菌酯屬于易降解農藥。

丁香菌酯的光解受光源、初始濃度、pH 值和表面活性劑等多種因素的影響。丁香菌酯在20 W低壓汞燈輻射下的光解速率明顯大于500 W 氙燈；在同一光源照射下，丁香菌酯的光解速率隨初始濃度的增加而降低；丁香菌酯在堿性溶液中的光降解較快，在中性條件下較慢；吐溫80 對丁香菌酯在水中的光解表現出淬滅作用。