陜西農田土壤新煙堿類農藥殘留和生物有效性

摘要：為評估新煙堿類農藥潛在的環境風險，研究了陜西省不同地區吡蟲啉、噻蟲嗪、噻蟲胺和啶蟲脒的污染殘留情況，探究了不同新煙堿類農藥生物有效性及其影響因素。結果表明：陜西省農田土壤中新煙堿類農藥殘留范圍為吡蟲啉ND-113.71 μg·kg-1、啶蟲脒ND-19.48 μg·kg-1、噻蟲胺ND-184.32 μg·kg-1和噻蟲嗪ND-145.02 μg·kg-1，其中噻蟲胺和噻蟲嗪殘留量較高，需 要引起足夠的重視。此外，新煙堿類農藥的生物有效性大小為噻蟲胺《吡蟲啉《啶蟲脒《噻蟲嗪，且其生物有效性隨著土壤pH的增大而增大，隨土壤有機質含量和土壤老化時間的增加而降低。研究表明，陜西省農田土壤中新煙堿類農藥殘留需引起重視，同時Tenax單點萃取技術可以作為簡單快速評價新煙堿類農藥生物有效性的替代方法，進一步為農業土壤新煙堿類農藥污染問題以及農作物的質量安全和食用風險提供評價依據。

關鍵詞：農田土壤；生物有效性；新煙堿類農藥；殘留

中圖分類號：X53 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）07-1524-09 doi：10.11654/jaes.2023-0087

新煙堿類農藥是繼有機磷類、氨基甲酸酯類、擬除蟲菊酯類殺蟲劑之后的新一代殺蟲劑。隨著高毒農藥在全球市場中退出，新煙堿類殺蟲劑逐漸成為防治刺吸式口器害蟲最為有效的一類殺蟲劑，已廣泛應用于農業生產中。有研究表明農田中殘留的新煙堿類農藥可被作物吸收，并可能在花粉、花蜜以及水果蔬菜中積累；也有研究揭示了新煙堿類農藥對非靶標生物的不利影響，如抑制蚯蚓的生長，誘導蚯蚓體內抗氧化酶（超氧化物歧化酶和過氧化氫酶）的變化，新一代新煙堿類農藥氟吡呋喃酮增加了蚯蚓體內活性氧水平和丙二醛含量；更有研究表明吡蟲啉具有一定的免疫毒性和生殖毒性，并且能引發DNA損傷。因此，農用土壤中新煙堿類農藥的污染情況備受關注。

目前，國內外學者對新煙堿類農藥的殘留特征進行了研究，并針對新煙堿類農藥污染進行了人體健康風險評價。陜西省作為農業大省在農業迅速發展的同時也無法避免農藥污染問題，而且陜北、關中、陜南3個地區自然條件截然不同，因此農藥污染問題更為復雜。目前有關學者已經對陜西省農田土壤及農產品中農藥污染問題開展了相關研究，但主要集中在有機氯、有機磷等農藥，而陜西省新煙堿類農藥的殘留特征及其生物有效性的研究卻鮮見報道。

目前，環境中新煙堿類農藥的風險評估都是基于其在環境中的總量，然而真正被生物所利用的只是總量的一部分，因此僅考察總量可能高估新煙堿類農藥的實際危害。本研究以陜西省農田土壤作為研究對象，考察陜西省農田土壤中新煙堿類農藥的殘留特征，評估其生物有效性，探究其生物有效性的影響因素，以期為陜西省農田土壤中新煙堿類農藥的污染防控提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器設備

儀器設備主要有：1260 InfinityⅡ型高效液相色譜儀[安捷倫科技（中國）有限公司）]，RE100-Pro旋轉蒸發儀（美國SCILOGEX有限公司），ST-24水浴氮吹儀（上海滬析實業有限公司），KQ-300DE超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）。

1.1.2 試劑材料

試驗所用試劑：丙酮（分析純）、正己烷（分析純）、乙腈（色譜純）、聚2，6-二苯基對苯醚（Tenax） 60-80目A購自西格瑪化學試劑（中國）有限公司；新煙堿類農藥吡蟲啉、噻蟲嗪、噻蟲胺和啶蟲脒均為分析標準品，純度＞98%，購自阿拉丁試劑公司。

1.2 土壤樣品的采集及測定

1.2.1 土壤樣品的采集

供試土壤取自陜北、關中及陜南的農田，共計采集115個樣品，采樣點分布見圖1。2021年2月采集陜北土樣18個；5、10月采集關中土樣65個；6、10月采集陜南土樣32個。采樣點位置分布在33°02＇-38°22＇N，106°41＇-109°43＇E。土壤樣品自然風干過10目篩網后用于土壤基本理化性質的測定，過100目篩網后用于土壤新煙堿類農藥殘留的檢測。

人工模擬土壤的組分及其酸堿度、濕度均參照世界經濟合作與發展組織（OECD，1984）的標準。其中每500 g的人工土壤中包括70%石英砂（粒徑50-200μm的石英砂質量占50%以上）、20%高嶺土及10%泥炭蘚（風干并磨細），pH調節為（6．0±0．5），濕度調節為田間持水量的50%-70%。

1.2.2 新煙堿類農藥殘留量的測定

土壤中新煙堿類農藥測定流程：利用QuECh-ERSc（Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safe）前處理方法，將得到的萃取上清液置于50 mL新離心管中（內含240 mg PSA和900 mg MgSO4），充分渦旋，5 000 r·min-1離心5 min，取全部上清液，旋轉蒸發，氮氣吹至近干，過0.22 μm有機系濾膜，進HPLC儀器測定。以不含新煙堿類農藥的土壤作為試劑空白，按照上述步驟提取凈化濃縮測定，每個樣品3個試劑空白。

高效液相色譜參考條件：流動相A-水（75%），B-乙腈（25%）；吸收波長270 nm；柱溫35℃；流速1.0mL·min-1；進樣量10 μL。

1.2.3 質量保證與控制

為驗證前處理及測定方法的可靠性，以不含新煙堿類農藥的空白土壤為對象，探究4種新煙堿類農藥在低、中、高3種添加水平（20、40、80 μg·kg-1）下的加標回收率（平均回收率和相對標準偏差），其中噻蟲嗪的最低檢出限為8 μg·kg-1、噻蟲胺的最低檢出限為6μg·kg-1、吡蟲啉的最低檢出限為5 μg·kg-1、啶蟲脒的最低檢出限為6 μg·kg-1。

1.3 新煙堿類農藥生物有效性分析方法的建立

1.3.1 生物有效性分析方法原理

生物有效性指污染物能夠通過生物吸收、轉化或其他生化行為等被獲取的程度。聚2，6-二苯基對苯醚（Tenax）是一種孔隙多、比表面積大、吸收容量大的樹脂，它可吸附溶于水相的有機污染物，使不同賦存狀態的污染物從沉積物或土壤固相上以不同速率不斷解吸，直至污染物在樹脂相、水相和土壤相三相之間達到平衡。有研究發現，快速解吸組分可以作為生物有效性的評價指標，因此，Tenax提取是一種能較好預測生物有效性的提取方法。

1.3.2 Tenax加標回收率實驗

探究土壤在低、中、高3種添加水平（20、80、200μg·kg-1）下通過Tenax提取的加標回收率，每個處理設置3個平行。Tenax加標回收率實驗操作流程如參考文獻。

1.3.3 三相脫附動力學

Tenax樹脂與新煙堿類農藥的吸附過程可以分為快速、慢速和極慢速解吸3個階段，通過三相脫附動力學方程得到的快速脫附組分因容易脫附進入到水相中，易于被生物吸收富集，因此可表征生物有效性。

式中：S0和St分別為初始點和t時間點土壤中新煙堿類農藥的含量，μg·kg-1；Frap、Fslow和Fvs分別為快速、慢速和極慢速解吸組分所占比例，%；krap、kslow和kvs。分別為快速、慢速和極慢速解吸組分解吸速率常數，h-1；

選取陜北、關中和陜南地區典型代表土壤進行三相脫附動力學實驗，以脫附時間（t）為橫坐標，殘存率（St/S0）為縱坐標，通過Origin軟件繪制得到非線性曲線。

1.3.4 單點位萃取

生物有效性的測定周期較長，為簡化操作流程、縮短相應的時間周期，本研究通過三相脫附動力學過程，探究Tenax連續萃取6h和24 h得到的組分所占比例（F6、F24）與Frap的關系，并就后續F6和F24在生物有效性評價方面的應用展開探討。

1.3.5 生物有效性影響因素的探究

選取土壤pH、土壤有機質及老化時間為影響因素，探究新煙堿類農藥在不同條件下的生物有效性的差異。

2 結果與討論

2.1 新煙堿類農藥殘留量

陜西省農田土壤中的新煙堿類農藥的殘留量見表1。陜北地區噻蟲胺檢出率最高，為94.4%，最高檢出量為14.85 μg·kg-1；關中地區吡蟲啉檢出率最高，為66.2%，最高檢出量為113.71 μg·kg-1；陜南地區吡蟲啉檢出率最高，為37.5%，最高檢出量為27.10 μg·kg-1。噻蟲胺和噻蟲嗪的殘留范圍較高，分別為ND-184.32 μg·kg-1和ND-145.04 μg·kg-1。陜西農田土壤中吡蟲啉殘留范圍為ND-113.71 μg·kg-1，其最大殘留量高于浙江、江蘇、廣東和江西4省，低于海南和山東；啶蟲脒殘留范圍為ND-19.48 μg·kg-1，其殘留范圍高于江西，低于海南。陜西省新煙堿類農藥的檢出率以及檢出量存在很大的差異，在陜北地區噻蟲胺的檢出率很高，這可能是因為噻蟲胺在陜北地區使用廣泛；而在陜南以及關中地區的噻蟲胺和吡蟲啉檢出量較高。新煙堿類農藥的加標回收率以及相對標準偏差見表2。

2.2 Tenax加標回收率實驗

Tenax脫附動力學過程加標回收率見表3。吡蟲啉、啶蟲脒、噻蟲胺和噻蟲嗪的平均回收率為80%-120%（個別點位低于80%），相對標準偏差＜5%，說明該方法符合基本定量要求。

2.3 Tenax三相脫附動力學

為獲得Tenax三相脫附動力學方程中的Frap，先要得到殘存率與時間的關系。選取新煙堿類農藥較高的土壤樣品進行Tenax連續提取，新煙堿類農藥的殘存率結果見表4。經336 h的連續提取，新煙堿類農藥在土壤中的殘存率趨于穩定，Tenax脫附動力學過程已接近完成。土壤中新煙堿類農藥的殘存率從40.0%-81.0%不等，這可能是新煙堿類農藥自身理化性質差異導致的。

新煙堿類農藥的擬合曲線的相關系數（R2）均大于0.99，擬合過程良好。新煙堿類農藥的Frap、Fslow和Fvs的范圍分別為6.58%-30.43%、11.56%-24.91%和44.66%-81.86%，krap，kslow和kvs的數量級范圍分別在10-1-100、10-3-10-2和10-6-10-4，這與其他文獻中報道的Tenax連續萃取常數的數量級基本一致，進一步證明了該擬合過程基本符合三相脫附動力學方程。而Liu等的研究顯示，其krap、kslow和kvs分別為10-1、10-3-10-2和10-5，與本研究中新煙堿類農藥比較接近，數量級基本一致，而krap與kvs存在一些差異，這可能與其自身理化性質、化學結構以及在環境中的行為和生物可利用性有關。

新煙堿類農藥Tenax三相脫附動力學方程如圖2所示。從圖2可知新煙堿類農藥在經過100 h連續提取后，脫附動力學趨于穩定，且其殘存率為噻蟲嗪＜啶蟲脒＜吡蟲啉＜噻蟲胺。新煙堿類農藥的Frap大小為噻蟲胺（6.6%）＜吡蟲啉（15.4%）＜啶蟲脒（25.2%）＜噻蟲嗪（30.4%）。新煙堿類農藥的殘存率越高，快速脫附組分則越低。生物有效性最高的是噻蟲嗪，其次為啶蟲脒和吡蟲啉，最低的為噻蟲胺。一般有機污染物的自身性質[尤其是正辛醇水分配系數（Kow）]對其在土壤環境中的吸附遷移等會產生重要影響，并最終影響其生物有效性。新煙堿類農藥同樣如此，Frap越小則1g Kow越大，這是因為1g Kow越大，其越容易吸附到土壤有機質表面而難以脫附，進而使得Frap較小，即生物有效性較低。

2.4 Tenax單點位萃取

由上述Tenax脫附動力學可知，Frap是基于完整的脫附動力學擬合而來，即為預測生物有效性所測得土壤中的Frap周期較長，一般需要幾天到數月不等。有研究表明，當Tenax連續萃取6h和24 h時得到的組分所占比例（F6和F24）也可代替Fra。評價新煙堿類農藥的生物有效性。新煙堿類農藥的Frap與F6和F24的相關性結果如圖3所示，從圖中可以看出，Frap與F6和F24呈現顯著相關，F6/Frap和F24/Frap的值分別為0.59和1.05。有研究者認為，Tenax脫附動力學擬合得到的Frap約為凡的2倍，與F24相比較接近。因此，F6和F24單點位萃取為簡單、迅速而有效地評價土壤中新煙堿類農藥生物有效性提供了新思路。

2.5 不同因素對生物有效性的影響

新煙堿類農藥在土壤環境中的化學行為受到眾多因素的影響：一方面自身性質的差異導致其在土壤中的吸附等過程不同；另一方面，新煙堿類農藥受到土壤性質等因素的影響。基于陜北、關中和陜南土壤基本理化性質的差異，本研究以人工模擬土壤為基質，探究土壤pH、土壤有機質及老化時間對新煙堿類農藥在土壤中生物有效性的影響。

土壤pH對Tenax提取新煙堿類農藥的影響如圖4所示，新煙堿類農藥的Tenax提取量（生物有效性）隨土壤pH增大而增加，并且F6/Frap≈0.5，F24/Frap≈1．0，說明單點位萃取可近似地表征生物有效性的大小。當pH=6.0時，新煙堿類農藥在土壤中的生物有效性（F24）最低；當pH=8．0時，其生物有效性（F24）最高。

當土壤pH較低時，土壤顆粒表面的羧酸根容易得到H+而質子化形成羧基，利于水分子從土壤顆粒表面脫附，新煙堿類農藥分子會獲得更多的吸附位點并吸附到土壤顆粒表面；并且土壤溶液中有機分子吸附到土壤固相上，增加了新煙堿類農藥的吸附點位，導致土壤中新煙堿類農藥吸附到土壤顆粒表面，使其在土壤中的自由溶解態濃度減小，也即生物有效性降低。通過新煙堿類農藥與土壤理化性質相關性分析可知，與其余的新煙堿類農藥相比，噻蟲胺在土壤環境中的殘留受到土壤pH的影響更為顯著。噻蟲胺水解主要是由于在堿性條件下，OH—進攻其自身結構中硝基鄰近基團C=N上的C原子，使其發生堿性水解，導致噻蟲胺殘留量降低。

土壤有機質對Tenax提取新煙堿類農藥的影響如圖5所示，新煙堿類農藥的生物有效性隨著土壤有機質含量的增加而降低。當有機質含量為10 g·kg-1時，其生物有效性（F24）最高，當有機質含量為30 g·kg-1時，其生物有效性（F24）最低。土壤有機質也會對新煙堿類農藥的環境行為產生影響，進而影響其生物有效性。土壤中新煙堿類農藥分子中的硝基和氯等極性基團與土壤有機質表面的活性官能團產生氫鍵等相互作用，導致新煙堿類農藥分子吸附到有機質表面，使得土壤中新煙堿類農藥的自由溶解態濃度降低，進而使得Tenax提取的有效態新煙堿類農藥含量降低，即土壤有機質的增加使新煙堿類農藥的生物有效性降低。

土壤老化時間對Tenax提取新煙堿類農藥的影響如圖6所示。新煙堿類農藥的生物有效性隨著土壤老化時間的增加而下降。當土壤老化時間為24 h時，其生物有效性（F24）最高；當土壤老化時間為120 h時，其生物有效性（F24）最低。土壤老化時間對于新煙堿類農藥的影響體現在：隨老化時間增加，新煙堿類農藥在土壤中會發生吸附、遷移、降解等復雜的環境行為過程，從而導致新煙堿類農藥生物有效性的變化。土壤中的新煙堿類農藥會隨著老化時間的增加發生擴散，使其在土壤中含量降低。但還需考慮的是，新煙堿類農藥自身的性質（如水溶性、脂溶性等）與外界環境條件（如光照、溫度等）可能也會影響其在環境中的殘留，進而影響其生物有效性的變化。因此，相對于土壤pH和有機質而言，老化時間對新煙堿類農藥生物有效性的影響是一個更為復雜的過程。

3 結論

（1）陜西農田土壤中新煙堿類農藥殘留量較高，需要引起重視。

（2）通過Tenax連續提取新煙堿類農藥，其過程基本符合三相脫附動力學方程。Tenax連續萃取6h和24 h得到的組分所占比例（F6和F24）可代替快速解吸組分所占比例（Frap）來評價土壤中新煙堿類農藥的生物有效性。

（3）陜西省農田土壤中新煙堿類農藥的生物有效性大小始終為噻蟲胺＜吡蟲啉＜啶蟲脒＜噻蟲嗪，且新煙堿類農藥生物有效性隨著土壤pH的增大而增大，隨土壤有機質含量和土壤老化時間的增加而下降。

（責任編輯：李丹）

基金項目：陜西省重點研發計劃項目（2023-YBNY-237）；陜西省農業廳科技計劃專項（2020NCNY0016）