农药在土壤中的结合残留及其生态风险

唐东民,宗贵仪,唐 勇

(1.眉山市环境监测中心,四川眉山 620010;2.四川省绵阳市工贸学校,四川绵阳 621023)

农药进入土壤后,通过化学、物理和生物的作用可与土壤牢固结合,在采用不改变农药及土壤结构的条件下,不能被普通溶剂所提取,即形成结合残留 (Bound Residue)。由于常规的分析方法不能测定结合态农药残留,人们对土壤或植物体中可能存在的结合农药残留的性质以及结合残留的生物可利用率、毒性和累积特性了解得很少,对结合残留的环境归宿也还不清楚[1]。农药结合残留的形成,即可作为它在环境中的解毒机制,同时结合态农药也可在环境中再释放,造成对生态环境的再污染。因此研究农药的结合残留,对研究农药的环境归宿,评价农药对环境影响具有重要意义[2]。同时,对土壤中农药监测,分析技术与方法的建立等也有重要意义。

1 结合残留的定义

结合残留最初由 Robert于 1984年提出,并被国际纯粹与应用化学联合会( IUPAC)引用并最终定义为：“按照优良农业耕作措施所使用的农药,采用不会显著地改变这些农药残留物化学性质的方法仍不能被提取的农药残留物”[3]。随后 Führ又对该定义进行了修改,其范围扩大到农药及其代谢物：“结合残留就是经提取后仍存在于土壤、植物或动物等基质中的以母体化合物或其代谢物形式存在化合物,但所采取的提取方法必须不能显著地改变化合物本身性质或基质的结构”[4]。Weller等[5]把结合残留定义为共价键残留、溶解性共价键结合残留、吸附结合残留和俘获结合残留等。由于目前对结合残留的定义主要来源于试验结果,因此,有人认为结合残留仅仅是操作上的定义[6]。

2 结合残留形成的机制

吸附是最重要的农药 -土壤/底泥间交互作用的方式,它调控着农药在其液相中的浓度及其活性、生物可利用性、毒性等[7];它主要受土壤颗粒空隙的大小、形状、组成以及农药分子结构、极性、溶解性、官能团组成等影响[8,9]。因此,农药在土壤 -水环境中的吸附 -解吸被认为是影响其行为和归宿的支配要素之一[10]。农药结合残留的形成通过物理作用或化学作用实现,主要包括氢键、离子结合、质子结合、电荷转移、范德华力、配位体交换、疏水分配、共价键结合、鳌合等,结合残留形成过程,并不是所有机理都同时进行,往往是多种机理同时发生,这取决于体系的官能团和酸度等因素[3]。

2.1 吸附过程

通常认为,农药残留物在土壤中的吸附特征是：起始为迅速的物理吸附,继而逐渐增强为化学吸附。对于离子型农药来说,与土壤腐殖质结合主要是通过其阳离子基团而发生离子交换。Ye等[11]研究表明,在 pH、CEC、有机质和粘粒中等影响因素中,pH是最关键因素,甲磺隆 (metsulfuron-methyl)结合残留量随着 pH的降低而增加,他们认为主要通过离子交换与胡敏酸和富里酸作用;同时甲磺隆还可通过电子转移、π-π电荷转移等与土壤发生作用。而 H键结合在非离子极性农药的吸附中起着重要作用,如 2,4-D、2,4,5-T和百草畏 (dicaba),可通过 -COOH,-COOR基团和特有基团与土壤有机质发生 H-键结合[12,13]。而 Klaus等[14]认为敌菌灵 (anilazine)既可通过醛基 (-CH2O-)、羟基 (-OH)与腐殖质亲水区极性基团形成氢键、共价键而相互结合,也可以嵌入疏水区与之形成疏水键。

疏水分配理论认为低溶解度或疏水性的非极性农药与土壤溶液是不混溶的,但能与土壤腐殖物质中疏水基包括脂肪、蜡、树脂和某些脂族侧链等部分结合。对于 DDT、灭草定、麦草畏、毒锈定等农药来说,疏水分配是与土壤/底泥发生相互作用的一种重要的机制[15,16]。研究表明,除草剂 (thiazafluron和metamitron)其杂环和芳香环通过电荷转移和疏水键与腐殖质上的芳核发生作用[17,18]。

2.2 化学反应过程

农药或其降解物最能通过化学、光化学或酶促作用与其含有相似官能团的腐殖质发生化学反应,特别是与具有酚或醌结构的腐殖质组分间化学反应。在土壤的腐殖化过程中,聚合是最重要的反应机制,而氧化偶合又是最重要的聚合反应。聚合反应是一种自由基反应,酚、苯胺、氯基酸等类化合物在此反应中可经共价键结合形成聚合物,最具有缩合反应活性的农药残留物是芳胺和酚类[11]。氧化偶合,主要受生物和非生物催化剂调节,例如植物酶、微生物酶、无机化合物、粘土矿物以及土壤提取物等的作用而发生。Scheunert等[19]研究表明,百草强的降解物 4-iso-propylaniline通过共价结合的方式与胡敏酸类聚物和富里酸类聚物发生聚合。汪海珍等[20]指出,酰苯胺类、氨基甲酸酯类、苯脲类、二硝基苯胺类除草剂,硝基苯胺类杀菌剂,对硫磷、甲基对硫磷等有机磷杀虫剂等农药也可不经过微生物作用直接与土壤腐殖物质形成共价键结合残留物。其机理有两种可能性,即与土壤腐殖物质中的羰基、醌和羧基等形成能被水解的结合键或结合力很强的、不能水解的键[21]。

2.3 捕获/锁定作用

以前的研究认为不同土壤中的有机质在成分和结构上都是均一的,可用线性分配模型来表示,有机物在土壤 /底泥中的吸附解吸是可逆的[22,23];但近年来众多研究者开始认识到有机质的组成和成分并不是线性分配模型认为的那样具有均一性,土壤有机质既不是简单的聚合物,也不是同质的固体,具有高度的地质化学异质性[24,25]。因此,不同组分对有机物在土壤中的锁定表现出不同的作用[26]。Nam等[27]认为粘土矿物中存在许多纳米级的微孔或空穴,这些微孔大小正好是有机污染物分子大小的范围,污染物分子一旦被这些微孔锁定住就很难再扩散出来,其结合残留程度也就越强。Pignatello认为[28]在具有刚性腐殖质结构的致密区域能产生寿命较长的位点,这些位点的原子空间结构和电子排布具有异质性,有机物通过和其周围的孔洞发生交互作用把这些孔洞填充起来,从而把有机物分子锁定在孔洞中而难以被提取出来。黄擎等[29]用二氯甲烷提取在黑土不同粒径有机-矿质复合体中的菲和蒽,随着有机-矿质复合体结合时间的延长,二氯甲烷提取率逐渐下降,他们认为造成此种现象主要是因为：菲和蒽缓慢进入到固态有机质的内部,分子“陷入”土壤的微小孔隙中,菲和蒽从孔隙水扩散进入土壤颗粒结构的微孔中,随着时间的推移而进入更深的吸附位点,被束缚其中。

3 结合残留的分析技术与方法

由于农药在土壤中形成结合态残留的形式和机制不同,所采用的分析方法也就不同,这取决于所研究农药及供试土壤的性质,而研究目的在于将结合态残留物以适合于做定性分析的形式提取出来。结合残留的分析技术与方法主要涉及到结合残留在土壤中的分布、提取以及结构特征的研究。研究结合残留分布的主要方法是放射性标记法和同位素示踪;提取方法主要有：超声波提取、微波提取、超临界流体萃取 (supercritical fluid extraction,SFE)以及加速溶剂提取 (accelerated solvent extraction,ASE)等;结构特征分析方法主要有：水解法、衍生物提取、高温分解与热解吸、光谱法(电子自旋共振 ESR,傅里叶变换红外 FTI R、核磁共振NMR、荧光光谱)、免疫分析以及凝胶色谱、排阻色谱等方法。Northcott和Jones在这方面做了详细而全面的论述[30]。

4 结合残留的生态风险及环境意义

4.1 结合残留释放的可能性

由于土壤中动植物和微生物的作用,以结合态存在于土壤中的农药残留物有可能被重新释放出来,被动植物吸收利用。研究发现,在一定条件下,氯磺隆结合残留物能重新释放出来,以可提取态存在于土壤溶液中,并且释放出来的氯磺隆较难挥发或以 CO2的形式消失[31,32]。徐建民等[33]采用分级方法研究了甲磺隆结合残留在土壤的分布,结果显示,土壤中大部分是活性较高的松结态甲磺隆残留物,而稳结态和紧结态的含量较少,说明其潜在的环境威胁也较大;而青霉 (Penicilliumsp.)有利于松结态甲磺隆尤其是松结态富里酸甲磺隆的降解[34]。Xu等[35]用14C标记法研究了DDT结合残留的释放,表明DDT结合残留物可以通过微生物作用而重新释放出来,产物以14C-DDD为主,占到了整个产物的50%。

4.2 结合残留的生物有效性

以前认为结合态农药残留的生物有效性较低,然而越来越多的研究证实农药的结合残留物具有一定的生物有效性,特别是对微生物来说更是如此,但对于不同的供试生物体来说,其生物有效性不同。研究发现,氯磺隆结合残留能显著抑制油菜及水稻幼苗的生长[36,37];汪海珍等[38]研究结果表明,土壤中甲磺隆结合态残留物的生态效应较强,对土壤细茵、真茵具有显著的刺激作用,对土壤放线茵抑制率高达 100%。然而有些报道却证实,随着DDT与土壤接触时间的增加,其结合强度也增强,植物根系吸收 DDT的量也随时间增长呈不断下降趋势,表明生物有效性越低[39]。通过对蚯蚓的试验表明,虽然经老化后的有机物其可提取态含量降低,生物有效性也降低了,但仍能在蚯蚓体内富集,存在一定生态风险[40～42]。

5 研究展望

关于农药残留的研究在我国已有 20多年的历史,但过去我们从事的大多是可萃取的农药残留研究,对于结合态农药残留研究得很少。就目前的研究水平、农药的施用状况等来说,今后研究内容主要有以下几方面：

(1)目前绝大多数研究均在实验室内进行,研究主要集中在其毒性或有效性的鉴定上,而有关田间研究的详细报道则颇罕见[43],因此研究结果往往与实际情况存在偏差;同时,结合残留分析的方法学仍处于发展、完善阶段[44],要加大结合残留物分析技术的开发。

(2)结合态农药残留的生物有效性它不仅影响到后茬作物生产和农产品质量,而且直接关系到人类的健康。因此农药结合残留的生物效应值得重视,开展结合残留物的生态风险评价。

(3)对于农药结合残留释放的影响因子等还有待进一步研究,例如越来越多的研究表明,施用外源有机物料能带入大量的溶解性有机质(DOM),而DOM对农药等有机物的吸附解吸、生物有效性、降解等具有重要影响[45～47]。外源加入DOM对农药是促进其结合残留的形成还是抑制,结合残留形成后是促进其释放还是抑制等,这方面的研究鲜有报道。同时,植物根区作为根土界面一种特殊区域,根际分泌物是否对结合态农药残留存在活化或钝化作用,也很少见到报道。

[1] 谢显传,王冬生 .结合态农药残留及其环境毒理研究进展(综述)[J].上海农业学报,2005,21(1)：74-77.

[2] 单正军.农药的结合残留及其环境意义[J].农药译丛,1998, 20(6)：51-54.

[3] Gevao B,Semple K T,Jones K C.Bound pesticide residues in soils：a review[J].Environmental Pollution,2000,108：3-14.

[4] Führ F,Ophoff H,Burauel P.Modification of the definition of bound residues[A].Pesticide Bound Residues in Soil(Report of aWorkshop,September 3～4,1996)Ed.State Commission for the Assesment of Chemicals used in Agriculture,Report No.2, Publ[C].Weinheim：W iley-VCH,DFG.,1998.

[5] WellerM G,Simon E,Pfortner P,et al.Detection of bound residues by enzyme immunoassay[A].Pesticide Bound Residues in Soil(Report of a Workshop,September 3～4,1996).Ed.State Commission for theAssess mentofChemicalsUsed inAgriculture. ReportNo.2.Publ[C].W iley-VCH,DFG,1998.

[6] Gabriela Chilom,Giuseppina Bestetti,Guido Sello,et al.Formation of bound residues by naphthalene and cis-naphthalene-1, 2-dihydrodiol[J].Chemosphere.2004,56：853-860.

[7] 陈迪云,黄伟林.不同土壤有机质组分对憎水有机物的吸附机理研究[J].地球化学,2003,32(4)：368-375.

[8] 李克斌,王琪全,刘维屏.除草剂苯达松与腐植酸作用机理的研究[J].上海环境科学,1998,17(5)：18-20.

[9] Dec J,Bollag J M.Determination of covalent and noncovalent binding interactions between xenobiotic chemicals and soil[J]. Soil Science,1997,162：858-874.

[10] 刘维屏,季 瑾.农药在土壤-水环境中归宿的主要支配因素-吸附和脱附[J].中国环境科学,1996,16(1)：25-30.

[11] Ye Qingfu,DingWei,Wang Haiyan,et al.Bound14C-metsulfuron-methyl residue in soils[J].Journal of Environmental Sciences,2005,17(2)：215-219.

[12] Carringer R D,Weber J B,Monaco T J.Adsorption-desorption of selected pesticides by organic matter and montmorillonite[J]. Journal ofAgricultural and Food Chemistry,1975,23：569-572.

[13] SenesiN,Testini C,Metta D.Binding of chlorophenoxyalkanoic herbicides from aqueous solution by soil humic acids[A].International Conference on Environmental Contamination[C].London,1984.96-101.

[14] KlausU,Mohamed S,VolkM,et al.Interaction of aquatic humic substances with anilazine and its derivatives：The nature of the bound residues[J].Chemosphere,1998,37(2)：341-361.

[15] Khan SU.Interactionsof humic substanceswith chlorinated phenoxyacetic and benzoic acids[J].EnvironmentalLetters,1973b, 4：141-148.

[16] SenesiN.Bindingmechanis ms of pesticides to soil humic substances [J].Science of the Total Environment,1992,123/124：63-76.

[17] CoxL,Her mosin M C,Celis R.Sorption of two polar herbicides in soils and soil clays suspensions[J].Wat.Res,1997,31(6)：1309-1316.

[18] Celis R,CoxL,Hermosin M C,et al.Retention of metamitron by particulate matter[J].Int.J.Environ.Anal.Chem,1996, 65：245-260.

[19] Scheunert I,Reuter S.Formation and release of residues of the14C-labelled herbicide isoproturon and its metabolites bound in model polymers and in soil[J].Environmental Pollution,2000, 108：61-68.

[20] 汪海珍,徐建民,谢正苗.农药与土壤腐殖物质的结合残留及其环境意义[J].生态环境,2003,12(2)：208-212.

[21] Bollag J M,LollM J.Incorporation of xenobiotics into soil humus [J].Experientia,1983,39：l221-l232.

[22] Karickhoff S W.Organic pollutants sorption in aquatic systems [J].Hydraulic Engineering,1984,110：707-735.

[23] Chiou C T,Porter P E,Schmedding D W.Partition equilibrium of nonionic organic compounds between soil organic matter and water[J].Environ.Sci.Techno1.,1983,17：227-231.

[24] Weilin Huang,Ping’an Peng,Zhiqiang Yu,et al.Effectsof organic matter heterogeneity on sorption and desorption of organic contaminants by soils and sediments[J].Applied Geochemistry, 2003,18：955-972.

[25] 王帅杰,朱 坦.持久性有机污染物在土壤中的老化行为研究进展[J].城市环境与城市生态,2003,16(3)：39-41.

[26] Baohua Xiao,Zhiqiang Yu,Weilin Huang,et al.Black carbon and kerogen in soils and sediments.2.their roles in equilibrium sorption of less-polarorganic pollutants[J].Environ.Sci.Technol.,2004,38：5842-5852.

[27] Nam K,Chung N,AlexanderM.Relationship between organic matter contentof soil and the sequestration of phenanthrenev[J]. Environ Sci Technol,1998,32(23)：3785-3788.

[28] Joseph J Pignatello.Soil organic matter as a nanoporous sorbent of organic pollutants[J].Advances in Colloid and Interface science,1998,76～77：445-467.

[29] 黄 擎,李发生,陈 洪.多环芳烃在黑土有机-矿质复合体中的老化行为[J].北京理工大学学报,2007,27(10)：937-940.

[30] Northcott G L,Jones K C.Experimental approaches and analytical techniques for deter mining organic compound bound residues in soil and sed iment[J].Environmental Pollution,2000,108：19-43.

[31] 郭江峰,孙锦荷,叶庆富.14C-氯磺隆结合残留物的微生物释放[J].核技术,2000,23(4)：243-246.

[32] 孙锦荷,郭江峰,叶庆富.结合态14C-氯磺隆和/或其降解物的释放与释出物的组成研究[J].核农学报,2000,14(5)：295-300.

[33] 徐建民,汪海珍,谢正苗,等.甲磺隆结合残留物在土壤结合态腐殖物质中的分布[J].中国环境科学,2002,22(1)：1-5.

[34] 沈东升,方程冉,周旭辉.土壤中结合残留态甲磺隆的微生物降解研究[J].土壤学报,2002,39(5)：714-719.

[35] Xu Bujin,Zhang Yongxi.Bio-release of soil-bound14C-DDT residue[J].Journal of Zhejiang agricultural University,1994,20 (3)：235-238.

[36] Ye Qingfu,Wu Jianmin,Sun Jinhe.Bioavailabilityof bound residue derived from14C-labeled chlorsulfuron in soil and itsmechanis m of phytotoxicity[J].Journal of Environmental Sciences, 2004,16(2)：262-267.

[37] Sun J H,Guo J F,Ye Q F.Release of bound14C-chlorsulfuron and/or its degraded products and the components of released products[J].ActaAgricultureNucleatae Sinica,2000,14(5)：295-300.

[38] 汪海珍,徐建民,谢正苗.甲磺隆结合态残留物对土壤微生物的影响[J].农药学学报,2003,5(2)：69-78.

[39] 郭丽青,巨天珍,陶 澍.土壤中不同老化时间的DDT对小麦根系的生物有效性[J].土壤与环境,2002,11(4)：335-338.

[40] 李俊国,李存国,孙红文.老化对土壤中芘的生物有效性的影响[J].农业环境科学学报,2005,24(增刊)：77-80.

[41] 郜红建,蒋 新,王 芳,等.老化对六六六在土壤中可提取态含量及其生物有效性的影响[J].环境科学,2008,29(7)：2054-2057.

[42] 李久海,潘根兴.外加芘在 2种水稻土及其团聚体培养中的老化及其可浸提性和生物有效性的变化 [J].环境科学, 2005,26(6)：131-136.

[43] Sandermann Jr H.Bound and unextractable pesticide plant residues：chemical characterization and consumer exposure[J].Pest Management Science,2004,60：613-623.

[44] 郭江峰,孙锦荷.土壤中结合残留农药的研究方法[J].农业环境保护,1996,15(6)：270-273.

[45] Gao Y,XiongW,LingW,et al. Impact of exotic and inherent dissolved organicmatteron sorption of phenanthrene by soils[J]. Journal of HazardousMaterials,2007,140：138-144.

[46] 唐东民,伍 钧,陈华林,等.溶解性有机质对苄嘧磺隆在土壤中吸附解吸行为的影响[J].农业环境科学学报,2008,27 (5)：1711-1715.

[47] Flores-Céspedes F,Fernández-PérezM,Villafranca-SánchezM,et al.Cosorption studyoforganic pollutants and dissolved organicmatter in a soil[J].Environmental Pollution,2006,142：449-456.