臭氧对土壤中百菌清降解的影响1)

周 瑶 李 阳 王玉军 李业东 邢志贤

(吉林农业大学，长春，130118) (长春净月经济开发区环保局) (河北省环境监测中心站)

农药的不合理使用会使农药长期留存在土壤中，这样不仅对环境造成严重污染，还会残留在食物中对人类健康有严重的影响。所以需要经济方便、安全实用的方法降低农药的污染，妥善的解决农药使用过程中的环境保护问题［1］。百菌清化学名称为2，4，5，6－四氯－1，3－苯二睛，是一种广谱、保护性杀菌剂。百菌清具有良好的植物体黏着性，对粮食、蔬菜、果树及经济作物等多种作物真菌病害具有较好的预防作用，药效期较长且稳定［2］，故本试验以百菌清为目标进行臭氧降解试验。臭氧是一种强氧化剂，可以高效降解在粮食和果蔬中残留的农药，对附着在粮食表面的有机磷、氰化物、硫化物以及氧化乐果、马拉硫磷等残留都具有极强的降解力［3］。臭氧的自发分解特性，使得其只能随产随用，但从环境保护的角度看，由于臭氧分解快没有残留物质存在，使其在应用上更具优势。目前，有关臭氧降解农药的国内外资料中大多数都是将农药溶于臭氧处理后的水中进行降解［2，4－7］，观察其降解规律;或者将臭氧通入到装有粮食仓房中降解粮食中含有的农药［3］。而利用臭氧对土壤中有机物进行降解的相关研究相对较少，降解农药的研究就更为稀少，因此，将臭氧通入土壤中研究其降解农药的效率，是一种降解农药的新方法，对研究新的环保型降解剂有重要意义。

1 材料与方法

1.1 供试土样

试验用黑土采自吉林省长春市净月区，pH值为5.98，有机质质量数为39.5 g/kg。新鲜土样自然风干后，除去样品中砂粒、植物根和秸秆碎片等杂物，再过3 mm筛备用。

1.2 主要仪器与试剂

试剂:百菌清原药(华源公司，南天一分厂)、百菌清标准样品(labor Dr.Ehrenstorfer－Schaefers)、石油醚(分析纯)、丙酮(分析纯)、氯化钠(分析纯)、无水硫酸钠(分析纯)。

仪器:A－81斯特亨臭氧发生器(广州斯特亨电子有限公司)、6890N气相色谱仪(美国Agilent公司)配备 μ－ECD检测器、BS224S电子天平、HZ－9211K恒温振荡器、RE－5285A旋转蒸发器(上海亚荣生化仪器厂)、HG75－3电热恒温两用箱(南京电器三厂)，立式自动电热压力蒸汽灭菌器(上海甲安医疗器械厂)。

1.3 试验设计与方法

分别取5 kg的供试土壤，灭菌后，装入高度大于40 cm的陶瓷桶中(模拟土层覆盖厚度)，添加用蒸馏水稀释的百菌清原药溶液，使其在土壤中的质量分数分别为10、20、50 mg/kg，将供试土样搅拌均匀并静置平衡24 h。下述试验每个处理均设3个重复，供试土样所在环境温度均保持在(20±1)℃。

向百菌清初始质量分数分别为10、20、50 mg/kg的供试土壤中通入臭氧，每天通入臭氧的质量分别为100、200、400 mg，以不通臭氧土壤为对照。在通风条件良好的条件下，用如图1所示的实验装置向土壤中通入臭氧，每天向土壤中通入1次，时间为1 h。通入臭氧后，用遮光塑料盖把陶瓷桶口封住，分别在通入当天，通入后 1、3、5、7、14、21 d 时取适量的供试土壤。用丙酮将土壤样品中百菌清提取后，用气相色谱测定百菌清的含量，计算其降解率。对不同处理的百菌清残留量进行对比，探讨百菌清在不同臭氧通入量条件下的降解规律。

图1 通入臭氧装置示意图

控制每天臭氧通入量为400 mg，具体试验方案如表1所示。分别在通臭氧当天、通入后1、3、5、7、14、21 d时取适量的供试土壤，把土壤样品中百菌清提取后，用气相色谱测定百菌清的质量，计算其降解率。对不同处理的百菌清残留量进行对比，探讨百菌清在不同臭氧通入频次条件下的降解规律。

1.4 土壤中百菌清的提取与测定

提取:准确称取10.00 g土壤样品于250 mL具塞三角瓶中，加入20 mL丙酮，放在振荡器(25℃，150 r/min)中振荡1 h，过滤，再用15 mL丙酮滤洗，滤液合并于分液漏斗中，加入20 mL饱和氯化钠溶液，分别用25、20、15 mL石油醚振荡萃取3次，有机相过无水硫酸钠收集于烧杯中，用旋转蒸发仪，浓缩近干，定容至10 mL待测。

表1 臭氧通入试验设计方案

色谱条件:进样口温度220℃，色谱柱温度178℃，检测器温度300℃［8］，载气氮纯度大于99.999%，载气流速2 mL/min，进样体积1 μL，分流比10∶1。

2 结果与分析

2.1 不同臭氧通入量对百菌清降解的影响

由图2A可知，土壤中百菌清的残留量随着通入臭氧时间的延长呈降低趋势，降解率呈增大趋势，到14 d后残留量及降解率均趋于稳定。当不通入臭氧时，土壤中百菌清残留量呈降低趋势，降解率呈增大趋势，在14 d时降解率达到18.5%而后降解率及残留量趋于稳定。当臭氧通入量为100 mg时，在0～7 d，土壤中百菌清降解速率较快，7 d时降解率达到35.4%;在7～14 d，降解速率减慢，在14 d时降解率达到56.8%;在14 d后，降解率趋于稳定总降解率达到57.1%。随着通入臭氧量的增加，百菌清的降解速率也随之增大:臭氧通入量在200、400 mg时，在初级阶段(0～7 d)百菌清降解率能达到45%和50%;在7～14 d时，降解率能达到61.2%和66.7%;在14 d后降解率分别达到65%和70%。可见，臭氧通入量分别为100、200、400 mg时，土壤中百菌清残留量均随着臭氧量增高而降低。当臭氧量在400 mg时，土壤中百菌清的半衰期最短。百菌清初始含量为20、50 mg/kg处理组的百菌清降解规律均(图2B、图2C)与10 mg/kg处理组(图2A)一致:土壤中百菌清的残留量均随通入臭氧时间的延长呈降低趋势，到14 d后残留量趋于稳定。

综上所述，臭氧能够促进土壤中百菌清等有机污染物的降解。臭氧分解是指臭氧与极性有机化合物的反应，在有机化合物原来双键的位置上发生的反应把其分子分裂为二［9］。百菌清分子中含有N≡C和C=C，臭氧发生分解后可能作用于百菌清中的N≡C或C=C，发生加成反应而产生新的有机化合物从而降低土壤中百菌清的含量［7，10－13］。不通入臭氧时，由于供试土壤是灭菌土，百菌清残留量及降解率应该无变化，但实际试验中残留量及降解率变化比预期的变化量大。出现这种现象的原因可能是:百菌清在土壤中有一定量的挥发;或在取灭菌土壤时人为带入了少量的微生物，这些微生物对土壤中的百菌清有一定的降解作用;还可能有些百菌清发生光解作用。从图2可以看出，初期(0～7 d)的降解率高于后期。由于降解反应速率同时受臭氧通入量和百菌清质量分数的影响，在反应初期，与土壤组分结合不十分紧密的百菌清大量存在［12］，这部分百菌清在臭氧的氧化作用下，迅速发生分解，因此降解速率较高;到了后期，绝大多数与土壤结合不十分紧密的百菌清已经发生分解，剩余的百菌清与土壤组分结合较为紧密［8－9，12］，受土壤腐殖物质的影响较大，产生一定的钝化作用，难于与臭氧发生反应，因此该阶段降解速率逐渐降低。

图2 不同臭氧通入量对百菌清降解的影响

2.2 不同臭氧通入频次对百菌清降解的影响

不同臭氧通入频次处理比较(图3A)发现:在控制臭氧总通入量及通入总时间不变的前提下，初期随着通入臭氧频次的增加，百菌清的降解速率也随之增大，通入频次由1次增加到4次，5 d时百菌清降解率由25.0%增加到41.6%，效果较明显，百菌清残留半衰期有效的缩短。但在后期，不同频次处理之间差异很小。百菌清初始质量分数为20、50 mg/kg处理组(图3B、图3C)的百菌清降解规律均与10 mg/kg处理组(图3A)一致:在初期，增加频次可以改善百菌清的降解效果，但在后期，臭氧通入频次增加并未表现出很好的促进作用。

上述研究表明，增加臭氧通入频次能够促进土壤中百菌清等有机污染物的降解。因为臭氧降解反应主要发生在气相体系中或气—固界面之间，反应速度要远远低于液相反应［12］，1次长时间通入臭氧必然会引起一部分臭氧无法参与百菌清的降解反应，因此这部分臭氧对于百菌清的降解来说是无效的，而适当增加通入频次，可以在一定程度内降低无效臭氧的比例［6］，提高降解率。而在后期，不同频次处理之间差异不明显，原因是与土壤结合不十分紧密的百菌清易被臭氧氧化而降解，而这部分百菌清的降解主要发生在7 d之前，后期百菌清的总体降解比例很低，因此增加通入量和通入频次等各处理之间的降解效果差异均不会很显著。

3 结束语

向土壤中通入臭氧可以加快百菌清在土壤中的降解速度。在本研究的臭氧通入量范围内，增加臭氧通入量对百菌清降解效率由大到小依次是400 mg组、200 mg组、100 mg组、对照组。百菌清初始质量分数分别为10、20、50 mg/kg，臭氧通入量为400 mg 时，其总降解率分别为 67.3%、67.7%、68.8% 与对照组相比增加较多。在臭氧通入的前期，增加臭氧通入频次，能够有效促进百菌清的降解。通入频次由1次/d增加到4次/d，5 d时百菌清降解率由25.0%增加到41.6%(百菌清初始量为10 mg/kg处理组);但在臭氧通入的后期，增加通入频次对百菌清降解无显著作用。

图3 臭氧通入频次对百菌清降解的影响

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