农产品残留农药理化降解方法及联合应用研究进展
2015-07-13张玉坤马俊贵
张玉坤 马俊贵
摘要 总结了物理、化学技术方法以及部分方法的联合应用对农产品中残留农药降解效果的研究;提出了适用于生长期作物的代谢降解法,该法从作物自身特性出发有效解决了农药在体内的残留和累积;阐明了联合应用理化降解方法是降解农产品残留农药的主要技术趋势;同时指出了联合应用理化降解方法存在的问题。
关键词 农药残留;降解;理化方法;联合应用
中图分类号 S481+.8 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2015)15-132-05
Research Progress on Degradation of Pesticide Residues by Physicchemistry Techniques and Unitedapplications in Farm Products
ZHANG Yukun1, MA Jungui2*
(1. College of Machinery and Transportation, Xinjiang Agriculture University, Urumqi, Xinjiang 830000; 2. XinJiang Agricultural and Animal Husbandry Machinery Administration, Urumqi, Xinjiang 830052)
Abstract This paper summarized researches on effect of degrading under using physical and chemical techniques, its unitedapplications as well. The metabolismdegrading method was put forward, significantly settling pesticide residue and accumulation in crops from the character of biology itself. It was explained that unitedapplications is the leading role in disposing pesticide residue. Moreover the problems existed of them were discussed.
Key words Pesticide residues; Degradation; Physicchemistry techniques; Unitedapplications
農药在农业的生产保收和病虫害的预防控制方面发挥着重要的作用,如果不使用农药,因病、虫、草害的影响,世界粮食产量将减少1/3[1]。但是不合理的施用农药导致了对环境、作物、水产、畜禽的严重污染,不容忽视的是有机磷农药通过食物链逐级富集、传递,人们通过饮食和呼吸等途径使残留的农药进入人体,从而对人类健康造成严重危害,所以农药残留的问题亟待解决。
目前我国农产品中残留的农药大致分为三类:一是有机磷农药;二是拟除虫菊酯类农药;三是有机氯类农药。有机磷农药在国内外广泛生产和使用的品种已达上百种,包括杀虫剂、除草剂和杀菌剂。有机磷农药的使用以其品种多、药效高、防治对象多、应用范围广、作用方式多等特点居各类农药之首,尤其是6个高毒品种(甲胺磷、敌敌畏、甲基对硫磷、对硫磷、氧乐果和久效磷)的产量约占有机磷杀虫剂的70%[2]。闫实等[3]研究了不同种类蔬菜农药残留检出率的规律性,结果表明农药种类主要集中在高毒有机磷杀虫剂。我国环境优先检测出的10种化学农药有机污染物中,有机磷农药就有7种。
随着人类对农产品需求量的不断扩大,考虑到目前的科技水平,认为化学农药的作用在相当长一段时间内是利大于弊的,但必须找到化解其缺点的有效方法,才能实现可持续发展。笔者综述了降解农产品残留农药的各种物理技术、化学方法以及它们的联合应用,旨在为农产品的安全生产提供借鉴。
1 农药残留主要理化降解技术方法
农药残留降解技术的开发是解决残留农药对环境及食物污染问题的重要途径之一,大多运用的是单一处理方法。
1.1 农药残留物理降解技术
物理法降解农药残留分为日用物理方法和物理技术方法。日用物理方法包括日常生活中削皮、活性炭或石英砂吸附、用水清洗或浸泡果蔬等已成为人们去除农药残留的常用方法,但这些方法的效果并不太理想,其本质上是将农产品中的残留农药转移到另外一种介质中,并未对其降解。烫或高温加热的方法虽然降解效果较好,但将该方法运用到农产品上,将会使农产品的品质和风味发生质的变化,对多数农产品而言,该方法绝对不是有效的好方法。
1.1.1 超声波技术。
超声波降解法是利用超声波辐射液体产生的空化效应[4-7],在超声波负压相作用下,液相分子的吸引力被打破形成空化泡,在随后声波的正压相的作用下空化泡迅速崩溃,该过程中产生的高温高压使有机物发生化学键断裂、水相燃烧、高温分解或自由基反应。
钟爱国用低频超声波处理甲胺磷可达到99.3%的降解率,对乙酰甲胺磷的去除率甚至达到99.9%[8]。Kotronarou等[9]用声强75 W/cm2、频率20 kHz的超声波降解pH为60、浓度为82 μmol/L的对硫磷溶液,反应温度控制在30 ℃,经120 min超声辐照,对硫磷可被完全降解。
虽然超声波技术在降解农药方面有明显的效果,但从经济上考虑,还需要设法降低费用。
1.1.2 电子束辐照技术。
电子束辐照降解农药残留,辐照技术在食品杀菌保鲜方面已有较为成熟的应用。FAO/IAEA/WHO食品辐照卫生安全联合专家委员会指出,经平均剂量10 kGy以下辐照的任何食品是卫生安全的。
辐照降解农药是利用放射性同位素或电子加速器等产生的各种高能射线,使农药的各种化学键在高能量射线的作用下断裂,从而使大分子降解成小分子的过程。低剂量辐照下的农药降解不如高剂量的效果明显,农药辐照降解率随着辐照剂量的增大呈增加的趋势,并在4~10 kGy区间内有波动,有机磷的农药降解效果普遍优于氨基甲酸酯农药。但是该技术降解率太低,不能作为单一的方法使用。另外发现当将该种方法运用到农产品上时,短波辐射会缩短果蔬的贮藏期,同时还会在一定程度上影响果蔬品质。
1.1.3 紫外光照技术。
紫外线降解农药残留的原理是依靠中波紫外光的作用,通过紫外线照射产生化学效应,使农药有机物中的双键断裂,从而破坏构成农药成分的有机碳及其他元素间的结合,将农药有机物分解为小分子物质。韩国食品研究所[10]用紫外线扫描枸杞子,结果发现三唑锡降解了73%,联苯菊酯降解了80%,有良好的降解效果。
1.1.4 超高压技术。
超高压技术产生的极高的静压使生物组织内高分子立体结构的氢键、离子键和疏水键等非共价键发生变化[11],可将其用于农产品农药残留的去除。
慧为甲[12]研究了超高压处理对果汁中拟除虫菊酯类农药和氨基甲酸酯类农药的降解效果,发现在合适参数下,其降解率几乎可达到100%。
1.2 农药残留化学降解方法
化学法降解农药残留在有机磷农药废水处理和被残留农药污染的土壤治理方面效果显著,同时在农产品农药残留的处理方面也表现较好,不仅降解率高、成本低、无二次污染,而且无论是小规模处理还是大规模操作都较容易实施推广,甚至对农产品的品质能起到增益作用。
1.2.1 电功能水法。
郝建雄等[13]在电生功能水降解农药残留方面进行了深入研究,在浸泡蔬菜60 min时使用酸性电解水,农药残留可消除82%左右,使用碱性电解水,蔬菜的农药残留可消除90%以上,表明电解水可以较好地消除有机磷农药造成的果蔬污染,利用电生功能水消除蔬菜的农药残留是一种可行的方法。
电生功能水之所以能消除蔬菜的农药残留,很大程度上是由于其理化性质的特性。酸性电解水具有低的pH、高的氧化还原电位值;碱性电解水具有高的pH及良好的乳化性,而有机磷农药包括乙酰甲胺磷大多含有P=S和C=O双键,在酸性或碱性条件下亲核试剂易使其双键发生断裂。并且发现浸泡处理和振荡处理洗涤方式的不同对农药的消除效果影响不大。处理时间越长,降解效果越好。
刘清等[14]进行了酸性氧化电位水毒性的试验研究,总体评价认为酸性氧化电位水可以安全使用。沈健等[15]用酸性氧化电位水对污染了黄曲霉毒素的大米进行了降解、脱毒试验,结果表明经酸性氧化电位水洗涤后的大米能有效降解黄曲霉毒素,而且不会影响大米的品质。
1.2.2 过碳酸钠法。
王玲玲等[16]进行了过碳酸钠对菊酯类农药降解作用的研究,发现过碳酸钠量增加和温度升高,农药的降解率增大;在碱性条件和酸性条件下,农药的降解率比在中性条件下大,在碱性条件下降解率最大。菊酯农药的降解率随着温度的升高而增加。
1.2.3 过氧化氢法。
方剑锋等[17]进行了过氧化氢降解有机磷农药的研究,结果表明过氧化氢对有机磷农药有明显的降解作用;紫外光照下,过氧化氢降解农药比普通光下的降解率提高3~9倍;中性条件下,有机磷农药降解率最低,提高酸性或碱性都使农药降解率提高,且碱性比酸性条件更有利于农药的降解;农药的降解率都随反应时间的延长而增加,随过氧化氢初始浓度增大而提高,随农药浓度增加而降低,而降解量则随其初始浓度增加而增加。
1.2.4 臭氧法。
周金森等[18]进行了将臭氧用于蔬菜表面农药残留的降解研究。其作用机理是:臭氧是一种强氧化剂,溶于水中,不仅能够破坏甲胺磷、久效磷、乐果、对硫磷等有机分子结构中的烯烃、炔烃等碳链,而且对基团有强烈的氧化作用。这种打断连接键和基团氧化的双重作用使得上述物质的分子结构发生彻底改变,从而起到解毒、降解农药残留的作用。同时还能杀灭蔬菜表面的各种细菌和致病菌,达到解毒目的,无二次污染,并且对蔬菜的营养成分基本没有影响[19-20]。
臭氧处理在有效降解农残的同时,可以很好地保持果品的外观及营养价值,保证了果品在货架期的品质;由于其降解效果与农产品种类、农药品种以及污染程度等都有关系,所以其达到最大效果时的臭氧浓度范围还未确定。目前改进的臭氧技术及臭氧与其他处理方法的联合使用给农药残留的处理开辟了新的有效途径。
1.3 对生长期农作物适用的基于磁化水技术的代谢降解法
常温常态贮存蔬菜时,其中的农药残留都有降解,但是除个别农药外,短时间内大部分农药的降解情况不理想;该种处理尽管耗时长、降解率不高,但从本质上说明了一个问题,即农药残留也可以通过农产品自身新陈代谢的途径来降解。由此提出基于磁化水技术的代谢降解这一新的方法,该法最适用于生长阶段的农作物在喷施农药一段时间后,对作物体内的农药残留进行代谢降解。
何士敏等[21]研究发现,磁化水使农药在蔬菜体内的滞留时间缩短,减少了农药对蔬菜的危害,提高了大白菜和甘蓝对溴氰菊酯农药污染的抗性。汪耀富等[22]研究发现,磁化水对烟草的生长发育及生理代谢过程有一定的促进作用。赵国林等[23]发现磁化水对小麦各项生理指标都有明显的促进效应。
李静丽等[24]进行了磁化水对香菇生长和代谢的影响的研究,发现磁化水之所以能使香菇菌丝的生长速度加快、发酵液中产生醇香气和蛋白质含量增加,是由于磁化水中的金属离子有助于激活某几种氧化酶类的生物学活性,从而增强了细胞及机体的代谢能力,加速了代謝过程。并且不同强度的磁化水在香菇生长的各阶段表现出不同的作用,这是因为不同强度的磁化作用所激活的酶类不同。
张立红[25]进行了磁化水灌溉促进作物增产机理的MD模拟研究,结果表明在优化磁场作用下,水的表面张力系数和粘滞系数降低、扩散系数增大,使水的渗透性和扩散能力增强;同时水体系中自由的单体分子和二聚体分子增加,使之更容易进入作物细胞内,从而促进细胞的新陈代谢、增加细胞活力。经磁化作用的水的光学性质发生明显变化,磁化水要比未处理的水对光的吸收率高30%,因水体透光性的改善,保证了光合自养生物(即大多粮食作物)的能源,同时经磁化处理的水的硬度、pH、电导率都明显高于非磁化水,无机盐在磁化水中可以较好地溶解,从而有利于植物对营养盐类的吸收。磁化水还能引起生物膜渗透性的增加,从而改善植物对营养物质的吸收,促进植物的生长和发育。
上述研究共同表明,用磁化水浇灌的农作物根系发达,对水分、矿质元素的吸收速度快,在本质上改善了农作物的新陈代谢速率。农作物代谢速率越快,农药在作物体内滞留的时间就越短,农药的残留量也越少。依靠农作物本身的新陈代谢来降解农药残留,不仅符合作物生长规律,而且成本低廉,效果显著,操作简便易推广,无二次污染。
2 联合应用物理、化学降解方法
2.1 联合应用的必要性
大多单一降解方法都有其局限性。为了实现降解率高、无二次污染、成本低、易操作推广、对农产品品质无不良影响、甚至对农产品的生长贮存能起到增益作用的综合效果,农药残留的降解模式必须改单一方法降解为多种降解方法联合处理的模式,充分利用各种降解方法的优点,同时规避它们的缺点。农药残留在农产品的外表和内里都有分布,化学降解方法主要对农产品外部进行残留农药的降解脱除;而物理技术降解方法在不破坏农产品外观、品质的情况下,可对农产品内部的残留农药进行降解脱除。联合应用物理、化学降解方法还有以下3点原因:
(1)农药残留在农产品上的分布性。
王冬群[26]进行的翠冠梨不同组织中农药残留分布规律的研究发现,从农药在梨不同组织中的分布来看,无论是农药残留量的大小、农药种类的多少还是农药残留检出率,从大到小顺序均依次为果皮、全果和果肉。农药残留主要集中在梨的果皮上,在梨的不同组织中农药残留分布差异较大。
安徽农业科学 2015年
温贤有等[27]进行了木瓜中甲拌磷农药残留分布规律的研究,发现甲拌磷农药在木瓜中的残留分布规律为:果皮中的残留量最高,果肉中最少;果皮中的甲拌磷农药随着喷药后时间的延长,残留量逐渐降低,但同期残留绝对值仍明显高于果肉,果皮是木瓜中农药残留的主要存在部位;果肉中的甲拌磷农药残留相对较少,残留趋势为先升高后逐渐降低,但降低缓慢。其原因可能是在喷药后果皮中的甲拌磷农药不断降解,同时未降解的甲拌磷农药就向果肉转移,使得果皮中的甲拌磷农药残留量逐渐减少,而果肉中的含量逐渐升高,72 h后分布平衡,果肉中的甲拌磷残留量达最高,之后逐渐降低。甲拌磷一旦进入果肉,其消解非常缓慢。因其较高的残留特性,农药往往还未降解充分,就已经被食用。食用过程中冲洗或削皮处理不能将其去除干净,必须采用科技手段对其进行降解处理。
(2)不同农产品上农药施用和残留的繁多复杂性。
多种农药残留并存的情况较严重,并且有机蔬菜也已经开始受到农药残留的污染。梁春红等[28]研究表明,不同农药种类虽然施用于同一种蔬菜上,但农药的种类不同,其效果最好的降解方法也不相同。
(3)光照、温度、pH、水分等因素对农药残留降解效果的影响。
花日茂等[29]对丁草胺在不同光源照射下的降解情况进行了研究,得出其光解速度在以水为介质的高压汞灯照射下降解最快。
黄宝勇等[30]研究表明低温冷冻使得农产品中的农药残留最稳定,即不利于残留农药的降解,所以农药的降解必须在农产品采摘贮存之前进行。另外,不同样品基质、不同浓度农药在冷冻贮存状态下最穩定,随贮存温度升高其稳定性逐渐降低;温度影响作用的大小对不同农药稍有不同,对百菌清的影响最大,对毒死蜱的影响最小。不同蔬菜品种对农药残留量降解趋势和降解速率无显著影响。另外有研究表明,水样中传统的有机氯农药、菊酯和极性弱的农药在贮存中比较稳定,而有机磷和氨基甲酸酯类以及一些其他极性农药在贮存过程中不稳定,尤其在4和20 ℃下贮存容易分解[31]。
张洋等[32]总结了农药降解速率随pH、水分、温度变化而变化的机理。pH是影响农药降解的重要因素之一,在酸性或碱性条件下,降解效果最好;温度对农药降解有着极显著的影响,农药会随着温度的升高而降解加快,同时农药的稳定性也会随着温度升高而降低;农药在有水分的环境下比在干燥环境中降解速率快很多。
2.2 联合应用获得的研究进展
2.2.1 超声波技术与过碳酸钠联合应用。
超声波技术在难降解有毒有机物的处理方面有独特的效果,并且已有研究证实过碳酸钠对有机磷农药具有较好的降解效果,宋伟等[33]研究表明,在相同的外部条件下,超声波诱导过碳酸钠降解有机磷的效果明显优于二者单独使用。该方法对有机磷农药有优异的降解效果,降解效率超过95%。碱性条件下的降解效果优于酸性条件,这可能是因为有机磷官能团在碱性条件下更容易发生降解。
由此说明物理和化学降解方法的联合应用是降解残留农药的一个新趋势。
2.2.2 光催化与臭氧联合应用。
光化学降解治理农药残留,特别是比较难降解的有机物如六六六、滴滴涕等,降解效果明显。梁夫艳等[34]研究了臭氧-光催化联合降解甲苯的情况并与单一光解进行了比较,结果表明臭氧光催化对甲苯的降解效率大大高于光催化的降解效率。
2.2.3 高压汞灯光照与化学催化剂联合应用。
光催化降解法氧化能力强,降解率高,成本低,无二次污染,催化剂稳定性好,易回收。姚文华等[35]进行了Co掺杂的锐钛矿型纳米介孔二氧化钛制备及其对几种有机磷农药的光催化降解效果研究,验证了掺Co能显著提高催化剂的光催化降解活性;在暗处无光条件下降解农药的效率非常低,几乎可以忽略不计,在500 W高压汞灯照射的条件下,农药可直接降解;同时证明了该催化剂是一个稳定性好、可重复使用的催化剂;但是光催化处理需要水溶液透明才有利于光的吸收,催化剂才有活性。
2.2.4 紫外光照或臭氧与过氧化氢联合应用。
高级氧化技术即通过将H2O2与臭氧或紫外光组合,促进羟基自由基的产生;另外H2O2催化降解法的改进研究,以过氧化氢光催化的高效降解能力为基础,通过综合各种途径来提高H2O2的降解能力,扩大了其降解化合物的范围。
2.2.5 低温等离子体技术。
低温等离子体技术是综合高能电子辐射、自由基、臭氧等活性粒子的一种物理、化学方法联合应用的降解技术;其降解机理是:低温等离子体产生的高能电子轰击残留农药分子,通过电离、激发、解离产生次级电子、离子、自由基活性粒子等,这些活性粒子再与农药分子作用,最终将其降解,生成无毒或毒性较小的小分子。
王世清等[36]进行了等离子体对苹果和大白菜中氧化乐果的降解效果的研究,发现其降解率都在96%以上,并且降解速率快,无二次污染,但要根据果蔬种类、施用的农药品种及污染程度的不同,确定出对应的处理参数,以便确保果蔬产品的食用品质。
2.3 以果蔬类农产品为例说明联合应用的流程 见图1。
3 存在的问题及展望
联合降解方法根据物理方法与化学方法进行结合,对农产品的外部和内部农药残留都进行降解,对于食品安全以及我国农产品向国外大宗出口、打破贸易的技术性壁垒都具有重要的积极意义。目前,理化方法联合应用降解农产品中农药残留还存在以下4个方面的问题:①农产品中农药残留量直观、快速的检测技术发展还不成熟,在一定程度上限制了联合降解方法的应用。②针对不同类的农产品、不同农药种类,联合降解方法所使用的参数是不确定的。参数过大或过小都不能起到良好的降解效果,还可能会对农产品造成二次污染;在实践应用中如何合理地确定各种参数有待进一步研究。③从技术的实用层面考虑,联合降解方法在农产品的出口贸易上规模化应用和家庭日常生活食材上小型化应用还未落到实处。④农产品中残留农药是在产业链的终端还是在农产品的生产过程中降解更合理,还有待深入研究。
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