3种三唑类杀菌剂的环境降解特性

吴文铸，郭 敏，孔德洋，许 静，单正军,2

(1.环境保护部南京环境科学研究所/ 国家环境保护农药环境评价与污染控制重点实验室，江苏 南京 210042；2.南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏 南京 210044)



3种三唑类杀菌剂的环境降解特性

吴文铸1，郭 敏1，孔德洋1，许 静1，单正军1,2

(1.环境保护部南京环境科学研究所/ 国家环境保护农药环境评价与污染控制重点实验室，江苏 南京 210042；2.南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏 南京 210044)

为了掌握三唑类杀菌剂在环境中的行为归趋，评价其在环境中的风险，采用室内模拟试验，对氟环唑、戊唑醇和粉唑醇3种三唑类杀菌剂在不同温度和pH值水体、不同类型土壤以及氙灯光照条件下的降解特性展开研究。结果表明：在4 000 lx、紫外强度25 μW·cm-2的人工光源氙灯条件下，氟环唑、戊唑醇和粉唑醇的光解半衰期分别为0.68、2.35和9.30 h，氟环唑和戊唑醇属于易光解农药，粉唑醇为中等光解农药；在25 ℃，pH值为4.0、7.0和9.0条件下，氟环唑的水解半衰期分别为120、131和151 d，戊唑醇的水解半衰期分别为257、198和187 d，粉唑醇的水解半衰期分别为204、182 和182 d，3种杀菌剂水解特性差异与水体 pH 值和农药本身结构相关；氟环唑、戊唑醇和粉唑醇在江西红壤、太湖水稻土和东北黑土中的降解半衰期分别为58.2～72.9、182～365和102～161 d，3 种土壤中降解速率从大到小依次为东北黑土、太湖水稻土和江西红壤。3种农药在水体和土壤中的滞留期较长，建议关注其在环境中的污染影响，对其使用和残留状况进行跟踪监测。

三唑类；降解；氟环唑；戊唑醇；粉唑醇

三唑类杀菌剂是指含有三氮唑的化合物,为C-14脱甲基甾醇抑制剂,通过抑制病菌细胞膜中固醇的合成(即破坏膜的立体生物合成),从而影响细胞结构及功能[1-2]。三唑类杀菌剂具有内吸功能和保护、治疗作用,因而被广泛用于由子囊菌、担子菌等真菌引起的多种病害的防治,具有效果好、施药量低、使用方便等特点,不但可以叶面喷雾,也可以拌种或撒施药土[3]。由于三唑类农药的独特作用机制及其令人满意的药效[4],以及具有广谱、内吸、低毒等优良特性使其在农药分子设计领域越来越受到重视。

据统计，我国生产和使用的三唑类农药达20多种[5],但是国内外关于环境中三唑类农药的研究主要集中在合成、应用技术及残留方法上[6-8],在环境中的代谢降解和效应研究鲜见报道。针对氟环唑、戊唑醇和粉唑醇3种三唑类杀菌剂在水体、土壤环境中的生物降解、化学降解和光降解特性以及影响因素进行分析,以期为该类农药的合理使用和环境安全评价提供环境资料和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试农药

粉唑醇,纯度w为95.0%,由江苏省农药检定所提供;戊唑醇,纯度w为96.0%,由江苏好收成韦恩农化股份有限公司提供;氟环唑,纯度w为97.0%,由江苏辉丰农化有限公司提供。

1.1.2 供试土壤

供试土壤样品分别为采自黑龙江海伦的黑土、江苏常熟的太湖水稻土和江西鹰潭的红壤,取0～20 cm耕作层土壤,经风干磨细,过1 mm孔径筛备用。按照常规方法对供试土壤进行处理和基本理化性质的测定,土壤理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质

Table 1 Basic physic-chemical properties of the studied soils

土壤类型pH值w(有机质)/(g·kg-1)阳离子交换量/(cmol·kg-1)w(黏粒)1)/%质地江西红壤5.299.9410.616.5黏壤太湖水稻土6.2312.617.419.7粉黏壤东北黑土7.8617.022.915.8砂黏壤

1)黏粒粒径<0.002 mm。

1.1.3 仪器设备

WATERS 2695/2996液相色谱仪,PDA检测器(WATERS,美国);Excella E24R全温度振荡器(New Brunsuick Scientific,美国);CR 22GⅡ离心机(HITACHI,日本);Rotavapor R-210旋转蒸发仪(BUCHI,瑞士);MG-2200 氮吹仪(EYELA,日本);CLC-生态培养箱(MMM,德国);ES-316 全自动高压蒸汽灭菌锅(TOMY,日本);多功能光化学反应实验装置(环境保护部南京环境科学研究所研制)。

1.1.4 试剂

二氯甲烷、丙酮、甲醇、氯化钠、无水硫酸钠为分析纯(南京化学试剂有限公司);甲醇为色谱/光谱纯(MERCK,GER)。

1.2 试验方法

1.2.1 土壤降解试验

分别称取20.0 g上述3种土壤于3组150 mL三角瓶中,加水至土壤含水量为饱和持水量的40%,用棉塞将瓶口塞紧,置于人工气候箱中恒温(25 ℃)恒湿(75%)预培养2周后开始正式试验。

正式试验时,分别均匀缓慢滴加一定量的农药试验溶液,使得初始浓度为10 mg·kg-1,搅拌均匀后,加水调整含水量为饱和持水量的60%,用透气硅胶塞将瓶口塞紧,置于人工气候箱中恒温恒湿(温度为25 ℃，湿度为75%)培养,定期取样,测定土壤中农药含量[9-10]。

1.2.2 水解试验

用pH值为4、7和9 Clark-Lubs缓冲溶液分别配制2组试验溶液,初始ρ为5 mg·L-1,分别转入2个250 mL具塞试剂瓶中,超声脱气5 min后塞上瓶塞,置于(25±1)和(50±1) ℃的生化培养箱中恒温培养,定期从试剂瓶中采集水样,测定水样中农药含量。供水解试验用的容器与缓冲溶液均经高温高压灭菌,并避光培养,整个试验过程避免受光解及生物作用等影响[11-12]。

1.2.3 光解试验

光降解试验在MS-PRE多功能光化学反应实验装置中进行。光源为人工光源氙灯,反应温度为(25±2) ℃。配制ρ为5 mg·L-1的农药水溶液于10 mL石英玻璃光解池系列中,分别置于光照转盘上,[光]照度为4 000 lx(紫外辐射强度为25.0 μW·cm-2)。试验过程中定期取水样,测定水样中样品浓度的变化[13-14]。

1.3 样品提取与测定方法

1.3.1 样品提取

土壤样品提取:向待测土壤中加30 mL丙酮,置于恒温振荡器中以180 r·min-1振荡提取30 min,以8 000 r·min-1(离心半径为15 cm)高速离心分离5 min,将上清液过滤至三角瓶中,重复1次,合并提取液,于旋转蒸发仪上蒸干丙酮。倒入250 mL分液漏斗中,加入30 mL二氯甲烷,振荡提取,静置分层后,收集有机相;水溶液再用20 mL二氯甲烷萃取1次。合并有机相,旋蒸至近干,N2吹干后用甲醇定容,待液相色谱测定。

水样提取:直接取样,过0.45 μm孔径滤膜后直接液相色谱测定。

1.3.2 分析方法

HPLC测定条件:Waters 2695 HPLC仪,2996 PDA检测器;色谱柱:Hydrosphere C18,4.6×150 mm;温度条件:柱温 25 ℃;流动相:V(甲醇)∶V(水)=60∶40;流速:0.8 mL·min-1;进样量:10 μL。上述条件下,粉唑醇保留时间约8.4 min,检测波长为230 nm;戊唑醇保留时间约6.8 min,检测波长为220 nm;氟环唑保留时间约7.3 min,检测波长为200 nm。

1.3.3 质量控制

当土壤中标样溶液的添加水平为1.0～10.0 mg·kg-1时,粉唑醇的平均回收率为77.4%～85.0%,相对标准偏差(RSD)为1.2%～6.8%;戊唑醇的平均回收率为73.3%～86.0%,相对标准偏差(RSD)为1.2%～8.9%;氟环唑的平均回收率为73.7%～85.9%,相对标准偏差(RSD)为2.8%～4.9%。

2 结果与讨论

2.1 3种三唑类杀菌剂在水体中的光解特性

光降解是农药在环境中消解的重要途径,对农药在大气、水环境和土壤环境介质中的残留与归宿,光解可能起到重大作用,光能为农药降解提供的能量比生物代谢大,在生物降解过程中几天甚至几周才能完成的周期,在光解过程中几小时或几分钟即可实现。在人工光源(氙灯,[光]照度4 000 lx,紫外强度25 μW·cm-2,与太阳光光谱较为吻合[15])条件下,在多功能光化学反应装置中,测定了粉唑醇、戊唑醇和氟环唑3种三唑类杀菌剂在纯水中的光降解特性,结果见表2和图1。

在试验周期内,避光条件下对照组氟环唑、戊唑醇和粉唑醇3种农药基本无变化。而光照组3种农药则见明显的降解,光解规律符合一级动力学方程,其光解半衰期分别为0.68、2.35和9.30 h,光解速率从大到小依次为氟环唑、戊唑醇和粉唑醇。由此可见,在4 000 lx、25 μW·cm-2的光源强度下,氟环唑和戊唑醇属于易光解农药,粉唑醇为中等光解农药[14]。这主要与农药本身性质有关,氟环唑中的醚键是光解活性部位,受光照射后易于分解。

表2 3种三唑类杀菌剂的光解动力学

Table 2 Photolytic kinetics of the three types of 1,2,4-triazole fungicides

农药一级动力学方程相关系数速率常数/h-1半衰期/h氟环唑Ct=1.8664e-1.0139t0.9921.01390.68戊唑醇Ct=4.6254e-0.2951t0.9920.29512.35粉唑醇Ct=9.0426e-0.0745t0.9970.07459.30

一级动力学方程中t为时间，h；Ct为t时对应的杀菌剂浓度，mg·L-1。

图1 3种三唑类杀菌剂在水中的光解动态

2.2 3种三唑类杀菌剂在水中的降解特性

农药在水体中的降解是农药遭受非生物降解的主要方面之一,水解特性是评价农药环境安全性的重要指标。农药的化学水解速率主要取决于农药本身的性质和溶液的 pH值、温度、离子强度及其他化学物的交互作用,其中pH值和温度是影响农药水解的重要因素[16]。氟环唑、戊唑醇和粉唑醇在25和50 ℃以及pH值分别为4.0、7.0、9.0这3种酸度条件下的水解特性见表3。

表3 3种三唑类杀菌剂在不同条件下的水解特性

Table 3 Hydrolysis of the three types of 1,2,4-triazole fungicides under different environmental conditions

pH值温度/℃氟环唑戊唑醇粉唑醇半衰期t1/2/d降解速率k/d-1半衰期t1/2/d降解速率k/d-1半衰期t1/2/d降解速率k/d-1425120.00.00582570.00272040.00345090.00.00772170.00322100.0033725131.00.00531980.00351820.00385081.50.00851820.00381930.0036925151.00.00461870.00371820.003850102.00.00681650.00421930.0036

由表3可见,25 ℃时,pH值为4、7和9条件下,氟环唑的水解半衰期分别为120、131和151 d，戊唑醇的水解半衰期分别为257、198和187 d,粉唑醇的水解半衰期分别为204、182和182 d。50 ℃时,pH值为4、7和9条件下,氟环唑的水解半衰期分别为90.0、81.5和102 d,戊唑醇为217、182和165 d,粉唑醇为210、193和193 d。MABEY等[17]将水解作用分为酸性催化水解、碱性催化水解和中性水解,速率与pH值相关。氟环唑在酸性条件下水解相对较快,随pH值升高降解速率变慢;戊唑醇则相反,随pH值的升高其降解速率明显加快;粉唑醇则表现为在中性和碱性条件下降解稍快(图2)。

图2 25 ℃条件下3种三唑类杀菌剂水解速率与pH值的关系

根据以上结果得出,3种三唑类杀菌剂在水中的降解快慢顺序为氟环唑>戊唑醇≈粉唑醇。这主要是由于农药本身化学结构的差异引起,相同条件下目标农药的水解半衰期不同,可能是分子结构的差异造成亲核基团进攻时的空间位阻不同所致,氟环唑中的醚键在酸性条件下断裂而发生亲核取代反应,造成氟环唑在水中的降解速率快于戊唑醇和粉唑醇。同时,温度对氟环唑和戊唑醇的水解速率影响较大,随着温度的升高,水解速率明显加快,而相同pH值条件下,温度对粉唑醇水解影响相对较小。

2.3 3种三唑类杀菌剂的土壤降解特性

农药在土壤中的持留期及最终归趋与其在土壤中的降解速率密切相关。土壤降解是评价农药在环境中的生态影响的重要指标之一。在25 ℃恒温条件下测定了氟环唑、戊唑醇和粉唑醇在江西红壤、太湖水稻土和东北黑土中的降解特性(表4),其降解动态均能较好地遵循一级动力学方程,反映了土壤中农药在物理、化学和生物作用下降解的综合结果[18-19]。

目前,国内外在农药残留定量描述的研究中,多以HAMAKER[20]提出的一级动力学模型来描述,一级动力学模型模拟了农药降解的线性动力系统,从总体上定量描述了农药随时间呈指数降解的一般规律。由表4可知,氟环唑、戊唑醇和粉唑醇在江西红壤、太湖水稻土和东北黑土中的降解动态符合一级动力学方程。氟环唑在江西红壤、东北黑土和太湖水稻土中的降解半衰期分别为65.4、72.9和58.2 d,戊唑醇分别为365、182和182 d,粉唑醇分别为161、114和102 d。氟环唑在3种土壤中的降解半衰期接近,而戊唑醇在太湖水稻土和东北黑土的降解速率远大于江西红壤;粉唑醇的降解速率从大到小依次为东北黑土、太湖水稻土和江西红壤。根据文献[10],氟环唑属于中等降解农药,戊唑醇属于难降解农药,而粉唑醇属于较难降解农药。

表4 3种三唑类杀菌剂在不同土壤中的降解动力学

Table 4 Degradation kinetics of three types of 1,2,4-triazole fungicides in soil relative to type of soil

农药土壤类型一级动力学方程半衰期/dr氟环唑江西红壤Ct=4.2886e-0.0106t65.40.964太湖水稻土Ct=3.8566e-0.0095t72.90.950东北黑土Ct=4.1721e-0.0119t58.20.945戊唑醇江西红壤Ct=8.1966e-0.0019t3650.968太湖水稻土Ct=8.1611e-0.0038t1820.980东北黑土Ct=7.7439e-0.0038t1820.967粉唑醇江西红壤Ct=7.1401e-0.0043t1610.954太湖水稻土Ct=7.0152e-0.0061t1140.941东北黑土Ct=6.8547e-0.0068t1020.985

一级动力学方程中t为时间，d；Ct为t时对应的杀菌剂浓度，mg·L-1。

避光条件下,农药在土壤中的降解主要有2个方面的作用:化学降解和微生物降解。结合水解与土壤降解试验结果可知,影响氟环唑、戊唑醇和粉唑醇的降解因素以土壤pH值和微生物降解作用为主。氟环唑在3种土壤中的降解速率相当,这与水解结果呈现相同的趋势,表明其在土壤中的降解主要与自身性质有关。而戊唑醇和粉唑醇随着土壤pH值的增加,其降解速率也增大,这与水解结果相似。土壤的生物活性也是影响其降解快慢的主要因素[20-21]。大量研究[22-23]表明,土壤有机质含量是影响农药在土壤中降解速率的重要影响因子,土壤有机质越高,越有利于土壤微生物的生存与繁殖,使农药微生物降解作用增强;同时,土壤有机质含量越高,其对三唑类化合物的吸附-催化能力越强。结果显示,粉唑醇、戊唑醇在东北黑土和太湖水稻土中的降解速率快于江西红壤,降解速率与土壤有机质含量呈正相关。

3 结论

(1)在4 000 lx、紫外强度25 μW·cm-2的人工光源氙灯条件下,氟环唑和戊唑醇属于易光解农药,而粉唑醇的半衰期达9.30 h,为中等光解农药。

(2)25 ℃时,在pH值为4.0、5.0和9.0的3种缓冲水溶液中,氟环唑随pH值的升高水解速率降低,戊唑醇和粉唑醇则随pH值升高而水解速率加快。

(3)氟环唑在江西红壤、东北黑土和太湖水稻土中的降解半衰期分别为65.4、72.9和58.2 d,戊唑醇分别为365、182和182 d,粉唑醇分别为161、114和102 d,氟环唑属于中等降解农药,戊唑醇属于难降解农药,而粉唑醇属于较难降解农药。影响土壤降解的主要因素为土壤pH值和土壤有机质含量。

综上所述,所选的3种三唑类杀菌剂氟环唑、戊唑醇和粉唑醇在环境中具有较强的稳定性,可能会对水体和土壤环境造成一定的污染危害,应引起环境管理部门的关注,并对其使用和残留情况进行跟踪监测。

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(责任编辑： 陈 昕)

Degradation of 1,2,4-Triazole Fungicides in the Environment.

WU Wen-zhu1, GUO Min1, KONG De-yang1, XU Jing1, SHAN Zheng-jun1，2

(1.Nanjing Institute of Environmental Sciences/ Key Laboratory of Pesticide Environmental Assessment and Pollution Control, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China;2.Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology in Jiangsu Province, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)

The knowledge of behaviors and fates of 1,2,4-triazole-typed fungicides in the environment is critical to assessing their environmental risks. An in-laboratory experiment was performed to examine influences of temperature, pH and light on degradation of three kinds of 1,2,4-triazole fungicides(epoxiconazole, tebuconazole, and flutriafol)in water and soil. Results show that the photolysis half-life of epoxiconazole, tebuconazole, and flutriafol was 0.68, 2.35 and 9.30 h, respectively. Epoxiconazole and tebuconazole were readily photolyzed pesticides, while flutriafol was medium in readiness. In water with pH being 4.0, 7.0 and 9.0 under 25 ℃,the hydrolysis half-life was 120, 131 and 151 d, respectively, for epoxiconazole，and 257, 198 and 187 d for tebuconazole and 204, 182 and 182 d for flutriafol. Hydrolysis of the three types of fungicides was closely related to water pH and their chemical structure. The half-lives of epoxiconazole, tebuconazole, and flutriafol were 58.2 to 72.9 days in the red soil of Jiangxi, 182 to 365 days in the paddy soil of Taihu Region and 102 to 161 days in the black soil of Northeast China. The findings of the experiment indicate that epoxiconazole, tebuconazole, and flutriafol all have a long residual period in water and soil, which calls for more attention to their pollution of the environment and monitoring of their application and residues in the environment.

1,2,4-triazole;degradation;epoxiconazole;tebuconazole;flutriafol

2015-09-11

中央级公益性科研院所基本科研业务专项(2014-002);公益性行业(环保)科研专项(2013467026)

X592

A

1673-4831(2016)05-0837-05

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.05.023

吴文铸(1983—),男,浙江乐清人,副研究员,博士,主要从事农药环境行为与安全评价方面的研究。E-mail: wwz@nies.org