利用光谱法研究泥炭腐植酸与吡唑草胺相互作用

2022-03-03RomualdaBejgerLillaMielnikMagorzataodarczykPaweNicia

腐植酸 2022年1期

关键词：草胺泥炭土吡唑

Romualda Bejger，Lilla Mielnik，Małgorzata Włodarczyk，Paweł Nicia 著

孙诗奇4 刘莎莎4 赵红艳4* 译

1 西波美拉尼亚科技大学物理与农业物理系波兰什切青市 71-459

2 西波美拉尼亚科技大学环境化学微生物学与生物技术系波兰什切青市 71-434 3 克拉科夫农业大学土壤科学与土壤保护系波兰克拉科夫市 31-120

4 东北师范大学地理科学学院长春 130024

多年来，尽管围绕农药对环境的负面影响存在许多争议，但农药的应用一直是保护作物免受各种生物来源威胁的最有效和最现代的方法（Aktar等，2009）。由于农药使用广泛并且半衰期较长，它们的残留物现在可以在自然环境的各个角落找到，包括水（Tankiewicz等，2010）、土壤（Aktar等，2009）、底部沉积物（Erkmen等，2013）、空气（Zivana等，2016）、植物（Fantke等，2011）和生物有机体（Jayaraj等，2016）。除了对环境的直接威胁，存在于生态系统中的农药可以在生态系统内部以及生态系统之间迁移。包括农药在内的各种有机污染物在生态系统中的自然储存是有机物（OM）。OM对农药的吸附通过改变其迁移、方向、生物有效性和毒性，在自然环境中发挥着重要作用（Aktar等，2009；Włodarczyk，2014；Włodarczyk等，2015）。物理吸附和化学吸附是不同OM组分对外来生物的两个吸附过程，其中包括离子、氢和共价结合、范德华力、电子供体-受体和电荷转移机制，以及配体交换和疏水结合（Gevao等，2000）。然而，必须指出的是，并非所有机制都同时发生。观察到的结果取决于OM组分官能团的性质和反应介质的pH值。表面吸附并不是积累有机污染物的唯一途径，它们可以被困在OM的三维结构中（Oleszczuk，2007；Ukalska-Jaruga等，2015）。

土壤有机质（SOM）是一种非均质、复杂的大分子化合物混合物。它由不同分解阶段的动植物源输入物质，以及具有特定性质的有机物质即腐殖质（HS）组成（Kumada，1987；Stevenson，1994）。HS的结构和化学性质因气候地球化学条件而异，而气候地球化学条件决定了HS的吸附能力。吸附速率与HS来源、分子质量和极性有关（Senesi等，1995；Oleszczuk，2007；D’Orazio等，2016）。腐植酸（HA）、黄腐酸（FA）和腐黑物等腐殖质通常是土壤有机质的主要组成部分（Kumada，1987；Stevenson，1994）。众所周知，HA是具有“统计”结构的异聚缩合物，主要由与-O-，-（CH2）n-，=NH和-S-桥连的芳香环组成，含有各种官能团（如-COOH，-OH，=C=O，-OCH3）。这种“富有”的活性官能团致使HA成为最强大的反应剂，能够与重金属（Boguta等，2016）、芳香族化合物（Sun等，2008）、有机酸（Cozzolino等，2001）、除草剂（D’Orazio等，2016）、杀菌剂（Morales等，2013）、杀虫剂（Scaglia等，2016）等发生反应。研究表明，HA对无机和有机污染物的吸收、运输、沉积、生物有效性、生物积累、降解和毒性都有很强的影响。许多不同的光谱技术被用于研究HA的结构及其与外生物质的相互作用，如：荧光光谱（D’orazio等，2016）、核磁共振（Huang等，2012）、电子自旋探针（Pandey等，1999）、红外光谱（Senesi等，1995）和紫外-可见光谱（Leita等，2009）。

延迟发光（DL）现象涉及材料在光照停止后的发光快速衰减。DL通常通过记录材料辐照后在特定时间序列中的发光衰减动力学或其强度来进行测试（Prokowski等，2012）。DL提供关于光化学反应之前的光物理过程的信息。HS引起的光化学反应涉及从激发态HS*到反应态组分，如溶剂化电子（eaq）、羟基自由基（·OH）、单线态氧（1O2）和反应三重态（3HS*）等的能量转移。众所周知，HS作为光敏剂，可以激活许多光化学过程（Aguer等，1999；Nkhileal，2014）。DL是一种灵敏、高效的水环境状态监测方法（Mielnik，2009；Prokowski等，2012）。到目前为止，还没有利用DL研究HA与有机污染物的相互作用的文献。因此本文利用光谱方法分析了从泥炭土中分离的HA与吡唑草胺的相互作用。

1 材料与方法

1.1 材料

研究对象为波兰南部和北部的5块泥炭地。第1块是位于Orava Nowy Targ盆地区域的排水泥炭地，第2、3块是位于Babiogórski国家公园区域的山地矿养沼泽地，以及第4、5块是分别位于Dolna Odra沟谷区域的矿养沼泽和隆起式雨养沼泽。从表层（0～50 cm）采集代表性泥炭土样品。将收集的泥炭土样品直接运至实验室，风干并研磨备用。

根据国际腐殖质学会程序（Swift，1996），从研究泥炭土样品中分离出腐植酸（HA1、HA2、HA3、HA4和HA5）。按以下步骤提取：（1）使用HCl去除钙离子；（2）使用NaOH三次萃取；（3）使用HCl使HA沉淀；（4）添加固体KCl在KOH中再溶解提纯HA；（5）使用HCl再沉淀HA；（6）用重蒸水冲洗，直到使用AgNO3通过Cl-测试；（7）HA冷冻干燥。

本研究使用除草剂吡唑草胺悬浮液浓缩物（吡唑草胺500 SC），该除草剂含有的生物活性物质吡唑草胺结构见图1。这是一种土壤和叶面施用的选择性除草剂，用于防治冬季油菜、春季油菜、白头甘蓝、红头甘蓝、羽衣甘蓝和抱子甘蓝中的单子叶和双子叶一年生杂草。这种药剂可以通过正在发芽的杂草的根吸收，在出苗时被除去。杂草出苗后直到第一片叶子出现时，也是有效的。（Praczyk等，2004；Włodarczyk，2014）。

图1 吡唑草胺的化学结构Fig.1 Chemical structure of metazachlor [2-chloro-N-(pyrazol-1-ylmethyl) acet-2’, 6’-xylidide]

1.2 分析方法

在泥炭土样品中，测定了以下特性：（1）使用电位滴定法（Tan，2005）测量1∶2.5（w/v）土壤∶水悬浮液和1 mol/dm3KCl溶液中的pH值；（2）测量在马弗炉温度为500～550 ℃时的灰分含量；（3）使用分光光度法（Orłow等，1969）测量有机碳含量（Corg）；（4）使用LECO CNS 2000自动分析仪（Leco，1996）测得全氮含量（Ntot）。

在VARIOEL III分析仪上进行C、H、N元素的分析。在分析前，HA样品在105 ℃风干。原子比率在无灰和无水的基础上表示。氧的百分含量是用100%减去C、H、N的总和。

测定了在含和不含吡唑草胺的0.01 mol/L NaOH溶液中分散的HA粒子的流体力学直径（dh）范围为0.6～6000 nm。该研究采用动态光散射（DLS）方法，用的是ZetaSizer Nano ZS装置，该装置配备了He-Ne激光器（633 nm）。背向光散射技术（173°）被使用（Zetasizer Nano系列用户手册，2004）。在20 ℃条件下，通过使用“粒度和电位”的毛细管池进行3次重复测量，共12次。

这种方法的局限性在于大颗粒掩盖了多分散样品中小颗粒的存在。散射光的强度与小于激光波长的粒子半径的六次方成反比。因此，较大的粒子比较小的粒子散射光更强（Filella等，1997）。

使用SPECORD UV-VIS M-42进行紫外可见分光光度测量，SPECORD UV-VIS M-42是一种计算机辅助双光束分光光度计，由Carl Zeiss Jena提供START软件。在测量前，每个溶液都要经过一个0.45 μm注射器式过滤器。使用1cm宽的比色皿。将HA制剂溶于0.01 mol/L NaOH溶液中。0.01 mol/L NaOH溶液作为参比。加入吡唑草胺前后，HA溶液光度法测得碳浓度为0.005 mg C/mL。HA溶液中吡唑草胺的浓度为0.45 mg/mL。

HA溶液的DL测量时使用了激发和延迟连续装置。这套装置是由波兰什切青市西波美拉尼亚科技大学的物理和农业物理系开发的。专用光敏流动比色皿是该装置的主要和最重要的组成部分。它们可以同时连续记录激发和DL（Prokowski，2009，Pat，2003）。

所研究的溶液被放置在一个容器中，内容物流过一起暴露在光线下的一个测量比色皿。比色皿通过可移动照明器暴露在单色光下。然后，溶液流过测量比色皿并返回到容器中，而蠕动泵维持溶液的流动。

用蓝光（465～485 nm）和红光（620～630 nm）诱导HA溶液的DL，辐照光子通量密度为1500 [μmol（quantum）PAR/m2s]。激发后从0.10～0.35 s记录DL。在185～850 nm的光谱范围内测量DL强度。在碳含量为30 mg C/L的0.01 mol/L NaOH、25 ℃的温度下，分别对不含和含吡唑草胺的HA溶液进行DL测量。HA溶液中吡唑草胺的浓度为450 mg /L。

所有HA除草剂体系的测定均在24 h后进行。

2 结果与讨论

基于其形态和化学性质，研究的泥炭土可分为以下几类：（1）强分解的高腐有机土，（2）较强分解的高腐有机土，（3）中分解的半腐有机土，（4）较弱分解的半腐半纤维有机土，以及（5）弱分解的纤维有机土。

所研究泥炭土样品的选定化学参数数据如表1所示。研究结果表明，泥炭土的全氮、有机碳含量、pH和C/N值各不相同，最有可能是在泥炭沉积中发生转化的强度和方向不同造成的。

表1 所研究泥炭土样品选定的化学参数Tab.1 The selected chemical parameters of studied peat soils samples

HA是由特定结构发展而来的异型化合物的组合。因此，检验它们化学组成的分析方法能够确定它们的结构的某些部分官能团的近似含量；有时，后者会出现重大错误。用特定元素的量和原子百分比结构表示HA组成是描述和比较不同来源HA最常用的方法。H/C和C/N比率的计算和比较提供了有关HA分子中芳香族、脂肪族和杂环体系之间比例的信息（Gieguzynska等，2009）。表2中报告了所研究HA样品的元素组成、原子比和内氧化。结果表明，所研究的HA样品的元素组成是从泥炭土中分离出的HA的特征（Szajdak等，2007，2016；Huang等，2012）。

表2 所研究HA样品的元素组成、原子比和内氧化Tab.2 Elemental composition, atomic ratio, and internal oxidation of studied HA samples

根据H/C比，我们可以估计HA分子的“芳构化率”。H/C值越低，HA分子的“芳构化率”越高。所研究的HA样品的H/C原子比在1.03～1.36之间（表2）。根据van Krevelen（1950），H/C原子比从0.7到1.5对应于芳香体系与脂肪链耦合，并包含多达10个碳原子。

Kumada（1987）用C/N比作为有机质分解程度的指标。HA5样品C/N值最高，HA3样品最低。C/N的差异和H/C的差异表明，N含量是鉴别HA样品的主要因素。

根据元素组成和Kumada（1987）的规定，内氧化值（CQ）根据以下方程式CQ = [4C/（4C+H+3N-2O）]进行计算。内氧化反映了基于总碳含量的HA分子中C-H键和所有C-X键（X-电负性杂原子）之间的比例（Gieguzynska等，2009）。HA2样品CQ值最高，HA5样品CQ值最低（表2）。

Szajdak等（2007；2016）的研究表明，泥炭HA的元素组成取决于泥炭地的植物学性质。

紫外-可见光谱法是近年来应用于HA性质测定的一种简便无损的方法。由此产生的HA吸收光谱是单调的，非特征的，彼此非常相似的（Kumada，1987；Stevenson，1994）。为此，我们采用A465/A665比值计算得到的E465/665光谱系数（E4/6）。该比值主要与HA分子的大小及其分子量、HA芳香核碳含量和HA脂肪碳含量与总碳的比值呈负相关（Chen等，1977）。

得到的光谱系数E4/6的取值范围为7.9～18.8（图2）。E4/6系数最低的HA2样品粒径最大，E4/6系数最高的HA3样品粒径最小。在HA溶液中加入吡唑草胺后，E4/6系数降低了33%～72%。在HA溶液中加入吡唑草胺后，不同样品的E4/6系数之间无显著差异。Terschalk等（2004）同样没有发现HA的E4/6系数与菲的吸附之间有统计学上显著的相关性。

HA具有两亲性，这就是为什么它们在水溶液中自发形成胶束状结构的原因（Palmer等，2001；Chilom等，2009）。大量研究表明，HA聚集的程度和类型与HA组分、pH、离子强度、电解质类型和温度有关（Palmer等，2001；Terashima等，2004；Chilom等，2009；Wang等，2013）。加入吡唑草胺的腐植酸溶液的dh的取值范围为133.2～218.6 nm（图2）。结果表明，HA3样品的dh最小，而HA5样品的dh最大。在HA溶液中加入吡唑草胺可使dh降低4%～32%。HA5样品的dh变化最大，表现为氮氧含量最低，CQ值最低，C/N值最高。

图2 所研究腐植酸溶液和加入吡唑草胺后的E4/6（a）和dh（b）Fig.2 Values of E4/6 (a) and dh (b) of studied humic acids solutions and after adding of metazachlor

HA表现出DL的电磁辐射能力（Bejger等，2011；Mielnik，2013）。Mielnik（2009，2013）和Prokowski等（2012）研究表明，HA溶液的DL强度取决于激发光的波长以及这些物质分子中活性中心（发光体）的数量和质量。HS是多酚-氮缩聚物，含氮缩聚物在总电荷不变的情况下，具有接受π电荷和去除σ电荷的能力，因而具有分子内能量传递的可能。由于HA分子中双键的存在，能量传输也是可能的（Lakowicz，2006）。

图3为加入吡唑草胺后HA溶液在蓝光（a）和红光（b）照射下的DL强度值，辐照光子通量密度为1500 [μmol（quantum）PAR/m2s]。在所研究的HA中，HA2样品在蓝光和红光的刺激下，DL强度均最高。根据Mielnik（2009）的研究，HA2分子中存在更多的脂肪族官能团，从而增加了DL强度。

图3 蓝（a）和红（b）光所研究腐植酸溶液和加入吡唑草胺后的延迟发光强度（IDL）的数值Fig.3 Values of delayed luminescence intensity (IDL) of studied humic acids solutions and after adding of metazachlor induced by blue (a) and red (b) light

结果表明，蓝光（更高的能级Ehν=2.69 eV）激发的HA溶液（含或不含吡唑草胺）比红光激发的HA溶液具有更高的DL强度。除HA2样品中加入吡唑草胺降低了DL强度外，在HA溶液中加入吡唑草胺提高了蓝光诱导的DL强度。在HA3、HA4和HA5样品中加入吡唑草胺后，在红光激发下HA溶液DL强度增加，而在HA1和HA2样品中，DL强度降低。

在加入吡唑草胺后，在蓝光和红光的激发下，HA2样品的DL强度变化最大，表现为粒径最大，氧含量和CQ值最高，“芳构化率”最低。