论文部分内容阅读
摘 要：采用气相色谱电子捕获（ECD）检测器对4种拟除虫菊酯农药（联苯菊酯、氟氯氰菊酯、氯氰菊酯、氰戊菊酯）在水体系中的残留进行检测。并探究了环境pH条件、温度和处理时间对拟除虫菊酯农药水解的影响。结果表明，4种拟除虫菊酯在酸性和中性条件下比较稳定，几乎不发生水解。pH在7～10条件下，发生水解反应，但水解程度不明显，在pH>10条件下，水解程度显著增大。在pH 11的条件下，当温度从20 ℃升高到50 ℃，水解程度可达到20%-60%，随着水解时间的延长，水解程度增大，农药的浓度逐渐减小。此研究结果为去除农产品表面拟除虫菊酯农药残留提供了基础理论依据。
关键词：气相色谱；拟除虫菊酯；pH稳定性；降解
拟除虫菊酯（SPs）农药是某些种类的菊花产生的，天然杀虫剂除虫菊酯的合成衍生物，因其具有高效、广谱等优点使得其使用量已经超过世界杀虫剂使用量的25%[1]。拟除虫菊酯对哺乳动物有相对较低的毒性[2]，但是有研究证明长期的接触也会危害其健康。许多拟除虫菊酯与内分泌系统的破坏有关，可以影响生殖和性发育，有一些菊酯甚至会致癌、致突变[3]。拟除虫菊酯还可以通过农田排水、降雨淋洗进入水环境从而引起水体的污染[4]，同时它还作为家用杀虫剂防治蚊蝇、蟑螂等害虫来使用，这就导致了农药随生活污水排入城市水道[5]。拟除虫菊酯对水生生物有很高的毒性，并且会在水生生物体内进行富集，通过食物链进入水产品和人体中，进而对水生系统和人类健康造成伤害[6]。
一般情况下，地下水和自来水中拟除虫菊酯残留量较小，但在河流、湖泊等环境水体中的残留普遍存在。在我国珠江三角洲的杀虫剂残留检测中，在表层水体中有21个站位有氯氰菊酯、氰戊菊酯等菊酯的检出，其中氯菊酯的含量最高，占水体中拟除虫菊酯农药总质量分数的60.3%，检出率为80.9%，其次是甲氰菊酯，其质量分数占拟除虫菊酯农药总质量分数的15.7%，检出率为33.3%[7]。
现如今拟除虫菊酯的使用量越来越大，而它的积累与环境问题和人类健康又有密不可分的关系，所以开发安全、经济、方便的吸附和降解水中拟除虫菊酯的方法具有重要的意义。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
四种拟除虫菊酯标准品，购自美国Sigma公司；磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、硼酸等试剂，均为分析纯；丙酮、正己烷为色谱级；实验用水为新鲜超纯水。
7890A气相色谱仪美国安捷伦公司；HH-4数显搅拌水浴锅常州赛普实验仪器厂；氮吹仪MTN-2800D天津市泰斯特仪器有限公司；固相萃取仪上海安谱实验科技股份有限公司；微型漩涡混合器广州仪科实验室技术有限公司；PHS-3C型精密pH计上海精密科学仪器有限公司。
1.2实验方法
1.2.1色谱条件[11]色谱柱型号为HP-5毛细管柱（30m×0.32mm×0.25μm）；采用电子捕获检测器（ECD）；设置进样口温度250 ℃；ECD检测器温度300 ℃；升温程序：100 ℃保持2 min，以10 ℃/min升至200 ℃，保持2min，以5 ℃/min升至220 ℃，保持3min，以5 ℃/min至280 ℃。载气为高纯氮气，流速为1mL/min，进样量1μL；分流比为30：1。
1.2.2水样品的提取取含有拟除虫菊酯农药的水样5 mL于100 mL容量瓶中，加入25 mL正己烷，剧烈震摇10 min，边摇边放气，震摇完毕后将其转移至125 mL分液漏斗中，静止分层，将上层正己烷层收集至三角瓶中。下層收集至原容量瓶中，再加入10 mL正己烷，重复以上操作，之后用5 mL正己烷洗容量瓶，并将其收集至三角瓶中，从三次收集的上清液中取3 g置于小烧杯，待净化。
1.2.3水样品的净化用5 mL正己烷和丙酮的混合溶液9：1（v/v）淋洗氟罗里硅土固相萃取柱，取3 g待净化溶液加入到淋洗过的固相萃取柱中，并将其收集至试管中，待其全部经固相萃取柱净化后，继续加入5 mL正己烷和丙酮的混合溶液9：1（v/v）并继续将淋洗液收集至试管中。待试管中收集液于40℃氮吹干，用色谱纯正己烷定容到1 mL，并用漩涡振荡器振荡1 min，经0.22 μm的有机滤膜过滤收集至进样瓶中，用外标法定量，测定样品中拟除虫菊酯农药含量。每个试验重复3次。
1.2.4拟除虫菊酯农药的水解分别用0.1 mol/L的HCl和NaOH调制pH为4、7、8、9、10、11、12，分别添加4种拟除虫菊酯农药，使水样种农药的浓度为1.0 mg/L，震荡均匀，室温条件下密封放置1.5 h。1.5 h后分别取样，进行处理检测，每个pH点进行3次重复试验。
不同热处理条件下拟除虫菊酯农药的水解将pH为11，4种拟除虫菊酯农药浓度为1.0 mg/L的水样置于螺口离心管中，将密封的螺口离心管分别放置在20、30、40、50 ℃水浴中，密封放置1.5 h。1.5 h后分别取样，进行处理检测，每个温度进行3次重复试验。
不同处理时间下拟除虫菊酯的水解将pH为11，4种拟除虫菊酯农药浓度为1.0 mg·L-1的水样置于螺口离心管中，将密封的螺口离心管室温放置0、0.5、1.0、1.5、2.0 h。不同的时间点分别取样，进行处理检测，每个时间点进行3次重复试验。
2 结果与讨论
2.1 水中拟除虫菊酯农药色谱条件分析
根据进样口温度、检测器温度及色谱柱温度选择的原则基础上进行多次分离试验后，确定进样口温度250 ℃，检测器温度300 ℃，色谱柱初始温度100 ℃，在该条件下4种农药分离良好，基线平稳，检测器灵敏度高，且分析时间为37 min。在该条件下4种农药的标品的气相色谱图如图1所示，经过前处理后的样品测定所得水样品的气相色谱图如图2所示。从色谱图上可知，4种拟除虫菊酯得到了很好的分离。 2.2 拟除虫菊酯农药的水解
将4种拟除虫菊酯分别添加到pH为4、8、9、10、11、12的酸性、中性、碱性溶液中，溶液中4种农药的浓度为1.0 mg·L-1，震荡均匀，室温条件下放置1.5 h。取样，测定拟除虫菊酯农药的残留水平，可以反映不同pH条件下拟除虫菊酯的水解情况。
由图3可以看出4种拟除虫菊酯农药在酸性和中性条件下，稳定性较好。在碱性条件下，随着pH的增大，农药逐渐发生水解，pH在7～10条件下，水解程度不明显，在pH>10条件下，水解程度增大，农药浓度显著减小。赵华[12]对甲氰菊酯的水解性进行了研究，结果表明甲氰菊酯在碱性溶液中的降解较快，在中性条件下较慢。刘海杰[13]等对碱性电解水在不同pH条件下对苹果表面的高效氯氟氰菊酯农药的降解进行了研究，结果也表明，在pH为8～10的条件下，氯氟氢菊酯的水解程度不明显，在pH>10时，降解率发生跃升。这与与本试验研究结果一致。此结果的主要原因可能是酯类碱性水解的反应机理为亲核反应，随着碱性增加，作为亲核试剂的OH-浓度增大，反应速率加快，而在酸性条件下，H+使羰基质子化，H3O+作为亲核试剂进攻羰基，酸性增加，H+浓度增加，H2O以H3O+形式存在，亲核性因而减弱，反应速率减慢。
2.2.1 不同热处理条件下拟除虫菊酯的水解
将pH为11，4种拟除虫菊酯农药浓度为1.0 mg/L的水样置于螺口离心管中，将密封的螺口离心管分别放置在20、30、40、50 ℃水浴中，密封放置1.5 h。取样，测定拟除虫菊酯农药的残留水平，可以反映温度对pH=11条件下拟除虫菊酯水解的影响。实验结果见图4。
由图4可见，pH=11条件下4种拟除虫菊酯的水解受温度的影响表现为随着温度的升高，水解程度增大，农药浓度减小。从图4中可见，联苯菊酯和氯氟氢菊酯农药浓度下降趋势比较平缓，说明两种农药在pH=11条件下的水解受温度的影响较小。而氯氰菊酯和氰戊菊酯农药浓度下降趋势比较急促，说明两种农药在pH=11条件下的水解受温度影响较大。在20 ℃时联苯菊酯的浓度为0.79 mg/L，50 ℃时浓度为0.59 mg/L，随着温度的升高，联苯菊酯水解了20%。20 ℃时氯氟氢菊酯的浓度为0.42 mg/L，50 ℃时浓度为0.18 mg/L，随着温度的升高，氯氟氢菊酯水解了24%。20 ℃时氯氢菊酯的浓度为0.65 mg/L，50 ℃时浓度为0.05 mg/L，随着温度的升高，氯氟氢菊酯水解了60%。20 ℃时氰戊菊酯的浓度为0.57 mg/L，50 ℃时浓度为0.03 mg/L，随着温度的升高，氰戊菊酯水解了54%。氯氰菊酯和氰戊菊酯在50 ℃的浓度为0.05 mg/L和0.03 mg/L，几乎全部被水解。说明在较高的pH下，拟除虫菊酯的水解反应对温度更加敏感。
2.2.2 不同处理时间下拟除虫菊酯的水解
将pH为11，4种拟除虫菊酯农药浓度为1.0 mg/L的水样置于螺口离心管中，将密封的螺口离心管室温放置0.5、1.0、1.5、2.0 h。不同的时间点分别取样，测定拟除虫菊酯农药的残留水平，可以反映处理时间对pH=11条件下拟除虫菊酯水解的影响。
图5可见，随着处理时间的延长，水解程度增大，农药的浓度逐渐减少。在pH=11条件下处理联苯菊酯30 min农药浓度为0.84 mg/L，120 min时浓度为0.72 mg/L，水解了12%。处理氯氟氢菊酯30 min农药浓度为0.63 mg/L， 120 min时浓度为0.46 mg/L，水解了17%。处理氯氰菊酯30 min农药浓度为0.77 mg/L，120 min时浓度为0.64 mg/L，水解了13%。处理氰戊菊酯30 min农药浓度为0.74 mg/L，120 min时浓度为0.63 mg/L，水解了11%。由图可见，pH=11条件下处理4种农药在90 min后水解曲线变得平缓，水解幅度减小，所以拟除虫菊酯水解试验的处理时间选择1.5 h。
3结论
拟除虫菊酯农药在水中的降解情况表明，4种拟除虫菊酯在pH>10条件下，水解程度增大。在pH=11条件下4种拟除虫菊酯的水解受温度的影响表现为随着温度的升高，水解程度增大。联苯菊酯和氯氟氢菊酯两种农药的水解受温度的影响较小。氯氰菊酯和氰戊菊酯两种农药的水解受温度的影响较大。受处理时间的影响表现为随着处理时间的延长，水解程度增大，农药的浓度逐渐减少。当处理时间超过1.5 h水解程度增加的幅度减小，农药浓度减小的程度降低。因此在最优的温度和pH条件下对蔬菜、水果等农产品進行处理，能够较大程度的去除残留的拟除虫菊酯农药，从而降低其对人类身体健康造成的危害。
参考文献：
[1] Jie L， Huang W， Han H， et al. Characterization of cell-free extracts from fenpropathrin-degrading strain Bacillus cereus ZH-3 and its potential for bioremediation of pyrethroid-contaminated soils[J]. Science of the Total Environment， 2015， 523：50-58.
[2] Arvand M， Bozorgzadeh E， Shariati S. Two-phase hollow fiber liquid phase microextraction for preconcentration of pyrethroid pesticides residues in some fruits and vegetable juices prior to gas chromatography/mass spectrometry[J]. Journal of Food Composition & Analysis， 2013， 31（2）：275-283.
[3] Shukla Y， Yadav A， Arora A. Carcinogenic and cocarcinogenic potential of cypermethrin on mouse skin[J]. Cancer Lett，2002，182（1）：33-41.
关键词：气相色谱；拟除虫菊酯；pH稳定性；降解
拟除虫菊酯（SPs）农药是某些种类的菊花产生的，天然杀虫剂除虫菊酯的合成衍生物，因其具有高效、广谱等优点使得其使用量已经超过世界杀虫剂使用量的25%[1]。拟除虫菊酯对哺乳动物有相对较低的毒性[2]，但是有研究证明长期的接触也会危害其健康。许多拟除虫菊酯与内分泌系统的破坏有关，可以影响生殖和性发育，有一些菊酯甚至会致癌、致突变[3]。拟除虫菊酯还可以通过农田排水、降雨淋洗进入水环境从而引起水体的污染[4]，同时它还作为家用杀虫剂防治蚊蝇、蟑螂等害虫来使用，这就导致了农药随生活污水排入城市水道[5]。拟除虫菊酯对水生生物有很高的毒性，并且会在水生生物体内进行富集，通过食物链进入水产品和人体中，进而对水生系统和人类健康造成伤害[6]。
一般情况下，地下水和自来水中拟除虫菊酯残留量较小，但在河流、湖泊等环境水体中的残留普遍存在。在我国珠江三角洲的杀虫剂残留检测中，在表层水体中有21个站位有氯氰菊酯、氰戊菊酯等菊酯的检出，其中氯菊酯的含量最高，占水体中拟除虫菊酯农药总质量分数的60.3%，检出率为80.9%，其次是甲氰菊酯，其质量分数占拟除虫菊酯农药总质量分数的15.7%，检出率为33.3%[7]。
现如今拟除虫菊酯的使用量越来越大，而它的积累与环境问题和人类健康又有密不可分的关系，所以开发安全、经济、方便的吸附和降解水中拟除虫菊酯的方法具有重要的意义。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
四种拟除虫菊酯标准品，购自美国Sigma公司；磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、硼酸等试剂，均为分析纯；丙酮、正己烷为色谱级；实验用水为新鲜超纯水。
7890A气相色谱仪美国安捷伦公司；HH-4数显搅拌水浴锅常州赛普实验仪器厂；氮吹仪MTN-2800D天津市泰斯特仪器有限公司；固相萃取仪上海安谱实验科技股份有限公司；微型漩涡混合器广州仪科实验室技术有限公司；PHS-3C型精密pH计上海精密科学仪器有限公司。
1.2实验方法
1.2.1色谱条件[11]色谱柱型号为HP-5毛细管柱（30m×0.32mm×0.25μm）；采用电子捕获检测器（ECD）；设置进样口温度250 ℃；ECD检测器温度300 ℃；升温程序：100 ℃保持2 min，以10 ℃/min升至200 ℃，保持2min，以5 ℃/min升至220 ℃，保持3min，以5 ℃/min至280 ℃。载气为高纯氮气，流速为1mL/min，进样量1μL；分流比为30：1。
1.2.2水样品的提取取含有拟除虫菊酯农药的水样5 mL于100 mL容量瓶中，加入25 mL正己烷，剧烈震摇10 min，边摇边放气，震摇完毕后将其转移至125 mL分液漏斗中，静止分层，将上层正己烷层收集至三角瓶中。下層收集至原容量瓶中，再加入10 mL正己烷，重复以上操作，之后用5 mL正己烷洗容量瓶，并将其收集至三角瓶中，从三次收集的上清液中取3 g置于小烧杯，待净化。
1.2.3水样品的净化用5 mL正己烷和丙酮的混合溶液9：1（v/v）淋洗氟罗里硅土固相萃取柱，取3 g待净化溶液加入到淋洗过的固相萃取柱中，并将其收集至试管中，待其全部经固相萃取柱净化后，继续加入5 mL正己烷和丙酮的混合溶液9：1（v/v）并继续将淋洗液收集至试管中。待试管中收集液于40℃氮吹干，用色谱纯正己烷定容到1 mL，并用漩涡振荡器振荡1 min，经0.22 μm的有机滤膜过滤收集至进样瓶中，用外标法定量，测定样品中拟除虫菊酯农药含量。每个试验重复3次。
1.2.4拟除虫菊酯农药的水解分别用0.1 mol/L的HCl和NaOH调制pH为4、7、8、9、10、11、12，分别添加4种拟除虫菊酯农药，使水样种农药的浓度为1.0 mg/L，震荡均匀，室温条件下密封放置1.5 h。1.5 h后分别取样，进行处理检测，每个pH点进行3次重复试验。
不同热处理条件下拟除虫菊酯农药的水解将pH为11，4种拟除虫菊酯农药浓度为1.0 mg/L的水样置于螺口离心管中，将密封的螺口离心管分别放置在20、30、40、50 ℃水浴中，密封放置1.5 h。1.5 h后分别取样，进行处理检测，每个温度进行3次重复试验。
不同处理时间下拟除虫菊酯的水解将pH为11，4种拟除虫菊酯农药浓度为1.0 mg·L-1的水样置于螺口离心管中，将密封的螺口离心管室温放置0、0.5、1.0、1.5、2.0 h。不同的时间点分别取样，进行处理检测，每个时间点进行3次重复试验。
2 结果与讨论
2.1 水中拟除虫菊酯农药色谱条件分析
根据进样口温度、检测器温度及色谱柱温度选择的原则基础上进行多次分离试验后，确定进样口温度250 ℃，检测器温度300 ℃，色谱柱初始温度100 ℃，在该条件下4种农药分离良好，基线平稳，检测器灵敏度高，且分析时间为37 min。在该条件下4种农药的标品的气相色谱图如图1所示，经过前处理后的样品测定所得水样品的气相色谱图如图2所示。从色谱图上可知，4种拟除虫菊酯得到了很好的分离。 2.2 拟除虫菊酯农药的水解
将4种拟除虫菊酯分别添加到pH为4、8、9、10、11、12的酸性、中性、碱性溶液中，溶液中4种农药的浓度为1.0 mg·L-1，震荡均匀，室温条件下放置1.5 h。取样，测定拟除虫菊酯农药的残留水平，可以反映不同pH条件下拟除虫菊酯的水解情况。
由图3可以看出4种拟除虫菊酯农药在酸性和中性条件下，稳定性较好。在碱性条件下，随着pH的增大，农药逐渐发生水解，pH在7～10条件下，水解程度不明显，在pH>10条件下，水解程度增大，农药浓度显著减小。赵华[12]对甲氰菊酯的水解性进行了研究，结果表明甲氰菊酯在碱性溶液中的降解较快，在中性条件下较慢。刘海杰[13]等对碱性电解水在不同pH条件下对苹果表面的高效氯氟氰菊酯农药的降解进行了研究，结果也表明，在pH为8～10的条件下，氯氟氢菊酯的水解程度不明显，在pH>10时，降解率发生跃升。这与与本试验研究结果一致。此结果的主要原因可能是酯类碱性水解的反应机理为亲核反应，随着碱性增加，作为亲核试剂的OH-浓度增大，反应速率加快，而在酸性条件下，H+使羰基质子化，H3O+作为亲核试剂进攻羰基，酸性增加，H+浓度增加，H2O以H3O+形式存在，亲核性因而减弱，反应速率减慢。
2.2.1 不同热处理条件下拟除虫菊酯的水解
将pH为11，4种拟除虫菊酯农药浓度为1.0 mg/L的水样置于螺口离心管中，将密封的螺口离心管分别放置在20、30、40、50 ℃水浴中，密封放置1.5 h。取样，测定拟除虫菊酯农药的残留水平，可以反映温度对pH=11条件下拟除虫菊酯水解的影响。实验结果见图4。
由图4可见，pH=11条件下4种拟除虫菊酯的水解受温度的影响表现为随着温度的升高，水解程度增大，农药浓度减小。从图4中可见，联苯菊酯和氯氟氢菊酯农药浓度下降趋势比较平缓，说明两种农药在pH=11条件下的水解受温度的影响较小。而氯氰菊酯和氰戊菊酯农药浓度下降趋势比较急促，说明两种农药在pH=11条件下的水解受温度影响较大。在20 ℃时联苯菊酯的浓度为0.79 mg/L，50 ℃时浓度为0.59 mg/L，随着温度的升高，联苯菊酯水解了20%。20 ℃时氯氟氢菊酯的浓度为0.42 mg/L，50 ℃时浓度为0.18 mg/L，随着温度的升高，氯氟氢菊酯水解了24%。20 ℃时氯氢菊酯的浓度为0.65 mg/L，50 ℃时浓度为0.05 mg/L，随着温度的升高，氯氟氢菊酯水解了60%。20 ℃时氰戊菊酯的浓度为0.57 mg/L，50 ℃时浓度为0.03 mg/L，随着温度的升高，氰戊菊酯水解了54%。氯氰菊酯和氰戊菊酯在50 ℃的浓度为0.05 mg/L和0.03 mg/L，几乎全部被水解。说明在较高的pH下，拟除虫菊酯的水解反应对温度更加敏感。
2.2.2 不同处理时间下拟除虫菊酯的水解
将pH为11，4种拟除虫菊酯农药浓度为1.0 mg/L的水样置于螺口离心管中，将密封的螺口离心管室温放置0.5、1.0、1.5、2.0 h。不同的时间点分别取样，测定拟除虫菊酯农药的残留水平，可以反映处理时间对pH=11条件下拟除虫菊酯水解的影响。
图5可见，随着处理时间的延长，水解程度增大，农药的浓度逐渐减少。在pH=11条件下处理联苯菊酯30 min农药浓度为0.84 mg/L，120 min时浓度为0.72 mg/L，水解了12%。处理氯氟氢菊酯30 min农药浓度为0.63 mg/L， 120 min时浓度为0.46 mg/L，水解了17%。处理氯氰菊酯30 min农药浓度为0.77 mg/L，120 min时浓度为0.64 mg/L，水解了13%。处理氰戊菊酯30 min农药浓度为0.74 mg/L，120 min时浓度为0.63 mg/L，水解了11%。由图可见，pH=11条件下处理4种农药在90 min后水解曲线变得平缓，水解幅度减小，所以拟除虫菊酯水解试验的处理时间选择1.5 h。
3结论
拟除虫菊酯农药在水中的降解情况表明，4种拟除虫菊酯在pH>10条件下，水解程度增大。在pH=11条件下4种拟除虫菊酯的水解受温度的影响表现为随着温度的升高，水解程度增大。联苯菊酯和氯氟氢菊酯两种农药的水解受温度的影响较小。氯氰菊酯和氰戊菊酯两种农药的水解受温度的影响较大。受处理时间的影响表现为随着处理时间的延长，水解程度增大，农药的浓度逐渐减少。当处理时间超过1.5 h水解程度增加的幅度减小，农药浓度减小的程度降低。因此在最优的温度和pH条件下对蔬菜、水果等农产品進行处理，能够较大程度的去除残留的拟除虫菊酯农药，从而降低其对人类身体健康造成的危害。
参考文献：
[1] Jie L， Huang W， Han H， et al. Characterization of cell-free extracts from fenpropathrin-degrading strain Bacillus cereus ZH-3 and its potential for bioremediation of pyrethroid-contaminated soils[J]. Science of the Total Environment， 2015， 523：50-58.
[2] Arvand M， Bozorgzadeh E， Shariati S. Two-phase hollow fiber liquid phase microextraction for preconcentration of pyrethroid pesticides residues in some fruits and vegetable juices prior to gas chromatography/mass spectrometry[J]. Journal of Food Composition & Analysis， 2013， 31（2）：275-283.
[3] Shukla Y， Yadav A， Arora A. Carcinogenic and cocarcinogenic potential of cypermethrin on mouse skin[J]. Cancer Lett，2002，182（1）：33-41.