二氧化氯對(duì)草甘膦降解效果的研究

楊林 劉曉妹 吳麗艷 李晶瑩 胡文忠

(珠海科技學(xué)院藥學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院，廣東 珠海 519040)

草甘膦(Glyphosate)是草甘膦酸和各種草甘膦鹽的通用名稱[1]，是一種具有內(nèi)吸收、傳導(dǎo)型和廣譜滅生性作用的有機(jī)磷除草劑，化學(xué)名為N-(膦酸甲基)甘氨酸[2]。最初研究認(rèn)為,草甘膦具有非選擇性的高效、傳導(dǎo)性強(qiáng)、成本低、低殘留等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于大宗農(nóng)作物、蔬菜、水果等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中雜草控制；有資料表明，草甘膦在全球范圍內(nèi)使用廣泛，在全球作物保護(hù)市場(chǎng)中銷(xiāo)售額長(zhǎng)期處于領(lǐng)先的地位[3]。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期使用草甘膦致使土壤板結(jié)，生態(tài)環(huán)境變化，許多學(xué)者對(duì)草甘膦展開(kāi)新的安全性評(píng)測(cè)，尤其是國(guó)際癌癥研究中心于2015年將草甘膦列為2A類致癌物(可能導(dǎo)致人類癌癥)，有研究表明，草甘膦可能殘留在植物中，導(dǎo)致草甘膦殘留在食物中，一些國(guó)家開(kāi)始禁止使用草甘膦[4]。草甘膦最初被認(rèn)為是一種對(duì)動(dòng)物無(wú)害、低毒的廣譜性除草劑，但隨著后續(xù)研究的深入，結(jié)果表明，草甘膦及其制劑也可能對(duì)非目標(biāo)生物具有潛在毒性[4,5]。草甘膦廣泛用于農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)中，研究認(rèn)為其是一種“假持久性”有機(jī)污染物[6]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的草甘膦及其制劑，被認(rèn)為是環(huán)境中草甘膦的主要來(lái)源，土壤系統(tǒng)是草甘膦及其制劑的主要?dú)w宿；土壤中的草甘膦可以通過(guò)多種途徑進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)，因此，水體系統(tǒng)也是草甘膦等農(nóng)藥污染物的重要?dú)w宿[4]。草甘膦在環(huán)境中的持續(xù)存在，造成環(huán)境和生物體內(nèi)不斷富集，導(dǎo)致農(nóng)作物中的高水平殘留。考慮到草甘膦對(duì)人體和生態(tài)環(huán)境的潛在危害，根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)規(guī)定，飲用水中草甘膦的最大殘留量為0.7mg·L-1[7]；根據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中農(nóng)藥最大殘留限量》(GB 2763-2021)規(guī)定，食品中草甘膦最大殘留限量為0.05～7mg·kg-1[8]。因此，需要關(guān)注草甘膦殘留對(duì)環(huán)境的影響，確保農(nóng)產(chǎn)品安全。

二氧化氯(chlorine dioxide，ClO2)是一種水溶性的強(qiáng)氧化劑，易溶于水[9]，有研究表明，二氧化氯遇水會(huì)迅速分解產(chǎn)生多種氧化能力極強(qiáng)的活性基團(tuán)。二氧化氯與有機(jī)物反應(yīng)機(jī)理：目標(biāo)化合物中電子密度或電子容量最高的原子受到二氧化氯的攻擊，進(jìn)而失去一個(gè)電子，目標(biāo)化合物成為自由基；成為自由基的目標(biāo)化合物與二氧化氯反應(yīng)或自身自由基的鍵合反應(yīng)、分子重排等形成不同的中間體；通過(guò)氧化、還原等反應(yīng)形成最終產(chǎn)物[10]。所以，二氧化氯氧化有機(jī)物時(shí)只發(fā)生直接的電子轉(zhuǎn)移氧化反應(yīng)，而不發(fā)生氯代等多種副反應(yīng)[11]，有研究表明二氧化氯對(duì)有機(jī)化合物的多種官能團(tuán)均有氧化分解作用[12,13]。此外，二氧化氯還具有消毒殺菌的功能，有效滅活細(xì)菌病原體、病毒、真菌等，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

本文利用二氧化氯的強(qiáng)氧化性，研究二氧化氯對(duì)草甘膦的降解效果，通過(guò)以水、土壤為介質(zhì)的模擬研究，探討不同時(shí)間、pH值、溫度、投量下二氧化氯對(duì)草甘膦的降解效果，為二氧化氯實(shí)際應(yīng)用于草甘膦污染土壤和水體環(huán)境，以及草甘膦生產(chǎn)廠家的污水處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

二氧化氯粉劑(購(gòu)于珠海格瑞斯特生物科技有限公司，在實(shí)驗(yàn)室加純水活化制得，使用前標(biāo)定濃度為2012mg·L-1，純度≥99%，實(shí)驗(yàn)前稀釋成適合濃度的使用液)；EPA 547 草甘膦標(biāo)準(zhǔn)溶液(色譜純，購(gòu)于Sigma-Aldrich)；磷酸、硼酸、鹽酸、磷酸二氫鉀、甲醇、鄰苯二醛等試劑(色譜純，購(gòu)于Kermel chemical reagent)；硫代硫酸鈉、碳酸鈉、硫酸等試劑(分析純，購(gòu)于天津市大茂化學(xué)試劑廠)；純水均為雙重凈化純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品的配制均在1mL的硅酸鹽色譜瓶中進(jìn)行。草甘膦初始濃度定為100mg·L-1，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)條件，加入二氧化氯，一定時(shí)間后用0.5mol·L-1硫代硫酸鈉終止反應(yīng)。采用瑞士萬(wàn)通850離子色譜測(cè)定殘余的草甘膦濃度，計(jì)算降解率。

二氧化氯對(duì)土壤中的草甘膦降解實(shí)驗(yàn)，先配置草甘膦工作液，按照實(shí)驗(yàn)方案施入0.1kg土壤中，使其濃度約為10mg·kg-1，老化3d后，向土壤中分別施入50mL不同濃度的二氧化氯溶液，震蕩24h后測(cè)定殘留量。

2 結(jié)果與分析

2.1 草甘膦標(biāo)準(zhǔn)曲線

制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，草甘膦逐級(jí)稀釋為1mg·L-1、2mg·L-1、5mg·L-1、8mg·L-1、10mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)樣品。色譜條件：A5-150色譜柱，使用熱導(dǎo)檢測(cè)器；淋洗液為8mmol·L-1NaCO3；抑制器采用MSMII抑制器和MCS二氧化碳抑制器；再生液為0.1mol硫酸，進(jìn)樣體積20μL，等度洗脫。分析結(jié)果見(jiàn)圖1。

2.2 二氧化氯濃度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)草甘膦降解效果的影響

經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)查閱和調(diào)研，根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)規(guī)定，飲用水中草甘膦的最大殘留量為0.7mg·L-1[7]，故本實(shí)驗(yàn)設(shè)定草甘膦的初始濃度為7mg·L-1。設(shè)定反應(yīng)條件：溫度為20℃，pH值為中性條件；把配制完成的草甘膦樣品放入棕色玻璃瓶中，向其中加入配置的二氧化氯，二氧化氯的濃度設(shè)置為0.5mg·L-1、1mg·L-1、2mg·L-1、3mg·L-1，在反應(yīng)完成后加入0.1mol·L-1硫代硫酸鈉終止反應(yīng)，測(cè)定殘余草甘膦濃度，計(jì)算降解率。結(jié)果如圖2所示，對(duì)于7mg·L-1的草甘膦，當(dāng)二氧化氯濃度為2mg·L-1及以上時(shí)，在10min以內(nèi)，降解率已經(jīng)超過(guò)60%，反應(yīng)迅速，二氧化氯對(duì)草甘膦具有較好的降解能力；在反應(yīng)30min內(nèi)，濃度為2mg·L-1、3mg·L-1的二氧化氯即可將初始濃度為7mg·L-1的草甘膦溶液降解80%以上；隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，在50min之后，0.5mg·L-1二氧化氯處理組的降解率也接近60%，而2mg·L-1、3mg·L-1二氧化氯處理組的降解率達(dá)到95%左右，二氧化氯對(duì)草甘膦的降解效果十分明顯；《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中，規(guī)定草甘膦最大殘留量為0.7mg·L-1，據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，假定污染濃度7mg·L-1的外部水體環(huán)境，采用3mg·L-1及以上濃度的二氧化氯處理30min，即可使水質(zhì)達(dá)標(biāo)。由結(jié)果可知，二氧化氯濃度是影響草甘膦降解效果的一個(gè)主要指標(biāo)，二氧化氯與草甘膦反應(yīng)迅速，對(duì)草甘膦的降解效果顯著，2mg·L-1及以上濃度的二氧化氯處理組降解速度比較快，前10min可以降解60%以上，而投量較低(<2mg·L-1)時(shí)，二氧化氯對(duì)草甘膦的降解速率較慢，起效時(shí)間較長(zhǎng)。

圖1 草甘膦標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2 二氧化氯濃度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)草甘膦降解效果的影響

2.3 pH值對(duì)二氧化氯降解草甘膦效果的影響

在實(shí)際使用環(huán)境中，普遍認(rèn)為不同地區(qū)的水體或土壤存在不同pH值分布的情況，北方和南方的天然環(huán)境中pH值不同。實(shí)驗(yàn)?zāi)M不同的pH值條件，分析pH在4～10條件下，對(duì)草甘膦降解效果的影響。設(shè)定反應(yīng)條件：草甘膦濃度7mg·L-1，二氧化氯濃度3mg·L-1，反應(yīng)時(shí)間30min，溫度為20℃。結(jié)果如圖3所示，水體中pH值越低，草甘膦的降解率越高，結(jié)果顯示，pH值在4～9時(shí)對(duì)二氧化氯降解草甘膦的影響并不大，當(dāng)pH=10時(shí)，二氧化氯對(duì)草甘膦的降解率下降到40%以下，這是因?yàn)槎趸仍趐H≥10的條件下發(fā)生歧化反應(yīng)，歧化生成氯酸鹽和亞氯酸鹽，導(dǎo)致其氧化能力顯著降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二氧化氯在酸性條件下比在堿性條件下更有效地降解草甘膦，因?yàn)閬喡人猁}是二氧化氯在酸性條件下的產(chǎn)物，仍然具有一定的氧化能力，在酸性條件下可以部分氧化成為二氧化氯分子，而在強(qiáng)堿性條件下，發(fā)生歧化反應(yīng)，消耗了部分二氧化氯。因此，在偏酸及偏堿條件下，二氧化氯均可有效降解草甘膦，但要注意pH值對(duì)二氧化氯降解草甘膦的影響，在重度鹽堿環(huán)境(pH>9.5)的條件下使用時(shí)要適當(dāng)調(diào)節(jié)藥劑或環(huán)境的pH值，增加酸性組分，以期獲得理想效果。

圖3 pH值對(duì)二氧化氯降解草甘膦效果的影響

2.4 溫度對(duì)二氧化氯降解草甘膦效果的影響

不同地區(qū)的季節(jié)溫度差異較大，溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和不同物質(zhì)在水中的溶解度有顯著影響，實(shí)驗(yàn)?zāi)M不同的溫度條件，分析溫度對(duì)二氧化氯降解草甘膦效果的影響。溫度設(shè)置為0℃、15℃、20℃、25℃和30℃，其中0℃為冰水混合物設(shè)置，其他溫度為恒溫水浴箱設(shè)置。設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件：草甘膦的初始濃度為7mg·L-1，二氧化氯濃度為3mg·L-1，反應(yīng)時(shí)間為30min，pH為中性條件。結(jié)果如圖4所示，溫度對(duì)二氧化氯降解草甘膦的降解效能影響較大，從0℃升至30℃，草甘膦的降解率從約為50%升至95%，降解效率提升十分明顯，溫度升高至20℃之后，降解率的增加斜率有所降低，可能是由于過(guò)高的溫度導(dǎo)致二氧化氯在溶液中的溶解度下降，易向空氣中揮發(fā)，而草甘膦難于揮發(fā)，因而降低了有效作用濃度，因此較高溫度反而不利于二氧化氯發(fā)揮作用效能。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意避開(kāi)過(guò)高的溫度時(shí)段，減少二氧化氯損耗，適當(dāng)增加作用時(shí)間，減少投量，提高經(jīng)濟(jì)性。

圖4 溫度對(duì)二氧化氯降解草甘膦效果的影響

2.5 二氧化氯對(duì)土壤中草甘膦的降解效果

經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)查閱和調(diào)研，根據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中農(nóng)藥最大殘留限量》(GB 2763-2021)規(guī)定，食品中草甘膦最大殘留限量為0.05～7mg·L-1[8]。為了研究二氧化氯對(duì)土壤中草甘膦的降解效果，以土壤中草甘膦的自身降解為對(duì)照，實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置草甘膦的初始濃度約為10mg·kg-1，二氧化氯濃度50mg·L-1、100mg·L-1和150mg·L-1，室溫(約為20℃)，pH為中性條件。結(jié)果見(jiàn)表1，土壤中草甘膦自然降解了2.5%，表明草甘膦在土壤中自身能夠發(fā)生緩慢分解，而向土壤中施入二氧化氯后能明顯加速草甘膦的降解，且隨著濃度的增加，草甘膦的降解率也逐漸增加，當(dāng)向土壤中施入50mg·L-1的二氧化氯時(shí)，土壤中草甘膦降解了17.4%；當(dāng)向土壤中施入100mg·L-1的二氧化氯時(shí)，土壤中草甘膦降解了22.5%；當(dāng)向土壤中施入150mg·L-1的二氧化氯時(shí)，土壤中草甘膦降解了31.5%。方差分析表明，二氧化氯濃度對(duì)草甘膦降解有顯著影響(p<0.05)。以上結(jié)果說(shuō)明,使用二氧化氯對(duì)土壤中草甘膦有降解效果，隨著二氧化氯濃度的升高，土壤中草甘膦的降解效果越好。

表1 二氧化氯對(duì)土壤中草甘膦的降解效果

3 討論與結(jié)論

草甘膦是世界上使用最廣泛的除草劑，尤其是在大豆、玉米、棉花和油菜等轉(zhuǎn)基因作物的種植生產(chǎn)中，是廣譜滅生性的有機(jī)磷除草劑。在草甘膦使用過(guò)程中，一部分被植物吸收，一部分可能到達(dá)地面遷移、滲入土壤中，也可能通過(guò)大氣沉降、雨水淋洗等方式進(jìn)入外部環(huán)境[14]，致使土壤或自然水體中微生物、非靶標(biāo)生物、土壤或水體理化性質(zhì)等發(fā)生變化。研究草甘膦對(duì)土壤的影響結(jié)果表明，草甘膦的吸附和解吸能力主要取決于土壤的理化性質(zhì)，如土壤性質(zhì)、pH值、有機(jī)質(zhì)含量等[15]，草甘膦易被土壤吸附，但對(duì)其吸附作用強(qiáng)弱因土壤性質(zhì)而異。有科學(xué)研究證實(shí)，在灌溉期間，草甘膦可能會(huì)在深層土壤中發(fā)生移動(dòng)和淋溶，這可能表明草甘膦對(duì)地下水構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)，而草甘膦受土壤吸附的影響較小[16]。最初的研究認(rèn)為，草甘膦在土壤中易吸附、易分解、不易殘留、對(duì)外部環(huán)境影響較小，但隨著研究的深入，許多學(xué)者研究了草甘膦對(duì)土壤的理化性質(zhì)、微生物群落等的影響，更加清晰地評(píng)價(jià)草甘膦對(duì)土壤、農(nóng)作物的影響，間接影響農(nóng)產(chǎn)品安全的各項(xiàng)措施的推行。有研究表明，草甘膦主要通過(guò)C-N鍵斷裂生成氨甲基膦酸(AMPA)，少數(shù)通過(guò)C-P鍵斷裂生成肌氨酸降解[17]。二氧化氯是一種強(qiáng)氧化劑，遇水會(huì)迅速分解產(chǎn)生多種氧化能力極強(qiáng)的活性基團(tuán)，ClO2-/Cl-的氧化還原電位為0.76V，在水中具有極強(qiáng)的氧化能力，二氧化氯對(duì)有機(jī)化合物的多種官能團(tuán)均有氧化分解作用[12]。利用二氧化氯的強(qiáng)氧化性，對(duì)有機(jī)化合物的降解有促進(jìn)作用。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的草甘膦等農(nóng)藥對(duì)靶標(biāo)生物產(chǎn)生作用后，其中一部分繼續(xù)殘留在土壤、水體等環(huán)境中，對(duì)環(huán)境造成持續(xù)脅迫。本文以水體、土壤為介質(zhì)，研究二氧化氯對(duì)草甘膦的降解效果，結(jié)果表明,二氧化氯能夠有效、快速地降解草甘膦，反應(yīng)濃度為最主要的影響因素，其次為反應(yīng)時(shí)間，受溫度影響較小，在酸性條件下降解效果好于堿性條件。