臭氧對(duì)土壤中百菌清降解的影響1)

周 瑤 李 陽(yáng) 王玉軍 李業(yè)東 邢志賢

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，長(zhǎng)春，130118) (長(zhǎng)春凈月經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)環(huán)保局) (河北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站)

農(nóng)藥的不合理使用會(huì)使農(nóng)藥長(zhǎng)期留存在土壤中，這樣不僅對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，還會(huì)殘留在食物中對(duì)人類健康有嚴(yán)重的影響。所以需要經(jīng)濟(jì)方便、安全實(shí)用的方法降低農(nóng)藥的污染，妥善的解決農(nóng)藥使用過(guò)程中的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題［1］。百菌清化學(xué)名稱為2，4，5，6－四氯－1，3－苯二睛，是一種廣譜、保護(hù)性殺菌劑。百菌清具有良好的植物體黏著性，對(duì)糧食、蔬菜、果樹(shù)及經(jīng)濟(jì)作物等多種作物真菌病害具有較好的預(yù)防作用，藥效期較長(zhǎng)且穩(wěn)定［2］，故本試驗(yàn)以百菌清為目標(biāo)進(jìn)行臭氧降解試驗(yàn)。臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，可以高效降解在糧食和果蔬中殘留的農(nóng)藥，對(duì)附著在糧食表面的有機(jī)磷、氰化物、硫化物以及氧化樂(lè)果、馬拉硫磷等殘留都具有極強(qiáng)的降解力［3］。臭氧的自發(fā)分解特性，使得其只能隨產(chǎn)隨用，但從環(huán)境保護(hù)的角度看，由于臭氧分解快沒(méi)有殘留物質(zhì)存在，使其在應(yīng)用上更具優(yōu)勢(shì)。目前，有關(guān)臭氧降解農(nóng)藥的國(guó)內(nèi)外資料中大多數(shù)都是將農(nóng)藥溶于臭氧處理后的水中進(jìn)行降解［2，4－7］，觀察其降解規(guī)律;或者將臭氧通入到裝有糧食倉(cāng)房中降解糧食中含有的農(nóng)藥［3］。而利用臭氧對(duì)土壤中有機(jī)物進(jìn)行降解的相關(guān)研究相對(duì)較少，降解農(nóng)藥的研究就更為稀少，因此，將臭氧通入土壤中研究其降解農(nóng)藥的效率，是一種降解農(nóng)藥的新方法，對(duì)研究新的環(huán)保型降解劑有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

試驗(yàn)用黑土采自吉林省長(zhǎng)春市凈月區(qū)，pH值為5.98，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量數(shù)為39.5 g/kg。新鮮土樣自然風(fēng)干后，除去樣品中砂粒、植物根和秸稈碎片等雜物，再過(guò)3 mm篩備用。

1.2 主要儀器與試劑

試劑:百菌清原藥(華源公司，南天一分廠)、百菌清標(biāo)準(zhǔn)樣品(labor Dr.Ehrenstorfer－Schaefers)、石油醚(分析純)、丙酮(分析純)、氯化鈉(分析純)、無(wú)水硫酸鈉(分析純)。

儀器:A－81斯特亨臭氧發(fā)生器(廣州斯特亨電子有限公司)、6890N氣相色譜儀(美國(guó)Agilent公司)配備 μ－ECD檢測(cè)器、BS224S電子天平、HZ－9211K恒溫振蕩器、RE－5285A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海亞榮生化儀器廠)、HG75－3電熱恒溫兩用箱(南京電器三廠)，立式自動(dòng)電熱壓力蒸汽滅菌器(上海甲安醫(yī)療器械廠)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

分別取5 kg的供試土壤，滅菌后，裝入高度大于40 cm的陶瓷桶中(模擬土層覆蓋厚度)，添加用蒸餾水稀釋的百菌清原藥溶液，使其在土壤中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10、20、50 mg/kg，將供試土樣攪拌均勻并靜置平衡24 h。下述試驗(yàn)每個(gè)處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)，供試土樣所在環(huán)境溫度均保持在(20±1)℃。

向百菌清初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10、20、50 mg/kg的供試土壤中通入臭氧，每天通入臭氧的質(zhì)量分別為100、200、400 mg，以不通臭氧土壤為對(duì)照。在通風(fēng)條件良好的條件下，用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置向土壤中通入臭氧，每天向土壤中通入1次，時(shí)間為1 h。通入臭氧后，用遮光塑料蓋把陶瓷桶口封住，分別在通入當(dāng)天，通入后 1、3、5、7、14、21 d 時(shí)取適量的供試土壤。用丙酮將土壤樣品中百菌清提取后，用氣相色譜測(cè)定百菌清的含量，計(jì)算其降解率。對(duì)不同處理的百菌清殘留量進(jìn)行對(duì)比，探討百菌清在不同臭氧通入量條件下的降解規(guī)律。

圖1 通入臭氧裝置示意圖

控制每天臭氧通入量為400 mg，具體試驗(yàn)方案如表1所示。分別在通臭氧當(dāng)天、通入后1、3、5、7、14、21 d時(shí)取適量的供試土壤，把土壤樣品中百菌清提取后，用氣相色譜測(cè)定百菌清的質(zhì)量，計(jì)算其降解率。對(duì)不同處理的百菌清殘留量進(jìn)行對(duì)比，探討百菌清在不同臭氧通入頻次條件下的降解規(guī)律。

1.4 土壤中百菌清的提取與測(cè)定

提取:準(zhǔn)確稱取10.00 g土壤樣品于250 mL具塞三角瓶中，加入20 mL丙酮，放在振蕩器(25℃，150 r/min)中振蕩1 h，過(guò)濾，再用15 mL丙酮濾洗，濾液合并于分液漏斗中，加入20 mL飽和氯化鈉溶液，分別用25、20、15 mL石油醚振蕩萃取3次，有機(jī)相過(guò)無(wú)水硫酸鈉收集于燒杯中，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，濃縮近干，定容至10 mL待測(cè)。

表1 臭氧通入試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

色譜條件:進(jìn)樣口溫度220℃，色譜柱溫度178℃，檢測(cè)器溫度300℃［8］，載氣氮純度大于99.999%，載氣流速2 mL/min，進(jìn)樣體積1 μL，分流比10∶1。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同臭氧通入量對(duì)百菌清降解的影響

由圖2A可知，土壤中百菌清的殘留量隨著通入臭氧時(shí)間的延長(zhǎng)呈降低趨勢(shì)，降解率呈增大趨勢(shì)，到14 d后殘留量及降解率均趨于穩(wěn)定。當(dāng)不通入臭氧時(shí)，土壤中百菌清殘留量呈降低趨勢(shì)，降解率呈增大趨勢(shì)，在14 d時(shí)降解率達(dá)到18.5%而后降解率及殘留量趨于穩(wěn)定。當(dāng)臭氧通入量為100 mg時(shí)，在0～7 d，土壤中百菌清降解速率較快，7 d時(shí)降解率達(dá)到35.4%;在7～14 d，降解速率減慢，在14 d時(shí)降解率達(dá)到56.8%;在14 d后，降解率趨于穩(wěn)定總降解率達(dá)到57.1%。隨著通入臭氧量的增加，百菌清的降解速率也隨之增大:臭氧通入量在200、400 mg時(shí)，在初級(jí)階段(0～7 d)百菌清降解率能達(dá)到45%和50%;在7～14 d時(shí)，降解率能達(dá)到61.2%和66.7%;在14 d后降解率分別達(dá)到65%和70%?？梢?jiàn)，臭氧通入量分別為100、200、400 mg時(shí)，土壤中百菌清殘留量均隨著臭氧量增高而降低。當(dāng)臭氧量在400 mg時(shí)，土壤中百菌清的半衰期最短。百菌清初始含量為20、50 mg/kg處理組的百菌清降解規(guī)律均(圖2B、圖2C)與10 mg/kg處理組(圖2A)一致:土壤中百菌清的殘留量均隨通入臭氧時(shí)間的延長(zhǎng)呈降低趨勢(shì)，到14 d后殘留量趨于穩(wěn)定。

綜上所述，臭氧能夠促進(jìn)土壤中百菌清等有機(jī)污染物的降解。臭氧分解是指臭氧與極性有機(jī)化合物的反應(yīng)，在有機(jī)化合物原來(lái)雙鍵的位置上發(fā)生的反應(yīng)把其分子分裂為二［9］。百菌清分子中含有N≡C和C=C，臭氧發(fā)生分解后可能作用于百菌清中的N≡C或C=C，發(fā)生加成反應(yīng)而產(chǎn)生新的有機(jī)化合物從而降低土壤中百菌清的含量［7，10－13］。不通入臭氧時(shí)，由于供試土壤是滅菌土，百菌清殘留量及降解率應(yīng)該無(wú)變化，但實(shí)際試驗(yàn)中殘留量及降解率變化比預(yù)期的變化量大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是:百菌清在土壤中有一定量的揮發(fā);或在取滅菌土壤時(shí)人為帶入了少量的微生物，這些微生物對(duì)土壤中的百菌清有一定的降解作用;還可能有些百菌清發(fā)生光解作用。從圖2可以看出，初期(0～7 d)的降解率高于后期。由于降解反應(yīng)速率同時(shí)受臭氧通入量和百菌清質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，在反應(yīng)初期，與土壤組分結(jié)合不十分緊密的百菌清大量存在［12］，這部分百菌清在臭氧的氧化作用下，迅速發(fā)生分解，因此降解速率較高;到了后期，絕大多數(shù)與土壤結(jié)合不十分緊密的百菌清已經(jīng)發(fā)生分解，剩余的百菌清與土壤組分結(jié)合較為緊密［8－9，12］，受土壤腐殖物質(zhì)的影響較大，產(chǎn)生一定的鈍化作用，難于與臭氧發(fā)生反應(yīng)，因此該階段降解速率逐漸降低。

圖2 不同臭氧通入量對(duì)百菌清降解的影響

2.2 不同臭氧通入頻次對(duì)百菌清降解的影響

不同臭氧通入頻次處理比較(圖3A)發(fā)現(xiàn):在控制臭氧總通入量及通入總時(shí)間不變的前提下，初期隨著通入臭氧頻次的增加，百菌清的降解速率也隨之增大，通入頻次由1次增加到4次，5 d時(shí)百菌清降解率由25.0%增加到41.6%，效果較明顯，百菌清殘留半衰期有效的縮短。但在后期，不同頻次處理之間差異很小。百菌清初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20、50 mg/kg處理組(圖3B、圖3C)的百菌清降解規(guī)律均與10 mg/kg處理組(圖3A)一致:在初期，增加頻次可以改善百菌清的降解效果，但在后期，臭氧通入頻次增加并未表現(xiàn)出很好的促進(jìn)作用。

上述研究表明，增加臭氧通入頻次能夠促進(jìn)土壤中百菌清等有機(jī)污染物的降解。因?yàn)槌粞踅到夥磻?yīng)主要發(fā)生在氣相體系中或氣—固界面之間，反應(yīng)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液相反應(yīng)［12］，1次長(zhǎng)時(shí)間通入臭氧必然會(huì)引起一部分臭氧無(wú)法參與百菌清的降解反應(yīng)，因此這部分臭氧對(duì)于百菌清的降解來(lái)說(shuō)是無(wú)效的，而適當(dāng)增加通入頻次，可以在一定程度內(nèi)降低無(wú)效臭氧的比例［6］，提高降解率。而在后期，不同頻次處理之間差異不明顯，原因是與土壤結(jié)合不十分緊密的百菌清易被臭氧氧化而降解，而這部分百菌清的降解主要發(fā)生在7 d之前，后期百菌清的總體降解比例很低，因此增加通入量和通入頻次等各處理之間的降解效果差異均不會(huì)很顯著。

3 結(jié)束語(yǔ)

向土壤中通入臭氧可以加快百菌清在土壤中的降解速度。在本研究的臭氧通入量范圍內(nèi)，增加臭氧通入量對(duì)百菌清降解效率由大到小依次是400 mg組、200 mg組、100 mg組、對(duì)照組。百菌清初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10、20、50 mg/kg，臭氧通入量為400 mg 時(shí)，其總降解率分別為 67.3%、67.7%、68.8% 與對(duì)照組相比增加較多。在臭氧通入的前期，增加臭氧通入頻次，能夠有效促進(jìn)百菌清的降解。通入頻次由1次/d增加到4次/d，5 d時(shí)百菌清降解率由25.0%增加到41.6%(百菌清初始量為10 mg/kg處理組);但在臭氧通入的后期，增加通入頻次對(duì)百菌清降解無(wú)顯著作用。

圖3 臭氧通入頻次對(duì)百菌清降解的影響

［1］張金花，劉亞光，任金平，等.環(huán)境中有機(jī)磷農(nóng)藥降解方法的研究進(jìn)展［J］.吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，34(4):37－40.

［2］沈群，劉月，王群，等.應(yīng)用臭氧降解農(nóng)藥百菌清的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，7(4):13－15.

［3］馬旌升，張斌.臭氧在糧食農(nóng)藥殘留降解中的應(yīng)用［J］.糧油倉(cāng)儲(chǔ)科技通訊，2010(4):34－35.

［4］伍小紅，李建科，戴金續(xù).臭氧對(duì)3種有機(jī)磷農(nóng)藥殘留降解效果的研究［J］.食品研究與開(kāi)發(fā)，2008，29(6):50－53.

［5］呂微，縱偉，劉鵬濤.臭氧降解蔬菜殘留有機(jī)磷農(nóng)藥的效果研究［J］.食品科技，2009，34(12):130－133.

［6］Chelme-Ayala P，El-Din M G，Smith D W，et al.Oxidation kinetics of two pesticides in natural waters by ozonation and ozone combined with hydrogen peroxide［J］.Water Research，2011，45(8):2517－2526.

［7］Ghauch A，Tuqan A.Catalytic degradation of chlorothalonil in water using bimetallic iron-based systems［J］.Chemosphere，2008，73(5):751－759.

［8］徐徐，齊帥，王玉軍.黑土對(duì)百菌清的吸附及解吸行為［J］.農(nóng)藥，2011，50(2):121－124.

［9］伍小紅.臭氧對(duì)蘋(píng)果的貯藏保鮮及農(nóng)藥殘留降解作用的研究［D］.西安:陜西師范大學(xué)，2006.

［10］Kazos E A，Nanos C G，Stalikas C D，et al.Simultaneous determination of chlorothalonil and its metabolite 4-hydroxychlorothalonil in greenhouse air:Dissipation process of chlorothalonil［J］.Chemosphere，2008，72(10):1413－1419.

［11］White P M，Potter T L，Culbreath A K.Fungicide dissipation and impact on metolachlor aerobic soil degradation and soil microbial dynamics［J］.Science of the Total Environment，2010，408(6):1393－1402.

［12］胡冰.超聲強(qiáng)化臭氧化處理水中有機(jī)磷農(nóng)藥的研究［D］.大慶:大慶石油學(xué)院，2006.

［13］牛大水.毒死蜱和百菌清在大棚和露地辣椒中殘留消解動(dòng)態(tài)及其光化學(xué)降解［D］.合肥:安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.