生物作用对联苯菊酯对映体降解行为的研究*

石健　范素素　张雯婕　周灵　袁玲

(南通大学化学化工学院　江苏南通 226019)



环境工程

生物作用对联苯菊酯对映体降解行为的研究*

石健范素素张雯婕周灵袁玲

(南通大学化学化工学院江苏南通 226019)

摘要为了研究生物对联苯菊酯对映体残余量及对映体降解动态的影响，本实验选择以土壤、活性污泥、植物为研究对象，运用高效液相色谱法(HPLC)检测不同介质中的微生物对联苯菊酯对映体的降解作用。结果表明：外消旋体的降解率为活性污泥>植物>未灭菌土(表层)>未灭菌土(下层)>灭菌土(表层)≥灭菌土(下层)；对映体的降解率差为植物>活性污泥>未灭菌土(下层)>未灭菌土(表层)。

关键词联苯菊酯生物降解土壤活性污泥

Research on Degradation of Bifenthrin Enantiomers by Biological Effects

SHI JianFAN SusuZHANG WenjieZHOU LingYUAN Ling

(SchoolofChemistryandChemicalEngineering,NantongUniversityNantong，Jiangsu226019)

AbstractIn order to study the residual amount and degradation dynamics of bifenthrin enantiomers by biological effects, in this study the soil, activated sludge and plants are selected as experimental materials and high performance liquid chromatography method is applied to test the degradation of bifenthrin enantiomers by biological in different medium. The results show that the degradation rate of racemic follows activated sludge> plants>unsterilizationsoil (surface layer)> unsterilizationsoil (lower layer)> sterile soil (surface layer)≥ sterile soil (lower layer); the difference of enantiomers’ degradation rate is plants>activated sludge> unsterilizationsoil (lower layer) > unsterilizationsoil (surface layer).

Key Wordsbifenthrinbiodegradationsoilactivated sludge

0引言

联苯菊酯作为常用的拟除虫菊酯类农药[1]，在农作物病虫害的防治和家庭有害昆虫防治中广泛应用。结合国内外的一些研究现状发现WANG L等[2]以动物为模型对联苯菊酯对映体毒性立体选择性进行研究，张聪[3]对联苯菊酯的细胞毒性及杀虫活性的对映体选择性进行了研究，周子燕等[4]研究了联苯菊酯在茶叶中的消解动态及最终残留。但研究微生物对联苯菊酯对映体的降解动态情况尚未见报道。

微生物是陆地生态系统中最活跃的一个部分，主要承担着分解动植物残体等有机物的重要使命[5]。故本实验运用高效液相色谱法对不同介质中的微生物对联苯菊酯对映体的降解行为进行研究，从对映体的层次分析手性农药的立体选择性，对于相关毒性和健康风险性的评价具有重要的参考作用。

1实验部分

1.1仪器与试剂

高效液相色谱仪(安捷伦1260)，手性柱(CHIRALPAK IF-3柱，规格：150 mm×4.6 mm，3 μm)，联苯菊酯纯物质(98.4%，盐城科菲特生化技术有限公司)，甲醇(HPLC，sigma)，0.01 mol/L乙酸铵溶液(阿拉丁，由乙酸铵固体与哇哈哈水溶解配制而成)，石油醚(sigma)，分析天平(上海恒平)，离心机(凯特TD4)，移液枪(200～1 000 μL，eppendorf)，旋转蒸发仪(RE-52，上海亚荣生化仪器厂)。

1.2色谱条件

采用CHIRALPAK IF-3手性柱分离：流动相为甲醇/醋酸铵(V/V)=80/20，流速为0.5 mL/min，波长为220 nm，温度为35 ℃，进样量为10 μL。

1.3样品的施药

土壤的培养：取两份质量相同的土壤，其中一份灭菌。喷洒一定量的联苯菊酯溶液，然后每隔一段时间进行取样。

污泥的培养：污泥样品于2014年6月份取自南通市第二污水处理厂，带回后在常温下静止数天以便耗光养分。以100∶5∶1的比例配置尿素、淀粉、磷酸二氢钾的混合物作为养分加入到污泥里。然后加入联苯菊酯溶液并慢慢增加用药量，最终使得污泥里的微生物适应联苯菊酯溶液且以其为养料。最后每隔一段时间进行取样。

葱样的培养：将葱样种植到相同质量的5份土壤中，喷入一定量的联苯菊酯溶液，然后每隔一段时间进行取样。

1.4样品的前处理

土壤：称取混合均匀的土壤5 g置于研钵中，加入10 g的弗罗里硅土(用前需630 ℃高温活化4～6 h)，充分研磨、装柱(柱的底端塞入一团脱脂棉，然后将研磨均匀的样品倒入柱中，顶端加滤纸并轻轻敲打)；然后配置正己烷-乙酸乙酯淋洗液(比例6∶1)，倒入柱中，收集前45 mL洗脱液于烧杯中；用减压蒸馏法将洗脱液蒸干，最后用甲醇(色谱级)定容，过0.45 μm滤膜，待测。

活性污泥：取25 mL溶液于离心管中，加入10 mL的石油醚，用震荡仪震荡5 min后置于离心机内，以3 500 r/min的转速离心10 min，取15 mL上层清液倒入分液漏斗中，进行分液；然后将上层溶液倒入蒸馏瓶进行减压蒸馏，最后用甲醇(色谱级)定容，过0.45 μm滤膜，待测。

植物(葱样)：用剪刀将葱样剪碎置于40 mL离心管中，加入15 mL石油醚，置于超声波萃取机中萃取10 min；超声结束后取出离心管放入离心机中，以3 500 r/min的转速离心10 min，取上清液；重复此步骤两到三次，最后合并上清液并减压旋蒸至干；用少量的甲醇(色谱级)定容，过0.45 μm滤膜，待测。

2方程的确定

2.1线性方程的确定

根据文献[3]：联苯菊酯对映体分别为1S-cis-BF(左旋)和1R-cis-BF(右旋)，如图1。

图1　联苯菊酯对映体在CHIRALPAK IF-3

配制一系列质量浓度梯度的联苯菊酯标准溶液，以质量浓度为横坐标、峰面积为纵坐标绘制标准曲线(见图2)，可得左旋体回归方程为y=57 625.96x-4 049.11(R2=0.999 6)；右旋体回归方程为y=57 544.55x-3 600.08(R2=0.999 6)。

图2　联苯菊酯对映体拟合线性图

2.2降解速率方程的确定

联苯菊酯在样品中的降解过程可以通过动力学方面的知识进行研究。一般农药在农作物或者土壤中的残留量随时间变化关系符合一级反应，本文将采用一级反应来描述联苯菊酯的降解，其方程如下：

(1)

式中，[A]代表反应物A的质量浓度；[A0]代表反应物A的初始质量浓度；t代表时间；k代表农药降解速率常数。

2.3半衰期方程的确定

半衰期指农药最高质量浓度降低一半所需要的时间，一般可用来表示农药的稳定性、持久性：

(2)

3结果与讨论

3.1微生物对联苯菊酯的降解作用

联苯菊酯对映体在不同介质中的降解速率及半衰期分别见图3、图4所示。

图3　联苯菊酯对映体在不同介质中的降解速率

图4　联苯菊酯对映体在不同介质中的半衰期

降解速率与手性农药在环境中的持留性、残留水平等有着密切的关系，而半衰期可以反映药物降解速度的快慢。由图3和图4可知，灭菌土壤中联苯菊酯的降解速率约为未灭菌土中的一半，半衰期约为未灭菌土壤中的一倍，说明在联苯菊酯的降解过程中，微生物的降解起到了重要作用。因为微生物的数量又与有机质含量密切相关，而各介质之间的理化性质以及所处的生态环境不同导致有机质含量不同，最终使得微生物的数量产生明显的差异，对联苯菊酯的降解也出现的差异性。

图3中联苯菊酯降解速率为污泥>植物>未灭菌(表层)>未灭菌(下层)>灭菌(表层)≥灭菌(下层)；图4中联苯菊酯半衰期为污泥<植物<未灭菌(表层)<未灭菌(下层)<灭菌(表层)≤灭菌(下层)。因为自然土壤缺乏人为耕种，没有养分补给，最终导致养分转化与循环速率变慢，土壤微生物含量降低；而被植被影响过的土壤，其土壤环境会发生改变，导致土壤中微生物的结构和多样性受到影响。1998年，夏北成[6]对植被对土壤微生物群落结构的影响进行研究，结果表明被植被影响的土壤环境中微生物的生命力更加旺盛，更有利于微生物的生长和繁殖。而污泥是一种更复杂的微生物生态系统，来源不同的污泥，种群结构也有所不同。通过不断的驯化污泥，使得里面的微生物不断的调整，从而可提高微生物某种特定功能的稳定性。

3.2联苯菊酯对映体的降解动态

降解率表示农药降解的快慢程度，可表示为：

降解率(%)={[降解前的含量(g)-降解后的含量(g)]/降解前的含量(g)}·100%

(3)

图5为联苯菊酯对映体在未灭菌土壤的表层和下层的降解率的曲线变化。从图中看出前15d内，联苯菊酯的降解率直线上升，15d之后降解率慢慢趋于平衡，说明联苯菊酯的快速降解主要发生在15d之内。

图5　联苯菊酯对映体在未灭菌土壤

图6为联苯菊酯对映体在活性污泥里降解率的曲线变化。从图中看出前20 h内，联苯菊酯的降解率直线上升，20 h之后降解率慢慢趋于平衡，说明联苯菊酯的快速降解主要发生在20 h内。

图6　联苯菊酯对映体在污泥里的降解率

图7为联苯菊酯对映体在活性污泥里植物体内降解率的曲线变化。从图中看出联苯菊酯的降解在15 d内一直在逐渐升高。

图7　联苯菊酯对映体在植物体内里的降解率

由图5～图7可知，联苯菊酯对映体在未灭菌土壤、污泥及植物体内均存在一定程度的降解差异性。在未灭菌土(表层、下层)，污泥，植物内降解率差分别为0.5%，0.7%，3.12%，11.79%，说明联苯菊酯对映体降解存在立体选择性，且在植物体内的降解率差最大，其次是污泥，土壤中最小。这可能是因为微生物组成比较复杂，类群繁多，功能多样，不同的介质环境下的微生物具有不同的结构和多样性，从而对联苯菊酯对映体的降解出现了选择差异性。

4结论

(1)联苯菊酯在几种不同介质中的降解速率为污泥>植物>未灭菌土(表层)>未灭菌土(下层)>灭菌土(表层)≥灭菌土(下层)。

(2)灭菌土壤中的降解速率最小，半衰期最大，说明在联苯菊酯的降解中，微生物的降解起到重要作用。

(3)不同的介质环境下的微生物的数量产生明显差异且具有不同的结构和多样性，从而导致联苯菊酯对映体的降解出现选择差异性。

参考文献

[1]康燕玉. 联苯菊酯在土壤中残留动态以及相关降解影响因子的研究[J].农业环境与发展,2013,30(1):86-89.

[2]WANG L, LIU W, YANG C, et al. Enantioselectivity in estrogenic potential and uptake of bifenthrin [J]. Environmental Science & Technology, 2007,41(17):6124-6128.

[3]张聪.联苯菊酯的细胞毒性及杀虫活性的对映体选择性研究[D].杭州：浙江工业大学,2009.

[4]周子燕,李昌春,胡本进,等.联苯菊酯在茶叶中的消解动态及最终残留[J].安徽农业科学,2009,37(30):15045-15046.

[5]YU C, HU X M, DENG W, et al. Changes in soil microbial community structure and functional diversity in the rhizosphere surrounding mulberry subjected to long-term fertilization [J]. Applied Soil Ecology, 2015,86(2):30-40.

[6]夏北成. 植被对土壤微生物群落结构的影响[J].应用生态学报,1998,9(3):296-300.

(收稿日期：2015-02-04)

作者简介石健，女，1972年生，浙江新昌人，教授，主要研究方向为水污染控制技术。

*基金项目：国家自然科学基金(21177067)，江苏省自然科学基金(BK2010034)，南通市社会发展项目(HS2012001)，南通市重点实验室项目(CP12011001)及江苏省青蓝工程计划项目资助。