微酸性电解水对溶液体系中毒死蜱的降解机制及途径分析研究

李慧颖，李嘉欣，郝建雄

（河北科技大学生物科学与工程学院，河北 石家庄 050018）

有机磷农药残留引起的环境污染及食品安全等问题日益受到关注。目前已经开展果蔬农药残留降解方法方面的研究，其中臭氧降解法[1-2]、过氧化氢降解法[3]以及光催化降解法[4]是降解农产品农药残留的典型化学方法。此外，还有些降解农产品农药残留的新方法如油菜素内酯降解法[5]等。但这些方法多为环境农药残留的消除控制技术[6-7]，能应用在降解果蔬上农药残留的方法鲜见报道。

微酸性电解水为pH 5.5～6.5的电解离子水，作为一种优良新型的杀菌剂，其杀菌效果已经得到广泛认可，应用于食品加工[8-10]、医疗卫生[11-12]和农业生产[13-15]中的研究均已展开。将微酸性电解水应用于果蔬中农药残留的降解研究，拓宽其在食品安全方面的应用领域，对于该技术在食品安全领域的应用将提供一条新的途径。有研究结果表明微酸性电解水能有效去除白菜中的辛硫磷和油菜中的乙酰甲胺磷[16]，但是对于微酸性电解水消除果蔬农药残留的降解机制及途径还有待研究。

本研究选取有机磷农药毒死蜱标准品水溶液体系为研究对象，考察了水溶液体系中单一组分对微酸性电解水的敏感性，通过鉴定不同反应阶段农药降解产物结构，对其降解途径进行分析，旨在为将微酸性电解水用于消除果蔬农药残留提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

毒死蜱标准品（100 μg/mL）：农业部环境保护科研检测所提供；氯化钠、碘化钾（均为分析纯）:天津市百世化工有限公司；硫代硫酸钠、可溶性淀粉、冰乙酸、三氯甲烷（均为分析纯）:天津市永大化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

质谱仪（5975系列）、气相色谱仪（7890）：安捷伦科技有限公司；电子天平（AR1140）：上海梅特勒-托利多仪器有限公司；电子天平（FA2004B）：上海精科天美科学仪器有限公司；精密pH计（PHS-3C）：上海仪电科学仪器股份有限公司；旋涡混合器（VORIEX-5）：海门市其林贝尔仪器制造有限公司；可调式电解水发生器：河北科技大学生工学院分离工程实验室自制。

1.3 方法

1.3.1 酸性电解离子水的制备

采用可调式电解水发生器来制备微酸性电解水[17]，制备4种不同有效氯浓度（available chlorine concentration，ACC）的微酸性电解水，分析不同ACC和不同反应时间对毒死蜱降解效果的影响。制得的电解水需5 min内完成理化指标的检测，pH值用pH计检测，有效氯浓度采用碘量法测定[18]。微酸性电解水制备条件和理化指标详见表1。

表1 微酸性电解水制备条件及理化指标Table 1 Production conditions and physical and chemical indicators of slightly acidic electrolyzed water

1.3.2 微酸性电解水对毒死蜱标准品的降解

1.3.2.1 反应时间对微酸性电解水降解毒死蜱效果的影响

取5 mL 1号微酸性电解水样品于10 mL离心管中，加入200 μL毒死蜱标准品溶液，立即开始计时并振荡，然后加入1 mL的0.2 mol/L硫代硫酸钠溶液（中和剂）终止反应，立即取1 mL三氯甲烷进行萃取，重复萃取两次，最后用三氯甲烷定容至2 mL，用0.22 μm滤膜过滤后，备用待检测。按照上述操作步骤，设定反应时间分别为 0.5、1、2、3、5、10 min，并对 2、3、4 号微酸性电解水样品进行重复试验。

1.3.2.2 微酸性电解水有效氯浓度对降解效果的影响

取5 mL 1号微酸性电解水样品于10 mL离心管中，加入200 μL毒死蜱标准品溶液，立即开始计时并振荡，振荡时间分别为0.5、2 min和10 min，然后加入1 mL的0.2 mol/L硫代硫酸钠溶液（中和剂）终止反应，立即取1 mL三氯甲烷进行萃取，最后用三氯甲烷定容至2 mL，用0.22 μm滤膜过滤后，备用待检测。按照上述操作步骤，取2、3、4号微酸性电解水样品进行重复试验。

1.3.2.3 微酸性电解水降解毒死蜱产物分析

采用气相色谱-质谱联用法（high-performance liquid chromatography，GC-MS）进行分析，得到有效氯浓度为1.95 mg/L的微酸性电解水对4 μg/mL的毒死蜱水溶液处理10 min和30 min后的总离子流图（total ion chromatogram，TIC）。

1.3.3 GC-MS分析毒死蜱降解产物

色谱柱：DB-FFAP；进样口温度：250℃；柱温：60℃保持10 min，以10℃/min上升至220℃，保持33 min；载气：氦气，流速1 mL/min；不分流；接口温度：250℃；离子源温度：250℃；电离方式：EI；扫描范围：25 amu ～450 amu；扫描周期：0.2 s。

1.3.4 农药降解率计算

气相色谱定量方式采用外标法，以峰面积计算样品中农药的残留量，按公式（1）计算，农药降解率按公式（2）计算。

式中：ω为样品中农药含量，μg/L；φ为标准溶液中农药的含量，mg/L；A为样品中农药的峰面积；AS为标样中农药的峰面积；V1为提取溶剂总体积，mL；V2为吸取出用于检测的提取溶液的体积，mL；V3为样品定容体积，mg/L；V4为样品的体积，mL。

式中：G1为样品降解前农药残留量，μg/L；G2为样品降解后农药残留量，μg/L。

1.3.5 数据处理

上述试验均重复测定3次，结果用平均值±标准差表示，处理间的平均数比较用SPSS统计软件中的ANOVA法，最小差异显著性水平为5%。

2 结果与分析

2.1 微酸性电解水对毒死蜱的降解效果

2.1.1 反应时间对微酸性电解水降解毒死蜱效果的影响

分别在微酸性电解水有效氯浓度为1.95、5.66、10.63、29.32 mg/L下对水体系中毒死蜱进行降解研究，结果见图1。

图1 反应时间对微酸性电解水降解毒死蜱效果的影响Fig.1 The influence of reaction time on degradation effects of chlorpyrifos by slightly electrolyzed water

4个有效氯浓度水平下毒死蜱的降解率均达到99.6%以上，在低有效氯浓度水平下，毒死蜱的降解率随时间的延长而逐渐增加，处理时间10 min后，增加到99.69%。而在5.66、10.63、29.32 mg/L有效氯浓度下，0.5 min时毒死蜱降解率就高于99.95%，时间的延长并没有使毒死蜱降解率发生明显改变，说明毒死蜱的降解过程是一个快速的反应过程，只要有效氯浓度达到一定值，如30 mg/L左右，0.5 min就可以将4 μg/mL的毒死蜱彻底降解。

2.1.2 微酸性电解水有效氯浓度对降解效果的影响

选择4个有效氯浓度水平，处理时间为0.5 min、2 min和10 min时的毒死蜱的降解效果作图，结果如图2。

图2 有效氯浓度对微酸性电解水降解毒死蜱效果的影响Fig.2 The influence of available chlorine concentration on degradation effects of chlorpyrifos by slightly electrolyzed water

同一反应时间内，不同有效氯浓度的微酸性电解水对于降解毒死蜱效果的影响趋势相似，浓度的增加能增强微酸性电解水对毒死蜱的降解效果。当有效氯浓度达到5.66 mg/L时，微酸性电解水对毒死蜱的降解率达到99.96%以上；当有效氯浓度大于5.66 mg/L时，毒死蜱降解率无明显提高，在有效氯浓度为29.32 mg/L时，微酸性电解水对毒死蜱的降解率达到100%。由此看来，在一定浓度的毒死蜱水溶液体系中，低浓度有效氯的微酸性电解水对毒死蜱的降解就能达到理想效果。

2.1.3 微酸性电解水降解毒死蜱产物分析

图3、图4分别为有效氯浓度为1.95 mg/L的微酸性电解水对4 μg/mL的毒死蜱水溶液处理10 min和30 min后的总离子流图。

图3 毒死蜱降解产物总离子流图（10 min）Fig.3 The total ion current of chlorpyrifos degradation products（10 min）

图4 毒死蜱降解产物总离子流图（30 min）Fig.4 The total ion current of chlorpyrifos degradation products（30 min）

在图3和图4的总离子流图中，除了毒死蜱，还发现了毒死蜱降解产物氯吡硫磷一氧（diethyl 3，5，6-trichloro-2-pyridyl ester，CPO），从图中可以看出，毒死蜱和CPO的保留时间分别为24.357、24.180 min。

在用超声波处理苹果浓缩汁里的毒死蜱的研究中，Zhang等也检测出了毒死蜱的主要降解产物CPO，并认为CPO的产生是由·OH引起的[19]。张庆芳等使用γ射线辐射毒死蜱，研究其辐射效果及降解产物，毒死蜱经辐射处理后发现4种降解产物，其中就有CPO[20]。因此可以认为，CPO是毒死蜱氧化过程中主要的中间产物，与本试验结果一致。图3和图4可以看出，随着反应时间的延长，毒死蜱减少而CPO增多。CPO峰面积随反应时间的变化见图5。

图5 氯吡硫磷一氧峰面积随反应时间的变化Fig.5 The relationship between CPO peak area and treatment time

由图5可知，CPO含量随着反应时间的延长有先增加后减少的趋势。由此猜想微酸性电解水首先降解毒死蜱，后进一步降解CPO，只是微酸性电解水降解CPO的速率比降解毒死蜱的速率慢，短时间内，不能将CPO彻底清除。

2.2 微酸性电解水对毒死蜱的降解途径分析

微酸性电解水降解有机磷农药是个复杂的化学反应过程。光催化降解有机磷农药过程中·OH攻击有机磷农药的P=S键而把原来的P=S键转换成P=O键，这是光催化降解有机磷农药的一个反应特性[21]。借鉴光催化降解有机磷农药的机制，以毒死蜱为例，本研究对微酸性电解水处理有机磷农药毒死蜱的降解过程进行了分析。目前对于微酸性电解水的活性成分研究结果显示，微酸性电解水的主要活性成分为强氧化性的HOCl和·OH[22]。基于以上考虑，认为毒死蜱降解成CPO可能是HOCl和·OH共同参与的结果。在微酸性电解水的作用下，首先有机磷农药的P=S键受到攻击，通过亲电子反应形成含有磷-硫-氧环的中间产物，此中间产物是很多S-氧化物反应中的中间产物。含有磷-硫-氧环的中间产物进一步丢失S而形成含有P=O键的氧化物，释放出的S被迅速氧化成SO42-。含有P=O键的氧化物进一步被降解，最终降解成CO2、SO42-、PO43-等物质。

图6为毒死蜱在微酸性电解水中的降解途径分析示意图。

图6 毒死蜱在微酸性电解水作用下的降解途径假设Fig.6 The hypothesis degradation pathways of chlorpyrifos in slightly electrolyzed water

从毒死蜱到CPO，可能有两种途径；一是从（1）→（2）→（4）→（5），即 HOCl攻击（1）的 P=S键，-H 加到S上，-OCl加到P上，然后产生中间产物（4），中间产物（4）丢失S而产生产物（5）。第二种可能途径是从（1）→（3）→（4）→（5），即·OH 攻击（1）的 P=S键，-OH 加到 P上，S被活化，产生中间产物（3），中间产物（3）进一步脱氢，转换为中间产物（4），中间产物（4）脱硫产生产物（5）。

从 CPO 到 3，5，6-三氯吡啶-2-醇，·OH 攻击（5）的-P=O旁边的P-O键，导致产生产物（6）和含有OHP=O 结构的产物（7）；或者·OH 攻击（5）的 -P=O旁边的P-O键，导致产生产物（6）和含有H-P=O结构的产物（8）。降解产物（6）、（7）、（8）在 HOCl和·OH 的作用下进一步降解成更小的小分子物质，最终降解成CO2、PO43-等物质。

3 结论

本研究以毒死蜱标准品为研究对象，研究了毒死蜱对微酸性电解水的敏感性及其降解产物。试验结果发现溶液体系中微酸性电解水对毒死蜱降解效果显著，有效氯浓度为5.66 mg/L时，反应时间30 s内，毒死蜱降解率达到99.96%。试验还检测到毒死蜱直接降解产物氯吡硫磷一氧，在此基础上推断了毒死蜱在HOCl和·OH作用下的假设降解途径。

本研究在既定农药初始浓度和反应时间条件下检测出直接降解产物，对于其他中间产物并未检出，因此只能进行降解途径的假设。下一步的研究将进一步降低农药初始浓度或缩短反应时间，以便发现中间产物，从而探明微酸性电解水处理有机磷农药的降解途径。另外，本研究仅以一种有机磷农药毒死蜱作为研究对象，还需进一步拓展农药研究范围。