农药学学报  2016, Vol. 18 Issue (6): 738-744   PDF    
三种新烟碱类杀虫剂在土壤中的残留降解及影响因子
宋超1, 周杨全2, 李义强1, 王秀国1, 徐光军1, 徐金丽1, 苏赞3, 张纪利3, 胡亚杰3     
1. 中国农业科学院 烟草研究所/烟草病虫害监测与综合治理重点实验室, 山东 青岛 266101;
2. 云南省曲靖市烟草公司, 云南 曲靖 655000;
3. 广西中烟工业有限责任公司, 南宁 530001
摘要: 建立了吡虫啉、啶虫脒和噻虫嗪在土壤中的高效液相色谱-串联质谱(HPLC-MS/MS)检测方法。样品经乙腈提取和QuEChERS法净化后,采用HPLC-MS/MS检测,外标法定量,在0.01~1.0 mg/kg添加水平下,3种新烟碱类杀虫剂在土壤中的回收率在89%~103%之间,相对标准偏差(RSD)在1.3%~10.3%之间,定量限均为0.01 mg/kg。采用建立的方法,在室内模拟条件下,研究了土壤微生物、温度、土壤含水量及农药初始浓度对土壤中吡虫啉、啶虫脒和噻虫嗪降解的影响。结果表明:土壤微生物是影响农药残留降解的首要因素,灭菌处理土壤中农药残留降解速率明显低于非灭菌土壤。此外,环境温度、土壤含水量、初始浓度等因素也会对农药残留降解产生不同影响,土壤含水量为最大持水量的60%左右时降解最快,半衰期分别为15.6、7.2和25.8 d;农药初始浓度越高,降解速度越慢;在5~35℃范围内,随着温度的升高,降解速度加快。
关键词: 新烟碱类杀虫剂     吡虫啉     啶虫脒     噻虫嗪     土壤     残留     降解     影响因子    
Residue degradation and influencing factors of three neonicotinoids insecticides in soil
SONG Chao1, ZHOU Yangquan2, LI Yiqiang1, WANG Xiuguo1, XU Guangjun1, XU Jinli1, SU Zan3, ZHANG Jili3, HU Yajie3     
1. Tobacco Research Institute of CAAS/Key Laboratory of Tobacco Pest Monitoring Controlling & Integrated Management, Qingdao 266101, Shandong Province, China;
2. Yunnan Qujing Tobacco Company, Qujing 655000, Yunnan Province, China;
3. China Tobacco Guangxi Industrial Co., Ltd., Nanning 530001, China
Abstract: A new method using HPLC-MS/MS was developed to analyze imidacloprid, acetamiprid and thiamethoxam residues in soil. Samples were extracted with acetonitrile, cleaned up by QuEChERS method, and detected by HPLC-MS/MS with quantification by external standard method. Result shows that when the soil samples were spiked with the above mentioned three neonicotinoids pesticides at levels between 0.01 and 1.0 mg/kg, the average recoveries and the relative standard deviations(RSD) are in conformity with the guideline on pesticide residue analysis method. The limit of quantity (LOQ) of imidacloprid, acetamiprid and thiamethoxam in soil samples were all 0.01 mg/kg. By using this new method, the effects of soil microorganism, temperature, soil humidities and the initial concentration on degradation of imidacloprid, acetamiprid and thiamethoxam were studied under laboratory conditions. The results showed that the soil microorganism was the primary factor influencing the degradation of pesticide, and the degradation rate in sterilized soil was obviously lower than that in the none-sterilized soil. Besides, the degradation rate of pesticide was also influenced by temperature, soil humilities and initial concentration. It was optimal for the degradation of the above three neonicotinoids pesticide when the soil humilities was around 60% FC, and the half-life of imidacloprid, acetamiprid and thiamethoxam were 15.6, 7.2 and 25.8 d, respectively under that condition. The higher the initial concentration, the slower the degradation of the above three neonicotinoids pesticide; The degradation was accelerated significantly when the temperature increased from 5℃ to 35℃.
Key words: neonicotinoids insecticides      imidacloprid      acetamiprid      thiamethoxam      soil      residue      degradation      influencing factors     

自 20 世纪 90 年代首次获批登记以来,以吡虫啉为代表的新烟碱类杀虫剂以高效、广谱、低毒的杀虫特性及独特新颖的作用方式、良好的根部内吸性等特点,被农药市场广泛接受。截止目前,12 种新烟碱类杀虫剂已在全球 120 多个国家登记,在全球杀虫剂市场份额中占 20%,在中国登记的产品有 2 100 余种,约占中国登记农药总数的 7%[1-4]。随着生活水平的提高,人们对农药残留问题越来越重视,农药使用过程中及使用后,对农产品质量安全和环境健康均有可能带来潜在威胁,同时由于该类农药对蜜蜂活动和环境会产生一定的负面影响,因此欧盟、巴西、美国、加拿大等已对该类农药做出禁用或限用措施[5-8]

吡虫啉、啶虫脒和噻虫嗪的结构式如图式 1 所示。目前,关于这 3 种新烟碱类杀虫剂在不同介质中的残留分析报道已有很多,但对其在土壤中的残留降解及其影响因子的研究鲜有报道[9]。谢文等建立了利用液相色谱-串联质谱 (LC-MS/MS) 测定蔬菜、茶叶中 吡虫啉 (A)、啶虫脒 (B) 和噻虫嗪 (C) 的结构式 Structures of imidacloprid (A), acetamiprid (B) and thiamethoxam (C) 吡虫啉残留量的方法,用乙腈提取,弗罗里硅土和活性炭混合柱净化,定量限为 0.01 mg/kg,线性范围为 0.01~0.5 mg/L,添加回收率为 76%~90%,相对标准偏差 (RSD) 为 7.4%~11%[10];李惠冬等用气相色谱检测方法研究了啶虫脒在甘蓝和土壤中的残留降解动态,发现其在甘蓝中半衰期为 1.4~1.6 d,药后 3 d 降解 90% 以上,土壤中半衰期为 1.8~1.9 d,药后 7 d 降解 90% 以上[11];刘宾等采用高效液相色谱分析技术测定了噻虫嗪在菠菜中的残留降解动态和最终残留量,最低检出限为 0.002 mg/kg,平均添加回收率为 90.5%~101.4%,RSD 为 0.75%~1.21%,噻虫嗪在菠菜中半衰期为 2.3 d,正常施药 3 d 后,菠菜中最高残留量为 0.55 mg/kg[12]。在参考以上文献的基础上,本文应用高效液相色谱-串联质谱技术,研究了吡虫啉、啶虫脒和噻虫嗪在土壤环境中的残留降解动态,并在此基础上,研究了土壤环境因子对这 3 种新烟碱类杀虫剂降解的影响。

1 材料与方法 1.1 试验材料 1.1.1 药剂与设备

吡虫啉 (imidacloprid) (≥ 99%)、啶虫脒 (acetamiprid) (≥98.5%)和噻虫嗪 (thiamethoxam) (≥99.5%) 标准品均购自德国 Dr.E 公司;甲醇为色谱纯 (德国默克公司),其他试剂均为分析纯 (国药集团上海试剂厂)。

Thermo Fisher Scientific HPLC-MS/MS (美国赛默公司);Cleanert MAS-QuChERS 离心管 (2 mL,天津博纳艾杰尔科技有限公司);TDZ5-WS 离心机 (湖南湘仪公司);CT15RE 离心机 (天美科学仪器有限公司);HYQ-3110 涡旋混匀器 (上海赛伯乐仪器有限公司)。

1.1.2 供试土壤

所用土壤样品采自中国农业科学院烟草研究所青岛试验基地,常年种植烟草,轮作花生、小麦等作物,土壤肥力中等。取土深度为 0~20 cm,土样经风干、除杂,过 2 mm 筛,调节土壤含水量为土壤最大持水量的 60%,置于 25 ℃ 人工气候室中平衡 2 d,备用。经检测不含有目标农药。

1.2 试验设计

准确称量吡虫啉、啶虫脒和噻虫嗪 3 种农药标准品各 10 mg,置于 100 mL 容量瓶中,用甲醇定容,得到 3 种新烟碱类杀虫剂均为 100 mg/L 的混合标准母液,于 4 ℃ 保存,备用。称取 1.5 kg 土壤样品若干份,分别加入 15 mL 混合农药标准母液,使每种农药的含量均为 1 mg/kg,搅拌均匀,装盆,铝箔纸封口,备用;以加入 15 mL 甲醇的处理作为对照。所有处理均在施药后 2 h 和 1、3、5、7、10、15、20、25、35、50、60 d 取样,测定农药残留量。每处理重复 3 次。

1.2.1 土壤微生物对杀虫剂降解的影响

灭菌土壤处理:在加入农药标准品前,先将土壤采用湿热法间歇灭菌 3 次,每次 30 min,在无菌操作下调节土壤含水量为饱和持水量的 60% 后,加入 15 mL 混合标准母液,混合均匀。非灭菌土壤处理:无灭菌过程,其余操作同灭菌土壤处理。将处理好的非灭菌土、灭菌土和对照置于 25 ℃ ± 1 ℃ 的人工气候室中培养。

1.2.2 温度对杀虫剂降解的影响

将含饱和持水量 60% 的施药后土壤分别置于 5、15、25 和 35 ℃ 的生化培养箱中培养。

1.2.3 土壤含水量对杀虫剂降解的影响

土壤施药前预先风干,施药后加入适量蒸馏水调节含水量分别为饱和持水量的 20%、40%、60%、80%、100%,置于 25 ℃ ± 1 ℃ 的人工气候室培养。

1.2.4 农药初始浓度对其降解的影响

分别添加一定量混合农药标准母液,使土壤中各目标农药含量分别为 1 、2 和 10 mg/kg,置于 25 ℃ ± 1 ℃ 的人工气候室中培养。

1.3 分析方法 1.3.1 样品前处理

准确称取 5 g 土壤样品置于 50 mL 离心管中,加入适量蒸馏水润湿,加入 10 mL 乙腈,涡旋混匀 2 min;加入 1 g 柠檬酸钠、0.5 g 柠檬酸氢二钠、1 g 氯化钠和 4 g 无水硫酸镁,涡旋混匀 2 min,于 4 000 r/min 下离心 10 min;取 1 mL 上清液于 2 mL 净化柱中,涡旋混匀 2 min,于 10 000 r/min 下离心 5 min;取上清液转移到 2 mL 棕色进样瓶中,待测。

1.3.2 检测条件

色谱条件:Hypersil GOLD-C18 色谱柱 (2.1 mm × 100 mm,3 μm);流动相:A 相为甲醇溶液,B 相为 0.1% 甲酸水溶液,采用 1:9→7:3→1:9 (A:B,V:V) 梯度洗脱程序,总流速为 0.25 mL/min,柱温为室温;进样量 5 μL。在此色谱条件下,吡虫啉、啶虫脒和噻虫嗪的保留时间分别为 3.03、3.07 和 3.16 min。

质谱条件:电喷雾正离子模式 ESI(+);电喷雾电压 3 kV;离子源温度 350 ℃;鞘气压力 344.8 kPa;辅助加热气压力 137.9 kPa;多重反应监测 (MRM) 模式;选择离子对及其参数优化结果见表 1

表 1 3 种新烟碱类杀虫剂的多重反应监测条件 Table 1 The instrument conditions of neonicotinoids pesticide in multi-reaction monitoring mode

1.3.3 标准曲线和添加回收试验

用甲醇稀释混合标准母液,配成质量浓度分别为 1.0、0.5、0.1、0.05、0.01、0.005 和 0.001 mg/L 的混合标准溶液,按 1.3.2 的条件测定。以峰面积为纵坐标,进样质量浓度为横坐标,绘制标准曲线。在土壤空白样品中添加一定量的混合标准溶液,使每种农药添加水平分别为 0.01、0.1 和 1.0 mg/kg,按 1.3.1 和 1.3.2 节所述方法进行前处理及测定。每个水平重复 5 次。

1.4 数据分析

采用 SPSS 软件,对试验结果数据进行单因素变量方差分析 (Duncan’s) 和多重比较 (LSD)。

2 结果与分析 2.1 方法的线性范围、检出限、准确度与精密度

结果表明:在质量浓度 0.001~1.0 mg/L 范围内,3 种新烟碱类杀虫剂的峰面积 (y) 与浓度 (x) 间呈线性关系,回归方程、相关系数、检出限 (S/N = 3) 及定量限见表 2。添加回收试验结果见表 3,从中可以看出,3 种新烟碱类杀虫剂的回收率及相对标准偏差均符合农药残留试验准则要求[13]。典型色谱图如图 1 所示,在该仪器条件下,各目标农药峰型及响应值均较好,能够确保结果的准确性。

表 2 3 种杀虫剂的回归方程、相关系数、检出限及定量限 Table 2 The regression, correlation coefficient, LOD and LOQ of three neonicotinoids pesticides

表 3 3 种杀虫剂在土壤中的添加回收率及相对标准偏差 Table 3 Recoveries and relative standard deviation of three neonicotinoids pesticides in soil

A. 吡虫啉标样 0.01 mg/L;B. 吡虫啉添加 0.01 mg/kg;C. 啶虫脒标样 0.01 mg/L;D. 啶虫脒添加 0.01 mg/kg;E. 噻虫嗪标样 0.01 mg/L;F. 噻虫嗪添加 0.01 mg/kg。
Imidacloprid samples of standard (A, 0.01 mg/L) and spiked (B, 0.01 mg/kg); Acetamiprid samples of standard (C, 0.01 mg/L) and spiked (D, 0.01 mg/kg); Thiamethoxam samples of standard (E, 0.01 mg/L) and spiked (F, 0.01 mg/kg).
图 1 3 种新烟碱类杀虫剂的典型 TIC 图 Fig. 1 Typical TIC spectrum of three neonicotinoids pesticides

2.2 土壤及环境因素对杀虫剂降解的影响 2.2.1 土壤温度的影响

表 4 中可以看出,在 5~35 ℃ 范围内,随着土壤温度的升高,3 种杀虫剂在土壤中的降解速率均逐渐加快,且差异显著。5 ℃ 时 3 种杀虫剂的降解均较慢,吡虫啉、啶虫脒和噻虫嗪的半衰期分别为 45.3、35.6 和 76.8 d;随着温度升高,其半衰期逐渐缩短,35 ℃ 时,半衰期分别为 7.2、8.5 和 17.5 d。原因可能是随着温度的升高,土壤微生物的活性逐渐提高,酶活性增强,从而促进了农药的降解。

表 4 不同环境因素对 3 种杀虫剂农药残留降解的影响 Table 4 The residue dissipation of three neonicotinoids pesticide under different environmental factors

2.2.2 土壤含水量的影响

土壤含水量对杀虫剂的降解均会产生一定影响且趋势基本一致,即在土壤含水量为最大持水量的 60% 时农药降解最快,吡虫啉、啶虫脒和噻虫嗪的半衰期分别为 15.6、7.16 和 25.8 d。随着含水量的增加或减少,降解速率均下降。在土壤含水量为最大持水量的 100% 时农药降解最慢,吡虫啉、啶虫脒和噻虫嗪的半衰期分别为 78.6、95.5 和 101.1 d。从农药品种看,在最适降解湿度时,啶虫脒的降解速率最快,噻虫嗪的降解速率最慢。

欧晓明等对土壤中硫肟醚和毒死蜱等残留的研究结果表明,土壤湿度会通过影响土壤微生物的活性而间接影响土壤中农药的降解速率,在土壤湿度为最大持水量的 60% 时,接近土壤微生物的最适生长湿度,微生物活性最高,因而农药降解速率最快,而在淹水状态下,需氧微生物基本没有活性,农药降解速率最慢[14];但陈莉等的研究表明,氰戊菊酯随着土壤湿度的增加降解速率加快,在淹水状态下降解最快,这可能与厌氧微生物参与了氰戊菊酯的降解有关[15]

2.2.3 土壤微生物的影响

杀虫剂在灭菌和非灭菌土壤中的降解速率存在显著差异 (表 4)。在灭菌土壤中,农药降解缓慢,吡虫啉、啶虫脒和噻虫嗪的半衰期分别为 114.1、75.2 和 119.8 d,而在非灭菌土壤中的降解半衰期分别为 11.2、7.1 和 16.6 d,两者之间差异达极显著水平,表明微生物在新烟碱类杀虫剂的降解过程中起到了决定性的作用。

2.2.4 农药初始浓度的影响

在 1~10 mg/kg 的初始浓度范围内,3 种杀虫剂均表现出随初始浓度的增加,降解速率显著变缓的现象 (表 4)。其原因可能是杀虫剂浓度过高,超出了土壤微生物的忍耐范围,从而对土壤微生物活性产生了抑制作用。此结果与陈莉等[15]的研究结果基本一致。

2.3 不同因素对农药残留降解贡献度和半衰期差异性分析

不同影响因子对 3 种农药降解半衰期的方差分析见表 5。从中可以看出,不同因子对 3 种农药的半衰期均有极显著影响;微生物对 3 种农药降解半衰期的影响均最大,其次为土壤温度、土壤含水量,影响最小的为目标农药的初始浓度。

表 5 4 种因子对农药降解半衰期影响的方差分析结果 (Duncan's) Table 5 Variance analysis of four factors on pesticide degradation half-life (Duncan's)

3 种农药在各处理中降解速率也有差异,多重比较分析结果见表 6。从中可以看出,噻虫嗪与吡虫啉及啶虫脒的降解速率有显著差异,即噻虫嗪半衰期显著长于吡虫啉和啶虫脒;而吡虫啉和啶虫脒之间降解速率无显著差异。

表 6 3 种农药降解半衰期的多重比较结果 (LSD) Table 6 Comparison of the half-life on three pesticides (LSD)

3 结论

建立了 3 种新烟碱类杀虫剂在土壤中的残留分析方法。结果表明,在不同添加水平下,方法重现性好,操作简单,准确度和精密度等均符合农药残留分析方法要求[13]。吡虫啉、啶虫脒和噻虫嗪的定量限均为 0.01 mg/kg。

在实验室模拟条件下,土壤温度、土壤含水量、土壤微生物和农药初始浓度等不同因子对土壤中农药残留降解速率均有极显著影响。其中土壤微生物是首要影响因素,在灭菌土壤中农药降解缓慢,吡虫啉、啶虫脒和噻虫嗪的半衰期分别是非灭菌土壤的 10.2、10.6 和 7.2 倍。土壤含水量、土壤温度是影响农药残留降解的次要因素,在土壤含水量为最大持水量的 60% 时降解最快,土壤干旱和土壤积水均会延缓农药的降解;在 5~35 ℃ 范围内,土壤温度越高,农药降解越快。土壤中农药的初始浓度也影响其降解半衰期,在 1~10 mg/kg 范围内,随农药初始浓度的增加降解速度显著变慢,其主要原因也是由于土壤环境的变化影响了土壤中微生物的活性,从而影响了农药的降解速率。在实际生产操作中,通过合理灌溉、排水、定期翻晒土壤及增施有机肥等手段,可加快土壤中农药的降解。

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