張春花,單治國,蔣智林,王 超,楊應明,羅華元,饒 智,滿紅平,成文章
[1.普洱學院,云南普洱 665000; 2.紅云紅河煙草(集團)有限責任公司,云南昆明 650200;3.云南省普洱市質量技術監(jiān)督綜合檢測中心,云南普洱 665000]
甲霜靈(metalaxyl)別稱阿普隆、瑞毒霜、甲霜安、雷多米爾,是當前普遍使用的卵菌殺菌劑,化學名稱為D,L-N-(2,6- 二甲苯基)-N-(2-甲氧基乙酰)丙氨酸甲酯,是一種低毒廣譜的氨基甲酸酯類殺菌劑,具有高效、內吸性強、殘留毒性極低、雙向傳導、殘效期長等特點,具有很強的保護和治療作用[1],深受使用者的青睞,并得到廣泛使用和迅速發(fā)展。甲霜靈通過抑制菌絲在植物體內的生長、孢子囊的形成,對由卵菌綱病原菌引起的煙草黑脛病、白粉病及其他作物的霜霉病、疫霉病有良好的防治效果[2],因其使用量巨大而在環(huán)境中廣泛存在,但其殘留污染問題日趨嚴重,且有關甲霜靈降解的研究很少,尤其是關于微生物降解甲霜靈的研究更少。目前,有關甲霜靈在農作物、土壤中的殘留及其降解研究已有不少報道[3-8],但就其在煙葉中的殘留研究尚未見報道。
生物降解通常是指微生物降解[9-10]。微生物降解農殘的特點是無毒、無二次污染、比較安全、對人體無副作用。近年來人們對農藥生物降解進行了大量的研究,大多集中在水體及土壤等環(huán)境方面[11-12],利用微生物進行農產品中農藥殘留降解研究的尚少[13-14],未見關于煙草地中用降解菌降解甲霜靈農藥殘留的報道。微生物因其種類繁多且代謝多樣性,在農藥降解中表現出獨特的優(yōu)勢,具有良好的前景。用微生物降低農藥殘留對保證安全生產是一種直接有效的方法,在提高煙葉質量、突破“綠色壁壘”、開發(fā)綠色煙葉過程中具有重要的作用和深遠的意義。鑒于此,為探明微生物對甲霜靈在煙葉中的消解規(guī)律,為今后制備農藥殘留降解劑解決生產實際問題打下基礎,本研究擬以甲霜靈為降解對象,于2014年在云南省普洱市寧洱縣的普義鄉(xiāng)煙區(qū)進行利用微生物降解農藥的試驗。
熒光假單胞菌(Pseudomonasfluorescens)、惡臭假單胞菌(Pseudomonasputida)、銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)、陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae)4種微生物保存于北京微生物鑒定保藏中心。取活化過的4種菌的普通液體培養(yǎng)基,30 ℃ 培養(yǎng)24 h,用無菌水稀釋成所需的試驗初始菌量。
95%甲霜靈原藥,由江蘇利民農化有限公司生產。甲霜靈結構式見圖1。
參照農業(yè)部農藥檢定所制定的NY/T 788—2004《農藥殘留試驗準則》進行。施藥劑量為推薦使用劑量(1 800 g/hm2)。試驗在歷年未施用過甲霜靈的煙葉種植地進行,試驗小區(qū)面積 20 m2,小區(qū)設3個重復,小區(qū)隨機排列,區(qū)間設保護行,另設空白對照小區(qū)。
有益微生物對煙葉中甲霜靈消解動態(tài)影響的試驗在煙葉植株生長旺盛期進行,用95%甲霜靈原藥2 700 g/hm2兌水稀釋成溶液,對煙葉封閉式噴霧施藥1次。施藥后隔1 h,用初始菌量D415 nm為0.2、0.4、0.6的接種量,以不接菌為對照(CK),每個處理3個重復,對噴過藥的對應小區(qū)進行噴霧,噴施時間選擇在16:00—17:00進行,噴后24 h無降水。試驗均在同等煙地正常的肥培管理下進行,用五點法取樣,分別于施藥后1 h及施菌后5、10、15 d采集煙葉樣品1 kg,運回實驗室標記后于-20 ℃保存待測其甲霜靈的殘留量。
從試驗小區(qū)取回的鮮煙葉,將其切碎,用四分法取樣約200 g并用勻漿機制成勻漿置于潔凈的玻璃瓶中。待測樣品應盡快分析測定其中甲霜靈的殘留量,不能及時分析測試的樣品貯存于低溫(-20 ℃)冰柜中。
1.4.1 儀器 Agilent1110高效液相色譜儀,購自美國安捷倫公司;API 4000液相色譜-質譜/質譜聯用儀(LC-MS/MS),購自美國Applied Biosystems公司;組織搗碎機(20 000 r/min),購自上海比朗儀器制造有限公司;T18 ULTRA-TURRAX勻漿機,購自德國IKA公司;旋轉蒸發(fā)儀SA31,購自瑞士Büchi公司;Mettler PL1500-s電子天平(0.01 g);固相萃取柱,購自迪馬科技公司;XW-80A渦旋混勻器,購自上海滬西分析儀器有限公司;離心機(10 000 r/min)購自上海萬捷科技有限公司。
1.4.2 試劑 甲苯為色譜純;丙酮、乙腈、甲酸均為優(yōu)級純(GR);水為GB/T 6682—2008《分析實驗室用水規(guī)格和試驗方法》規(guī)定的一級水;甲霜靈標準品純度為98.0%,由國家標準物質信息中心提供;35%甲霜靈拌種劑,由浙江禾本農藥化學有限公司生產。
1.5.1 提取 稱取-20 ℃冷凍保存的煙葉樣品各100 g,依次用搗碎機將樣品粉碎;取1 g樣品于50 mL離心管中,加入丙酮20 mL,用渦漩混勻器混合1 min后于8 000 r/min離心 5 min;取上清液,再向離心管中加入20 mL丙酮,重復提取1次;合并上清液于35 ℃旋轉蒸發(fā)至近干,加入5 mL乙腈-甲苯(V乙腈∶V甲苯=3 ∶1)溶解,待凈化。
1.5.2 固相萃取凈化(SPE) 用10 mL乙腈-甲苯(V乙腈∶V甲苯=3 ∶1)預淋洗GPR固相萃取柱,將流出液棄去。將5 mL溶解液傾入GPR固相萃取柱中,用20 mL乙腈-甲苯進行洗脫。收集全部洗脫液于雞心瓶中,于35 ℃水浴中旋轉濃縮至近干。用乙腈溶解,并定容至1 mL,經0.22 μm濾膜過濾后供LC-MS/MS測定。
1.5.3 氣相色譜條件 色譜柱柱溫為40 ℃,流動相為甲酸水-乙腈,V甲酸水∶V乙腈=1 ∶9,其中甲酸水的V甲酸∶V水=1 ∶999,流速為250 μL/min,離子源溫度為725 ℃,進樣量為10 μL,正離子掃描,多反應監(jiān)測(MRM)。電離方式為電噴霧(ESI),電噴霧電壓為5 500 V,霧化氣壓力為0.483 MPa,氣簾氣壓力為0.138 MPa,輔助加熱氣壓力為0.379 MPa。
采用Excel、DPS 2000進行數據統(tǒng)計分析。
從表1、圖2可以看出,隨著藥后取樣時間的延長,甲霜靈殘留量呈下降趨勢,說明葉面噴施不同初始菌量的熒光假單胞菌對煙葉中甲霜靈殘留有降解效果,在不同初始菌量下,甲霜靈在煙葉中的殘留量和降解率不同。施藥后1 h,甲霜靈殘留在煙葉中的原始沉積量為25.48 mg/kg,其中噴施3種初始菌量熒光假單胞菌后5 d(即藥后第6天)的降解效果最明顯,煙葉中的甲霜靈殘留量分別為0.27、0.54、0.33 mg/kg,分別比清水對照(3.76 mg/kg)降低92.82%、85.64%、91.22%,說明熒光假單胞菌可以加速煙葉中甲霜靈殘留的降解,D415 nm為0.4、0.6初始菌量的降解效果極顯著低于D415 nm為0.2的降解效果,且這2個初始菌量的降解效果差異不顯著。噴施3種初始菌量熒光假單胞菌后10 d(即藥后第11天),煙葉中的甲霜靈殘留量分別為0.14、0.31、0.23 mg/kg,分別比清水對照(2.91 mg/kg)降低95.19%、89.35%、92.10%;噴施不同初始菌量熒光假單胞菌后15 d(即藥后第16天),煙葉中的甲霜靈殘留量分別為0.11、0.20、0.17 mg/kg,分別比清水對照(2.61 mg/kg)降低 95.79%、92.34%、93.49%。
綜上所述,噴施不同初始菌量熒光假單胞菌后5 d(即藥后第6天),甲霜靈殘留在煙葉中的降解率均達到97%以上,明顯強于對照(85.24%),且低初始菌量下的熒光假單胞菌對煙葉中甲霜靈殘留降解效果優(yōu)于高初始菌量。采樣與噴菌時間間隔越長,甲霜靈殘留在煙葉中的量越少。
對試驗結果進行分析,得出3種初始菌量熒光假單胞菌作用下甲霜靈殘留在煙葉中的降解曲線方程,分別為C=8.547 4e-0.349 3t、C=10.719e-0.311 2t、C=8.743 8e-0.315 7t。降解符合一級動力學公式C=C0e-kt,式中:C0為施藥后1 h的原始殘留量,mg/kg;C為t天的殘留量,mg/kg;t為降解時間,d;k為消解速率常數。r2分別為0.686 6、0.723 7、0.660 7,再根據半衰期T1/2=ln(2/k)計算出3種初始菌量熒光假單胞菌作用下甲霜靈殘留在煙葉中的半衰期,分別為 1.98、2.05、2.02 d,清水對照的降解曲線方程為C=16.068e-0.145 7t,r2為0.683 1,半衰期為4.38 d。
表1 不同初始菌量熒光假單胞菌對煙葉中甲霜靈降解動態(tài)的影響
注:表中數據為平均值±標準差(n=3);同行數據后標有不同小寫字母、大寫字母分別表示差異顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01)。下表同。
從表2、圖3可以看出,隨著藥后取樣時間的延長,甲霜靈殘留量呈下降趨勢,說明葉面噴施不同初始菌量的惡臭假單胞菌對煙葉中甲霜靈殘留有降解效果,在不同的初始菌量下,甲霜靈在煙葉中的殘留量和降解率不同。施藥后1 h,甲霜靈殘留在煙葉中的原始沉積量為25.48 mg/kg,其中噴施3種初始菌量惡臭假單胞菌后5 d(即藥后第6天)的降解效果最明顯。3種初始菌量的惡臭假單胞菌菌液處理的煙葉中甲霜靈的殘留量分別為0.58、1.16、1.02 mg/kg,分別比清水對照(3.76 mg/kg)降低84.57%、69.15%、72.87%,說明惡臭假單胞菌可以加速煙葉中甲霜靈殘留的降解,低初始菌量的降解效果優(yōu)于高初始菌量。噴施3種初始菌量惡臭假單胞菌后10 d(即藥后第11天),煙葉中的甲霜靈殘留量分別為 0.44、0.67、0.96 mg/kg,分別比清水對照(2.91 mg/kg)降低84.88%、76.98%、67.01%;噴施3種初始菌量惡臭假單胞菌后15 d(即藥后第16天),煙葉中的甲霜靈殘留量分別為 0.40、0.63、0.65 mg/kg,分別比清水對照(2.61 mg/kg)降低84.67%、75.86%、75.10%。
表2 不同初始菌量惡臭假單胞菌對煙葉中甲霜靈降解動態(tài)的影響
綜上所述,噴施不同初始菌量惡臭假單胞菌后5 d(即藥后第6天),甲霜靈殘留在煙葉中的降解效果顯著,D415 nm為0.2初始菌量的降解率達到97.72%,D415 nm為0.4初始菌量的降解率達到95.44%,D415 nm為0.6初始菌量的降解率達到95.99%,均極顯著大于對照(85.24%)。采樣與噴菌時間間隔越長,甲霜靈殘留在煙葉中的量越少。
對試驗結果進行分析,得出3種初始菌量惡臭假單胞菌作用下甲霜靈殘留在煙葉中的降解曲線方程,分別為C=9.561e-0.260 5t、C=12.018e-0.239 4t、C=11.643e-0.226 9t。降解符合一級動力學公式C=C0e-kt,式中:C0為施藥后1 h的原始殘留量,mg/kg;C為t天的殘留量,mg/kg;t為降解時間,d;k為消解速率常數。r2分別為0.622 8、0.683 5、0.652 8,再根據半衰期T1/2=ln(2/k)計算出3種初始菌量惡臭假單胞菌作用下甲霜靈殘留在煙葉中的半衰期,分別為 2.67、2.89、3.02 d;清水對照的降解曲線方程為C=16.068e-0.145 7t,r2為0.683 1,半衰期為4.38 d。
從表3、圖4可以看出,隨著藥后取樣時間的延長,甲霜靈殘留量呈下降趨勢,說明葉面噴施不同初始菌量的銅綠假單胞菌對煙葉中甲霜靈殘留有降解效果,在不同的初始菌量下,甲霜靈在煙葉中的殘留量和降解率不同。施藥后1 h,甲霜靈殘留在煙葉中的原始沉積量為25.48 mg/kg,其中噴施3種初始菌量銅綠假單胞菌后5 d(即藥后第6天)的降解效果最明顯,煙葉中的甲霜靈殘留量分別為0.52、0.31、0.34 mg/kg,分別比清水對照(3.76 mg/kg)降低86.17%、91.76%、90.96%,說明銅綠假單胞菌可以加速煙葉中甲霜靈殘留的降解。噴施3種初始菌量銅綠假單胞菌后10 d(即藥后第11天),煙葉中的甲霜靈殘留量和15 d(即藥后第16天)差異不大。
表3 不同初始菌量銅綠假單胞菌對煙葉中甲霜靈降解動態(tài)的影響
綜上所述,噴施3種初始菌量銅綠假單胞菌后5 d(即藥后第6天)后,甲霜靈殘留在煙葉中的降解率最快,均達到97%以上,而對照為85.24%,說明銅綠假單胞菌能有效加速煙葉中甲霜靈殘留的降解。
對試驗結果進行分析,得出3種初始菌量銅綠假單胞菌作用下甲霜靈殘留在煙葉中的降解曲線方程,分別為C=9.662 7e-0.284 1t、C=8.908 7e-0.336 7t、C=9.22 09e-0.322 9t。降解符合一級動力學公式C=C0e-kt,式中:C0為施藥后1 h的原始殘留量,mg/kg;C為t天的殘留量,mg/kg;t為降解時間,d;k為消解速率常數。r2分別為0.657 6、0.687 9、0.685 2,再根據半衰期T1/2=ln(2/k)計算出3種初始菌量惡臭假單胞菌作用下甲霜靈殘留在煙葉中的半衰期,分別為 2.24、2.05、2.14 d;清水對照的降解曲線方程為C=16.068e-0.145 7t,r2為0.683 1,半衰期為4.38 d。
從表4、圖5可以看出,隨著藥后取樣時間的延長,甲霜靈殘留量呈下降趨勢,說明葉面噴施不同初始菌量的陰溝腸桿菌對煙葉中甲霜靈殘留有降解效果。施藥后1 h,甲霜靈殘留在煙葉中的原始沉積量為25.48 mg/kg,其中噴施3種初始菌量陰溝腸桿菌后5 d(即藥后第6天)的降解效果最明顯,煙葉中的甲霜靈殘留量分別為0.59、1.62、0.84 mg/kg,分別比清水對照(3.76 mg/kg)降低84.31%、56.91%、77.66%,說明陰溝腸桿菌可以加速煙葉中甲霜靈殘留的降解。噴施3種初始菌量陰溝腸桿菌后10 d(即藥后第11天),煙葉中的甲霜靈殘留量分別為0.31、0.53、0.60 mg/kg,分別比清水對照(2.91 mg/kg)降低89.35%、81.79%、79.38%;噴施3種初始菌量陰溝腸桿菌后15 d(即藥后第16天),煙葉中的甲霜靈殘留量分別為0.31、0.36、0.45 mg/kg,分別比清水對照(2.61 mg/kg)降低88.12%、86.21%、82.76%。3種初始菌量的陰溝腸桿菌菌液對煙葉中甲霜靈殘留的降解效果差異不大,噴施后5 d(即藥后第6天)后,甲霜靈殘留在煙葉中的降解率均達到93%以上,明顯強于對照(85.24%),且低初始菌量的陰溝腸桿菌降解效果強于高初始菌量的效果,采樣與噴菌時間間隔越長,甲霜靈在煙葉中的殘留量越少。
對試驗結果進行分析,得出3種初始菌量陰溝腸桿菌作用下甲霜靈殘留在煙葉中的降解曲線方程,分別為C=9.662 7e-0.284 1t、C=10.719e-0.311 2t、C=8.743 8e-0.315 7t。降解符合一級動力學公式C=C0e-kt,式中:C0為施藥后1 h的原始殘留量,mg/kg;C為t天的殘留量,mg/kg;t為降解時間,d;k為消解速率常數。r2分別為0.657 6、0.723 7、0.660 7,再根據半衰期T1/2=ln(2/k)計算出3種初始菌量惡臭假單胞菌作用下甲霜靈殘留在煙葉中的半衰期,分別2.43、2.22、2.19 d。
綜上所述,陰溝腸桿菌、銅綠假單胞菌、惡臭假單胞菌、熒光假單胞菌能有效加速煙葉中甲霜靈殘留的降解,且不同初始菌量下的降解效果不同。4種微生物在噴施不同初始菌量菌液后5 d(即藥后第6天)的降解效果最明顯,降解率均達到90%以上,低初始菌量下的熒光假單胞菌、惡臭假單胞菌對煙葉中甲霜靈殘留的降解效果極顯著優(yōu)于高初始菌量的降解效果(P<0.01);高初始菌量銅綠假單胞菌的降解效果極顯著優(yōu)于低初始菌量的降解效果(P<0.01);3種初始菌量的陰溝腸桿菌對煙葉中甲霜靈殘留降解效果在后期差異不顯著;D415 nm為0.2、0.6初始菌量的熒光假單胞菌對煙葉中甲霜靈殘留降解效果最好,優(yōu)于其他3種微生物。
表4 不同初始菌量陰溝腸桿菌對煙葉中甲霜靈降解動態(tài)的影響
微生物能使農藥以脫鹵、脫烴、水解、氧化、還原、環(huán)裂解、共軛等形式降解,從而轉化成其他物質,且同一種農藥可以被多種微生物降解[9]。假單胞菌和芽胞桿菌等微生物對農藥降解具有廣譜活性,可降解同類農藥的多個品種[15]或不同類型的農藥品種[16]。本試驗結果表明,在煙葉生長成熟期施用甲霜靈農藥,施藥后噴施陰溝腸桿菌、銅綠假單胞菌、惡臭假單胞菌、熒光假單胞菌4種不同的微生物,發(fā)現甲霜靈均能被這4種微生物快速降解,這與尤民生等的研究結果[9,16]一致。
微生物的種類、代謝活性直接影響到農藥的降解與轉化[17],通過各種代謝途徑把有機農藥完全礦化或降解轉化為CO2、H2O等無毒無害或毒性較小的其他物質[18],在農藥降解中占有主要地位[19]。不同的微生物種類或同一種類的不同菌株對同一有機底物或有毒金屬的反應都不同[20]。首先,熒光假單胞菌降解效果優(yōu)于銅綠假單胞菌、陰溝腸桿菌、惡臭假單胞菌,接菌后5 d降解率均達92%以上;其次,同種微生物在不同的施用濃度下的降解率存在差異,產生此差異可能與底物濃度有關;不同種微生物在同一施用濃度下的降解率存在差異,產生此差異可能與微生物代謝活性有關。因此,于煙葉生長旺盛期,藥后1 h,優(yōu)先選擇噴施熒光假單胞菌菌液,其次為D415 nm為0.4初始菌量的銅綠假單胞菌,以提升煙葉的安全性,且降解符合一級動力學公式C=C0e-kt。氨基甲酸酯類甲霜靈農藥因其對煙草黑脛病和白粉病等多種病害有效而被大量施用,嚴重影響煙葉的品質和安全性。本研究發(fā)現,熒光假單胞菌、銅綠假單胞菌、陰溝腸桿菌、惡臭假單胞菌均可以有效降解甲霜靈,初步建立了控制甲霜靈的方法,這為利用微生物及其降解酶對煙葉中有機農藥轉化處理提供了良好的應用前景。微生物降解與傳統(tǒng)的物理、化學方法相比具有投入低、治理效果明顯、不易產生副作用的特點,被公認為是一種低成本的環(huán)境友好型去除污染物的方法[21]。
微生物降解農藥的研究已經較多,其機制包括直接作用于農藥,通過一系列酶促反應(水解、氧化、還原、脫氧、合成)來降解農藥,或者通過微生物活動導致化學(共代謝作用)或物理環(huán)境(生物濃縮、礦化作用或累積作用)的改變而降解農藥[22]。如Saikia等報道,施氏假單胞菌S1是通過水解酯鍵降解高效氟氯氰菊酯的,其降解產物為4-氟-3-苯氧基芐醇和3-(2,2-二氯乙烯)-2,2-二甲基環(huán)丙烷羧酸,另外還能通過醚鍵斷裂將高效氟氯氰菊酯水解產生α-氰基-4-氟-3-苯氧基芐基-3-(2,2-氯乙烯基)-2,2-二甲基環(huán)丙烷羧酸[23];博德特氏菌(Bordetellasp. B9)通過氧化和水解2種作用將有機氯農藥硫丹代謝為硫丹醚、硫丹內酯和硫丹硫酸鹽[24];呋喃丹在微生物作用下快速水解為呋喃酚,經氧化生成2-羥基-呋喃酚,然后慢速開環(huán)反應,完全降解生成CO2和H2O[25];門多薩假單胞菌DR28菌株降解單甲瞇的產物為2,4-二甲基苯胺和NH3,而DR28菌株不能以單甲瞇為碳源和能源生長,只能在添加其他有機營養(yǎng)基質作為碳源的條件下才能降解單甲瞇,且降解產物未完全礦化[26];鞘氨醇單孢菌(Sphingomonassp. TFEE)和皮氏伯克霍爾德氏菌(Burkholderiasp. MN1)通過共生關系降解殺螟硫磷農藥[27];韋軍等的研究發(fā)現,氯氰菊酯在銅綠假單胞菌GF31作用下酯鍵斷裂生成間苯氧基苯甲酸和二氯菊酸[28];氯氰菊酯在微球菌(Micrococcussp.)作用下酯鍵斷裂生成3-苯氧基苯甲酸,二苯醚鍵進一步斷裂生成苯酚和原兒茶酸[29];假單胞菌DLL-1在水溶液介質中可以將甲基對硫磷完全降解為無機離子NO2-、NO3-[30]。本研究發(fā)現,陰溝腸桿菌、銅綠假單胞菌、惡臭假單胞菌、熒光假單胞菌這4種菌能降解甲霜靈。Crawford等研究發(fā)現,門多薩假單胞菌(P.mendocina)及熒光假單胞菌(P.fluorescen.s)能夠有效降解五氯化苯酚(PCP)[31];銅綠假單胞菌(P.aeruginosa)能有效降解六六六及其異構體[32];Saravanan等研究表明,假單胞菌對苯酚和間甲酚具有很強的降解能力[33];Muoz等研究發(fā)現,惡臭假單胞菌(P.putida)F1對甲苯有很強的特定降解能力[34]。目前關于微生物降解甲霜靈農藥的研究未見報道,其機制是酶促、非酶促還是礦化還不清楚,本試驗尚未作深入研究,推測可能的機制是甲霜靈在假單胞菌作用下通過水解和氧化作用完成降解。本研究后續(xù)將進一步總結以往的相關科研成果,有針對性地對甲霜靈的降解機制開展進一步研究,研究假單胞菌及其酶活性與作用機制,提高酶的降解譜和降解活性,改變其代謝流,降低產物的毒性。
煙葉生長旺盛期可根據微生物種類(陰溝腸桿菌、銅綠假單胞菌、惡臭假單胞菌、熒光假單胞菌菌)選取高降解效率的施菌量以降低煙葉中甲霜靈的殘留量。因此,煙葉生長旺盛期利用假單胞菌微生物來降解甲霜靈農藥殘留,在提高煙葉質量、突破“綠色壁壘”、開發(fā)綠色煙葉過程中具有重要的理論意義和現實意義,為今后進一步研究假單胞菌微生物對于甲霜靈農藥的降解機制提供參考。