劉津伶，馬利民，李衛(wèi)衛(wèi)

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.上海污染控制與生態(tài)安全研究院，上海 200092)

1 前 言

有機(jī)農(nóng)藥可以通過人類的直接施用，農(nóng)業(yè)區(qū)的徑流或工業(yè)廢水排放等方式大量進(jìn)入水體，目前農(nóng)藥有機(jī)物普遍在世界各地的地表和地下水中被檢出，例如歐美等工業(yè)化國(guó)家對(duì)地下水和生活飲用水的調(diào)查反復(fù)發(fā)現(xiàn)高于飲用水標(biāo)準(zhǔn)濃度(0.1g/L)的10～20種有機(jī)農(nóng)藥物質(zhì)[1-2]，在我國(guó)重點(diǎn)流域地表水中檢測(cè)出9種有機(jī)農(nóng)藥，其中4種農(nóng)藥(阿特拉津、乙草胺、噁草酮、敵敵畏)具有潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[3]。

有機(jī)農(nóng)藥在環(huán)境中的降解途徑通常由微生物或植物介導(dǎo)的生物降解和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的非生物降解組成(如光降解、非生物水解)，具體過程取決于有機(jī)農(nóng)藥分子對(duì)兩種降解途徑的結(jié)構(gòu)親和力，以及分布和遷移行為導(dǎo)致其暴露的環(huán)境條件[4]。因此，分布在地面表層水中的有機(jī)農(nóng)藥更容易發(fā)生光降解。

光降解通常由光照輻射引起其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而減少在環(huán)境中的壽命。光降解根據(jù)誘導(dǎo)原理不同又可分為直接光降解和間接光降解，兩者均會(huì)在環(huán)境中對(duì)有機(jī)農(nóng)藥的降解產(chǎn)生作用[5]。在直接光解過程中，有機(jī)物農(nóng)藥分子自身吸收光照輻射光子，導(dǎo)致化學(xué)鍵的斷裂或者重排而形成穩(wěn)定的降解產(chǎn)物。直接光降解僅對(duì)于那些吸收光譜在太陽光譜內(nèi)的化合物(即>290nm)重要；在間接光降解過程中，自然界存在的光敏劑吸收光子并產(chǎn)生一系列活性反應(yīng)物質(zhì)并可以與目標(biāo)有機(jī)物分子發(fā)生反應(yīng)進(jìn)行降解。間接光降解的特點(diǎn)是底物可以利用比其自身吸收波長(zhǎng)更廣的光輻射而進(jìn)行降解反應(yīng)。已有的研究基礎(chǔ)表明，通過硝酸鹽和溶解性有機(jī)物質(zhì)(Dissolved Organic Matter)在太陽光誘導(dǎo)下產(chǎn)生的羥基自由基·OH起重要作用，因?yàn)榱u基自由基·OH的親電性和非選擇性，導(dǎo)致其與富電子的芳香族有機(jī)化合物的反應(yīng)性最強(qiáng)[6]。

目前常見的光降解研究均是對(duì)某單一有機(jī)污染物進(jìn)行光照實(shí)驗(yàn)，而自然環(huán)境中經(jīng)常是多種有機(jī)農(nóng)藥共存，需要對(duì)比分析不同有機(jī)農(nóng)藥其光降解行為的變化規(guī)律[7]?？紤]到光降解實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與每次實(shí)驗(yàn)條件(光源、溫度等)相關(guān)性極大，因此在同一實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)多種有機(jī)農(nóng)藥進(jìn)行光降解研究是非常必要的。本研究選取了四種環(huán)境中常見有機(jī)農(nóng)藥：異丙隆(Isoproturon，IPU)，阿特拉津(Atrazine, ATZ)，滅草隆(Monuron, MN)，2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-Dichlorophenoxyacetic acid, 2,4-D)作為研究對(duì)象(化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖1)，在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)其在水中的光穩(wěn)定性進(jìn)行研究，主要分為直接光降解和間接光降解兩部分，考察包括了光源、光敏劑硝酸根等影響因素，通過對(duì)降解率及降解動(dòng)力學(xué)的分析，以期對(duì)4種不同有機(jī)農(nóng)藥的光解規(guī)律差異進(jìn)行對(duì)比研究，為水體中有機(jī)農(nóng)藥的光化學(xué)和環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供參考。

圖1 4種有機(jī)農(nóng)藥的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of four selected pesticides

2 材料與方法

2.1 試劑

異丙隆(Isoproturon，IPU，純度≥99%)，滅草隆(Monuron，MN，純度≥98.5%)，阿特拉津(Atrazine, ATZ，純度≥99.3%)，2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-Dichlorophenoxyacetic acid,2,4-D, 純度≥99%)，均購(gòu)自德國(guó)Dr.Ehrenstorfer Gmbh；甲醇(色譜純) ，乙腈(色譜純)，購(gòu)自上海安譜實(shí)驗(yàn)科技有限公司，丙酮(色譜純)，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)；Milli-Q超純水(Milli-pore，18.2 M Ω·cm)；其余試劑均為分析純。

2.2 儀器

光化學(xué)反應(yīng)儀器Photochem III型(北京紐比特科技有限公司)；Agilent 1200高效液相色譜-二極管陣列(DAD)檢測(cè)器；SP-756P紫外可見分光光度儀檢測(cè)(上海光譜)；光電分析天平(Mettler Toledo EL204,精確到0.1mg)；雷磁PH計(jì)PHS-3C；

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

光源置于雙層石英內(nèi)部的冷阱中，通過外接冷卻循環(huán)水從而降低燈管溫度和濾除大部分紅外熱量，保持暗箱為232℃的反應(yīng)溫度。每次光降解實(shí)驗(yàn)開始前，將光源預(yù)熱20 min待穩(wěn)定后，放入盛有50mL新鮮反應(yīng)溶液的試管。反應(yīng)過程中保持磁力攪拌子穩(wěn)定攪拌狀態(tài)。定時(shí)取樣2mL后通過0.45m濾膜，將樣品保存至2℃冰箱中，待高效液相色譜分析。

2.3.1 直接光降解

分別配制300mg/L的ATZ、IPU、MN、2,4-D儲(chǔ)備液(溶劑為甲醇)，置于冰箱中低溫保存，使用期限為1個(gè)月。進(jìn)行光降解實(shí)驗(yàn)時(shí)，配制初始濃度為20mg/L(90 ～100M)的ATZ、IPU、MN、2,4-D四種反應(yīng)溶液100mL，以PH=8，0.1mM的PBS為溶劑。取新鮮配制的初始反應(yīng)液于70 mL 石英試管(外徑= 3.2 cm，內(nèi)徑= 2.8 cm，長(zhǎng)度= 16.5 cm)中，并垂直等距(10cm)放置于冷阱外側(cè)的旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)盤上。冷阱中置有兩種不同的光源：高壓汞燈(主波長(zhǎng)365nm，500W)、模擬自然光長(zhǎng)弧氙燈(300～800nm，500W)。

2.3.2. 間接光降解

間接光降解中所有儲(chǔ)備液均采用超純水配制，以排除有機(jī)溶劑如甲醇對(duì)瞬時(shí)光活性產(chǎn)物·OH的猝滅效果。分別取0.01g的ATZ、IPU、MN、2,4-D標(biāo)準(zhǔn)品溶于500mL超純水中，超聲溶解(使用時(shí)過0.45m的濾膜)，避光低溫保存，使用限期為1個(gè)月。同時(shí)配制高濃度硝酸根儲(chǔ)備液于棕色容量瓶中避光低溫保存。實(shí)驗(yàn)時(shí)，移取配制不同濃度的有機(jī)母液于100mL容量瓶，將新鮮配制的反應(yīng)溶液盛入(外徑= 2.8cm，內(nèi)徑= 2.3cm，長(zhǎng)度=20cm)的PYREX試管(可濾掉大部分290nm以下波段[8])。冷阱中放置500W的高壓汞燈。

2.4 分析方法

2.4.1. 儀器分析

有機(jī)農(nóng)藥光解樣品的定量檢測(cè)均直接采用 Agilent HPLC-DAD 1200進(jìn)行分析。色譜柱為CNW，Athena C18-WP，4.6mm x 250mm，i.d. 5m。4種有機(jī)農(nóng)藥的分析條件見表1。

表1 4種有機(jī)農(nóng)藥HPLC檢測(cè)條件Tab.1 HPLC detection conditions of selected pesticides

2.4.2. 數(shù)據(jù)分析

采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)有機(jī)農(nóng)藥的光降解進(jìn)行描述。使用公式(1)計(jì)算得到一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)，公式(2)得到降解半衰期。

ln(Ct/C0)=-kt

(1)

T1/2=ln2/k

(2)

式中，C0為農(nóng)藥有機(jī)物的初始濃度，mg/L ;Ct為t時(shí)刻農(nóng)藥有機(jī)物的濃度，mg/L;k為光降解速率常數(shù)，min-1。

降解率采用公式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

3 結(jié)果與討論

3.1 有機(jī)農(nóng)藥的直接光降解

3.1.1. 光源對(duì)有機(jī)農(nóng)藥光降解影響

圖2 4種有機(jī)農(nóng)藥直接光降解曲線Fig.2 Direct photodegradation curves of four pesticides

實(shí)驗(yàn)研究了4種有機(jī)農(nóng)藥分別在高壓汞燈和長(zhǎng)弧氙燈條件下的光降解(見圖2)。結(jié)果顯示，在汞燈條件下，MN、2,4-D以及ATZ均在60min內(nèi)降解率達(dá)到99%，IPU在120min時(shí)降解率達(dá)到99%。在氙燈條件下，各有機(jī)農(nóng)藥的降解速率均顯著降低：照射時(shí)長(zhǎng)達(dá)到18h時(shí)，MN降解率為78%，ATZ降解率為54%，2,4-D降解率為26%，IPU 降解率僅為5%。無論在哪一種光源照射下，黑暗對(duì)照中的有機(jī)農(nóng)藥在光降解實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)幾乎不降解(降解率<5%)。

自然界中，到達(dá)地面的太陽光發(fā)射波長(zhǎng)主要集中在290nm以上，小于290nm的光波被臭氧層吸收，因此，290nm～450nm的紫外光是自然環(huán)境中有機(jī)農(nóng)藥能進(jìn)行光降解的重要因素。本實(shí)驗(yàn)中四種有機(jī)農(nóng)藥的紫外光譜見圖3。實(shí)驗(yàn)中高壓汞燈的波長(zhǎng)分布在250～400nm以內(nèi)(主要發(fā)射波長(zhǎng)集中在360nm左右) ，與有機(jī)農(nóng)藥的最大吸收光譜高度重疊。其中異丙隆和滅草隆由于同屬于苯脲類除草劑(官能團(tuán)-NCON(CH3)2)，其吸收光譜相似，均存在兩個(gè)強(qiáng)吸收波段，分別在210nm左右及240nm左右。ATZ和2,4-D 同時(shí)存在一個(gè)強(qiáng)吸收波段和一個(gè)弱吸收波段，ATZ強(qiáng)吸收波段出現(xiàn)在225nm(弱吸收波段在265nm左右)，2,4-D強(qiáng)吸收波段出現(xiàn)出現(xiàn)在230nm(弱吸收波段在280nm左右)。而實(shí)驗(yàn)中模擬自然光長(zhǎng)弧氙燈的發(fā)射波長(zhǎng)涵蓋了300～800nm區(qū)間，其輻射能量分布更接近于自然光；另外，根據(jù)愛因斯坦光子說E=hc/λ，波長(zhǎng)越短，能量越高。因此在光降解過程中，紫外汞燈照射時(shí)能夠提供較高的能量，快速激發(fā)有機(jī)農(nóng)藥分子的化學(xué)鍵斷裂，加快其降解，由于四種有機(jī)農(nóng)藥的最大吸收波長(zhǎng)均小于300nm，因此有機(jī)農(nóng)藥在氙燈下的光降解緩慢。

圖3 4種有機(jī)農(nóng)藥的紫外吸收光譜Fig.3 Ultraviolet absorption spectroscopy of four selected pesticides

3.1.2 光降解動(dòng)力學(xué)對(duì)比

表2為4種有機(jī)農(nóng)藥的光降解動(dòng)力學(xué)結(jié)果，結(jié)果均符合一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)。在兩種光源下，4種有機(jī)農(nóng)藥的光降解速率均呈現(xiàn)同一規(guī)律，降解速率 MN>ATZ>2,4-D>IPU。其中，MN降解最快，在汞燈和氙燈下半衰期分別為4min和8h，IPU降解最慢，半衰期分別為22 min和239 h。

一般情況下，有機(jī)農(nóng)藥的光降解速率與環(huán)境因素(光源、PH、溫度等)有關(guān)[9]，也與其本身的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[10]。分子結(jié)構(gòu)不同，其吸光能力不同，光解速率隨之不同。4種有機(jī)農(nóng)藥中，除IPU外其他化合物均為氯代雜環(huán)有機(jī)物，由于氯原子Cl(鹵素原子)屬于強(qiáng)吸電子基團(tuán)，導(dǎo)致雜環(huán)上電子云密度降低，C-Cl鍵極容易通過異構(gòu)機(jī)理斷裂，而IPU芳環(huán)末端的異丙基-CH(CH3)2屬于供電子基團(tuán)，芳環(huán)上電子云密度升高。因此在同一光源條件下，IPU降解所需輻射能量更多，降解速率更慢。

對(duì)于其他3種鹵(Cl)代有機(jī)農(nóng)藥，其降解速率汞燈下為0.16 min-1>0.09 min-1>0.04 min-1，氙燈下0.08 min-1>0.04 min-1>0.02 min-1。一方面，從有機(jī)農(nóng)藥自身的吸收掃描光譜來看，MN在紫外區(qū)具有兩個(gè)強(qiáng)吸收波段，因此光活性極強(qiáng)，易吸收光輻射能量導(dǎo)致降解更快；另一方面，有機(jī)農(nóng)藥的光降解速率也與母體分子空間結(jié)構(gòu)有關(guān)。ATZ、MN和2,4-D的直接光解主要途徑是對(duì)芳/雜環(huán)脫氯Cl及羥基化，被光激發(fā)后都會(huì)經(jīng)過一系列自由基反應(yīng)[11～13]。有研究指出，有機(jī)分子結(jié)構(gòu)中鏈長(zhǎng)越短(MN>ATZ、2,4-D)，分子空間結(jié)構(gòu)的緊密度越大，所對(duì)應(yīng)的降解反應(yīng)速率越小。這一觀點(diǎn)已在Francisco Orellana-Garc.a[14]的文章中被驗(yàn)證，作者推斷這種規(guī)律可能是由于攻擊有機(jī)分子的自由基隨著分子結(jié)構(gòu)的緊密度的增加而減少。但此規(guī)律在本實(shí)驗(yàn)中難以說明ATZ和2,4-D之間的降解速率關(guān)系。

3.2 硝酸根誘導(dǎo)下的間接光降解

3.2.1 硝酸根對(duì)有機(jī)農(nóng)藥降解影響

圖4 4種有機(jī)農(nóng)藥分別在硝酸根(5mM)誘導(dǎo)下的降解動(dòng)態(tài)曲線Fig.4 Photodegradation curves of four pesticides induced by nitrate (5mM)

表3 4種有機(jī)農(nóng)藥在硝酸根誘導(dǎo)下的光降解動(dòng)力學(xué)Tab.3 Photodegradation kinetics of selected pesticides induced by nitrate

3.2.2 光降解動(dòng)力學(xué)對(duì)比

圖5 4種有機(jī)農(nóng)藥的在硝酸根誘導(dǎo)下的一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)Fig.5 First order degradation kinetics of selected pesticides induced by nitrate

4 結(jié) 論

4.1 4種有機(jī)農(nóng)藥在不同光源下直接光解均遵循一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)，且降解速率均呈現(xiàn)MN>ATZ>2,4-D>IPU，因?yàn)镮PU母體分子中甲基供電子基團(tuán)導(dǎo)致電子云密度升高，而鹵代有機(jī)農(nóng)藥由于鹵素的吸電子效應(yīng)導(dǎo)致電子云密度降低，更容易發(fā)生化學(xué)鍵斷裂；

4.2 間接光解下由于·OH親電加成原理，IPU的供電子取代基團(tuán)則凸顯出加速降解效果kindirect/ kdirect=8；同時(shí)注意到硝酸根誘導(dǎo)下·OH并不能加速所有有機(jī)農(nóng)藥的降解(ATZ的kindirect/ kdirect=1)，或與初始濃度比相關(guān)；

4.3 間接光解途徑下發(fā)現(xiàn)·OH對(duì)有機(jī)農(nóng)藥的降解速率作用與其官能團(tuán)無關(guān)(IPU和MN)，而是與芳環(huán)上取代基有關(guān)，因此建議對(duì)有機(jī)農(nóng)藥芳環(huán)上不同取代基分類研究，以進(jìn)一步得到不同有機(jī)農(nóng)藥的光降解規(guī)律。