（有机化学专业论文）喹禾灵在土壤中的对映体选择性环境行为研究.pdf

s t u d y o f e n a n t i o s e l e c t i v e e n v i r o n m e n t a l b e h a v i o r o f t h e h e r b i c i d e q u i z a l o f o p - e t h y l i n s o i l ab s t r a c t t h e e n a n t i o s e l e c t i v e e n v i r o n me n t a lb e h a v i o r o f t h e h e r b i c i d e q u i z a l o f o p - e t h y l i n s o i l u n d e r l a b o r a t o ry c o n d i t i o n s w as s t u d i e d b y m e a n s o f h i g h - p e r f o r m a n c e l i q u i d c h r o m a t o g r a p h y ( h p l c ) u s i n g c h i r a l c e l o d c o lu m n a s c h i r a l a n a ly t i c a l c o l u m n . q u i z a l o f o p - e t h y l a n d q u i z a l o f o p - p - e t h y l w e r e i n c u b a t e d i n s e p a r a t e e x p e r i m e n t s w i t h a n o n - s t e r i l i z e d s o i l a n d a s t e r i l e s o i l , a n d t h e i r e n a n t i o s e l e c t i v e d e g r a d a t i o n s w e r e i n v e s t i g a t e d . 1 .t b e s o i l m i c r o b i a l d e g r a d a t i o n o f t h e r a c e m i c q u i z al o f o p - e t h y l i s d e g r a d e d p r e f e r e n t i a l l y . t h e d e g r a d a t i o n r a t e o f s - e n a n t i o m e r i s f a s t e r t h a n t h a t o f r - e n a n t i o me r . 2 . q u i z a l o f o p e x i s t s i n e m i n e n t e n a n t i o m e r i c i n v e r s i o n u n d e r t h e s o i l m i c r o o r g a n i s m s t h a t t h e s - e n a n t i o m e r in v e r ts it s c o n f ig u r a t i o n t o th e c o r r e s p o n d i n g r - e n a n t i o m e r . t h i s r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e m i c r o o r g a n i s m s i n h a b i t i n g i n t h e s o i l .c a n i n c r e as e t h e e ff e c t o f t h e r a c e m i c h e r b i c i d e q u i z a l o f o p - e t h y l . 3 . t h e r e s u l t o f t h e q u i z a l o f o p - p - e t h y l s o i l i n c u b a t i o n e x p e r i m e n t s h o w s t h a t r - e n a n t i o m e r c a n n o t i n v e r t it s c o n f i g u r a t i o n t o t h e c o r r e s p o n d i n g s - e n a n t i o m e r . t h i s p h e n o m e n o n j u s t d e m o n s t r a t e s n o t a l l c h i r a l c o m p o u n d s c a n u n d e r g o e n a n t i o m e r i c i n v e r s i o n i n a l l e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s . t h e h i g h e ff e c t o f q u i z a l o f o p - p - e t h y l i s n t d e c r e a s e d b y t h e s o i l m i c r o o r g a n i s m s . 4 .t h e t w o - p h as e f i r s t - o r d e r d e g r a d a t i o n k i n e t i c s e x i s t s i n t h e d e g r a d a t i o n s o f t h e q u i z a l o f o p e t h y l a n d q u i z a l o f o p - p - e t h y l . 5 .q u i z a l o f o p - e t h y l a n d q u i z a l o f o p - p - e t h y l u l t i m a t e l y c o m e i n t o b e i n g n o n - r a c e m i c r e s i d u e s i n w h i c h r - q u i z a l o f o p i s d o mi n a t i v e . k e y w o r d s : u n s t e r i l e s o i l s t e r i l e s o i l m i c r o o r g a n i s m s e n a n t i o s e l e c t iv e d e g r a d a t i o n e n a n t i o m e r i c in v e r s i o n e n a n t i o me r i c c o n c e n t r a t i o n r a t i o 一一一一一一一一一一一一一垄噢夔 第一章前 言 1 . 1 农药与生态环境 农药一般是指用于防治农、林、牧业病，虫草鼠害和其他有害生物 ( 含卫 生害虫)以及调节植物生长的药物和加工制剂，按照农药的主要防治对象可将 农药分为杀虫剂、杀菌剂、除草剂、植物生长调节剂等不同种类ii i 。农药对现 代农业的促进作用是显而易见的，由于使用了农药，病虫草害得到有效防治， 世界粮食产量得到大大提高，数十亿人口的温饱问 题得到解决，农药的使用为 人类带来了巨大效益，为人类的生存作出了重大贡献。与此同时，作为一种有 毒化合物质的农药长期大量使用，对环境生物安全和人体健康都产生了诸多不 利的影响。 早在1 9 6 2 年美国 海洋生物学家莱切尔. 卡逊 ( r a c h e l c a r s o n ) 撰写 的 寂静的春天( s i l e n t s p r i n g ) 一书中，就以夸张的手法初步向 人类揭示 了农药污染对人类的影响和对环境的破坏。目 前世界各国政府和科学工作者对 由于农药的大量使用而可能对人类健康和环境的影响都给予了高度的重视。农 药的大量使用，对土壤及地下水的污染日 趋严重，对生物多样性产生重大影响， 农药的三致作用和对生殖性能的影响对人类的身心健康产生重大危害，特别是 那些残留时间长的持久性污染物.因此，联合国 环境委员会 ( u n i t e d n a t i o n s e n v i r o n m e n t a l p r o g r a m m e ， 简称u n e p ) 在1 9 9 5 年公布t 1 2 种持久性有机污染 物( p e r s i s t e n t o r g a n i c p o l l u t a n t s ， 简称p o p s ) : d d t , c h l o r d a n e , h e p t a c h l o r , a l d r i n , d i e l d r i n , e n d r i n , t o x a p h e n e , m i r e x , h e x a c h l o r o b e n z e n e ( h c b ) , p c b s , p o l y c h l o r i n a t e d d i b e n z o - p - d i o x i n s , p o l y c h l o r i n a t e d d i b e n z o f u r a n s ( 其中前9 个是有机氛农药) ，并极力呼吁全球停止使用这些农药 a 我国是一个农业大国，剧毒农药已成为一个影响人民身体健康的具有普遍 性的问题.在我国农药污染面积大，影响范围 广，农药品种老化，剂型较单一， 农药质量低劣，各类农药品种的比例不合理。这些都使得我国的农药新品种开 发和污染防治更加刻不容缓。因此，农药的广泛使用与生态环境保护的矛盾日 . 益突出，研制高效、低毒、低残留农药品种显得日 益迫切。同时， 对农药使用 过程中的环境行为进行深入研究，以掌握其变化规律并寻求治理的方法也日 益 受到人类的重视. 九九级硕士研究生毕业论文 农药在环境中迁移转化是一个复杂的过程il l ，主要包括物理过程、化学过 程和生物过程，详见图 1 - l : 物理过程 干 农药的迁移转化过程化学过程 吸附和分配 挥发 淋溶 水解 光解 氧化还原反应 生物过程生物富集 生物降解 图1 - 1农药主要的迁移转化行为 尽管有机物的物理化学性质是它们在环境中潜在行为的一个重要指标，然 而环境变量也是同样重要。施用环境的不同，决定了农药迁移转化的不同，决 定了农药最终归宿的不同。下面将重点讨论农药在常见使用介质土壤中的环境 行为。 土壤是由固、液、气三相物质形成的疏松多孔体。固相物质包括矿物质、 有机质和土壤微生物。在固相物质之间为形状和大小不同的孔隙， 在孔隙中存 在水分和空气。土壤三相物质的比率因土壤种类而异，并且经常发生变化。土 壤是陆地生态系统物质循环和能量交换的中 心， 研究表明 使用的 农药8 0 % - - 9 0 % 的量最终进入土壤，农药对土壤的污染与使用农药的理化性质、自 然环境条件 以 及农药使用的历史等密切相关。 进入土壤的农药， 将发生被土壤颗粒和有机质吸附、 随水分向四周流动( 地 表径流)或向深层土壤移动 ( 淋溶) 、向大气中挥发扩散、被作物吸收、被土壤 和土壤微生物降解等一系列物理、化学和生物过程，见图1 - 2 0 1 : 一一一一一一一二垫竺翌塑全燮丝竺_ 作物吸收 土 。些 nf 土 。fih 图1 - 2 农药在土壤中的迁移转化 农药的土壤吸附作用是指土壤作用力使农药聚集在土壤颗粒表面，致使土 壤颗粒与土壤溶液界面上的农药浓度大于土壤本体中农药浓度的现象。农药的 土壤吸附是农药环境行为的一个重要指标，是新农药筛选、开发与使用登记的 重要参数。在土壤与水组成的混合体系中，土壤对农药的吸附作用与解吸作用 处于一种动态平衡状态，当混合体系的水相农药浓度高于平衡状态所需浓度时， 主要表现为吸附作用;反之，当水相农药浓度低于平衡状态时，则主要表现为 解吸作用，解吸作用是农药吸附作用的反过程。 研究土壤吸附通常是测定吸附等温线，在环境化学中最常用和最基本的吸 附 等温线是l a n g m u i r 和f r e u n d l i c h 等温线， 其表达式为: 1 ) l a n g m u i r 等温式: 因 一 c 1 c 面 石 “ vj m k b 了 式中， c为吸附质的平衡浓度， x / m为吸附量， 凡为最大吸附 量。 2 ) f r e u n d l i c h 等温式: x/ m = kc ， ( 1 2 ) 式中， c为吸附质的平衡浓度，x / m为吸附量，k和n 为系数。 农药的土壤降解是指农药在成土因子、自 然环境条件与田间耕作等因素的 共同作用下，逐渐由农药母体大分子分解成小分子，最终转变为水、二氧化碳 等后失去毒性和生物学活性的过程。不同的农药，因其自身分子结构的不同， 在土壤中的降解过程也不一样。农药在土壤中降解主要过程有氧化作用、还原 一一一一一一一一一一一一业h鲤宝 作用、水解作用与链接作用等多种，土壤中农药的降解通常至少有两个或多个 作用的组合。 农药在土壤中的移动性 ( 淋溶) ，目 前通常采用h e l l i n g 的 土壤薄层分析法， 以 农药在薄板上的迁移率 ( r f ) 表示， 根据r f 值的大小，划分为5 个等级， 该 值越大，表示移动性越强，反之越弱。对于农药在土壤中的挥发，因其蒸汽压、 分子结构以及土壤对农药的吸附作用的差异而有显著的不同。 总之，农田土壤残留的农药可通过降解、移动、挥发以及被作物吸收等多 种途径逐渐在土壤中消失。农药残留分解一半所需的时间称为农药的残留半衰 期，农药的半衰期是农药在土壤中稳定性和持久性的重要标志，是评价农药药 效与对环境污染的重要参数。 1 .2 在对映体水平上研究手性污染物 1 .2 . 1 农药的手性特征 实物与镜像不能重盛的 现象称为手性 ( c h i r a l i t y ) a 7 . 手性分子存在着一 对互为镜像关系而又不能重叠的异构体，这样的异构体称之为对映异构体 ( e n a n t i o m e r ) ， 简称对映体. 手性分子的一对对映 体， 具有相同的 沸点、 熔点、 溶解度等物理性质，在非手性环境中化学性质也完全相同。但它们对平面偏振 光的作用不同:一个使其右旋，符号为 ( +)，称为右旋体;另一个使其左旋， 符号为 ( 一 ) ，称为左旋体，向右及向左旋转的角度相同，因此对映体也称为旋 光异构体或光学异构体 ( o p t i c a l i s o m e r ) , . 等量的左旋体和右旋体的混合物称 为外消旋体( r a c e m a t e ) 。 手性是自 然界的 本质属性之一， 它在宇宙间普遍存在， 是大分子和分子水平呈现多种现象的源泉， 控制着有机体的环境和生存。 手性对生物机制的影响是深远的，在生物化学和药物化学中，手性药物异 构体之间存在着明显的代谢和药理 作用的差别f l ， 这种差异的产生与有机体内 的手性环境密切相关。生物体内的蛋白质、酶及由酶催化产生的底物均具有手 性的生物大分子，与之作用的手性药物产生作用途径和药理的差异便不难理解 了。当手性药物的另一异构体是无效或低效时则仅增加了药量与成本，但当它 有害甚至有严重副作用时，明确其毒性机理并严格提纯有效异构体便是必须的 九九级硕士研究生毕业论文 了， 否则带 来的 危害是显 而易见的， 关于 这方面的 报道很多5 , “ 。 与之类似，农用化学品的手性问题同样突出。现今使用的农药中，手性化 合物占有相当比例，其不同异构体存在明显的活性差异，澳氰菊酷便是一个典 型例子 7 1 。 它是一种旋光活性的杀虫剂，有三个手性中心，8个旋光异构体， 其中 ( r , r , s ) 活性最大，( r , s , s ) 有小活性， 其它6 个异构体完全无活性， 由此简单计算以外消旋形式出售的澳氰菊醋的有效成分仅占 其总量的 1 / 4弱。 再如芳氧基丙酸类除草剂如 2 , 4 一 滴丙酸( d c p p ) 、2甲4氯丙酸( m c p p ) 等，其除 草活性几乎全部集中在 r 一 对映体上，而s 一 对映体几乎没有除草活性 e , “ 。对新 型丙硫基不对称有机磷杀虫剂丙澳磷，其旋光异构体在抑制乙酞胆碱酷酶 ( a c h e )活性，杀虫活性和对温血动物毒性等方面均表现了明显的立体选择性 10 1 ，见表 1 - 1 。 其它有关手性农药异构体活性差异的研究可参见文献g 一 ， 3 1 表 1 - 1 丙澳磷旋光异构体的生物活性比较 异 构 体 i s o ( m o l / l x 1 0 ) 家蝇 甘蓝夜蛾 幼虫 蚊幼虫小白鼠 红血球 a c h e 家蝇头 a c h e 马血清 b u c h e 鼠肝拟除 虫菊醋酶 l d s o ( u g / g ) l d 5 o w/ o p p b l d s o ( u g / g ) + 6 . 21 . 60 . 1 30 . 0 1 92 35 62 7 01 0 0 0 1 4 03 . 16 . 30 . 0 9 561 3x.7 14 4 1 . 2 . 2 在对映体水平上研究手性污染物的 重要意义 在研究手性污染物的环境行为及生态效应时，以前的工作几乎都把它们当 作纯的单一化合物来看待，几乎所有的环境法规亦是如此.但是正如上所述， 生命过程和某些环境行为的立体选择性是必然的规律。手性物质进入生态环境 被生物摄取后，其各个对映体在体内的降解、 代谢、毒性会存在差异，不同生 物可能选择性的摄取、代谢同一手性物质的不同对映体.外消旋体具有相同的 物理化学性质，传输过程 ( 淋洗、挥发、大气沉降)和非生物反应过程 ( 水解 和光解)是不能把对映体区分开的，也不会导致手性污染物的对映体浓度比值 ( e r ) 发生变化。 然而，它们在水和土壤中 在微生物的 作用下， 在生物体内酶 的作用下， 产生了 对映体选择性，导致了非消旋残留 和 e r值的改变。显然这 九九级硕士 研究生毕业论文 些均与各个对映体在环境中的行为及效应紧密相关，故为了研究环境手性化合 物， 必须运用立体选择性分析方法， 在对映体水平上获取准确、 科学的数据 1 4 1 总之，在对映体水平上研究手性污染物是科学发展到今天的必然，正日益 受到众多领域科学工作者们的重视与关注。近十多年来手性化合物的色谱分离 技术迅猛发展， 为研究手性污染物的环境行为差异奠定了技术基础。 1 9 9 1 年f a l l e r 等人运用衍生化p 一 环糊精毛细管气相色谱，测定了北海海水中a 一 六六六的对 映体浓度比 值， 从而首次证实了 手性污染物在环境中降解的 对映体选择性/l 5 , 16 1 从此，在对映体水平上研究手性污染物在国际上逐渐开展起来。最近召开的一 些有关环境科学的国际会议，如环境毒理学与化学学会会议( s e t a c ) 等， 均设 有有关手性污染物的专门讨论会。最新的研究表明，手性污染物有望成为环境 示踪物用于研究污染物的生物地球化学循环1 7 , l e i .另外，一对对映体结构上的 细微差别可引起毒性效应的不同，因而手性物质也有望用作弄清化学品毒理机 制的工具p a l 。再者，手性问题在有机污染物的生物降解研究、生物工程处理技 术、有机物污染的生物修复等方面也将有重要意义。 1 . 2 . 3 手性污染物环境行为的研究现状 目 前国际上手性污染物的研究尚处于刚刚起步阶段，绝大多数工作只是对 环 境样品中 手性污染物 对映 体浓度比 值( e r值 ) 的 测定和调查， 而对手性污 染物 的对映体选择性环境行为进行系统研究的报导只有零星几篇，主要集中在苯氧 烷基酸类除草剂和芳氧苯氧梭酸类除草剂.国内 对环境科学这一起步不久的前 言领域也进行了 探索，张智超等人研究了海河河口 及新港港湾水体中手性污染 物。 -h c h及其手性降解产物的对映体选择性环境行为11 9 1 ，除此以外，我国尚 没有在对映体水平上研究手性污染物的其他报导。张智超等人于2 0 0 0 年申 请了 题为 “ 手性农药的对映体选择性环境行为的基础研究”的国家自 然科学基金， 本论文的 工作便为该基金项目 的 一 部分， 重点 对手性农药喳禾 灵的 对映体选择 性环境行为进行系统的研究。 下面将分别就有机氛、芳氧苯氧梭酸、酞胺等农药品种进行讨论，其中有 机氯杀虫剂虽然目前在世界大多数国家禁用，但其持久性及其残留对生态环境 的严重破坏仍决定了它是目前研究最多的环境污染物。 一一一一一一一一一一一一f l a v k t a 一、 六 六六似c 功对映 体的 环 境 行为 选 择性 工业上六六六是由苯在紫外光照射下氛化而成的，典型工业品六六六主要 由a、p、y , s 四种异构体组成，其中a 一 六六六含量最多，而杀虫活性则主 要取决于y 一 六六六。a 一 六六六是六六六异构体中唯一具有手性的化合物，其 结构见图 1 - 3 。尽管许多发达国家从 7 0年代起己陆续停止生产和使用六六六， 但一些发展中国家依然不得不将其作为主要的杀虫剂使用，全球累计施用量高 达1 0 0 0 万吨12 0 1 . 至今， a 一 六六六仍在生态系统食物链各个营养级中普遍存在1211。 c , - n . h ch 卜卜a h ch 图1 - 3 a 一 六六六的对映体结构式 a 六六六是第一个得到手性分离的有机氯农药，也是目前研究最多的环境 手性化合物。 其对映体选择性差异在生物体、 海水、 土壤甚至大气中 均有报道。 b i d l e m a n (2 2 1等人对北极附 近食物链中的六六六生物富集进行了测定， 对低 等生 物- 3 鱼( c o d ) . e r值接近于 1 ， 而对高 等级生 物如北极熊、 海豹体内。 一 六 六六的e r 值明 显偏离1 , (+ ) 一 a 一 六六六较。 ) 一 a 一 六六六更容易在生物体内 富 集。 而且同一动物体内不同部位e r值也存在明显差异。如北极熊肝内e r值近似为 3 .6 ，脂肪内则减小为2 .5 。类似生物体内a 一 六六六对映体富集差异的报道还有: 德国海湾比目 鱼肝脏中e r值为0 . 8 - 0 .9 4 1 3 1 ，蓝贻贝的e r值为0 .8 9 ，与相应水 体基本一致，印度驼背海豚的e r值为 1 . 1 - 3 .9 1 1 ，一种港湾海豹脑中的e r值 甚至达到 5 5 .6 12 1 1 。对比以上案例还可发现，不同生物体甚至同一生物由于所处 环境的不同，对。 一 六六六的选择性富集是不同的，e r值的变化十分明显。 海水中。 一 六六六的e r值随水域地理位置的不同而变化。 波罗的 海海水中 。 一 六 六六的e r值为。 .8 5 1 0 .0 3 1z si ， 表明 该 水 体 微生 物 优先降 解 ( +) 一 。 一 六 六 六。 北海东部水域 e r值小于 1( 均值为 。 . 8 5 ) ，而西部水域大于 1( 均值为 1 . 1 5 ) . 一一一一一一一一一一一一卫垫鲤型逛 文 部分水域接近于1 12 7 1 。 淡水中同样存在a 一 六六六的对映体选择性降解， f a l c o n e r 12 8 1 发现北极的a m i t a k 湖该杀虫剂的e r值为0 .7 7 ( 1 5 - 2 5 米处) ，而表层流动水的 e r值随支流流入量而变化。 土壤中同 样存在a 一 六六六的对映体降解选择性。 m u l l e r (2 9 1 测定出一家曾生 产六六六的工厂附近土壤中a 一 六六六的e r值为 1 .0 9 9 0 f r as e r 谷地是北美英属 哥伦比亚一处大的蔬菜产地，六十年代至七十年代中期曾广泛试用过包括六六 六等有机抓农药。f a lc o n e r 等人13 0 1测定了该地区农场土壤中残留a 一 六六六的e r 值， 结 果表明: 腐 殖型土壤中 。 ) 一 。 一 六六 六优先降 解 ( e r值为 1 .2 0 - 1 . 3 8 ) ， 而 壤土型土壤中a 一 六六六几乎以 外消旋体形式存在 ( e r 值为。 .9 7 - 1 .0 3 7 ) 0 除去以上相关报导，r i d a l l 1等人发现a 一 六六六可用作大气一 水气体交换的 示踪物， 对1 9 9 3 年5 至1 0 月期间安大略湖表层水和湖面上空1 0 米处大气样品 进行了。 一 六六六e r值的测定。表层水的e r值为0 . 8 5 士 0 .0 2 ， 大气的e r值呈 季节性变化， 春秋两季接近 1 .0 0 , 夏季最低值约为 0 .9 0 。又假设气团 在水体上 空流动时只与水体交换对映体而不与周围大气发生交换， r i d a l 等人建立了 简单 的大气一 水体交换模型，并进一步计算出该期间湖面上大气中的a 一 六六六有 1 0 - 5 0 % 来自 于湖水中a 一 六六六的挥发。 国内张智超等人1 91 以全甲 墓化的0 - c d柱做手性分离柱，首次测定了我国 天然水体中。 一 六六六的对映体浓度比 值. 初春和初夏季节天津新港港湾海水中 a 一 六六六的降解存在对映体选择性，( 十 )一 。 一 六六六被优先降解.而海河河口 水在以 上两季节中a 一 六六六的 e r值接近于 1 ， 其原因可能是附近有经常排放 a 一 六六六的污染源。图1 一是河口 水和港湾水中a 一 六六六测试图四。 .、.!尸成 图1 - 4河口 水 样( 左 ) 和港 湾水 样 ( 右 ) 中q 一 六 六 六对映 体拆 分 色谱图 一一一一一一一一一一一一二o l 同 样样品中b 9 - 1 6 7 9的 e r值，不同鱼类为1 . 0 8 - 1 . 1 3 ，猴子脂肪为1 .4 ，人奶为1 .0 6 - 1 .3 3 . f a l c o n e r (3 0 ) tq j 定了七十年代中期以前曾广泛使用过氯丹和七氮农药的农场土 壤中氛丹及其代谢产物氧化氛丹、七氯及其代谢产物顺式环氧化物的 e r值。 氧化氯丹为 0 .6 8 - 0 .8 5 ，说明土壤微生物对其母体化合物的降解有明显的对映体 选择性，但氯丹却以外消旋体形式存在，作者将其解释为氧化抓丹的浓度相对 氯丹非常低，不足以改变氯丹的对映体组成。七氯利顷 式环氧化物的 e r值分 别为1 . 1 1 和 1 .2 3 - 1 .3 8 ， 有明显的对映体选择性。另外有关生物体内 氛丹选择性 富集的报道也很多，可参见文献 3 9 - 4 0 0 多氛联苯 ( p c b )的研究报道举例如下:g l a u s c h ( )用 md g c技术测定了 人奶中p c b 1 3 2 的e r 值为0 .4 - 0 .9 . b e n i c k a (4 2 (等人也用m d g c技术测试出 底泥 样品中p c b 9 5的e r值为0 . 6 ，而p c b 9 1的e r值为1 , 四、 苯氧烷基酸和芳氧苯氧狡酸类除 草剂对映体的 环境行为 选择性 苯氧烷基酸是一类重要的除草剂， 其中最重要的是苯氧乙酸类和2 一 苯氧丙 酸类化合物， 包括m c p a , 2 , 4 - d , m c p p , d c p p 和其它( 结构见图1 - 6 所示) 。 mc p p 和d c p p 是两个手性化合物， 它们的r体有除草活性， 而s 体没有。 d c p p 和mc p p 是该类农药中研究最多的。 h i ( c l) c 卜 屯 少 一 o o o h/ / h ch ic- q j- 丫ooh chi 曰 ( r ) - m c p p归c m 口c p p ) cw( c o 黔 0hci chi 9 必 。 丫 o oh 图1 一 苯氧烷基酸除草剂的结构 l u d w i g 143 1等 人对 海 水中d c p p 的 降 解 进 行了 研究， 结 果 表明 灭 菌 海 水中 d c p p 的降 解速度明 显减缓， 且e r 值接近于1 ， 在未灭菌海水中r体的降 解明 九九级硕士研究生毕业论文 显快于s 体， 2 1 天后e r值达到1 .4 1 . l u d w i g 等人还研究了降解过程中降解产 物2 ,4 - d c p 的变化趋势。 g a r r i s o n ( 等人利用电 泳技术研究7 d c p p 和m c p p 在土壤中的降解情况， 以t m - r - c d 为手性选择剂， 两种农药得到很好手性分离。 降 解结 果 确正了 异构体的 选择性差异。 但与l u d w i g 等人的 结果不同 的 是， 该 实验中s体的降解速度快于r体，类似现象也出现在六六六的研究中。可见不 同介质环境下微生物降解机制是不同的，具体的作用原理仍有待于进一步研究。 b u s e r 和 m i i l l e r 用 h r g c / ms在实验室条件下研究了苯氧烷基酸除草剂的 选择性降解14 5 1 。 他们在泥土中培育了外消旋的和对映纯的 m c p p和 d c p p做 对照实验。结果表明， 有除草活性的 r体的降解速度明显慢于无除草活性的 s 体的降解速度，在对映纯的mc p p和 d c p p的培育中发现了显著的对映转化即 r ( 或s ) 对 映 体 转 变成s ( 或r ) 对 映 体 由 于 对 映 转 化的 重 要 性， 他 们 又 在d 2 0 / s o il 中 研究了 手性苯氧烷基酸除草剂的对映转化14 6 1 . h - d交换发生在m c p p 和d c p p 的c - 2上，同时发生构型翻转和构型保持以 相当的 速率从一个对映纯化合物 形成两个标记对映化合物。 在m c p a和2 ,4 - d中也观察到了h - d交换。具体过 程见图 1 - 7 所示。 犷伙c o o n d c h a m 一 伙“ 。 。 “ 犷”(r m c pp-2-0 .(d c p p)a r- % / c o o n h ch a - - j n v a r- 0. / c o o n 尹 、/ 、声 cha h ( s ) - m c p 汽d c p p ) ch3 d 侈 m c p p - 2 -0 ( d c p p ) ar 一 。 / 0 0 0 hn - 0 , r/、 ar- %c o o hi d c h 2 d i ( r ) % cp p - 2 ,b d 2 ( d c p p ) h cm ( r ) -m c p p pc p p ) ar- o x c o o h rek i a,- ox c o o h c ha h c h 2 d d 匀翻 (即- 2 . 7 - d 2 巾c p 门 图1 - 7 mc p p 和d c p p 手性异构体的转化示意图 b u s e r 和 m i i l l e r 后来又研究了手性和非手性的苯氧烷基酸除草剂在瑞士湖 “ j_翻盆 一 _ ， e , . 摄 a t ;t , i p 一 一 一一 一 一 一 一 一 一 二 垫 鲤 些 塑 望 丝 丝 匕 一一一一一 一 -一 - 水中的存在情况14 7 1 . 在瑞士的某些河流中 他们发现m c p p的残留成分是r对映 体 s对映体，这和它在泥土中降解情况一致。但令人惊奇的是，在其它一些河 流中却发现了相反的情况即s 对映体 r对映体。这意味着在水环境中其它生物 过程和 / 或另一外消旋 mc p p 污染源的存在。 同时在河水中实验室培育的mc p p 和 d c p p也证实了存在显著的对映转化，这一对映转化是以生物为媒介的，导 致m c p p 和d c p p 在这 些水中以s 一 对映 体富 集 g a r r i s o n 等人14 4 1用h p c e测定d c p p在环境中的对映 选择性降解。d c p p 在 泥土中3 1 天内 完全降 解， 半衰期为6 . 6 天，而且它的降 解有对映选择性， s - 卜 ) - 对映 体 ( t ,n = 4 .4 d ) 降 解明 显 快 于r - ( + ) 一 对 映 体 ( t ,rz 8 .7 d ) . z i p p e r 等 人 14 8 1用g c - m s 研究了 污染水层中m c p p的e r值变化。结果发现在3 1 个水样中有 1 6 个表现 出明 显的冈- m c p p 过量。 芳氧苯氧狡酸类除草剂也是一类常见的除草剂，活性测定显示9- 1 0 1 ，该类除 草剂一般仅有 r体有效.d e s i d e r i o l4 i 等人以万古霉素为手性试剂，采用电泳技 术成功分离了多种该类农药，并对盖草能进行了土壤降解实验，结果表明存在 明 显的 对映 体选择性， s 体降 解速 度大大 快于r体。 b e w i c k lm l 与w i n k 15 31等人分 别研究了毗氟禾草灵( f l u a z i f o p - b u t y l ) 、禾草灵( d i c l o f o p - m e t h y l ) 和恶p4禾草灵 ( f e n o x a p r o p - e t h y l ) 在土壤中的 立体 选 择性转 化。 实 验结 果显示r或s 单 体 在降 解过程中存在明显的异构体转化，单体的施用并未起到有效排除非显效异构体 对环境 污染的目 的。图1 - 8 和1 - 9 分别为f e n o x a p r o p - e t h y l 的 色谱手 性分离图 和 r与s 单体的对映转化示意图。 帅时 公甘u门qjo的口哎 .几 0 1 0 2 0 3 0 t i me ( mw 图1 - 8 f e n o x a p r o p - e t h y 】 的 色 谱 手 性 分 离 图 一止 址泣 异 共 几 、 i i , ; 九九级硕士研究生毕业论文 t i me ( d a y s ) o t 2 3 6 丫i me。 : y 9(d a y s ) 图1 - 9 f e n o a a p r o p - e t h y l 的r与s 单 体降 解示 意图 ( a : r体 b : s 体 ) 手性农药的不对称合成是目 前有机合成中的 热点， 它基于如下考虑: 使用 手性农药有效异构体可有效消除非有效异构体对环境及人体的污染，并降低生 产成本与效率.但目 前的对映体环境行为差异研究表明手性异构体之间存在不 容忽视的转化作用，这一现象是否所有手性化合物在所有环境介质条件下均存 在仍不清楚。异构体消解过程中的转化降低了手性农药单体合成的必要性，人 类必须采用新的方法消除非有效体农药对环境与人体的危害。由此说明手性污 染 物 环 境 行 为 的 重 要 性。 由 于 受 到 单 一 旋 光 异 构 体 不 易 得 到 的 限 制， 该 方 面 的 研究仅限于上述几种化合物。 五、其他农药品种对映体的环境行为选择性- 除以 上几类农药外，其他手性农药的环境行为差异研究相对较少， 这可能 与菊酷、有机磷、三哇等农药手性分离手段多限于液相，且农药纯品不易得到 有关。 酞胺类农药有几篇类似的报道n a a q ，甲草胺、异丙甲草胺是研究较多的两 个品种，对映体降解过程中的选择性是明显的.m u l l e r 和b u s e r ln t的研究指出酞 胺存在轴手性和碳手性两种手性中心，而轴手性由于互变能较低，在温度较低 时会发生外消旋，这是在对酞胺除草剂研究时必须注意的。同时轴手性异构体 很难达到基线分离，结果的测定往往不太令人满意。m u l l e r 和b u s e r 15 3 !还提出了 九九级硕士研究生毕业论文 手性物质降解的一般动力学模型，他们认为两对映体浓度的对数与降解时间之 间为线形关系，对映体浓度比值 ( e r )的对数与时间也是线形关系，但是两对 映体总浓度的对数与时间的关系却为非线性，尤其在降解初期为凹曲 线。 关于菊酷，日 本的s h i n o i 等进行过对映体选择性的研究15 5 1 , r体快于s体 降 解是该类农药的特点。二手性中心农药的 研究给出了r r r s s r s s的 顺序， r r体是s s 体降 解的几十倍。 其他农药品种，l e w i s (56 1研究了r u e l e n e 和 d c p p在巴西农场土、美国森林 土和挪威高原土地实验室和自 然环境降解，不同的土样会优先降解不同的旋光 异构体，说明环境条件对农药环境行为选择性差异有着重要影响，对提取的优 先降 解菌的基因测试也证明了 这一论断。 其他的有 机磷农药类似研究仅有 5 7 一篇，三哇类则未有人涉及。 1 . 3 农 药的 生 物降 解 研究 综述 1 .3 . 1 农药的 生物降解 微生物对农药的降 解作用称为生 物降 解国， 这里的 微生 物通常指细菌、 真 菌、藻类、放线菌等。根据有机污染物被微生物降解的能力可将有机污染物分 为四类:1 )可以立即被微生物利用作为能量和营养来源的: 2 )能够逐步被微 生物分解的;3 )生物降解十分缓慢或者根本就不能降解的;4 )可以通过共代 谢作用分解的。有机污染物与微生物的此类关系是不固定的，不同微生物对同 一种有机污染物的反应是不同的. 前三种有机污染物的生物降解过程如图 1 - 1 0 所示: 图1 - 1 0污染物的 生物降解过程 t生物降解十分缓慢或不降解 2能够逐步被微生物分解利用 3可以立即被微生物作为能量和营养来源的 !|划坦浑以笔 时间 一 _二二 二山 众 澎腐耘 汰纽_， 、 砒 氯 鲡 氦 九九级硕士研究生毕业论文 一般来讲，第一类污染物包括简单的糖、脂肪酸和一些涉及典型代谢途径 的污染物。第二类污染物的降解需要一个驯化期，它表示微生物对有机污染物 的适应过程所需要的时间. 微生物的生物降解有两个基本方程，一是描述降解微生物群体在污染物生 物降解过程中的生长，称双曲线规律。另一个是描述污染物的降解与时间的关 系， 称幕指数规律。前者假定所有消耗的污染物完全转变为微生物增长的重量， 而且只有单种营养物可以被利用，微生物增长的速率和培养基质浓度之间的关 系由莫诺特方程描述 ( 双曲线方程) : .(1.3) 召 = 尸 -.k v + s 式中，u 为 微生物的 增长速率， 代表单位质量生 物的 增长速率，u , 。 为最 大 微生 物增 长 速 率， s 为 污染 物的 浓 度， k : 为 对 应于u - / 2 时 的 污 染 物的 浓 度。 幕指数规律认为生物降解反应速率与基质浓度的乘方成正比: -d s / d t = 凡s 式中，n 为反应级数，5 为基质浓度， ( 1 . 4 ) k b 为生物降 解速率常数。 当 n = 1时，就是一级反应，其速率等于速率常数与基质浓度的乘积。一级 反应常出现在均相介质中，当污染物的浓度较低时，生物降解的一级反应假设 是合理的，然而对于一个变化而复杂的体系， 如土壤，则这个假设可能会出现 许多例外。在天然条件下测定土壤中污染物消失速率， 通常比 荃于实验结果所 预测的低。 1 . 3 . 2 影响生物降解的环境因素 土壤中农药的降解是一个复杂的过程，土壤性质、温度、含水量等环境因 素均对农药的降解产生重要影响.环境条件的变化是通过控制微生物的活性或 改变化合物的生物可得性而影响 化合物的生物降解的。 1 )土壤性质 土壤性质参数具体包括土壤类别、质地、有机质含量等。 r o b e r t s l i等人测定了 甲 佩菊醋 在沙壤土 和翰土中的 降 解半衰期分别为4 周 和1 6 周， 差别巨 大的原因仍有待研究。 叙菊酷(6 0 1在三种土壤 ( 东北黑土、华北 褐土、华南红土)中的半衰期为3 0 天、2 0 天和3 9 天。 刘传飞r f 1 测定烯效哇的 “ 狐“ 几 势减 ha任 杯象 一蘸 翩鑫 一一一一一一一一一一一一边四 u f 半衰期数值为花生地: 2 5 d ，油菜地: 2 6 . 5 d ,稻田地: 3 0 d . 2 )容氧量 土壤微生物对农药的降解大多是需氧过程，因此好氧条件下的降解速率往 往大于厌氧条件。 第 5 9 6 2 等文 献中 有具体比 较数值。 3 )湿度 在土壤中，湿度是一个重要的环境因素。一般含水量越大，降解越快。例 如r o b e r t s 15 9 1对甲氛菊酷的测定中，1 6 % 含水量壤土半衰期为4 周， 6 %时则为1 6 周。首先大多数微生物都需要水分，它们在干性条件下不能生存，在有水分的 情况下代谢活性增加. 其次湿度可控制氧的水平， 当水所充满的微孔大于8 0 - 9 0 % 时，即 气体所充满的微孔低于1 0 - 2 0 % 时，土壤就从好氧条件转化为厌氧条件。 4 ) p h值 p h值对有些化学反应的催化促进作用是众所周知的，而且不同的微生物有 不同的适宜p h值范围，化合物在不同p h值下也会呈现不同的状态。p h值对 降解的影响就不难理解了 5 )温度 很容易理解，温度升高 降解，其与温度的关系可由 y = a e -fj e7 ( 微生物能够容忍的范围内) 会促进农药的微生物 公式描迷: ( 1 . 5 ) 式中， y 为温度校正生物降解速率， a为反应的 起始速率， 氏为反应活化能， r为气体常数， t 为温度. 例如温度变化对石油生物降解速率有重要影响，中 温性的假单胞菌降解石 油时 ， 2 5 时降 解 速 率为0 .