（环境工程专业论文）拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究.pdf

南京理工大学硕士论文拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 摘要 本课题研究了联苯菊酯、氯氟氰菊酯和溴氰菊酯三种拟除虫菊酯农药在南京 黄棕壤中的迁移降解规律，并对其迁移降解规律进行了对比，采用g c e c d 对 农药进行定量。实验采用室内模拟土柱淋溶方法研究拟除虫菊酯的迁移规律，结 果表明三种农药的在弱酸性土壤中均属不易移动农药，其迁移性能强弱顺序依次 为溴氰菊酯、联苯菊酯、氯氟氰菊酯，水溶性的不同是造成其移动性能差异的主 要原因。三种农药的降解实验结果表明，联苯菊酯、氯氟氰菊酯和溴氰菊酯在南 京黄棕壤中的降解半衰期分别为6 3 5 9 d ，】6 9 5 d 和1 0 6 1 d ，均属低残留农药。在 g c m s 基础上，建立了g c m s - s i s 和g c m s m s 同时检测三种拟除虫菊酯农 药残留的方法，结果表明采用g c m s s i s 和g c m s m s 可有效克服杂质干扰， 提高了这三种拟除虫菊酯农药检测的灵敏度，降低检测限。 关键词：拟除虫菊酯迁移降解g c m s s i sg c m s - m s 南京理工大学碗士论文 拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 a b s t r a c t u n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，t h et r a n s p o r t a t i o na n dd e g r a d a t i o nt r e n d so ft h r e e p y r e t h r o i d s ，b i f e n t h r i n ，c y h a l o t h f i na n dd e l t a m e t h r i ni nt h es n u f f s o i lo f n a n j i n gw e r e s t u d i e d ，a n dt h et r e n d so ft h e s et h r e ep y r e t h r o i d sw e r ea l s oc o n t r a s t e d g c e c dw a s u s e dt od e t e r m i n et h ep y r e t h r o i d s t h et r a n s p o r t a t i o nt r e n d so fp y r e h t r o i d sw e r e i n v e s t i g a t e db ys i m u l a t i n gs o i lc o l u m n si nl a b o r a t o r y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s e t h r e ep y r e t h r o i d sa r ea l ld i f f i c u l tt om o v ei nt h es o i lw i t hl o wp hv a l u e t h ea b i l i t i e s o ft r a n s p o r t a t i o no fc y h a l o t h r i n ，b i f e n t h r i na n dd e l t a m e t h r i na r ee n h a n c e di nt u r n ， m a i n l yd u et ot h ed i f f e r e n c eo fw a t e r - s o l u b i l i t yo ft h e s et h r e ep y r e t h r o i d s t h e d e g r a d a t i o ne x p e r i m e n t si n d i c a t et h a t t h eh a l f - l i f ev a l u e so fb i f e n t h r i n ，c y h a l o t h r i n a n dd e l t a m e t h r i ni nt h es n u f fs o i lo fn a n j i n ga l e6 3 5 9 d ，1 6 9 5 da n d1 0 6 1 d r e s p e c t i v e l y ，t h e ya r e a l ll o w - l e v e lr e s i d u ep e s t i c i d e s i na d d i t i o n ，b a s e do nt h e m e t h o do fg c - m s ，t h em e t h o d so fg c m s s i sa n dg c - m s - m sw e r ed e v e l o p e dt o d e t e r m i n et h e s ep y r e t h r o i d si ne n v i r o n m e n t a ls o i ls a m p l e ss i m u l t a n e o u s l y b yu s i n g t h e s em e t h o d s ，t h ei n f l u e n c eo fi m p o r i t yc a l lb ee f f e c t i v e l ya v o i d e d ，a n da r em o r e s e n s i t i v ea n da c c u r a t ew h i l ed e t e c t i n gt h e s ep y r e t h r o i d si nt r a c el e v e l k e yw o r d s ：p y r e t h r o i dt r a n s p o r t a t i o nd e g r a d a t i o n g c - - m s - s i sg c m s - m s 】 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包畲我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：越研年锄。日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研触姆旌斫钿多日 南京理工大学硕士论文拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 1 引言 i 1 农药的发展 在世界人口不断增长的今天，粮食需求将越来越趋于紧张，估计到2 0 2 0 年， 世界粮食需求量将由2 0 0 0 年的1 9 0 4 亿吨增长至2 4 8 7 亿吨，但耕地却有减无增 f ”。同时，当前在农业生产中，农作物遭受病虫草等危害的情况也年年总有发生。 据统计【2 】，全世界每年因受病虫草害而减少的粮食产量，约占粮食总量的3 0 左 右。农药在粮食增产方面发挥着极为重要的作用，可以说如果没有农药等化学品 的应用，全世界就会有上亿人面临着饥饿的威胁。在今后相当长的时期内，农药 仍将是实现粮食产量增加的重要措施之一。 农药的发展经历了天然药物时代、无机合成农药时代、有机合成农药时代三 个部分。2 0 世纪4 0 年代出现了大量的有机合成农药，它们具有类型多、药效高、 应用范围广等优点，这使得无机农药无法与之抗衡而用量锐减，促使农药进入了 有机合成的时代。在这个时代早期，有机氯、有机磷和氨基甲酸甲酯是杀虫剂的 三大支柱，它们在防治农业和卫生害虫方面起过极其重要的作用。有机磷杀虫剂 具有药效赢、杀虫谱广、价格低和使用方便等优点，长期以来在杀虫剂工业中占 据统治地位。但是，这类杀虫剂对包括昆虫和人在内的所有以乙酰胆碱酯酶为神 经传导介质的生物都具有杀伤作用，特别是某些品种存在急性毒性过高和迟发性 神经毒性问题，从而使有机磷杀虫剂的发展受到迸一步限制，如甲胺磷等4 个高 毒品种已被列入p i c 公约，其它一些品种也开始在世界各国受到限制或禁用。 另外，有机磷杀虫剂本身存在的抗性问题阻及近2 0 年来拟除虫菊酯类和杂环类 杀虫剂的异军突起，对有机磷杀虫剂的发展也有一定的影响【3 】。 拟除虫菊酯类杀虫剂是7 0 年代中期开始大量使用的新型农药，它是天然的 除虫菊酯的模拟物，生物降解性好，对环境影响小。由于不断地探索研究，通过 引入新的基团进行分子结构优化和对同分异构体的组合、拆分，至今已有5 0 余 品种，相比天然菊酯杀虫活性最高的菊酯，大部分高效、广谱、光稳定性好，可 用于大田，农药用量可比常规药量低一个数量级或更少，而且品种众多，形成各 具特色的产品类型。目前拟除虫菊酯占全球杀虫剂市场的2 0 ，每年销售额约 1 5 6 0 0 0 美元，9 5 用于农业治虫，主要是棉花、水果和蔬菜，少部分用于畜禽、 公共卫生和家庭。尽管大部分菊酯类农药因高鱼毒不适用于水田，而我国是大量 种植水稻的国家，但仍然是大量使用的一种品种，主要用于果蔬、棉花和家庭。 从近年的情况来看，拟除虫菊酯是农用及卫生杀虫剂的主要支柱之一，使用面积 占整个杀虫剂使用面积的2 5 1 3 a j 。 近年来，杂环类杀虫剂在世界范围内发展最快，由于它具有超高效、杀虫谱 广、作用机制独特、对环境相容性好等特点，正在逐步取代高毒高残留农药，成 南京理工大学硕士论文拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 为防治害虫的重要手段。但同时也应该看到，一些杂环类杀虫剂的合成工艺较为 复杂，生产成本相对较高，不利于大范围内推广应用。 总之，新农药的开发朝着高效、低污染、低毒的方向发展，并且随着国内外 对农药引起环境污染问题的高度重视，不断淘汰对环境有害的农药，逐步推广低 毒无害或生物农药1 5 j 口 1 2 农药的危害性 农药的使用是农业生产上的一次飞跃，但是在农药的使用过程中由于没有采 取有效的防治措施，及时进行化学农药的合理转换，结果导致农药污染日趋严重， 带来了许多问题。 1 2 1 农药对人体健康和动植物的危害 近几年来我国高毒农药的频繁使用，引发了环境、农副产品的农残污染，使 得农药中毒事故屡见不鲜。每年因农药污染、中毒事故造成了大量人畜伤亡和巨 大经济损失，对我国农业经济的可持续发展带来了严重的负面影响。据统计 6 】， 1 9 9 2 1 9 9 6 年间我国就发生农药中毒2 4 7 3 4 9 例，死亡2 4 6 1 2 人，而近十年来， 我国平均每年有1 0 万人发生中毒事故，死亡约l 万人p l ，每年因农药中毒的人 数已占世界同类中毒伤亡事故的5 0 【8 】，表明农药造成的人畜伤亡己成为亟需 解决的社会问题。 1 2 2 农药的残留对环境的影响 农药残留问题是人们长期以来都非常关注的问题，农药在防治作物病虫草害 以后，一个时期内没有被分解、解毒，仍残存在作物、土壤、水源和大气中，这 部分残存农药及其有毒衍生物，即是农药残留物，它对人的毒害多为慢性中毒危 害。有机氯农药也主要是由于其残留和残毒问题而退出舞台。以前曾广泛使用的 含汞、含砷、有机氯农药至今仍是土壤污染的重要因素。现在人们使用的有机磷 等农药虽然易于降解，但施用量大时也会造成大面积土壤污染。另外，土壤中 的残留农药是地下水内污染农药和农作物体内积累农药的主要来源1 9 】。目前，为 保证农林业的丰收，农药的生产和使用量逐渐增加，但大约9 0 的农药不是作用 于靶生物而是通过空气、土壤和水扩散到周围的环境中f l0 1 。尽管目前我国所使 用的农药中9 0 以上为高效、低残留农药，但低残留并不等于其已分解、转化， 有相当一部分农药与土壤形成结合残留物。有研究表明 i l l ，农药在土壤中的结合 残留量一般占旋药量的2 0 7 0 。农药残留物与土壤的结合可使残留物暂时避 免分解或矿化，但仍可因微生物、土壤生物的活动而释放出来。长期储存于土壤 中的结合残留农药一旦被活化后突然释放出来将产生难以预计的有害效应。由于 南京理工大学硕士论文拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 高残留农药的使用，使得农作物遭到污染。如六六六、d d t 等农药，到1 9 8 3 年 禁用时，各地粮食中有机氯的残留量己达到较高水平。而作为替代品种的有机磷 农药在施用量较大时，污染情况也十分严重。在我国蔬菜和一些畜产品中已发现 了农药残留p j 。 拟除虫菊酯类农药的生物降解性较好，相对其它类型农药对环境的影响较 小，但仍然存在一些不容忽视的影响。拟除虫菊酯对蜜蜂、水生动植物包括鱼类 毒性很大，它们可以杀虫，也可以致死鱼类。当有机磷农药与拟除虫菊酯混合使 用时，有机磷农药能抑制拟除虫菊酯在人体内的水解作用，使其毒性作用时间延 长t 1 2 i 。同时，拟除虫菊酯的抗药性问题和残留问题也已引起人们的广泛关注， 并且开始制约这类杀虫剂的进一步发展。 1 3 国内外研究情况 农药对环境产生的危害主要有两种途径：一种是因其自身毒性强，短期内即 对人和动植物造成危害；另一种是因为其残留水平高，难降解，持续时间长，在 环境中不断积累而造成危害。目前，人们大量使用的有机磷、有机氮、拟除虫菊 酯类等替代农药都具有降解快，残留期短等特点。对于土壤中农药，其残留性可 根据降解半衰期大小划分为3 个等级：t l ，2 小于3 个月为易降解农药，3 1 2 个 月为中等残留农药，大于1 2 个月为长残留农药【9 1 。这些替代农药的使用在某些 方面缓解了农药对环境的危害，但是，这些农药的使用同样会带来不容忽视的环 境问题，为了对替代农药的环境安全性作出正确评价，科技工作者围绕其在土壤 中的迁移转化规律，进行了大量的研究工作，这些工作主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 土壤对农药的吸附能力直接影响农药在土壤中的迁移。这一方面的研究一 般多采用实验室模拟土柱淋溶、薄层层析和田间淋溶实验，研究农药在不 同性质土壤中的迁移规律以及土壤对农药的吸附和脱附情况。 ( 2 ) 土壤的p h 、有机质含量等不同都会直接影响到农药在土壤中的降解。因此， 采用室内模拟或田间添加实验研究农药在不同性质土壤中的降解，确定农 药母体在土壤中的降解半衰期是目前针对农药作的较多的一项研究。何华， 徐存华等【1 3 】研究了高效氯氰菊酯两个异构体在三种不同性质土壤中的降 解动态，得出其在各种土壤中的降解方程。 ( 3 ) 农药降解受到温度、光照、土壤p h 值等因素的影响。因此，也有不少科 研人员研究农药在不同温度、光照、p h 值等条件下的降解变化规律，寻求 各因素对农药降解的影响规律。何华、徐存华等【h 1 研究了三种丙烯菊酯系 列农药在水体中的光解以及不冠温度、p h 条件水体中的水解作用，发现 水温的提高与碱性增强均能加速水解过程。朱忠林，单正军等在实验室 条件下研究了溴氟菊酯在不同p h 条件下的水解，并得出其在缓冲溶液中 南京理工大学硕士论文拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 的水解半衰期。 ( 4 ) 几乎每种农药都会在一定的条件下产生一种或多种降解产物。目前，已有 一些针对农药降解产物的研究，多采用气质联用技术或红外光谱对降解产 物进行定性分析，而定量研究相对较少。毕刚，冯子刚等1 16 】采用傅立叶变 换红外光谱法对胺菊酯、甲醚菊酯、丙稀菊酯和氯氰菊酯的标样和光解产 物进行对比，结果表明光解产物中氧的含量有明显提高，证实氧参与了拟 除虫菊酯的光解过程。 1 4 农药残留预处理方法 样品的预处理程序是分析样品的先决条件，它在很大程度上决定了分析结果 的代表性和可靠性。对土壤中农药的残留分析来说，样品的预处理程序主要是包 括农药的提取、浓缩和净化过程。随着农药残留复杂性的增加，对农药的预处理 要求也越来越高，与此同时，也发展出一些较为先进的样品前处理方法。 1 4 1 农药的提取方法 土壤中的有机污染物含量往往较低，般在m g l l a 班的水平，有时甚至 会低至1 1 9 ，l ，并且分散在各种基质中，要直接分析有一定的困难，因此需要采用 物理或化学的方法，将有机污染物分离出来，达到富集的目的，便于随后的分析， 这一过程便称为提取和富集。传统的提取方法有液液提取法、振荡提取法和索氏 提取法，此类方法提取效果较好，但是溶剂使用量大、周期长、易发生样品的污 染和损失，并且后续的净化程序也比较复杂【1 7 】，随着仪器设备技术的发展，一 些高效、快速的预处理方式应运而生。 ( 1 ) 超声波提取( u l t r a s o n i ce x t r a c t i o n ) 超声波提取方法的原理是利用超声空化作用，超声波产生巨大压力对固体样 品直接反复冲击，其产生的微波与辐射力也起到了种搅拌作用，使得固体样品 不断与新鲜溶剂充分接触，从而使固体样品在溶剂中容易分散、乳化，加速了样 品在溶剂中的溶解速度。由于方法简单且成本较低，在广泛使用有机氯农药时期， 曾长期被用来提取土壤和植物中的有机污染物。该法简单易行，节约时间，可以 同时进行多个样品的处理而不需要增加装置【1 8 】。 ( 2 ) 索氏提取( s o x h l c te x t r a c t i o n ) 索氏提取技术是一种传统的液一固相萃取方法。当加热烧瓶时，瓶内溶剂被 蒸出的气体遇冷凝结成液滴反复连续不断地滴入索氏提取管中提取固体样品，是 一种从沉积物、生物组织等固体样品中提取物质的有效方法。该方法的缺点是耗 时( 通常为1 0 - 2 4 h ) ，长时间的索氏高温提取也会影响被提取物的性质。拟除虫 菊酯类农药常用的提取剂有：苯、乙腈、石油醚等。 南京理工大学硕士论文拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 f 3 ) 超临界流体萃取( s u p e r c r i t i c a lf l u i d e x t r a c t i o n ，简称s f e ) s f e 利用在一定的温度和压力下，超临界流体密度大、粘度低、扩散系数高 并兼有气体的渗透性和液体的分配作用的性质，快速地将提取物从液体或固体中 萃取出某些成分并进行分离的技术【1 9 】。该法主要以处理固体样品为主，包括土 壤和生物样品中的农药、多环芳烃、石油烃等污染物的提取，其提取物可直接用 于分析，从而可以免去浓缩过程。国外超临界流体萃取已经很成功应用于环境样 品中的各类污染物，如p c b 、p a h 和除草剂的提取 2 0 2 - 。对菊酯类农药，使用 超临界流体萃取方法也有报道，邱月明，温可可等【2 2 悃s f e 提取谷粮中溴氰菊 酯、氯氰菊酯等四种拟除虫菊酯残留量，回收率和精密度均较高。 ( 4 ) 微波萃取( m i c r oa m p l i t u d ee x t r a c t i o nm a e ) 微波萃取是利用极性分子可迅速吸收微波能量来加热一些具有极性的溶剂， 如乙醇、甲醇、丙酮或水等，在微波缆的作用下将样品中的待测组分容出。微波 萃取主要用于无机分析，到2 0 世纪8 0 年的末期才渐渐扩展到有机分析【2 3 。 随着微波样品制备技术的发展，微波萃取技术被应用到液一固萃取技术上， 被用于制备色谱分析样品，特别是从一些固态样品，如蔬菜、粮食、水果、茶叶、 土壤以及生物样品中萃取残留农药2 “。郝金玉、黄若华等1 2 5 】对微波萃取、索氏 提取和超临界二氧化碳萃取除虫菊酯效果进行比较，结果表明微波萃取法具有萃 取时间短，提取率高，溶剂用量少、产物品质好，色泽浅等优点。 f 5 ) 固摁萃取( s o l 证p h a s ee x t r a c t i o ns p e ) 固相萃取是根据液相色谱分离、解析、浓缩等原理，使样品溶液混合物通过 固定相后，样品中待测组分则保留在固定相中，然后再用洗脱液洗脱或热解吸附， 达到分离待测目标化合物的目的【2 4 j 。与液一液萃取相比固相萃取有很多优点： 固相萃取不需要大量互不相溶的溶剂，处理过程中不会产生乳化现象【2 ”，它采 用高效、高选择性的吸附剂( 固定相) ，能显著减少溶剂的用量，简化样品于处 理过程。 拟除虫菊酯农药的固相萃取法所用的吸附剂多为氟罗里硅土。氟罗里硅土对 亲酯性化合物有特别的吸附作用，适合于油性杂质的净化f 2 7 】。其次为正相的硅 胶吸附柱f 2 3 】。朱九生、乔雄梧等【2 卅选用硅胶微量柱提取土壤中的氯氰菊酯残留 分析中，回收率在8 2 9 1 9 6 3 2 ，变异系数为2 3 3 8 5 2 。 ( 6 ) 固相微萃取技术( s o l i dp h a s em i c r o e x t r a c t i o n ，简称s p m e ) 该技术是在常规s p e 基础上发展起来的，常规s p e 需用少量溶剂作冲洗剂， s p m e 可不用溶剂萃取，是真正意义上的固相萃取f 2 4 】。s p m e 是在注射器的针头 部位涂一层相当于气相色谱固定液的物质或健合一层固定相，直接将其浸入液体 样品或样品的顶空，萃取( 萃取时间大约2 3 0 r n i n ，以达到目标化合物吸附平 南京理工大学硕士论文拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 衡为准p o 川) 、浓缩有机化合物后，随即将注射器直接插入气相色谱等进样口加 热，脱去有机物质，使被测物进入分析器【3 2 , 3 3 。固相微萃取集取样、萃取、富集 和进样于一体，无需溶剂洗脱，操作简单、快速，检测限可达n g g p g 水平f 3 4 】。 s p m e 在1 9 9 0 年首次由加拿大w a t e r l o o 大学的p a w l i s z y n ) ：a ：其同事提出【3 5 ， 1 9 9 4 年即被应用在农药检测中 3 6 ob o y d b o l a n d 3 5 1 将土壤用蒸馏水混合然后将 s p m e 萃- 取纤维直接插入该“泥浆”中萃取。n g 等口已经建立了直接顶空s p m e ：t 吱 术测定土壤样品中的有机磷农药的方法，当土壤样被稀释5 0 时萃取量增j j l l 4 倍 以上。s p m e 对土壤中农药的提取发展较慢主要受两个实验因素制约，首先是土 壤样品中有机物质的存在极大的影响了土壤中化合物的回收率，其次是s p m e 对 土壤样品的定量应用不允许直接使用外标法校正曲线，必须使用内标定量或标准 加入法。但不论怎样，s p m e 作为一种快速、简单、成本低的技术对土壤中农药 残留的检测有着巨大的潜力【3 ”。 1 4 2 农药样品净化方法 净化是根据试样提取液中被测组分或其它组分的物理、化学性质，利用各种 分离方法或技术，把被测组分从样品提取液中分离出来，当只要求分析环境样品 中某一类有机污染物时，多采用净化这种处理方式，或者当待测组分从基质中提 取出来时，不可避免地还会有其它有机化合物，它们的存在会干扰甚至严重干扰 被测组分的定性或定量分析。因此需要采用相应的分离方法与技术，将这些组分 除去。目前常用的方法有液液分配法，吸附柱层析法和固相萃取法等。 液液分配法是利用待测农药与干扰杂质在两种互不相溶的溶剂当中，溶解度 差异而达到分离目的的净化方法，通常的溶剂有：浓硫酸、乙腈一石油醚，二甲 基甲酰胺一石油醚、丙酮一正己烷、二氯甲烷一水等：吸附柱层析法是在玻璃柱 中加入一种或几种吸附剂，待测样品提取液加到柱中后，用淋洗液洗脱，根据吸 附剂对农药与干扰杂质的吸附能力不同，达到分离的目的，常用的吸附剂有：弗 罗里硅土、氧化铝、硅胶、硅藻土、石墨及树脂等等；固相萃取法除了可以用于 提取，也是一种高效的净化方法，在2 0 世纪7 0 年代后期，微型柱( 小柱) 被应 用于农药残留检测工作它能净化和富集分析样品，提高色谱分辨率及分析效果， 保护色谱柱。曾有报道利用固相萃取净化气相色谱法快速测定土壤中的氯氰菊酯 残留，克服了传统的柱层析净化法的费时、费力和费溶剂，实验结果令人满意口8 1 。 南京理工大学硕士论文拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 1 5 农药残留分析方法 1 5 1 薄层色谱法( t h i n l a y e rc h r o m a t o g r a p h y ，t l c ) 薄层色谱法是一种较为成熟的、应用广泛的微量快速检测方法，可同时分析 多个样品，多用于复杂混合物的分离和筛选。t c l 利用特殊的显色剂观察斑点 颜色和用比移值( r f ) 进行定性测定，定量测定可以采用薄层扫描仪进行。该方 法的特点是快速、简便、经济，但其精确度不是太高，检出限通常为o 1 t z g o 0 1 z g 。任荣光t 3 9 j 盘d 采用薄层色谱测定生物检材种的甲氰菊酯的含量，将样品溶 液点于硅胶h s gf 2 5 4 板上，使用不同展开剂展开，用二氯醌氯亚胺一氢氧化钠 做显色剂，回收率达到9 1 ，标准偏差0 2 4 o 2 9 。 1 5 2 气相色谱法( g a sc h r o m a t o g r a p h y ，g c ) 气相色谱分析是目前分析拟除虫菊酯类农药残留的主要方法，所用的检测器 主要有电子捕获检测器( e c d ) 、氮磷检测器( n p d ) 、氢火焰离子化检测器( f i d ) 和质谱( m s d ) 。该方法检测灵敏度高。朱九生等【2 8 】用e c d 测定土壤种氯氰菊 酯，最低检出浓度为0 0 3 7 5 m g k g 。但是e c d 和m s d 检测器为非选择性检测器， 因此对被测样品的净化要求比较严格，不适于现场的快速检测。游新奎、刘波等 采用5 o v 一1 0 1c h r o m o s o r bwh p 色谱柱。g c - - f i d 快速测定氯氰菊酯四种 拟除虫菊酯的混合物，以邻苯二甲酸二丁酯为内标物，所有物质在4m i n 内完全 分离。对合成样品进行分析，禊4 得回收率分别为9 8 3 ，9 6 o 和1 0 0 5 ，精密 度( r s d ) 分别为1 2 6 ，1 1 8 和o 7 7 。分离用色谱柱可用填充柱或毛细管柱， 一般说来，填充柱的分离时间较长，而拟除虫菊酯有左、右旋、顺、反式异构， 它们都表现出不同的生物活性，而毛细管柱的分辨能力、灵敏度、分析速度都比 填充柱优越。毕富春1 4 1 l 采用三种不同固定液的毛细管柱成功分离了氯氰菊酯的 同分异构体，与填充柱相比其分离度较高。 1 5 。3 高效液相色谱法( 1 t i g ! ap e r f o r m a n e el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y h p l c ) 由于部分拟除虫菊酯农药具有挥发性及热不稳定性，而气相色谱法需要较高 的气化温度，在进样后的气化过程中有可能发生分解，如氯氰菊酯在沸点前分解， 仅在2 2 0 以下稳定，气相色谱条件下检测的可能是其分解产物d 2 1 。采用高效滚 相色谱分析拟除虫菊酯农药可以克服这一缺陷，特别是近几年来h p l c 被普遍用 于测定拟除虫菊酯的异构体。王静【43 j 采用石油醚一乙醚一乙酸乙酯流动相系统， 2 3 5 n m 紫外检测波长，h p l c 法定量分析氯氰菊酯和高效氯氰菊酯，成功分离氯 氰菊酯的四个异构体，回收率9 8 1 0 0 1 。何华等d 3 】采用h p l c ，l i c h r o s p h e r s i 0 2 色谱柱，研究高效氯氰菊酯在吉林黑土、江西红壤和河南二合土中的降解规 南京理工大学硕士论文拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 律。g a l e r a 4 4 等采用柱后h y p e r s i lc 】8 柱分离、二极管阵列( d a d ) 检测器测定 土壤中的氯氰菊酯、氰戊菊酯、氯菊酯。李云春等【45 j 用反相高效液相色谱、二 极管阵列检测器测定茶叶中的氯氰菊酯和氰戊菊酯。 1 5 4 联用技术 多种分析技术是现代农药残留分析的发展趋势。联用技术可以提高分析方法 的灵敏度、准确度，增强对复杂混合物的分辨力，兼分离、定量和定性于一体， 因而特别使用于确证性分析，目前在色谱领域广泛采用的有气相色谱质谱 ( g c m s ) ，液相色谱质谱( l c m s ) ，气相色谱傅里叶红外光谱( g c f t i r ) 等。其中g c m s 技术已相当成熟，在土壤样品分析中应用相对较多。李拥军， 黄志强等 2 5 】采用g c m s 同时测定茶叶中6 种拟除虫菊酯类农药的残留量，在选 定色谱条件下通过全扫描方式作出离子流图( t i c ) ，然后根据质谱图中碎片离 子选择丰度相对较高、分子质量较大的一组离子作为特征目标离子，并针对样品 进行g c - m s d s 1 m 测定，结果表明该法测定灵敏度高，选择性好，本底干扰物 少，定量准确。杨广，刘新等【47 建立了检测甲氰菊酯、氯氰菊酯、氰戊菊酯和 溴氰菊酯的g c m s m s 方法，并比较了g c - m s 和g c m s m s 对这四种拟除虫 菊酯的检测结果，发现g c m s m s 相比于g c - m s ，检测灵敏度和准确性更高。 1 5 5 免疫分析法( i m m u n o a s s a y ，i a ) 免疫分析法是一种以抗体作为生物化学检测器对化合物、酶或蛋白质等物质 进行定性和定量分析的分析技术。2 0 世纪9 0 年代以来它在检测粮食、水果、蔬菜、 肉、奶、水和土壤中农药的残留分析上得到迅速发展，成为优先研究、开发和应 用的一项分析技术【4 8 1 。它是基于抗原与抗体的特异性、可逆性结合反应的分析 技术，免疫反应涉及抗原与抗体分子间的立体化学、电荷、氢键和偶极间的综合 应用，具有常规理化分析技术无可比拟的选择性和高灵敏度，非常适宜于复杂基 质中痕量组分的分析。它与气相色谱、液相色谱同列为农药残留的三大支柱技术 4 9 1 。w i n g k d 等5 研首次将免疫分析方法应用于拟除虫菊酯类农药残留分析，制 备了抗丙烯菊酪抗体，并建立了测定其活性异构体的放射免疫分祈 1 a ) 。s h a h 等 5 1 1 在氰戊菊酯分子末端芳香环上引入氨基或丙酸基，分别与b s a 或o v a 合成免疫 原制备抗体用于e l i s a 分析，检测结果i s o 值为3 0 士6 2 芦g ，l ，实验测定最低检测限 为3 o 士1 8 肛g l ，而且与其它拟除虫菊酯类农药几乎无交叉反应。当采用c 1 8 吸附 的固相萃取柱处理水样后，最低检出限可达0 1 耀儿。 1 6 研究目的与技术路线 本课题主要研究联苯菊酯、氯氟氰菊酯和溴氰菊酯三种拟除虫菊酯在南京黄 南京理工大学硕士论文拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 棕壤中迁移降解规律，模拟其降解方程，并尝试通过g c m s 、g c m s m s 技术 对其降解产物进行定性分析，建立检测三种拟除虫菊酯的g c m s m s 和 g c m s s i s 方法。 技术路线及措旅： ( 1 ) 采用室内模拟土柱淋溶实验研究拟除虫菊酯农药的迁移规律。在土柱表层 土中憋加一定量拟除虫菊酯农药后，用定量去离子水连续港溶，分别测定土柱不 同深度土壤中农药的残留，探索其迁移规律。 ( 2 ) 在实验室条件下研究拟除虫菊酯的降解规律。使施加定量的农药土壤在保 持一定含水率的条件下，在2 5 c 恒温培养，定期取样测定土壤中农药的残留量。 ( 3 ) 土壤样品通过超声提取，振荡，柱层析净化，旋转蒸发浓缩，最后吹氮浓 缩定容。处理后农药样品采用g c e c d 测定农药含量，并尝试采用g c - m s 和 g c - m s m s 定性分析降解产物。 ( 4 ) 建立检测环境壤样品中痕量联苯菊酯、氯氟氰菊酯和溴氰菊酯三种拟除 虫菊酯的g c m s m s 和g c m s s i s 方法。 南京理工大学预士论文拟除虫菊酯在士壤中迁移降鸫规律的研究 2 理论部分 2 1 农药在土壤中的行为 2 1 1 农药迁移规律 农药在土壤中的迁移扩散有两种形式：一种是由于农药分子的不规则运动而 使农药迁移的过程。而另一种则是由于外力发生的结果，土壤中的农药在流动水 或在重力作用下向下渗滤，并在土壤中逐层分布。后一种形式是土壤中农药扩散 的主要模式。这个过程与吸附、降解和挥发等过程密切相关。 土壤对农药的吸附作用包括物理吸附、化学吸附( 对离子型农药) 、氢键胶 合、与粘土矿物质构成复合体等。由于土壤胶体一般带有一定负电，农药进入土 壤后会因极化或离解作用而被土壤吸持，不同胶体对农药吸附作用不同，通常有 机胶体吸持性能最大。农药在粘土矿物中的吸附有利于降解的进行，这是由于粘 土矿物层问的金属阳离子能与农药分子发生反应。但通过大量的研究发现，由于 无机矿物具有较强的极性，矿物与水分子之间强烈的极性作用，使得极性小的有 机物分子很难与土壤矿物发生作用，它们对农药的吸附量几乎是微不足道的，土 壤中的有机质是吸附农药的主要成分。土壤对农药的吸附随着有机质的增加和含 水量的减少而增加的。这是因为当有机质含量增加时，它的吸附位也相应的增加， 从而增大对农药的吸附。含水量的多少影响农药的吸附是由于水是极性分子，能 与农药竞争土壤中的吸附位，所以当土壤中的含水量减少时，就有更多的农药被 吸附【5 2 】。 农药从土壤中挥发实际上是其化学位降低后向气相迁移的过程，该过程不但 取决于农药的热力学性质、物理性质和环境温度，同时也取决于土壤特性。农药 蒸汽在土壤中的扩散受孔隙度、土壤结构、土壤含水量、土壤吸附作用等多种因 素影响，其中吸附作用是决定农药在固相、气相和液相中分配的重要因素，农药 吸附在土壤颗粒后会降低自身活性( 化学位) ，从而影响污染物在土壤气相中的蒸 汽密度和挥发速率( s 3 l 。 农药在土壤中的移动性决定了它在土壤层剖面中的分布情况和它污染地下 水的可能性。一般来说，水溶性的农药容易在土壤剖面中下渗，而脂溶性的农药 如拟除虫菊酯类由于会和土壤中的粘粒和有机质发生吸附作用，所以不易在土壤 中产生移动而主要分布在土壤的表层或施药层内。 2 1 2 农药降解规律【5 2 】 在天然环境中，土壤是典型的以固相为主的多相介质，它是污染物的临时或 最终归宿。土壤中微生物对有机污染物的降解是有机污染物在土壤中的主要降解 南京理工大学硕士论文拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 过程。土壤中的氨基酸和铁、铜等金属离子也能促进一些污染物的水解和氧化还 原反应，同时污染物在进入土壤后，长时间受太阳辐射也能发生光化学降解。因 此，农药在土壤中的降解方式主要包括光解、化学降解和微生物降解，这些降解 往往是在土壤中共同起作用来消除土壤污染。在这些降解过程中，农药的结构会 不断的发生变化，总的趋势是简单化和无毒化，有的最终生成简单的无机化合物， 但是也有很多农药半衰期虽然很短，但是其降解产物的毒性却大于原药的毒性。 进入土壤中的农药在有氧或无氧的情况下就会发生氧化还原反应，它与土 壤中的氧化还原电位密切相关。当土壤透气性好时，有利于氧化反应进行，反之 则利于还原反应进行。土壤组分对农药化学降解也有着直接的影响，农药在不同 的土壤中的降解速率各不相同。土壤含水量的多少影响土壤的透气性能，进而影 响了土壤中的氧化还原电位的大小，从而决定了农药化学降解的快慢。 农药光稳定性是判断农药稳定性的一个重要指标。由于农药中一般含有 c c 、c - h 、c o 、c - n 等键，而这些键的离解正好在太阳光的波长范围内，因此 农药在吸收光子之后，就变成为激发态的分子，导致上述等键的断裂，发生光解 发应。光分解对拟除虫菊酯在表土中的消解起了重要作用，由于光线很难透过土 层1 锄以下，土壤中的光解作用很小。氯菊酯在土壤中的一个显著特点，是具 高度的亲酯性，能被任何一种土壤迅速吸附，可避免化合物因水的淋洗而损失。 即使它进入土壤中，也能被水解、氧化或被吸附不会因为它的使用而污染土壤和 大气。拟除虫菊酯为有效的亲酯性杀虫剂，在田闻条件下它们能被阳光迅速降解， 所以它们几乎不存在从土壤迁移转化，乃至其它环境的倾向【5 4 】。 农药的微生物降解作用实际上是酶促反应，综合来说，农药在微生物的作用 下可发生氧化、还原、水解、脱卤、脱氢、脱羧、芳烃基化、异构化等一系列生 物化学反应而矿化。土壤微生物对农药的降解机理非常复杂，一般认为，对于大 分子有机物，在微生物胞外酶作用下，首先分解为小分子的有机物，然后穿过微 生物细胞膜而进入细胞内矿化；而对于小分子有机物，则直接穿透微生物的细胞 质膜进入细胞内矿化。 2 2e c d 工作原理吲 电子俘获检测器( e l e c t r o nc a p t u r ed e t e c t o r , 简称e c d ) 是应用广泛的一种具 有选择性、高灵敏度的浓度型检钡j 器。它的选择性是指它只对具有电负性的物质 ( 如含有卤素、硫、磷、氮、氧的物质) 有响应，电负性愈强，灵敏度愈高。高 灵敏度表现在能测出1 0 - 1 4 9 m l 的电负性物质。 在检测器池体内有一圆筒状b 放射源( 6 3 n i 或3 h ) 作为负极，令不锈锅 棒作为正极。在此两极间施加直流或脉冲电压。当载气( 一般采用高纯氮) 进 入检测器时，在放射源发射的b 射线作用下发生电离： 南京理工大学硕士论文拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 n 2 一n 2 + e 一 生成的正离子和慢速低能量的电子，在恒定电场作用下向极性相反的电极运动， 形成恒定的电流即基流。当具有电负性的组分进入检测器时，它俘获了检测器中 的电子而产生带负电荷的分子粒子并放出能量。若以a b 表示样品组分，则电子 俘获反应为： a b + e 一a b _ + e ( 能量) 带负电荷的分子离子和载气电离产生的正离子复合成中性化合物，被载气携出检 测器外： a b + n 2 + 一a b + n 2 由于被测组分俘获电子，其结果使基流降低，产生负信号而形成倒峰。组分浓度 愈高，倒峰愈大。 南京理工大学硕士论文拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 3 实验部分 3 1 仪器与试剂 3 1 1 仪器和装置 实验仪器和装置生产厂家 v a r i a n c p 3 8 0 0 气相色谱仪，e c d 检测器美国瓦里安公司 r e - 5 2 a a 旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂 h y - 2 调速多用振荡器国华电器有限公司 1 0 1 a - 1 e 电热鼓风干燥箱上海实验仪器厂有限公司 k q - 1 0 0 d b 型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司 b s2 2 4 s 电子天平 德国赛多利斯仪器系统有限公司 层析柱、容量瓶、移液管等玻璃器皿 3 1 2 药品和试剂 药品和试剂 生产厂家 丙酮，分析纯( 已重蒸) 石油醚( 沸程6 5 9 0 ) 分析纯( 已重蒸) 无水硫酸钠，分析纯 联苯菊酯原药( 纯度9 0 ) 氯氟氰菊酯原药( 纯度9 7 ) 溴氰菊酶原药( 纯度9 7 ) 高纯n 2 ( 纯度 9 9 9 9 9 ) 高纯h e ( 纯度 9 9 9 9 9 ) 风干土壤 南京化学试剂厂 南京化学试剂厂 南京化学试莉厂 扬州农药厂 扬州农药厂 扬州农药厂 上海b o c 气体工业有限公司 上海b o c 气体工业有限公司 采自南京郊区农田 3 1 3 农药基本性质 ( 1 ) 联苯菊酯 英文名称：b i f e n t h r i n 化学名称：2 一甲基联苯基一3 一基甲基一3 ( 2 一氯3 ，3 ，3 三氟一1 丙烯基) 2 ，2 一 二甲基环丙烷羧酸酯 分子式：c 2 2 h 2 3 c i f 3 0 2 ；相对分子量：4 2 2 9 结构式： 南京理工大学硕士论文拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 o j i c h 2 0 c r 7 一c h i c c f 3 c h c h 3 幽 基本性质：纯品为灰白色固体。熔点6 8 7 0 6 c ( 工业品熔点为6 1 6 6 ) ，相对密度】2 l o ( 2 5 ) ，蒸汽压2 4 x l f f 5 p a ，溶于丙酮( 1 2 5 k g l ) 、氯仿、二氯甲烷、乙醚、甲苯、庚烷，微溶于戊烷，甲 醇，在水中溶解度为o 1 m 班。原药在2 5 。c 稳定1 年以上，在常 温下贮存，稳定性大于1 年。在日光下半衰期2 5 5 d ，土壤中6 5 1 2 5 d 。 ( 2 ) 氯氟氰菊酯 英文名称：c y h a l o t h r i n 化学名称：氰基3 苯氧基苄基一3 一( 2 一氯3 ，3 ，3 一三氟丙基烯基) 2 ，2 二甲基环丙 烷羧酸酯 分子式：c 2 3 h 1 9 c 1 f 3 n 0 3 ；相对分子量：4 4 9 9 结构式： 9 b i i 薯 基本性质：纯品为白色固体，工业品为淡黄色固体。熔点4 9 - 2 ，蒸汽压 2 0 0 x 1o - a ( 2 6 7 1 0 p a ) ( 2 0 ) 。密度1 1 2 9 m l 。在水中的 溶解度很低，易溶于丙酮、甲醇、醋酸乙酯、甲苯等多种有机 溶剂，溶解度均 5 0 0 e 扛。在中性及酸性条件下无明显分解， 但在强碱条件下发生水解。热稳定性高，温度超过2 2 0 时才 发生一些失重现象。可与大多数药剂混用，但与强碱性物质混 用易发生分解。在常温下可稳定储藏半年以上；日光下在水中 的半衰期2 0 d ，土壤中半衰期2 2 8 2 d 。 ( 3 ) 溴氰菊酯 英文名称：d e l t a m e t h r i n 化学名称：a - 氰基一苯氧基苄基( 1 r ，3 r ) 3 一( 2 ，2 - 二溴乙烯基) 一2 ，2 二甲基环丙烷羧酸酯 分子式：0 2 2 h 】7 b r 2 n 0 3 ：相对分子量：4 2 2 9 南京理工大学硕士论文拟除虫菊酯在土壤中迁移降解规律的研究 结构式： 。d o 一 基本性质：原药为白色粉末，无味。原药熔点9 8 1 0 1 ，纯品熔点1 叭 1 0 2 。c 。蒸汽压1 9 9 9 x l o - 6 p a ( 2 5 ) 。能