除草剂丁草胺的环境行为综述.doc

除草剂丁草胺的环境行为综述姚 斌，徐建民，张超兰浙江大学土水资源与环境研究所，浙江 杭州 310029摘要：丁草胺 2-氯-N-（2,6-二乙基苯基）-N-（丁氧甲基）乙酰胺 是目前我国应用广泛的化学除草剂之一。文章综述了丁草胺的物理化学性质；总结了它在土壤和水中的迁移、吸附和微生物降解转化的特点，以及对动植物的毒性和作用机制；同时概括了它在分析检测方面的研究进展。关键词：丁草胺；环境行为；综述中图分类号：X592 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2003）01-0066-05图1 丁草胺的结构式丁草胺，又名马歇特、灭草特、去草胺、新马歇特、丁草锁、丁基拉草，分子式C17H26CLNO2,分子量311.86，结构式见图1。丁草胺为琥珀色液体，具有轻微芳香气味，挥发性小，熔点：0.51.5，沸点156 ，分解温度165 ，蒸汽压6.010-4 Pa（25 ），20 在水中溶解度为20 mg/L，密度1.071.059。丁草胺可溶于乙醚、丙酮、苯、乙醇和乙酸乙脂中，可被强酸和强碱所水解，对紫外光稳定1。丁草胺是我国生产最多的三种除草剂之一（另两种是乙草胺和草甘膦）2，年产量为1104 t以上，且呈继续增加的趋势。20世纪中叶，为了提高单位面积上的粮食产量，各种农药相继被开发出来。粮食生产率由此得以大幅度提高。特别是除草剂的使用，极大地减少了劳动强度，直接或间接地提高了农业的生产水平。但是，很快就发现许多农药稳定性强，残留期长并且难于溶解，通过食物链的传递会对人体健康带来不利的影响。因此，很多农药已被逐渐淘汰。例如，欧美各国已全面禁止使用DDT、六六六、对硫磷及2,4-D或者规定了严格的使用规程3。一些污染性强的农药被淘汰，同时一些低毒、高效、性能优良的农药不断被开发出来。除草剂丁草胺自商品化以后，已逐步成为我国用量最大的三种除草剂之一。实验研究证实，3 mg/L的除草剂阿特拉津可使仓鼠染色体破裂4，杀死水底节肢动物5，破坏水体生态平衡。有人则认为阿特拉津的威胁并非很大6。究竟除草剂丁草胺对生态环境及人类健康是否也有影响？影响有多大？是否应该禁止生产正是当前农药科学、环境科学及生命科学所要解决的问题。本文从丁草胺的检测方法、动力学性质及生物化学性质三个方面研究进行了综述。1 分析检测我国对在环境样品中酰胺类除草剂最常用的分析方法是气相色谱（GC）电子捕获检测器（ECD）法7或氮磷检测器（NPD）法8。也有人以气相色谱（GC）带FID检测器进行分析910。土壤和水样品采用丙酮提取，提取后加硫酸钠水溶液，再用石油醚反萃取，有机相直接浓缩测定。对于植物性样品还需经过弗罗里硅土或氧化铝活性炭层析柱净化。色谱柱一般采用OV-17固定液，现在有一个发展趋势是以毛细管柱代替填充柱。例如，安琼和骆永明等11建立了水稻田中除草剂丁草胺残留的分析测试方法：选用130 活化4 h不加水的1 g弗罗里硅土净化剂，乘热装柱，同时选择含6%丙酮的石油醚为洗脱剂，可提高丁草胺的弗罗里硅土净化效率。此方法不仅灵敏度高、重复性好、可排除有机污染物对微量丁草胺残留物测定的干扰，而且具有减少化学试剂消耗量的优点。由于酰胺类除草剂如甲草胺分解温度为105 ，分解物有很多副产物，不利于通过柱温较高的气相色谱，因此出现了许多液相色谱方法12，液相色谱方法一般采用反相C18柱，以紫外检测器检测（检测波长225 nm），流动相一般采用70%的乙腈水溶液。国外在检测天然水样时，多采用固相萃取（SPE）进行预浓缩，然后有色质联机，用质谱（MS）做检测器13，直接进行定性定量分析。串联质谱（MS/MS）的出现进一步提高了检测过程的选择性。气质联谱、高相液相色谱及衍生化处理（derivatization）也可用于水样中除草剂残留的检测14。例如，Steen等15用大体积进样气相色谱离子阱串联质谱检测海洋环境中的农药，其检测限在0.25 ng/L。Vargo16用LC/MS/MS测定了地下水中氯乙酰苯胺类除草剂的磺酸降解产物。在0.150 mg/L添加浓度回收率在89%以上，回收率相对标准偏差小于10%。国外许多研究人员把生物免疫技术应用到农药残留分析17，利用酶联免疫分析对大量的环境样品进行筛选，对呈阳性的样品再进行常规分析，可以减少大量的工作量。Ingram等18利用静态二次离子质谱法直接对土壤、树叶、草和不锈钢表面的农药进行分析，与常规方法相比，其优点是免去包括提取等前处理，能同时分析多种农药。2 力学性质2.1 吸附与解吸附丁草胺在土壤中的吸附与土壤有机碳含量紧密相连，土壤中粘土量、pH值、CEC对其影响不明显。Wang-QuiQuan 19等研究了异丙甲草胺、甲草胺、扫弗特及丁草胺等一系列酰胺类除草剂在8种不同理化性状土壤中的吸附。吸附等温线符合Freundlich方程。除草剂吸附能力按以下顺序排列：异丙甲草胺甲草胺扫弗特丁草胺。4种除草剂Freundlich方程的吸附常数Kf（1/n）与土壤有机质（OM）的相关性很好，表明土壤有机质是决定酰胺类除草剂吸附过程的主导因素。Kf与除草剂的水溶解度（SW）及土壤有机质进行多元回归分析，发现Kf与1/SW及OM/SW也表现出较好的相关性。上述结果表明，除草剂的溶解度越大，其被土壤吸附的可能性就越小。红外光谱和ESR检测证实胡敏酸（HA）与除草剂之间的多功能氢键及离子键是除草剂主要的吸附机理。除草剂与胡敏酸形成这些功能键的能力同时提高了除草剂被吸附的范围。2.2 迁移和挥发丁草胺处理土壤后，很容易被土壤胶体粒子吸附，形成稳定的处理层，淋溶性小。丁草胺在土壤中约可维持3040 d的药效。它在土壤中的消失，主要是被土壤微生物所降解。丁草胺的药效受温度的影响小，特别在北方低温的条件下，仍能发挥良好效果.总的来说，在欧美国家由于丁草胺的使用量少，所以对其环境行为的研究相对其它除草剂来说要少得多，国内由于丁草胺的使用量大，对其环境行为研究较多。刘维屏和许惠来20基于丁草胺的残留分析方法，采用田间消解动态实验实测数据，借助经推广的药物动力室分析模型。研究了丁草胺在水稻田植株-水体-表土系统中的迁移降解规律，得到丁草胺在水田表土(05 cm)的半衰期为7 d，为其在水稻田的安全使用提供了科学依据。郑和辉等21以灌溉河水为展开剂，利用土壤薄层层析法研究了酰胺类除草剂乙草胺和丁草胺在土壤中的移动性，采用不同的土壤实验，丁草胺的相对移动性差异不明显：丁草胺在北京壤土和河北白洋淀砂土中的相对值Rf的平均值分别为0.031和0.032。丁草胺属于移动性很弱的农药品种，移动性等级为级。乙草胺和丁草胺虽然同属于酰胺类除草剂，但由于它们水溶解度的差异，它们在土壤中的移动性有较大的差别。以不同的阴、阳离子表面活性剂为展开剂研究表明，阴离子表面活性剂能够促进农药在土壤中的迁移，阳离子表面活性剂能够促进农药在土壤中的吸附，从而阻止农药在土壤中的迁移。陈忠孝和樊德方22研究了丁草胺在土壤中渗漏、残留及降解，结果表明，丁草胺以推荐剂量施于稻田后，在土壤和稻田中能较快地降解，残留半衰期分别为3.173.61 d和1.111.12 d；在小粉土和涂土上能向下渗漏，而在青紫泥和红壤土上则难以渗漏；历经一季水稻生育期后，在剖面各层次和地下水中均无残留量检出。丁草胺微生物降解试验表明，在4种不同类型的土壤中，其残留半衰期不灭菌处理为18.529.4 d，而灭菌处理长达433 d（参考值）以上。俞康宁等23研究表明，在稻田自然环境中，丁草胺乳油和颗粒剂的残留半衰期在田水中分别为1.652.84 d和5.786.30 d；在土壤中分别为2.675.33 d和4.956.30 d。经过水稻一个生育期，丁草胺在糙米等样品中的最终残留量均降至可检出水平以下。土壤微生物对丁草胺的降解起主导性的作。在灭菌和不灭菌的土壤中的残留半衰期分别为433 d和18.5029.40 d。丁草胺在涂土等4类不同属性中的土壤中的渗漏性大小顺序，依次为涂土小粉土青紫泥红壤。2.3 光解农药的光致分解是农药在植物表面和环境中的降解途径之一。近年来农药的光解研究越来越引起人们的重视，并已作为评价农药生态安全性的指标之一2426。近年来，国内不少学者对除草剂丁草胺的光解进行了系统的研究。花日茂等27研究了丁草胺在氙灯、高压汞灯光照下于不同类型水中的光化学降解，结果表明丁草胺在氙灯光照作用下，其光解速率为纯水河水塘水稻田水；丁草胺在氙灯光源下的光解速度比高压汞灯低；其光解率与浓度（剂量）呈反相关；充N2脱O2使丁草胺的光解速度减缓。丁草胺的光解率与单位丁草胺分子接受的光能呈正相关，即当光能一定时，丁草胺分子数越多，单位丁草胺分子接受的光能就越少，分子裂解也就越少，其光解率就越小，符合农药降解的一般规律。王一茹等人28报道，丁草胺在太阳光下，纯水中稳定，田水中消解较快；在模拟太阳光的紫外光下，水体的pH值和溶解氧对其光解无影响；丙酮可以加速其光解；H2O2可诱发化学氧化和水解，同时加速光解反应。有研究者29以太阳光、氙灯、高压汞灯为光源，研究了哒嗪硫磷、多菌灵、克百威、丁草胺四种农药对氯氰菊酯、溴氰菊酯、氰戊菊酯等3种拟菊酯杀虫剂的光解速度及光解效应的影响。结果表明，哒嗪硫磷、多菌灵对氯氰菊酯等3种拟菊酯杀虫剂在3种不同光源的光照处理下均表现出光敏降解效应；然而在太阳光及高压汞灯光源的光照处理下，克百威和丁草胺对3种拟菊酯杀虫剂具有光猝灭降解。太阳光照射下氯氰菊酯等3种拟菊酯杀虫剂的光解率与其单位面积上的药剂剂量呈反比；而哒嗪硫磷等四种农药对3种拟菊酯杀虫剂的光敏或光猝灭效应与此4种农药的剂量呈正相关。岳永德等30研究了氟乐灵与2,4D等多种农药在玻片表面和重蒸馏水中的光化学相互作用，结果表明丁草胺、氯氰菊酯、溴氰菊酯、氰戊菊酯则具强烈的光猝灭作用。另有学者31以太阳光、氙灯、高压汞灯为光源，研究了胡敏酸（HA）、富啡酸（FA）对水中丁草胺光解的影响，结果表明在高压汞灯和氙灯光辐射下，HA和FA均使丁草胺的光解速度减缓，而在自然光下HA和FA却使丁草胺光解速度加快。2.4 水解水解是除草剂在自然环境中分解的重要途径之一。国内外关于除草剂丁草胺的生物降解3233和光解2831，已有不少报道，但很少有水解方面的报道。郑和辉等34研究了乙草胺和丁草胺两种除草剂在恒温25 ，pH为4，7，10的蒸馏水和河水中的水解动力学。结果表明酰胺类除草剂的水解反应属于一级反应。乙草胺和丁草胺在蒸馏水和河水中速度差不多，在pH 4水溶液中的水解速度较在pH 7和10的速度快，H+有催化水解的作用。丁草胺在pH为4，7，10的速率常数分别为1.110-3 d-1，610-4 d-1，610-4 d-1，半衰期分别为630 d，115 d，1155 d。3 生物化学性质3.1 生物降解 丁草胺在土壤中的迁移转化主要是被土壤微生物所降解。Chakraborry和Bhattachrrya35研究表明，两种土壤真菌Fusarinm Solani和F. oxyspomm在pH 5.2的0.02 mol/L KH2PO4缓冲液中能有效降解丁草胺。被F. Solani降解的丁草胺至少可以生成3032种可以被GC-MS检测出的衍生物，主要的降解途径包括：脱氯作用（dechlorination）、羟基化作用（hydroxylation）、脱氢作用（dehydrogenation）、甲氧基脱丁烷支链（Debutoxymethylation）、碳端脱烃基作用（N-dealkylation）、氧端脱烃基作用（O-dealkylation）及环化作用（cyclization）。国内有学者36通过瓶培养法富集培养，从晚稻田中分离出一株属于节杆菌属菌Arthrobacter sp的高效降解细菌WY306。WY306降解丁草胺的影响因素研究表明，丁草胺降解半衰期与初始菌近似成反比；当丁草胺的添加浓度为5、9 mg/L时其降解半衰期分别为0.097 h和1.86 h，随浓度增大而增大；而当丁草胺的添加浓度为0.08 mg/L或其浓度被降至1 mg/L附近处，降解变慢；当其浓度进一步降至0.20.3时，丁草胺就几乎不再被降解。3.2 丁草胺对植物的影响及其作用机制 丁草胺主要应用在水稻田37。丁草胺可用于水稻秧田、直播田、移栽本田以及大小麦、油菜、棉花、麻、花生、蔬菜田除草。丁草胺对芽期及二叶期以前的杂草有较好的防除效果，二叶期以上的防除效果下降。丁草胺能防除稗草、马唐、看麦娘、千金子、碎米莎草、异型莎草、水莎草、牛毛毡、水麦娘、节节草、陌土菜等.对瓜皮草、泽泻、眼子菜等无明显效果。丁草胺的作用机制是在杂草内部抑制蛋白质的合成，而使杂草死亡。我国有人研究了丁草胺在水稻田、麦田、玉米田、棉花田上的应用。丁草胺也可在蔬菜田上应用。周建平等33的研究认为，青菜从土壤吸收丁草胺高峰处在青菜生长中期，约出苗后45 d左右，采收时则青菜中丁草胺浓度很低，食用不存在危险性。王青松等38的研究认为，甘蔗地每公顷施用有效剂量1350 g，花生、大豆为900 g。陈一安等39进行了丁草胺在蔬菜及环境中的残留研究，根据丁草胺在蔬菜和土壤中的降解速率，认为丁草胺属于低残留农药，残留积累现象不明显，建议以900 g/hm2和1350 g/hm2两种浓度使用较经济安全。3.3 对动物的毒性及其在体内的代谢Ademlla等40以高效液相色谱（HPLC）及薄层色谱（TLC）研究了除草剂丁草胺在人体皮肤上的吸附及代谢，测定了人体皮肤（n=5）上经标记的丁草胺。人体皮肤上未变化的丁草胺及其代谢物暴光24 h后，检测表明，平均加入剂量（1.01 mg）的5%被皮肤吸收，加入剂量的平均最大扩散率为10-3/h，皮肤上残留了施用丁草胺剂量的1.4% 8.5%。丁草胺原药大鼠急性经口LD50为2000 mg/kg，急性经皮LD50为3000 mg/kg，急性吸入LC50为3.34 mg/m3；对兔皮肤有中等刺激作用，对兔眼睛有轻度刺激作用。蓄积性弱，在试验剂量内，对动物未见致突变和致畸作用。大鼠两年饲喂试验，无作用剂量小于100 mg/kg，不发生肿瘤的剂量为100 mg/kg。狗两年喂饲试验，无作用剂量喂1000 mg/kg。高剂量时，试验动物有肝肾损伤。对鱼类及水生生物毒性大，鲤鱼和蓝鳃鱼96 h的TLM分别为0.32 mg/kg和0.44 mg/kg。对鸟毒性低，野鸭急性经口LD50大于10000 mg/kg，鹌鹑急性经口LD50大于10000 mg/kg（药饲7 d）。蜜蜂经口LD50大于100 mg/kg41。Hill等42报道氯乙酰苯胺类除草剂的二烃苯醌亚胺等代谢物能诱导人工培养的人类淋巴细胞的姊妹染色体产生交换。4 总结丁草胺对禾本科杂草有较好的除草效果，但对阔叶杂草防效差。因此，为了扩大杀草范围，丁草胺常与其他对阔叶杂草效果好的除草剂混用，如在玉米田，甲草胺、乙草胺或丁草胺与阿特拉津混用，在水稻田丁草胺与农得时混用。除草剂的混用可以降低单位施用量，提高对作物的安全性，降低成本，减少对土壤和地下水的污染。丁草胺主要应用于水稻田，其疏水性大，易被吸附，淋溶性小，对鱼毒性大，对水污染的影响不容忽视。丁草胺在水田中的微生物代谢主要为厌氧化。丁草胺主要通过杂草幼芽和幼根所吸收，在杂草体内进行运输，作用机制是抑制细胞内蛋白质的合成，对动物的急性毒性小。相对于其它酰胺类除草剂而言，国内外学者对丁草胺的研究较少，还没有关于丁草胺有基因毒性的报道，但是由于酰胺类除草剂在结构上的相似性，应用时应谨慎。除草剂的使用量对于微生物的降解也有影响，若一次使用量过大，造成对土壤的污染，一方面会抑制微生物，另一方面除草剂进入土壤颗粒的内部，引起除草剂的老化，残留除草剂不易降解。但是，若少量多次施用，会对微生物起到驯化作用，有利于除草剂的降解。土壤中加入有机肥，一方面可以增加肥力，另一方面可以促进农药的吸附和降解，是较好的污染防治与修复措施。参考文献：1 吴世昌. 新农药荟萃M. 北京：中国农业科技出版社，1992：206-207.2 胡笑形. 我国农药工业的现状与发展方向J. 农药，1998, 37（6）：7-10.3 日本环境厅水质保全局土壤农药科. 农药污染M. 许泳峰译. 北京：农业出版社，1983.4 GRUESSNER B. 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