丁香菌酯在水中的光解影响因素研究

周雨杭, 于晓龙, 曹战文, 郭 南,侯新港, 逯忠斌, 侯志广

(吉林农业大学 植物保护学院，长春 130118)

丁香菌酯C26H28O6(coumoxystrobin)是由沈阳化工研究院有限公司创制、吉林省八达农药有限公司开发并登记的一种新型甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂(结构式见图式1)，主要用于防治苹果腐烂病，其作用机制是通过阻断细胞色素之间的电子传递进而抑制线粒体的功能，达到抑制真菌生长和杀灭真菌的效果[1]。随着甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂市场份额的逐步增加，可能会给人类健康和生态环境带来巨大潜在威胁[2-3]，丁香菌酯作为新型甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂，其对环境的安全性问题不容忽视。

图式1 丁香菌酯的结构式Scheme 1 Structural formula of coumoxystrobin

光化学降解是农药在水环境中降解的重要途径之一[4]。已有诸多研究者对甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂在水中的光化学降解进行了研究。许静等[5]的研究结果表明，在氙灯照射下，醚菌酯和嘧菌酯在纯水中易光解，氰烯菌酯属难光解性农药；王璐芳[6]研究发现，4 种甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂光降解速率大小为：烯肟菌胺＞肟醚菌胺＞醚菌胺＞E-苯氧菌胺；管磊等[7]研究表明，吡唑醚菌酯的光解速率与初始浓度呈负相关，在不同类型水中的光解速率从大到小依次为去离子水、自来水、池塘水、纯净水和河水，光解速率随H2O2浓度的增大而增大。已有研究表明，丁香菌酯对平突船卵溞等水生生物的急性毒性属于高毒[8]，在稻田土壤中第28 天时的降解率达90%以上，在三个地区的植株中的半衰期分别为5.42、8.75 和9.73 d[9]，而连续两年在橘园土壤中的残留半衰期为78.75 和164.35 d[10]。目前关于其在水中的光化学降解尚未见报道。鉴于此，本文采用高效液相色谱 (HPLC) 法研究了丁香菌酯在水环境中的光化学降解及其影响因素，旨在揭示其光解特性，有助于了解其在环境中的归趋和生态效应，为其合理使用、环境安全性评价提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 仪器及试剂

Agilent 1200 型高效液相色谱仪配紫外检测器(美国安捷伦科技有限公司)；CY-GHX-AC 型光化学反应仪(上海川一实验仪器有限公司)；DC-2010低温恒温槽(上海川一实验仪器有限公司)；UV-2450型紫外分光光度计(岛津仪器苏州有限公司)；ST300 ZH 型pH 计(奥豪斯仪器常州有限公司)；YXQ-30SⅡ 型立式压力蒸汽灭菌器；LE204E/02 型万分之一电子天平(梅特勒-托利多仪器上海有限公司)；LAB-DI-10 型实验室纯水机(长春莱博帕特科技发展有限公司)。

丁香菌酯(coumoxystrobin) 标准品(纯度98.5%，上海安谱实验科技股份有限公司)；甲醇(色谱纯，北京迈瑞达科技有限公司)，其他试剂为市售分析纯；试验用水为纯水机所制超纯水，样品过0.22 μm 有机滤膜。

1.2 试验方法

参考GB/T 31270.3—2014《化学农药环境安全评价试验准则第3 部分：光解试验》[11]方法。由于丁香菌酯难溶于水[1]，故比较了丁香菌酯在甲醇、乙腈和吐温80 水溶液中的溶解效果，发现在水中添加体积分数为0.6%的吐温80 后，丁香菌酯的平均回收率为99.66%，故选择在每个样品中添加0.6%的吐温80 作为助溶剂。试验在光化学反应仪中进行，反应温度控制在(20 ± 5) ℃。每处理重复3 次，取平均值，并设锡箔纸包裹的黑暗对照试验。为减小丁香菌酯在水中离子化，从而对光解产生影响，采用pH 值为7 的缓冲溶液进行光解试验。为避免生物作用的影响，试验中所用容器及缓冲溶液均经过高温、高压灭菌处理，灭菌后的缓冲溶液重新校正pH 值，储存于棕色瓶中备用。

1.2.1 标准溶液的配制 准确称取98.5%丁香菌酯标准品0.01g (精确至0.000 1 g)于10 mL 棕色容量瓶中，用甲醇溶解并定容，得到质量浓度为1 000 mg/L 的丁香菌酯标准储备液，于4 ℃条件下保存。在试验过程中，根据需要取适量储备液，用甲醇稀释至所需浓度后使用。

1.2.2 不同光源对丁香菌酯光化学降解的影响

用添加了0.6%吐温80 的pH = 7 的缓冲溶液将储备液配制成质量浓度为5 mg/L 的光解反应液，在每个反应管中分别倒入50 mL 反应液，使之充满石英光解反应管，分别以500 W 氙灯 (光强为2.25 cd) 及20 W 低压汞灯 (光强为5 cd) 为光照条件，在光解反应仪中进行试验，于不同时间点取样，测定样品中丁香菌酯含量。

1.2.3 初始浓度(C0)对丁香菌酯光化学降解的影响 用添加了0.6%吐温80 的pH = 7 的缓冲溶液将储备液配制成1、5、10 和15 mg/L的丁香菌酯光解反应液，在每个反应管中分别注入50 mL 反应液，使之充满石英光解反应管，置于500 W 氙灯光解反应仪中进行试验，定期取样，测定样品中丁香菌酯的浓度。

1.2.4 溶液pH 值对丁香菌酯光化学降解的影响

考虑到实际水环境中的酸碱性，按实验准则要求配制pH 值为4、7 和9 的缓冲溶液。分别用添加了0.6%吐温80 的pH 值为4、7 和9 的缓冲溶液将储备液配制成5 mg/L 的反应液，置于500 W氙灯光解反应仪中进行试验，定期取样，测定样品中丁香菌酯的浓度。

1.2.5 吐温80 对丁香菌酯光化学降解的影响 用添加了0.6%吐温80 的pH 7 缓冲溶液配制5 mg/L 的光解反应液，并用pH 7 缓冲溶液配制5 mg/L 的光解反应液作为吐温80 的空白对照，置于500 W 氙灯光解反应仪中进行试验，对照组取样时吸取5 mL光解反应液并加入5 mL 甲醇混匀溶解后过膜进样。

1.3 HPLC 分析条件

参考文献[12]中的色谱条件。检测器为可变波长紫外检测器 (VWD)；色谱柱为Thermo-BDS Hypersil C18色谱柱(250 mm × 4.6 mm，5 μm)；柱温30 ℃；流动相为V(乙腈) :V(水) = 70 : 30；流速1 mL/min；进样量10 μL；检测波长320 nm。采用外标法定量。在上述色谱条件下，丁香菌酯的保留时间为9.3 min。

1.4 数据处理

所有试验数据采用Excel 进行统计分析。采用准一级反应动力学方程拟合丁香菌酯光解试验残留数据，按公式 (1) 计算。

式中，t为时间，h；C0为丁香菌酯的初始质量浓度，mg/L；Ct为t时刻的丁香菌酯质量浓度，mg/L；k为光解速率常数，h-1。

当丁香菌酯光解50%时(即Ct=C0/2)，所需时间为其光解半衰期(t1/2)，由 (2) 式计算。

当丁香菌酯光解90%时(即Ct= 90%C0)，所需时间为其光解半衰期(t90)，由 (3) 式计算。

2 结果与讨论

对各影响因素的黑暗对照组于不同时间取样，测定样品中丁香菌酯残留浓度后发现，黑暗对照组的丁香菌酯残留浓度与初始浓度C0相比均没有明显的降低，说明丁香菌酯在水中避光的条件下较稳定，不易发生水解或降解非常缓慢。

2.1 不同光源对丁香菌酯光解的影响

丁香菌酯在不同光源下的光化学降解情况见表1。可见，在500 W 氙灯和20 W汞灯两种光源的照射下，丁香菌酯的光解符合准一级动力学方程，光解速率常数和半衰期有很大的差异。在20 W汞灯照射下，丁香菌酯在水中的光解较快，其速率常数是500 W 氙灯下速率常数的2 倍，主要原因是丁香菌酯的光解会受到其自身的吸收光谱与光源发射光谱的影响。只有当光源的发射光谱与丁香菌酯的吸收光谱有部分重合时，丁香菌酯才有可能发生自敏化光解或者直接光解[13]。丁香菌酯的吸收波长主要集中在190～350 nm，最大吸收波长在205 nm 左右。由于低压汞灯发射的光谱主要集中在253.7 nm，而丁香菌酯在此波长下有显著的光吸收，因此丁香菌酯在20 W 汞灯照射下光解较快；而由于氙灯的发射光谱主要集中在450～500 nm，丁香菌酯在此波段吸收较少，所以在500 W 氙灯的照射下光解较慢。

表1 丁香菌酯在不同光源下的光解动力学参数Table 1 Photolysis kinetic parameters of coumoxystrobin under different light sources

2.2 初始质量浓度对丁香菌酯光降解的影响

结果(表2) 表明，当初始质量浓度为1、5、10 和15 mg/L 时，其光解均符合准一级动力学方程，半衰期分别为1.68、2.23、2.25 和2.79 h，即随着初始浓度的增加，丁香菌酯的半衰期逐渐增大，表明丁香菌酯的光解速率会随着初始浓度的升高而减慢，这与杨昱[14]对苯噻菌酯、殷星[15]对嘧菌酯的光解研究中的结论相似。究其可能原因是多方面的：其一是在光照条件一定的情况下，丁香菌酯分子数越多，分子层越厚，导致单位面积的丁香菌酯分子吸收的光子量减少，从而降低了降解速率，这与梁菁等[4]和邹雅竹等[16]的研究结果类似；其二是随着丁香菌酯的初始质量浓度增大，其产生的中间代谢产物分子也增多，产物分子会与母体分子竞争光子，从而降低了丁香菌酯吸收光子的效率，降低其光解速率，这与张卫等[17]研究的在不同初始浓度对阿维菌素光解的影响结果相似；其三是丁香菌酯的浓度越高，在紫外辐射下母体化合物之间、母体与产物或产物与产物之间越容易发生缩合反应，从而影响了丁香菌酯的光解速率。

表2 丁香菌酯在不同初始浓度下的光解动力学参数Table 2 Photolysis kinetic parameters of coumoxystrobin at different initial concentrations

2.3 pH 值对丁香菌酯光降解的影响

实际上，一方面，自然环境中的水体酸碱性不是恒定不变的，另一方面，光解产物也会改变水体的酸碱度，这对于丁香菌酯的光解反应有着抑制或促进的双重作用。由丁香菌酯在不同pH 溶液中的光化学降解情况(表3)可见，在pH 值为4、7 和9 的缓冲溶液中，丁香菌酯的光解反应符合准一级动力学方程，半衰期分别为2.20、2.23 和2.01 h，光解速率由大到小依次为pH 9、pH 4 和pH 7。经过显著性分析发现，光解速率和半衰期有一定的差异，但在酸性和中性条件下的试验差异并不显著，表明酸性和中性条件对丁香菌酯光解的影响差异较小。丁香菌酯在碱性条件下的光解速率大于中性和酸性，说明碱性溶液中在光照下产生的羟基自由基促进了丁香菌酯的光解，这与张传琪等[18]得出的对烯啶虫胺和郑立庆等[19]对呋虫胺的光解试验结果相似。

表3 丁香菌酯在不同pH 溶液中的光解动力学参数Table 3 Photolysis kinetic parameters of coumoxystrobin in different pH solutions

2.4 吐温80 对丁香菌酯光降解的影响

由表4 可以看出，丁香菌酯在吐温80 溶液中的光解符合准一级动力学方程，添加了0.6% 吐温80 与未添加的光解速率分别为2.23 和1.26 h。与未添加的实验结果相比，丁香菌酯在添加了0.6% 吐温80 后光解速率较慢，说明吐温80 对丁香菌酯的光解表现出淬灭作用。这与张楠[20]对双氯芬酸在表面活性剂溶液中的光解结果基本一致。

表4 丁香菌酯在吐温80 溶液中的光解动力学参数Table 4 Photolysis kinetic parameters of coumoxystrobin in the solution containing Tween 80

3 结论

本文采用室内模拟方式系统研究了不同因素对丁香菌酯在水中光化学降解的影响。丁香菌酯在水中的光解反应符合准一级动力学方程，且t1/2＜3 h，按照GB/T 31270.3—2014《化学农药环境安全评价试验准则第3 部分：光解试验》[11]的等级划分，丁香菌酯属于易降解农药。

丁香菌酯的光解受光源、初始浓度、pH 值和表面活性剂等多种因素的影响。丁香菌酯在20 W低压汞灯辐射下的光解速率明显大于500 W 氙灯；在同一光源照射下，丁香菌酯的光解速率随初始浓度的增加而降低；丁香菌酯在碱性溶液中的光降解较快，在中性条件下较慢；吐温80 对丁香菌酯在水中的光解表现出淬灭作用。