土壤中乙草胺的超声提取方法及化学强化脱氯性能研究

陈经涛，李克斌，魏 红，李显越，王晓兰，王建军

（1.陕西教育学院化学与化工系，陕西 西安 710061；2.西北大学化学与材料科学学院，陕西 西安 710069；3.西安理工大学市政与环境工程系，陕西 西安 710048）

农药作为一类广泛使用的特殊化学物质，在防治病虫害、灭除杂草、延长粮食储存时间等方面表现出良好效果，在作物的稳产、高产和提高产品质量等方面发挥了巨大的效益。但农药的大量使用，造成了环境的污染，并产生了严重的后果，对人类及其赖以生存的环境造成了巨大的威胁[1]。研究农药在环境中的迁移、转化不仅是新农药开发的需要，也是开展污染环境修复，实现可持续发展的要求。

酰胺类除草剂是目前应用广泛的芽前除草剂，在近代农田化学除草剂中占有重要地位。其除草效果好、杀草谱较广、使用方便，主要被用于大豆、谷物及其他几种阔叶草的优先控制[2]。在氯代乙酰胺类除草剂中，乙草胺作为玉米、大豆、棉花和果树的除草剂，在我国的年使用量已经超过10 000 t（原药）。

乙草胺含氯原子，具有“三致效应”（致癌、致畸、致突变）或可疑的“三致效应”[3]，已被美国环境保护局定为B-2类致癌物[4]。乙草胺不易挥发，对光稳定，从文献查得乙草胺在土壤中的半衰期为1～3个月，可见乙草胺能够在土壤中长时间存在[5]，并有可能通过渗漏进入地下水系统。因此建立一种快速有效的脱氯方法是十分必要的。

含氯有机物的脱氯降解在国内外报道均较多，目前已报道的化学脱氯方法有FeS脱氯[6]，纳米铁脱氯[7]，硫脲脱氯[8]，亚硫酸盐脱氯[9]等。用硫代硫酸盐脱氯的报道尚属少见，本文以硫代硫酸钠做脱氯原料，调节含水量至15%，对乙草胺进行脱氯降解研究。

土壤对农药有吸附作用，土壤中农药残留检测的首要任务是样品前处理，包括提取、富集和净化等过程，发展简单快速的提取和净化方法对分析环境中的复杂样品非常重要。对于土壤中农药的提取和净化方法已有大量的报道，传统的索氏提取具有良好的提取效率，但是具有耗时、需要大量的溶剂、不利于大批量处理等不足，且长时间的索氏提取还会造成某些有机污染物的分解，从而影响分析结果的准确性；超临界流体提取具有较高的提取效率，但是仪器花费较高；微波提取能够在30 min内完成样品的提取，但是需要严格控制提取的时间和压力；加速溶剂提取技术测定结果准确，但是一次性设备投资较大。所以，在日常的分析中，这些提取技术并未得到普遍应用。超声波提取技术可以有效地提取土壤中的农药，且提取时间短、效率高、花费较低，故此技术大量应用于环境样品的提取[5]。本研究即利用此技术建立了土壤中乙草胺的提取及定量分析的方法。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

供试仪器：Waters高效液相色谱仪；色谱柱Inertsil ODS-3，4.6 mm×150 mm，5 μm；色谱柱 μ-ΜBondapakC18，3.9 mm×300 mm，5 μm；RE52CS-2旋转蒸发仪；SHB-3循环多用真空泵；KQ3200E型超声波清洗器；SHZ-82HE恒温振荡器。

供试药剂：甲醇（色谱纯）、丙酮（分析纯）、二氯甲烷（分析纯）、硫代硫酸钠（分析纯）、无水硫酸钠（分析纯）、乙草胺农药原药（95%）。

1.2 储备液配制

1.2.1 乙草胺储备液的配制 称取1.315 8 g乙草胺农药原药（95%）于50 mL容量瓶中，用色谱级甲醇定容,乙草胺浓度为25.00 g/L，0℃下保存。

1.2.2 硫代硫酸钠储备液配制 称取2.928 2 g硫代硫酸钠于小烧杯中，蒸馏水溶解后转移至容量瓶中，定容，硫代硫酸钠浓度29.3 g/L。

1.3 土壤样品的采集与制备

土壤采自陕西歧山，5 a以上未耕种的荒地，取其深度约为15 cm的耕层土壤。将采集到的土壤倒在盘中，在半干状态下把土块压碎，除去植物残根等杂物，铺成薄层并经常翻动，在阴凉处风干，风干后的土壤用木棒碾碎后过10目的筛子（粒径<2 mm），除去2 mm以上的沙砾和植物残本，将筛分后的土壤装瓶备用。

1.4 分析方法的建立

1.4.1 色谱条件的建立 （1）最大吸收波长的选取。取适量的乙草胺溶于蒸馏水中，浓度约为10 mg/L，在紫外光谱仪上从200～400 nm扫描(结果见图1)，选取最大吸收波长。（2）流动相组成及色谱选择。在选定柱型基础上通过改变流动相甲醇/水比例，测定乙草胺的保留时间，测定乙草胺与其它干扰成分的分离情况（结果见表1，图2～4）。改变色谱柱重复上面过程。

1.4.2 土壤的培养 用细筛筛分土样，微量注射器吸取200μL储备液于一干净烧杯中，用10 mL丙酮稀释，取出筛分出的10 g土，混合均匀后，于通风橱中过夜，使丙酮挥发至干，再称取90 g土样将其稀释，搅拌均匀后，用保鲜膜封好烧杯口，放入阴暗处，备用。

1.4.3 农药提取效率比较实验 分别称取 5 g培养土壤于3个三角瓶中，并分别加入25、25、25 mL丙酮溶剂，比例分别为丙酮/水（V/V）=90/10、80/20、75/25，摇床振摇 1 h，超声波超声 15 min，过滤，收集滤液。再重复2次。收集到的滤液转移到一个250 mL的分液漏斗中，加入40 mL 5%的氯化钠水溶液，25、15、15 mL二氯甲烷，振摇提取3次。合并提取液过无水硫酸钠小柱，在旋转蒸发仪上减压浓缩到快干，再用氮气吹干，用甲醇定容至10 mL待测。每个试样做两个平行样品。

1.5 土壤中乙草胺的硫代硫酸钠脱氯降解

取3个干净烧杯分别称取10 g土于烘箱中，105℃下干燥5 h，取出后冷却到室温，衡重，计算土壤含水量，再分别加入1.5 mL乙草胺储备液和10 mL丙酮，混合均匀后，于通风橱内过夜，挥发干丙酮，往每个烧杯中加土，使干土量达到150 g，搅拌均匀，把烧杯放在天平上，分加0、1.5、3.0 mL硫代硫酸钠储备液，再加一定量的水调节水含量至15%（Wt%，干重），再次搅拌均匀后，用保鲜膜封好烧杯口，放入25℃阴暗处。未加硫代硫酸钠的土样每隔2d取1次样，加硫代硫酸钠的土样取样时间为13.5、23、45、90、136 h。取样后，在三角瓶中加入 25 mL 丙酮溶剂，丙酮/水（V/V）=80/20，摇床振荡 1 h，超声波超声15 min，过滤，收集滤液。重复上述过程2次，收集到的滤液转移到一个250 mL的分液漏斗中，加入40 mL 5%的氯化钠水溶液，25、15、15 mL二氯甲烷，振摇提取3次.合并提取液过无水硫酸钠，在旋转蒸发仪上减压浓缩到快干，吹氮气至干，用甲醇定容至10 mL，过0.45μm滤膜后直接进HPLC分析。每个试样做两个平行样品。

2 结果与分析

2.1 选取最大吸收波长

如图1所示，乙草胺紫外吸收在从短波向长波变化过程中急剧下降，考虑到许多溶剂如水、甲醇、乙腈在210 nm处有吸收，选取225 nm作检测波长。

图1 乙草胺紫外吸收光谱

2.2 不同柱型和流动相组成的选择

不同柱型和流动相的组成下，乙草胺保留时间见表1。

由表 1可见，μ-ΜBondapakC18和 Inertsil ODS-3柱对乙草胺都能较好分离，出峰时间也相当，不过Inertsil ODS-3柱长较短，在相同流动相和流速下其柱前压较低，所以选用Inertsil ODS-3，反相C18柱留待进一步实验。甲醇/水不同比例作流动相，乙草胺原药分离见图2～4，可以看出流动相比例为甲醇/水(V/V)=70/30时，可得到较好的分离效果。

表1 不同柱型和流动相组成时乙草胺保留时间

2.3 不同溶剂配比例取效率的比较

从图5中可以看出，丙酮和水3个不同配比的溶剂中，以丙酮/水（V/V）=80/20作为提取溶剂时，提取效率最大，丙酮/水（V/V）=90/10、80/20、75/25时添加回收率分别为76.8%、101.9%、68.1%。

2.4 Na2S2O3对乙草胺的化学降解

图2 流动相比例甲醇/水=65/35时乙草胺原药HPLC图

图3 流动相比例甲醇/水=70/30时乙草胺HPLC图

图4 流动相比例甲醇/水=75/25时乙草胺原药HPLC图

图5 不同提取溶剂比例提取效率柱形图

2.4.1 Na2S2O3降解乙草胺的HPLC谱图分析 含水量为15%（干重）、乙草胺浓度为 5.253 mmol/L的土壤在添加184.5 mmol/L的Na2S2O3后，在降解13.5、23、45 h 时，土壤提取液的 HPLC 图见图6～8。

图6 降解13.5 h时提取液的HPLC图

图7 降解23 h时提取液的HPLC图

图8 降解45 h时提取液的HPLC图

由图可见，添加Na2S2O3后，土壤中的乙草胺随培养时间增加峰面积减小（t=9.6±0.1 min）；同时，土壤提取液中出现新物质，其保留时间t约为2.1±0.1min，该峰面积随培养时间增大，随乙草胺峰面积减小而增大。这些结果表明，土壤中的乙草胺和Na2S2O3发生反应生成新物质。乙草胺降解过程中，乙草胺的浓度和色谱峰面积变化见2.4.3中的表2。

水土体系中乙草胺浓度，公式（1）。

2.4.2 Na2S2O3对土壤中乙草胺的降解模型 zheng等[8]研究认为水溶液中酰胺类农药的硫代硫酸盐脱氯过程为SN2反应。水土体系中，乙草胺会在土壤上发生吸附，土壤中乙草胺消失过程可用图9示意。假设只有水相乙草胺能与硫代硫酸盐反应，且按SN2机理进行，可得如下结论：吸附的乙草胺不能被硫代硫酸盐降解；土壤不吸附硫代硫酸根，它只存在于土壤水相中；乙草胺的蒸发消失可忽略不计（饱和蒸汽压=30×10-3Pa，25℃）；生物降解速率很小可忽略不计（对照实验支持该假设）。据此，我们建立土壤中乙草胺的硫代硫酸盐脱氯动力学模型如下。

水土体系中乙草胺浓度，公式（1）。

水相中Na2S2O3和乙草胺SN2反应，公式（2）。

表2 土壤中有、无Na2S2O3时乙草胺降解过程中浓度（色谱峰面积）变化情况

土壤相中Na2S2O3和乙草胺SN2反应，公式（3）。

由（1），（2），（3）式得公式（4）、公式（5）。

图9 土壤中乙草胺消失过程

2.4.3 Na2S2O3对乙草胺的降解 在Na2S2O3对乙草胺的降解过程中，乙草胺的浓度和色谱峰面积变化结果见表2，表中同时给出无Na2S2O3，其它条件均相同时的对照实验结果。

以乙草胺色谱峰面积对时间作图，如图10。从图10可以看出，在未加硫代硫酸钠的情况下，乙草胺几乎不发生降解，当加入的硫代硫酸钠的物质的量是乙草胺的物质的量的2倍时，乙草胺开始降解，并随着反应时间的推移，降解速度越来越慢；当加入硫代硫酸钠的物质的量是乙草胺的物质的量的4倍时，乙草胺的降解速度明显加快。同时，随着时间的推移，反应也变得缓慢。

图10 硫代硫酸钠对乙草胺的降解动力学。土壤含水量15%（Wt%），温度25℃

图11 硫代硫酸钠对乙草胺的降解动力学过程

由图11可见，硫代硫酸钠和乙草胺的反应在硫代硫酸钠浓度远大于乙草胺浓度时，能够很好地符合准一级反应动力学。在硫代硫酸钠用量分别为乙草胺的2和4倍时，乙草胺的半衰期分别约为12和6.5 d，而乙草胺在天然土壤降解半衰文献值为1～3个月，可见硫代硫酸钠的确能加快土壤中的乙草胺脱氯去毒过程。

3 小结

3.1 建立了土壤中乙草胺的HPLC分析条件

Inertsil ODS-3，4.6 mm×150 mm，5 μm 反相C18柱，流动相为甲醇/水（V/V）=70/30，UV 检测器，检测波长为225 nm，流动相流速为1mL/min

3.2 建立了土壤中乙草胺的定量提取条件和方法

提取溶剂为丙酮/水（V/V）=80/20，提取过程为摇床摇振、超声提取、过滤、二氯甲烷萃取、旋蒸浓缩、吹干、定容、过0.45μm膜、进HPLC。

3.3 建立了乙草胺脱氯过程动力学模型

初步研究了硫代硫酸钠对土壤中乙草胺的化学脱氯过程，建立了多相体系中乙草胺脱氯过程动力学模型；测定了硫代硫酸钠对乙草胺的脱氯转化过程动力学常数和半衰期。结果发现在硫代硫酸钠用量远大于乙草胺时，乙草胺的化学脱氯降解反应很好的符合准一级反应动力学。

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