三种代表性新型有机污染物在土壤与植物体系中的环境行为与归趋

摘要

新烟碱类杀虫剂和药品及个人护理品即PPCPs(Pharmaceuticals and Personal CareProducts)都是环境科学研究热点，并且与人们的日常生活及人类健康均息息相关。新烟碱类杀虫剂是全球范围内使用非常广泛的一类农药。PPCPs是一类新型有机污染物，其主要来源于人们的日常生活。污水处理厂处理后的活性污泥被大量用作农田肥料，同时是清理和排除城市生活废物的主要途径，然而活性污泥回田利用同时，大大改变了土壤的物理化学性质，因此可改变PPCPs在土壤中的环境行为如环境持久性和植物吸收等。三氯生和三氯卡班是最被频繁检出的代表性PPCPs，特别是在污水处理厂的活性污泥中，具有很大的潜在环境风险。随着世界范围内广泛，大量，频繁使用，新烟碱类杀虫剂和PPCPs造成的生态环境问题日益凸显。哌虫啶(IPPA152004)，化学名称为1-（6-氯-3-甲基吡啶基）-5-丙氧基-7-甲基-8-硝基-1，2，3，5，6，7-六氢咪唑[1，2-a]吡啶，是具有我国自主知识产权的新型高效、低毒、广谱新烟碱类杀虫剂。含有两个手性中心、四个不同的光学异构体。有关哌虫啶环境行为与归趋等方面的研究鲜见报道。
　　本论文以环境研究热点代表性PPCPs即三氯生和三氯卡班，首次系统的研究了活性污泥对三氯生和三氯卡班在土壤-植物体系的环境行为影响及其可能机制。本论文汇总与归纳了所有发表相关文献，结合本实验所得数据，深入分析探讨了活性污泥对三氯生和三氯卡班的环境行为影响，从而得出科学可靠的结论;创新性的采用了被动采样器薄膜，研究了活性污泥对三氯生和三氯卡班的生物有效性的影响。同时，本论文以我国具有自主知识产权的手性新农药哌虫啶为对象，采用能反映哌虫啶不同对映体分子特征的多位置14C标记化合物为示踪剂，综合运用同位素示踪技术、现代有机波谱分析技术和生物技术，综合美国环保局(EPA)和经济合作与发展组织(OECD)的相关技术指南，通过平行和组合试验，在对映体层面上着重研究了哌虫啶在不同土壤中处于好氧条件下的矿化、结合残留及可提态的吸收分布和转化规律，以及哌虫啶的代谢降解规律，协同有效地甄别其在好氧土壤中的各种降解产物，首次阐明了其不同对映体的选择性降解途径。本论文主要研究结果如下:
　　研究发现活性污泥增加了三氯生和三氯卡班的在土壤中的吸附，当活性污泥添加量从2％增加到10％时，三氯生的吸附平衡系数Kd增加了3.9-21倍。三氯生和三氯卡班的持久性t1/2也随之增加，在无添加活性污泥的土壤中，三氯生的半减期为10 d，当添加10％的活性污泥于砂壤土壤中后，其半减期增加到63 d。为了探索三氯生和三氯卡班的持久性t1/2与吸附平衡Kd之间的相互关系，本论文分析本实验数据，同时充分搜集相关文献，系统性的归纳与分析本实验及文献数据，发现在活性污泥添加土壤中，三氯生和三氯卡班的持久性q/2与吸附平衡Kd之间存在显著性的线性关系(三氯生，r2=0.69，p＜0.01;三氯卡班r2=0.38，p＜0.05)。因此，活性污泥的添加增强了三氯生和三氯卡班的吸附，从而导致其持久性的增加。由于药物的持久性t1/2与吸附平衡Kd是影响其植物吸收与生物有效性的重要因素，因此本文继续深入研究活性污泥对其植物吸收及生物有效性的影响，从而更加全面的揭示活性污泥对PPCPs的环境行为的影响作用。
　　本文选用了常食用的蔬菜即萝卜和胡萝卜做为代表植物，研究了三氯生和三氯卡班在不同土壤及活性污泥添加土壤中的植物吸收和富集。研究发现，添加活性污泥于土壤中后，三氯生的植物体内富集系数BCFs显著降低。但是活性污泥对三氯卡班的BCFs影响较小。与无添加活性污泥的砂壤中相比，当活性污泥添加量为2％时，三氯生在萝卜和胡萝卜的可食部分BCFs分别降低了85.4和89.3％。活性污泥的添加可能降低了三氯生和三氯卡班的生物有效性。在此基础上，本论文利用被动采样器聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)薄膜，进一步研究三氯生和三氯卡班在土壤-植物体系中的生物有效性。
　　针对新烟碱类杀虫剂，本文研究发现手性哌虫啶在矿化脱毒，可提态残留，结合残留及母体消减等都存在异构体选择性差异，主要表现为立体异构体选择性显著差异，而其对映异构体无显著性差异。在整个培养过程中，随着时间推移，矿化量逐渐增加，但是总体矿化量相对较少，8％左右。总14C-可提态残留（包括14C-立体异构体及其可能的14C-降解产物）含量的整体变化趋势均为随着时间呈动态下降趋势，意味着哌虫啶各异构体在不同土壤中用来降解、转运或被植物或作物吸收等利用度不断下降。14C-哌虫啶不同对映体在不同土壤中的结合残留均随培养时间的延长而逐渐增加。哌虫啶在三种不同土壤中可提态残留的消减规律顺序为中性土＞碱性土＞酸性土，同种对映体在不同土壤中得到的可提态残留数据之间存在显著性差异(p＜0.01)。在中性土和碱性土（滨海盐土）中，同一手性中心的对映体（RR与SS;SR与RS）间的可提态残留(ER)动态变化规律差异不显著(p＞0.1)，而差向异构体之间（RR与SR; RR与RS; SS与SR; SS与RS）则存在显著差异(p＜0.01)。此外，相同手性中心的RR与SS对映体在中性土和碱性土中的ER均显著高于另一对相同手性中心对映体SR与RS(p＜0.01)。然而在酸性土中，哌虫啶的四个光学异构体之间，哌虫啶各个异构体可提态残留的没有显著性差异(p＞0.1)。
　　本论文进一步鉴定了哌虫啶在好氧土壤中的降解产物，发现6个主要代谢产物，分别为1-(6-氯-3-甲基吡啶基)-5-羟基-7-甲基-8-硝基-1，2，3，5，6，7-六氢咪唑[1，2-a]吡啶(产物M1)，1-(6-氯-3-甲基吡啶基)-7-甲基-8-氨基-1，2，3，5，6，7-六氢咪唑[1，2-a]吡啶（产物M2），1-(6-氯-3-甲基吡啶基)-7-甲基-1，2，3，5，6，7-六氢咪唑[1，2-a]吡啶（产物M3），1-(6-氯-3-甲基吡啶基)-5-丙氧基-8-羰基-六氢咪唑-[1，2-a]吡啶（产物M4），1-(6-氯-3-甲基吡啶基)-7-甲基-8-羰基-5-丙氧基-六氢咪唑-[1，2-a]吡啶（产物M5），1-(6-氯-3-甲基吡啶基)-5-丙氧基-1，2，3，5，6，7-六氢咪唑-[1，2-a]吡啶（产物M6）。其降解机制主要为脱丙基，亚硝基化，脱硝基，脱甲基，脱羟基，及酮基化等。同时，根据降解产物信息，本论文进一步推断了哌虫啶在好氧土壤中的主要降解途径。主要有三条:
　　a)哌虫啶母体M通过醚键断裂脱去丙基生成M1（1-(6-氯-3-甲基吡啶基)-7-甲基-8硝基-1，2，3，5，6，7-六氯咪唑[1，2-a]吡啶），M1在土壤中发生硝基还原为氨基并脱去氨基生成M2，M2在好氧土壤中通过脱羟基反应生成M3。
　　b)哌虫啶母体M通过硝基还原反应生成M4，M4脱去亚硝基氧化后生成M5。
　　c)哌虫啶母体M通过脱硝基生成中间产物或通过硝基还原反应生成M4，M4脱去亚硝基生成中间产物，中间产物脱甲基生成M6。
　　本文研究结果可为生活污泥对PPCPs的整体环境风险评估提供可资借鉴和重要意义，为农业合理科学使用活性污泥提供技术支持，为PPCPs生态环境及其潜在二次污染提供科学依据。同时，本论文研究结果有助于更系统深入地认识手性新农药哌虫啶的环境行为等规律，一方面为合理兼顾“高效活性和环境利益”的单一对映异构体新品种研发提供科学指导和技术支持，另一方面为现行手性新农药相关政策和法规的修订提供科学依据，并为我国自行创制的其他手性新农药的同类研究提供可资借鉴的研究体系和技术方法。本论文对保障环境安全、农产品安全和人类健康具有重要的科学意义与现实意义。

目录

论文说明

声明

致谢

术语与缩略语表

摘要

第1章 文献综述

1．1 代表性新型环境污染物三氯生和三氯卡班的研究进展

1．2 新烟碱类杀虫剂哌虫啶的研究进展

1．2．1 新烟碱类杀虫剂的发展及种类

1．2．2 新烟碱类杀虫剂的选择性作用机理

1．2．3 新烟碱类杀虫剂的研究进展

1．3 有机污染物在土壤及植物体系中归趋

1．4 选题依据及研究意义

第2章 活性污泥对三氯生和三氯卡班在土壤-植物体系中环境行为影响及其机制

2．1 实验材料

2．1．1 化合物

2．1．2 供试土壤和活性污泥

2．2 实验方法

2．2．1 吸附实验

2．2．2 降解实验

2．2．3 植物吸收和富集实验

2．2．4 生物有效性试验

2．2．5 样品处理和分析

2．2．6 仪器分析

2．2．7 质量保证和质量控制

2．3 结果与讨论

2．3．1 自然土壤和污泥添加土壤中吸附的差异影响

2．3．2 吸附平衡分配系数与土壤有机碳含量的相互关系

2．3．3 三氯生和三氯卡班在土壤和污泥添加土壤中的持久性

2．3．4 汇总与归纳或元分析活性污泥对三氯生和三氯卡班的持久性影响作用

2．3．5 三氯生和三氯卡班在种植物的土壤中的消减

2．3．6 三氯生和三氯卡班在植物体的吸收和富集

2．3．7 活性污泥对三氯生和三氯卡班在植物体吸收和富集的影响作用

2．3．8 评估三氯生和三氯卡班在植物体吸收和富集的影响因子

2．4 本章小结

第3章 新烟碱类农药哌虫啶在土壤中降解规律及代谢途径

3．1 材料与方法

3．1．1 标记化合物

3．1．2 供试土壤

3．1．3 试剂

3．1．4 仪器及设备

3．1．5 土壤培养

3．1．6 土壤灭菌及培养

3．1．7 提取及残留量的测定方法

3．1．8 样品预处理的方法

3．1．9 HPLC-WFC-LSC分析

3．1．10 HPLC-MS／MS分析

3．1．11 数据处理与分析

3．2 结果与讨论

3．2．1 哌虫啶在好氧土壤中的矿化量动态规律研究

3．2．2 哌虫啶在好氧土壤中的可提态残留动态规律研究

3．2．3 哌虫啶在好氧土壤中的结合态残留动态规律研究

3．2．4 哌虫啶母体在不同土壤中的消减动态

3．2．5 哌虫啶中性灭菌土壤中的可提态，结合残留及矿化动态变化

3．2．6 哌虫啶在灭菌和非灭菌土壤中的消减动态

3．2．7 哌虫啶在三种土壤及黄松土灭菌条件下的半减期

3．2．8 土壤理化性质对四个异构体哌虫啶在土壤中的消失动态的影响

3．2．9 哌虫啶的代谢产物及代谢途径

3．2．10 哌虫啶的非对映体选择性降解

3．3 本章小结

第4章 结论和展望

4．1 主要结论

4．2 本文创新性

4．3 研究展望

参考文献

攻读博士期间科研成果