二氧化氯对草甘膦降解效果的研究

杨林 刘晓妹 吴丽艳 李晶莹 胡文忠

(珠海科技学院药学与食品科学学院，广东 珠海 519040)

草甘膦(Glyphosate)是草甘膦酸和各种草甘膦盐的通用名称[1]，是一种具有内吸收、传导型和广谱灭生性作用的有机磷除草剂，化学名为N-(膦酸甲基)甘氨酸[2]。最初研究认为,草甘膦具有非选择性的高效、传导性强、成本低、低残留等优点，主要应用于大宗农作物、蔬菜、水果等农业生产中杂草控制；有资料表明，草甘膦在全球范围内使用广泛，在全球作物保护市场中销售额长期处于领先的地位[3]。后续研究发现，长期使用草甘膦致使土壤板结，生态环境变化，许多学者对草甘膦展开新的安全性评测，尤其是国际癌症研究中心于2015年将草甘膦列为2A类致癌物(可能导致人类癌症)，有研究表明，草甘膦可能残留在植物中，导致草甘膦残留在食物中，一些国家开始禁止使用草甘膦[4]。草甘膦最初被认为是一种对动物无害、低毒的广谱性除草剂，但随着后续研究的深入，结果表明，草甘膦及其制剂也可能对非目标生物具有潜在毒性[4,5]。草甘膦广泛用于农业种植生产中，研究认为其是一种“假持久性”有机污染物[6]。在农业生产中使用的草甘膦及其制剂，被认为是环境中草甘膦的主要来源，土壤系统是草甘膦及其制剂的主要归宿；土壤中的草甘膦可以通过多种途径进入水生生态系统，因此，水体系统也是草甘膦等农药污染物的重要归宿[4]。草甘膦在环境中的持续存在，造成环境和生物体内不断富集，导致农作物中的高水平残留。考虑到草甘膦对人体和生态环境的潜在危害，根据《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)规定，饮用水中草甘膦的最大残留量为0.7mg·L-1[7]；根据《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》(GB 2763-2021)规定，食品中草甘膦最大残留限量为0.05～7mg·kg-1[8]。因此，需要关注草甘膦残留对环境的影响，确保农产品安全。

二氧化氯(chlorine dioxide，ClO2)是一种水溶性的强氧化剂，易溶于水[9]，有研究表明，二氧化氯遇水会迅速分解产生多种氧化能力极强的活性基团。二氧化氯与有机物反应机理：目标化合物中电子密度或电子容量最高的原子受到二氧化氯的攻击，进而失去一个电子，目标化合物成为自由基；成为自由基的目标化合物与二氧化氯反应或自身自由基的键合反应、分子重排等形成不同的中间体；通过氧化、还原等反应形成最终产物[10]。所以，二氧化氯氧化有机物时只发生直接的电子转移氧化反应，而不发生氯代等多种副反应[11]，有研究表明二氧化氯对有机化合物的多种官能团均有氧化分解作用[12,13]。此外，二氧化氯还具有消毒杀菌的功能，有效灭活细菌病原体、病毒、真菌等，应用领域广泛。

本文利用二氧化氯的强氧化性，研究二氧化氯对草甘膦的降解效果，通过以水、土壤为介质的模拟研究，探讨不同时间、pH值、温度、投量下二氧化氯对草甘膦的降解效果，为二氧化氯实际应用于草甘膦污染土壤和水体环境，以及草甘膦生产厂家的污水处理提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

二氧化氯粉剂(购于珠海格瑞斯特生物科技有限公司，在实验室加纯水活化制得，使用前标定浓度为2012mg·L-1，纯度≥99%，实验前稀释成适合浓度的使用液)；EPA 547 草甘膦标准溶液(色谱纯，购于Sigma-Aldrich)；磷酸、硼酸、盐酸、磷酸二氢钾、甲醇、邻苯二醛等试剂(色谱纯，购于Kermel chemical reagent)；硫代硫酸钠、碳酸钠、硫酸等试剂(分析纯，购于天津市大茂化学试剂厂)；纯水均为双重净化纯水。

1.2 实验方法

实验样品与标准样品的配制均在1mL的硅酸盐色谱瓶中进行。草甘膦初始浓度定为100mg·L-1，调节实验条件，加入二氧化氯，一定时间后用0.5mol·L-1硫代硫酸钠终止反应。采用瑞士万通850离子色谱测定残余的草甘膦浓度，计算降解率。

二氧化氯对土壤中的草甘膦降解实验，先配置草甘膦工作液，按照实验方案施入0.1kg土壤中，使其浓度约为10mg·kg-1，老化3d后，向土壤中分别施入50mL不同浓度的二氧化氯溶液，震荡24h后测定残留量。

2 结果与分析

2.1 草甘膦标准曲线

制作标准曲线，草甘膦逐级稀释为1mg·L-1、2mg·L-1、5mg·L-1、8mg·L-1、10mg·L-1的标准样品。色谱条件：A5-150色谱柱，使用热导检测器；淋洗液为8mmol·L-1NaCO3；抑制器采用MSMII抑制器和MCS二氧化碳抑制器；再生液为0.1mol硫酸，进样体积20μL，等度洗脱。分析结果见图1。

2.2 二氧化氯浓度和反应时间对草甘膦降解效果的影响

经过文献查阅和调研，根据《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)规定，饮用水中草甘膦的最大残留量为0.7mg·L-1[7]，故本实验设定草甘膦的初始浓度为7mg·L-1。设定反应条件：温度为20℃，pH值为中性条件；把配制完成的草甘膦样品放入棕色玻璃瓶中，向其中加入配置的二氧化氯，二氧化氯的浓度设置为0.5mg·L-1、1mg·L-1、2mg·L-1、3mg·L-1，在反应完成后加入0.1mol·L-1硫代硫酸钠终止反应，测定残余草甘膦浓度，计算降解率。结果如图2所示，对于7mg·L-1的草甘膦，当二氧化氯浓度为2mg·L-1及以上时，在10min以内，降解率已经超过60%，反应迅速，二氧化氯对草甘膦具有较好的降解能力；在反应30min内，浓度为2mg·L-1、3mg·L-1的二氧化氯即可将初始浓度为7mg·L-1的草甘膦溶液降解80%以上；随着反应时间的延长，在50min之后，0.5mg·L-1二氧化氯处理组的降解率也接近60%，而2mg·L-1、3mg·L-1二氧化氯处理组的降解率达到95%左右，二氧化氯对草甘膦的降解效果十分明显；《生活饮用水卫生标准》中，规定草甘膦最大残留量为0.7mg·L-1，据实验结果，假定污染浓度7mg·L-1的外部水体环境，采用3mg·L-1及以上浓度的二氧化氯处理30min，即可使水质达标。由结果可知，二氧化氯浓度是影响草甘膦降解效果的一个主要指标，二氧化氯与草甘膦反应迅速，对草甘膦的降解效果显著，2mg·L-1及以上浓度的二氧化氯处理组降解速度比较快，前10min可以降解60%以上，而投量较低(<2mg·L-1)时，二氧化氯对草甘膦的降解速率较慢，起效时间较长。

图1 草甘膦标准曲线

图2 二氧化氯浓度和反应时间对草甘膦降解效果的影响

2.3 pH值对二氧化氯降解草甘膦效果的影响

在实际使用环境中，普遍认为不同地区的水体或土壤存在不同pH值分布的情况，北方和南方的天然环境中pH值不同。实验模拟不同的pH值条件，分析pH在4～10条件下，对草甘膦降解效果的影响。设定反应条件：草甘膦浓度7mg·L-1，二氧化氯浓度3mg·L-1，反应时间30min，温度为20℃。结果如图3所示，水体中pH值越低，草甘膦的降解率越高，结果显示，pH值在4～9时对二氧化氯降解草甘膦的影响并不大，当pH=10时，二氧化氯对草甘膦的降解率下降到40%以下，这是因为二氧化氯在pH≥10的条件下发生歧化反应，歧化生成氯酸盐和亚氯酸盐，导致其氧化能力显著降低。实验结果表明，二氧化氯在酸性条件下比在碱性条件下更有效地降解草甘膦，因为亚氯酸盐是二氧化氯在酸性条件下的产物，仍然具有一定的氧化能力，在酸性条件下可以部分氧化成为二氧化氯分子，而在强碱性条件下，发生歧化反应，消耗了部分二氧化氯。因此，在偏酸及偏碱条件下，二氧化氯均可有效降解草甘膦，但要注意pH值对二氧化氯降解草甘膦的影响，在重度盐碱环境(pH>9.5)的条件下使用时要适当调节药剂或环境的pH值，增加酸性组分，以期获得理想效果。

图3 pH值对二氧化氯降解草甘膦效果的影响

2.4 温度对二氧化氯降解草甘膦效果的影响

不同地区的季节温度差异较大，温度对化学反应速率和不同物质在水中的溶解度有显著影响，实验模拟不同的温度条件，分析温度对二氧化氯降解草甘膦效果的影响。温度设置为0℃、15℃、20℃、25℃和30℃，其中0℃为冰水混合物设置，其他温度为恒温水浴箱设置。设定实验条件：草甘膦的初始浓度为7mg·L-1，二氧化氯浓度为3mg·L-1，反应时间为30min，pH为中性条件。结果如图4所示，温度对二氧化氯降解草甘膦的降解效能影响较大，从0℃升至30℃，草甘膦的降解率从约为50%升至95%，降解效率提升十分明显，温度升高至20℃之后，降解率的增加斜率有所降低，可能是由于过高的温度导致二氧化氯在溶液中的溶解度下降，易向空气中挥发，而草甘膦难于挥发，因而降低了有效作用浓度，因此较高温度反而不利于二氧化氯发挥作用效能。在现场应用时应注意避开过高的温度时段，减少二氧化氯损耗，适当增加作用时间，减少投量，提高经济性。

图4 温度对二氧化氯降解草甘膦效果的影响

2.5 二氧化氯对土壤中草甘膦的降解效果

经过文献查阅和调研，根据《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》(GB 2763-2021)规定，食品中草甘膦最大残留限量为0.05～7mg·L-1[8]。为了研究二氧化氯对土壤中草甘膦的降解效果，以土壤中草甘膦的自身降解为对照，实验条件设置草甘膦的初始浓度约为10mg·kg-1，二氧化氯浓度50mg·L-1、100mg·L-1和150mg·L-1，室温(约为20℃)，pH为中性条件。结果见表1，土壤中草甘膦自然降解了2.5%，表明草甘膦在土壤中自身能够发生缓慢分解，而向土壤中施入二氧化氯后能明显加速草甘膦的降解，且随着浓度的增加，草甘膦的降解率也逐渐增加，当向土壤中施入50mg·L-1的二氧化氯时，土壤中草甘膦降解了17.4%；当向土壤中施入100mg·L-1的二氧化氯时，土壤中草甘膦降解了22.5%；当向土壤中施入150mg·L-1的二氧化氯时，土壤中草甘膦降解了31.5%。方差分析表明，二氧化氯浓度对草甘膦降解有显著影响(p<0.05)。以上结果说明,使用二氧化氯对土壤中草甘膦有降解效果，随着二氧化氯浓度的升高，土壤中草甘膦的降解效果越好。

表1 二氧化氯对土壤中草甘膦的降解效果

3 讨论与结论

草甘膦是世界上使用最广泛的除草剂，尤其是在大豆、玉米、棉花和油菜等转基因作物的种植生产中，是广谱灭生性的有机磷除草剂。在草甘膦使用过程中，一部分被植物吸收，一部分可能到达地面迁移、渗入土壤中，也可能通过大气沉降、雨水淋洗等方式进入外部环境[14]，致使土壤或自然水体中微生物、非靶标生物、土壤或水体理化性质等发生变化。研究草甘膦对土壤的影响结果表明，草甘膦的吸附和解吸能力主要取决于土壤的理化性质，如土壤性质、pH值、有机质含量等[15]，草甘膦易被土壤吸附，但对其吸附作用强弱因土壤性质而异。有科学研究证实，在灌溉期间，草甘膦可能会在深层土壤中发生移动和淋溶，这可能表明草甘膦对地下水构成潜在风险，而草甘膦受土壤吸附的影响较小[16]。最初的研究认为，草甘膦在土壤中易吸附、易分解、不易残留、对外部环境影响较小，但随着研究的深入，许多学者研究了草甘膦对土壤的理化性质、微生物群落等的影响，更加清晰地评价草甘膦对土壤、农作物的影响，间接影响农产品安全的各项措施的推行。有研究表明，草甘膦主要通过C-N键断裂生成氨甲基膦酸(AMPA)，少数通过C-P键断裂生成肌氨酸降解[17]。二氧化氯是一种强氧化剂，遇水会迅速分解产生多种氧化能力极强的活性基团，ClO2-/Cl-的氧化还原电位为0.76V，在水中具有极强的氧化能力，二氧化氯对有机化合物的多种官能团均有氧化分解作用[12]。利用二氧化氯的强氧化性，对有机化合物的降解有促进作用。

农业生产中使用的草甘膦等农药对靶标生物产生作用后，其中一部分继续残留在土壤、水体等环境中，对环境造成持续胁迫。本文以水体、土壤为介质，研究二氧化氯对草甘膦的降解效果，结果表明,二氧化氯能够有效、快速地降解草甘膦，反应浓度为最主要的影响因素，其次为反应时间，受温度影响较小，在酸性条件下降解效果好于碱性条件。