竹醋液對水中噻蟲嗪的光穩定性作用

王 進，宋 麗，張瑤瑤，馬曉江，曹先爽，湯 鋒，岳永德

(國際竹藤中心, 國家林業局竹藤科學與技術重點實驗室, 北京 100102)

竹醋液對水中噻蟲嗪的光穩定性作用

王 進，宋 麗，張瑤瑤，馬曉江，曹先爽，湯 鋒，岳永德

(國際竹藤中心, 國家林業局竹藤科學與技術重點實驗室, 北京 100102)

噻蟲嗪是一種廣譜性殺蟲劑，在水溶液中易光解，為探討竹醋液對噻蟲嗪光解的影響，以高壓汞燈和氙燈為光源，比較不同質量濃度的竹醋液對噻蟲嗪光穩定性的作用，采用超高效液相色譜法測定噻蟲嗪的光解殘留量。結果表明：不同光源下，竹醋液對噻蟲嗪均具有顯著的光猝滅效果。在高壓汞燈照射下，噻蟲嗪在稀釋30倍的竹醋液中的光解半衰期為7.37 min，與未加竹醋液的對照相比，光解半衰期延長了6.5倍，相當于化學抗光劑對氨基苯甲酸219.7 mg·L-1的劑量效果。在氙燈照射下，噻蟲嗪在稀釋30倍的竹醋液中的光解半衰期為3.38 h，與未加竹醋液的對照相比，光解半衰期延長了1.7倍。因此，竹醋液能提高噻蟲嗪在水溶液中的光穩定性，有望作為天然的光穩定劑應用在農藥制劑中。

光解；噻蟲嗪；竹醋液；半衰期；光穩定性

光解是農藥降解的重要途徑，同時會影響農藥使用的穩定性，造成農藥持效期縮短等問題，在農藥制劑中添加光穩定劑是減緩農藥光解的有效方法[1]。噻蟲嗪(thiamethoxam)屬于第2代新煙堿類殺蟲劑，它可選擇性抑制昆蟲中樞神經系統煙酸乙酰膽堿酯酶受體，具有觸殺、胃毒和內吸活性[2-4]。與吡蟲啉相比，噻蟲嗪具有更高的生物活性、安全性和廣譜性，且與吡蟲啉無交互抗性[5]。因此，噻蟲嗪應用前景廣闊。國內外對噻蟲嗪的光解研究，主要報道了噻蟲嗪在水中[6-7]，固相表面的光解[8-9]，以及pH值和離子基團等對其光解的影響[10]。根據《化學農藥環境安全評價試驗準則》(2010)，噻蟲嗪屬于“Ⅰ級(易光解)”農藥[9]。易光解的農藥施用在農作物上后，因光照易分解而降低防治效果，從而增加了施藥次數，造成環境污染等問題。

竹醋液是竹材在熱解或干餾過程中產生的煙氣經冷凝的液體，具有抑菌[11-12]、抗氧化[13]等活性作用。在農業領域，竹醋液可作為農藥增效劑使用[14-15]，但竹醋液對農藥光解會產生何種影響，尚未見報道。因此，本研究選擇易光解的噻蟲嗪為靶標農藥，通過添加不同濃度的竹醋液，在模擬太陽光和高壓汞燈下，以超高效液相色譜為檢測手段，比較不同濃度竹醋液對噻蟲嗪光解的影響，明確竹醋液對噻蟲嗪的光穩定性作用，對竹醋液資源的高效利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器：Agilent 1290超高效液相色譜儀，配二極管陣列檢測器(美國Agilent 公司)；SGY-1型多功能光化學反應儀，配300 W高壓汞燈(南京斯東柯電氣設備有限公司)；ALTLAS Suntest XLS+臺式氙燈老化試驗箱，配1 700 W氙燈(美國錫萊-亞太拉斯有限公司)；BP221S電子天平(德國Sartorius公司，d=0.000 1)；Delta 320 pH計(瑞士Mettler-Toledo公司)；移液槍(德國Eppendof公司)；Rotavapor R-220旋轉蒸發儀(瑞士Buchi公司)。

試劑與樣品：噻蟲嗪標準品(純度99%，德國Dr. Ehrenstorfer公司)；對氨基苯基酸(p-aminobenzoic acid, PABA)(純度≥99.0%，上海安譜實驗科技股份有限公司)；甲醇和乙腈(色譜純，美國Fisher Scientific公司)；竹醋液(竹醋蒸餾液pH 2.43，江蘇江陰中炬生物科技有限公司提供)；超純水(美國Pall公司超純水儀制備)。

1.2 標準溶液的配制

噻蟲嗪標準溶液配制：準確稱取10.2 mg的噻蟲嗪標準品，于10 mL容量瓶中，用甲醇定容至刻度，即為質量濃度為1 020 mg·L-1的噻蟲嗪儲備液，再配制質量濃度為1.0、5.0、10.0、20.0、50.0 mg·L-1的噻蟲嗪標準溶液。

對氨基苯甲酸的配制：準確稱取對氨基苯甲酸5.0 mg，于5 mL容量瓶中，用甲醇定容至刻度，即為質量濃度為1000.0 mg·L-1的對氨基苯甲酸的儲備液，再根據需要進行稀釋。

1.3 超高效液相色譜條件

色譜柱：Agilent Eclipse Plus C18 (1.8 μm)，2.1 mm i.d.×150 mm；柱溫30 ℃；流動相為乙腈(A)和水(B)，梯度洗脫程序：0～3.5 min，25% A；3.5～3.7 min，25%～90% A；3.7～5.0 min，90%～25% A；5.0～5.5 min，25% A；流速0.25 mL·min-1；檢測波長254 nm；進樣量2 μL。

1.4 竹醋液對噻蟲嗪光解的影響

配制不同質量濃度的竹醋液與噻蟲嗪混合，使噻蟲嗪的最終質量濃度為30 mg·L-1。根據前期研究和預實驗結果，竹醋液對殺蟲劑和殺菌劑表現出增效作用14-15，選擇的稀釋倍數均在30～1 000倍范圍內，因此，本研究中竹醋液的最終稀釋倍數選擇為30倍、100倍、600倍和1 000倍。

高壓汞燈光照：取竹醋液與噻蟲嗪的混合溶液10 mL于具塞石英試管中，置于高壓汞燈的光解儀內，距離光源10 cm，溫度為(25±1)℃，每處理重復3次，并設置黑暗對照，不同光照時間取樣，樣品過0.22 μm濾膜，待測。

氙燈光照：取混合溶液10 mL于具塞石英試管中，置于氙燈老化試驗箱中照光，距離光源40 cm，每處理重復3次，并設置黑暗對照，隔2 h取1次樣，樣品過0.22 μm濾膜，待測。

1.5 抗光劑對氨基苯甲酸對噻蟲嗪光解的影響

配制噻蟲嗪與對氨基苯甲酸的混合溶液，使噻蟲嗪的最終質量濃度為30 mg·L-1，對氨基苯甲酸的質量濃度分別為6、10、50、100、200和400 mg·L-1。

高壓汞燈光照和氙燈光照的方法，同1.4。

1.6 不同pH值對噻蟲嗪光解的影響

竹醋液經稀釋30倍、100倍、600倍和1 000倍后，其pH值分別是3.40，3.72，4.08和5.61。用乙酸和水配制成與上述pH值一致的溶液，再與噻蟲嗪混合，經高壓汞燈照光，距離光源10 cm，每處理重復3次，并設置黑暗對照，不同光照時間取樣，樣品過0.22 μm濾膜，待測。

1.7 結果計算

光解動力學方程擬合：農藥在溶液中的光解動力學，采用一級動力學方程描述：

Ct=C0·e-kt

式中:k為光解速率常數；C0為噻蟲嗪的初始濃度，Ct為t時刻噻蟲嗪在溶液中的質量濃度(mg·L-1)。當噻蟲嗪光解50%時，即Ct=C0/2時，所需的時間即為光解半衰期，以t1/2表示，t1/2=ln2/k。

光猝滅率的計算：

另外，差異顯著性分析是用統計軟件(Statistical Product and Service Solutions, SPSS)在P=0.05時用單因素方差分析和鄧肯顯著性檢驗。

2 結果與討論

圖1 噻蟲嗪標準品超高效液相色譜圖Fig.1 UPLC chromatogram of standard thiamethoxam

2.1 標準曲線的繪制

以噻蟲嗪的質量濃度為橫坐標(x)、色譜峰面積為縱坐標(y)，進行線性回歸分析，結果表明：噻蟲嗪在1～50 mg·L-1范圍內，線性方程為y=25.961x-1.6142，相關系數R2=1.000，說明噻蟲嗪的標準曲線具有良好的線性關系。噻蟲嗪的保留時間為2.9 min，色譜圖見圖1。

2.2 在高壓汞燈下竹醋液對噻蟲嗪光解的影響

在高壓汞燈照射下，不同稀釋倍數的竹醋液對噻蟲嗪光解的結果，見表1。

表1 高壓汞燈下不同稀釋倍數竹醋液對水中噻蟲嗪光解的影響

由表1可知，在高壓汞燈照射下，噻蟲嗪在純水中易光解，光解半衰期為1.13 min。噻蟲嗪在稀釋30倍、100倍、600倍和1 000倍的竹醋液中，經照光后其光解半衰期分別為7.37 min、3.54 min、1.62 min和1.35 min。隨著竹醋液濃度的增加，噻蟲嗪的光解速率變小，半衰期也隨之延長。通過差異顯著性分析(P=0.05)，稀釋30倍和100倍的竹醋液對噻蟲嗪的光解半衰期產生顯著影響，當噻蟲嗪與稀釋30倍的竹醋液混合后，光猝滅率達到552.21%。因此，竹醋液在高壓汞燈(紫外光)下對噻蟲嗪具有明顯的光穩定性作用。

2.3 在模擬太陽光下竹醋液對噻蟲嗪光解的影響

在模擬太陽光(氙燈)照射下，測定了不同稀釋倍數竹醋液對噻蟲嗪光解的影響，結果見表2。

表2 氙燈下不同稀釋倍數竹醋液對水中噻蟲嗪光解的影響

由表2可看出，在模擬太陽光下，噻蟲嗪在純水中的光解半衰期為2.01 h。稀釋600倍和1 000倍的竹醋液對噻蟲嗪的光解半衰期無顯著影響，當竹醋液濃度提高，稀釋30倍的竹醋液使噻蟲嗪的光解半衰期顯著延長至3.38 h，使噻蟲嗪的半衰期延長了1.68倍，因此，在模擬太陽光下，稀釋30和100倍的竹醋液對噻蟲嗪具有顯著的光穩定劑作用。

2.4 對氨基苯甲酸對噻蟲嗪光解的影響

對氨基苯甲酸(PABA)是一種化學抗光劑，添加在農藥制劑中能夠減緩有效成分的光解。為進一步量化竹醋液對噻蟲嗪的光猝滅效果，選擇抗光劑對氨基苯甲酸作為對照。在高壓汞燈下，對氨基苯甲酸對噻蟲嗪的光解影響，結果見表3。

表3 高壓汞燈下不同濃度的對氨基苯甲酸對噻蟲嗪光解的影響

圖2 噻蟲嗪的濃度與其光解半衰期的線性關系Fig.2 Linear relationship between the concentration of thiamethoxam and the photodegradation half-life

由表3可知，在化學抗光劑的作用下，噻蟲嗪的光解受到抑制。為明確抗光劑濃度與噻蟲嗪光解半衰期之間的相關關系，以對氨基苯甲酸的質量濃度為橫坐標(x)，噻蟲嗪的光解半衰期為縱坐標(y)進行線性回歸分析，結果見圖2。

由圖2可看出，在高壓汞燈下，對氨基苯甲酸的濃度與噻蟲嗪光解半衰期之間呈線性關系，線性方程為y=0.0287x+1.0645，相關系數R2=0.982 8。根據線性方程計算出，稀釋30倍的竹醋液相當于質量濃度為219.7 mg·L-1的對氨基苯甲酸對噻蟲嗪的抗光解效果。因此，在生產應用上，可參考化學抗光劑的使用濃度，設置竹醋液的使用質量濃度。

2.5 pH對水中噻蟲嗪光解的影響

竹醋液呈酸性，主要成分為乙酸，竹醋液稀釋30倍、100倍、600倍和1 000倍后，其pH值分別為3.40，3.72，4.08和5.61。為驗證pH值對噻蟲嗪光解的影響，用乙酸和純水調配出不同的pH值，在高壓汞燈下，不同pH值乙酸溶液中噻蟲嗪的光解結果，見表4。

表4 高壓汞燈下不同pH值乙酸溶液對噻蟲嗪光解的影響

從表4可以看出，不同pH值的猝滅率，從負值到出現正值，是根據光猝滅率的公式計算得出，其中，負值是因為噻蟲嗪在不同pH乙酸中的半衰期比純水中的半衰期還??；正值是因為pH值為5.61時，噻蟲嗪的光解半衰期比純水中的半衰期的值大。當pH 3.40～4.08時，不同的pH值的乙酸溶液對噻蟲嗪的光猝滅率為負值，對噻蟲嗪的光解表現出光敏化特性。在供試pH值條件下，噻蟲嗪的光解半衰期范圍是1.06～1.20 min，竹醋液中的pH值因素未使噻蟲嗪的光解半衰期產生顯著延長，因此，排除了竹醋液pH值因素造成的光猝滅效果。據文獻報道，竹醋液成分復雜[17]，可能是竹醋液復雜的化學成分對噻蟲嗪的光猝滅效應起關鍵作用，其中酚類物質可能是重要的活性成分，需要進一步利用質譜、紅外光譜等手段，研究確認起抗光作用的活性成分。

3 結論與討論

在模擬太陽光(氙燈)和高壓汞燈下，噻蟲嗪的光解特征符合一級動力學方程。通過研究竹醋液對噻蟲嗪光解的影響，發現竹醋液對噻蟲嗪的光解有顯著的光猝滅作用，其中，在高壓汞燈下，噻蟲嗪在純水中的光解半衰期為1.13 min，當噻蟲嗪與稀釋30倍的竹醋液混合后，其光解半衰期為7.37 min，半衰期延長了6.5倍，光猝滅率達到552.21%。噻蟲嗪的光解半衰期與竹醋液濃度呈現劑量-效應關系。稀釋30倍的竹醋液相當于化學抗光劑對氨基苯甲酸219.7 mg·L-1的劑量效果。從光穩定性的角度考慮，竹醋液的稀釋倍數越小，則抗光性能越好。不同pH值(3.40～5.61)的乙酸水溶液對噻蟲嗪的光解沒有明顯影響，因此，竹醋液對噻蟲嗪的光穩定性效果排除了其pH值的因素。竹醋液的化學成分是其生物活性的物質基礎，因此，竹醋液化學成分復雜，可能是其產生光穩定性作用的關鍵因素，有待于進一步研究。

在生產上，受到光穩定劑的價格和對環境的危害等因素，限制了化學合成光穩定劑的應用，因此，植物提取物作為農藥光穩定劑的研究越來越受到關注，據報道，葡萄提取物對除草劑磺草酮有光穩定作用，添加了葡萄提取物的磺草酮制劑，在相同的防效下，可大幅減少農藥的用量[18-19]。值得一提的是，在我國竹炭企業中，竹醋液常作為廢棄物釋放到環境中，如果能實現竹醋液的高效應用，將有效避免相應的資源浪費和環境污染等問題。

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Effect of Bamboo Vinegar on the Photostability of Thiamethoxam in Aqueous Solution

WANG Jin, SONG Li, ZHANG Yao-yao, MA Xiao-jiang,CAO Xian-shuang, TANG Feng, YUE Yong-de

(SFA Key Laboratory of Bamboo and Rattan Science and Technology, International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China)

Thiamethoxam is a broad spectrum neonicotinoid insecticide. It can be easily photodegraded in aqueous solution. However, whether the bamboo vinegar could improve the photostability of thiamethoxam has not been studied. Effect of bamboo vinegar with different concentrations on the photoprotection of thiamethoxam was studied in water under high pressure mercury lamp (HPML) and xeon lamp. The residue of thiamethoxam was analyzed by ultra-performance liquid chromatography (UPLC). Bamboo vinegar can inhibit the photolysis of thiamethoxam in aqueous solution. In the presence of the 30 times diluted solution of bamboo vinegar, the photolysis half-life of thiamethoxam was extended to 7.37 min under high pressure mercury lamp irradiation, being 6.5 times higher than the control, and equivalent to the effect of 219.7 mg·L-14-aminobenzoic acid, a kind of commercial light stabilizer. In the presence of the 30 times diluted solution of bamboo vinegar, the photolysis half-life of thiamethoxam was 3.38 h under xeon lamp irradiation, being 1.7 times higher than the control. Thus, bamboo vinegar can improve the photostability of thiamethoxam in aqueous solution. Furthermore, bamboo vinegar could be used as a light stabilizer in thiamethoxam formulations.

Photolysis; Thiamethoxam; Bamboo vinegar; Half-life; Photostability

2016-10-19

國際竹藤中心基本科研業務費專項(1632014009)；“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD23B0304)

王進，博士，副研究員，主要從事植物化學和生物農藥研究。E-mail：wangjin@icbr.ac.cn