中国环境科学
CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE
1998年 第18卷 第2期 No.2 Vol.18 1998
科技期刊

近代分析技术研究农药与土壤活性组份作用机理*
刘维屏　王琪全（浙江大学化学系，杭州 310027）
李克斌　（西北大学化学系，西安710069）
　　文　摘　土壤中的粘土矿物和腐植酸是对农药吸附的最主要两类活性组份。作者从基于红外光谱(IR)、电子自旋共振谱(ESR)、X-衍射等近代分析技术，对农药在土壤活性组份上吸附机理的研究方法和主要结论进行了综述。
　　关键词　农药　腐植酸　粘土　吸附　机理
Study on the adsorption mechanism of pesticides on soil humic acids and clays using recent analysis technology.Liu Weiping，Wang Qiquan( Department of Chemistry, Zhejiang University, Hangzhou 310027)；Li Kebing(Chemistry Department, Northwest University, Xi’an 710069).China Environmental Science.1998,18(2):102～106
Abstract―IR, ESR, XRD and some other recent analysis methods have been using in the study of adsorption mechanisms of pesticides on soil humic acids and clays. The applications of these analysis methods and the main conclusions were reviewed in this paper.
Key words:pesticides　humic acids　clays　adsorption　mechanism
　　随着农药的广泛使用，农药的环境污染问题日益严重，对农药环境行为的研究受到国内外许多环境工作者的关注〔1〕。农药在土壤中的吸附、脱附被认为是农药在土壤-水环境中归宿的主要支配因素〔2〕。农药在土壤中吸附机理的研究是农药环境行为研究的重要组成部分，通过吸附机理的研究可以了解农药在土壤中吸附的主要类型、吸附的强弱以及可逆性。
　　土壤中的粘土矿物(Clays)和腐殖酸(Humic Acids)是对农药吸附的两类最主要的活性组份〔2〕。关于农药在土壤活性组份上吸附机理的研究，国内外已有较多的报道。迄今为止，已发现的吸附机理有离子交换、氢键、电荷转移、共价键、范德华力、配体交换、疏水吸附和分配等7种机理〔3〕。作者从IR、ESR、X-衍射等近代分析技术对农药在土壤活性组份上吸附机理的研究方法及主要结论作一综述。
1　红外光谱(IR)
　　红外光谱法是研究农药在土壤活性组份上吸附机理的最常用手段，农药分子在腐殖酸、粘土上吸附前后IR吸收峰的变化情况为农药吸附机理的判断提供了较为丰富的信息。
1.1　农药在腐殖酸上吸附机理研究
　　采用IR对农药在腐殖酸上吸附机理进行研究，主要采用KBr压片法〔4～11〕。在制备KBr盐片时，需对KBr和腐殖酸、农药-腐殖酸作用物的质量进行控制，以保证制备的各盐片中腐殖酸(农药-腐殖酸作用物)和KBr的含量相等。农药-腐殖酸作用物的制备一般采用吸附平衡干燥法，如Senesi〔10〕在研究甲草胺在腐殖酸上吸附机理时，采用了如下制备步骤：将60mg腐殖酸置入100mL 200mg/L的甲草胺水溶液中，在室温下摇晃16h，然后离心分离出农药-腐殖酸作用物。再用50mL 200mg/L的甲草胺水溶液重复处理两次，离心分离后的腐殖酸用50mL重蒸水清洗两次，以除去腐殖酸上未被吸附的甲草胺。离心分离后的农药-腐殖酸作用物进行冻干。
　　 分别测定腐殖酸、农药－腐殖酸作用物的IR谱，通过比较腐殖酸主要官能团吸收峰位置及相对强度的变化，确定吸附机理。腐殖酸分子羧基和羰基(C=O)伸展振动峰(1720～1725/cm)、COO-的C-O对称和非对称振动吸收峰(1550～1610/cm和1400/cm)、酚羟基变形振动吸收峰(1220～1265/cm)等〔12〕是机理研究时的主要观测对象。
　　几乎所有的农药都含有可形成氢键的基团，当腐殖酸与农药分子发生氢键作用时，通常与腐殖酸的C=O部位进行作用。由于氢键的形成使C=O强度减弱，此时从IR图谱中可以看到C=O吸收峰(1720～1725/cm)全部或部分下移10～50/cm〔4,6,7,9〕。腐殖酸的羧基-OH、酚羟基-OH、醇羟基-OH也可以发生氢键，此时在1250/cm(C-O伸展振动)、1040/cm(COOH的O-H弯曲振动)的峰强度会发生一定程度的下降〔6〕。
　　离子键吸附机理通常只发生在阳离子农药或能接收H+而成为阳离子农药的吸附过程中〔3〕。腐殖酸和农药发生离子键作用时，通常发生在腐殖酸的羧基和酚羟基上。此时，从IR图谱上可以看到羧基的C=O振动吸收(1720～1725/cm)、酚羟基-OH变形振动吸收峰(1220～1265/cm)明显减弱或消失，而COO-的对称和非对称吸收峰(1550～1610/cm和1380～1425/cm)明显增强〔4,5,7,11〕。
　　在农药-腐殖酸的IR图谱中，出现的不仅是腐殖酸的红外吸收峰，被吸附农药分子的一些吸收峰也会夹杂在其中。根据这些吸收峰与单纯农药IR图谱比较的位移情况，也能够帮助判别农药在腐殖酸上的吸附机理。当农药分子与吸电子的腐殖酸之间发生电荷转移吸附时，农药分子电子密度下降，一些原来富电子键的振动吸收峰位置将向高波数移动。如杀虫脒〔5,11〕在腐殖酸上发生电荷转移吸附后，其原来的C芳-N伸缩振动吸收峰由1346/cm上移至1356/cm，C=N振动吸收峰由1710/cm上移至1718/cm。当农药分子与腐殖酸发生范德华力等弱作用时，通常在农药-腐殖酸作用物的IR图谱中出现的农药分子和腐殖酸分子的特征峰位置不发生移动。如三嗪在腐殖酸上的吸附是一种弱作用，仅在作用物IR谱的指纹区可看到一些没有发生移动的农药分子振动吸收峰〔7〕。
1.2　农药在粘土上吸附机理的研究
　　农药在粘土上吸附机理的IR研究主要采用粘土自载膜的差示光谱方法〔13～21〕。以空白自载膜为参比，检测吸附农药后自载膜的IR谱，得到的差示IR谱应是在粘土上吸附态农药的IR谱。根据农药分子主要官能团的红外吸收峰的位置及相对强度的变化，可以对农药分子在粘土上吸附机理进行推测研究。有时为研究粘土上不同金属离子对农药吸附的影响，往往将粘土进行单离子饱和〔14,16～19,21～25〕，再制备成粘土自载膜进行吸附机理的研究。
　　氢键仍然是农药在粘土上吸附的一种常见机理。农药分子的C=O、P=O等常和粘土交换阳离子配位水发生氢键作用，C=O、P=O等相应的振动吸收峰将明显地向低波数移动。异丙甲草胺〔13〕、Phenamiphos〔22〕、甲草胺〔15,23〕、Fenoxaprop-ethyl〔25〕在单离子饱和粘土上吸附后，各自分子的C=O、P=O和配位水均发生了氢键作用。在一定条件下，农药分子吡啶环的N也可以发生氢键作用，此时吡啶环的ν8a振动吸收将向高波数移动。如除草剂绿草定〔16〕在单离子饱和的粘土上吸附后，绿草定分子吡啶环的N发生了氢键作用，其吡啶环的ν8a振动吸收由1572/cm移至1580/cm。
　　农药分子与粘土发生离子键作用时，通常能从单离子饱和的粘土自载膜吸附和洗涤的CCl4(或CHCl3)溶液中检测到显著被交换下来的金属阳离子，从IR图谱中也能看到农药分子形成阳离子的一些特征峰。如Micera〔14〕在研究稳杀特酸在单离子饱和粘土上吸附时，发现吡啶环ν8a振动吸收由1580/cm上移至1655/cm，并且存在3090～3115/cm的N-H的伸缩振动吸收峰，经与稳杀特酸盐酸盐的IR图谱比较，证实有吡啶离子生成，说明稳杀特酸与粘土间存在离子键吸附。
　　农药分子中的羧基、胺基等是良好的配体，它们可以和粘土中金属阳离子原来的配体(如H2O)发生配体交换，此时农药分子中相应配位基团的IR振动吸收会向高波数移动。如阴离子除草剂三氟羧草醚钠盐〔17〕在Cu-Clay、Ca-Clay上吸附后，三氟羧草醚COO-的两个IR特征吸收峰(1605/cm、1385/cm)均向高波数移动，这说明三氟羧草醚与粘土之间不是发生简单的离子交换，而是与粘土上的金属阳离子发生了配位作用。苯达松〔26〕在单离子饱和粘土上吸附时，其分子中的叔酰胺C-N振动吸收由1350/cm上移至1380/cm附近，说明叔酰胺的N与粘土上的金属阳离子发生了配位作用。类似机理在异丙甲草胺Ca-Clay上的吸附亦有发现〔13〕。
2　电子自旋共振波谱(ESR)
　　电子自旋共振波谱是研究农药在土壤活性组份上吸附机理的又一重要手段，它对电荷转移、共价键、配体交换等吸附机理具有很好的判别能力。一般将农药－腐殖酸或农药－粘土作用物经干燥后，置入ESR管中，采用X-波段ESR波谱仪进行测定。通常采用α，α-二苯基-β-苦味酸基-苯肼(DPPH)作为g值和自由基浓度的标准〔4,6,14〕。
　　农药在土壤活性组份上吸附时，只要有给电子和受电子基团的存在，就可能发生电荷转移。此时在作用物的ESR谱上就可以看到自由基浓度明显升高〔4,6〕。Senesi等〔4〕根据对扑灭通等10种农药与腐殖酸作用物的ESR波谱研究，均发现自由基浓度有0.5～6倍的升高，而光谱分裂因子g值和未吸附农药腐殖酸的g值基本一致，这说明作用前后自由基的种类和环境基本相同，农药与腐殖酸之间发生了电荷转移作用。
　　当腐殖酸和农药及农药的降解物生成共价键时，腐殖酸的自由基浓度会明显降低。研究表明，腐殖酸与氯酚链烷酸和酯作用后，从ESR图谱上看腐殖酸的自由基浓度显著降低，共振谱线宽度增加〔4,27〕。这是因为腐殖酸中的游离基和氯酚链烷酸降解产生的苯氧基、芳香基形成了共价键。
　　粘土中交换金属阳离子和农药分子发生配位作用后，其作用物的ESR波谱也将发生明显的变化。如稳杀特酸〔14〕在铜离子饱和的粘土上吸附后，ESR谱线明显增宽，g//由2.35变为2.31，A//由165×10-4/cm变为170×10-4/cm，这说明铜离子的配位场明显拉长，稳杀特酸与粘土上的Cu2+发生了配位作用。
3　X-衍射(XRD)
　　农药分子在粘土上发生吸附后，如果农药分子能够渗透进入粘土内层空间，其吸附量将明显大于不能渗透时的吸附量。X-衍射常被用于测定农药－粘土作用物的粘土内层空间间距d(001)值，对农药是否渗透进入粘土内层进行确认。Liu Weiping等〔16,17,20〕在这方面进行了一系列的研究工作。在研究Fe3+、Al3+、Cu2+、Ca2+、K+、Na+单离子饱和的蒙脱土对绿草定农药分子吸附时，发现吸附绿草定后经120℃真空干燥的蒙脱土d(001)值为12～14，普遍比未吸附绿草定的蒙脱土d(001)值大2左右，这说明绿草定分子已渗透进入单离子饱和的蒙脱土内层空间〔16〕。同样的研究结果在Fe3+、Al3+、Ca2+、Na+单离子饱和的蒙脱土对哌草丹吸附时亦有发现〔20〕。而当Cu2+、Ca2+、Na+单离子饱和的蒙脱土与三氟羧草醚钠盐相互作用时，d(001)值出现不同程度的降低，而趋于和Na+离子饱和的蒙脱土d(001)值一致，这说明三氟羧草醚钠盐在粘土上吸附后没有进入蒙脱土内层形成内层配合物，而是三氟羧草醚钠盐的Na+与粘土上Cu2+、Ca2+离子发生了阳离子交换〔17〕。
　　Rodriguez等〔22〕的研究表明，有机磷农药Phenamiphos与K+、Ca2+、Mn2+、Co2+、Ni2+饱和的蒙脱土作用后，K-Clay仅增加2.7，而其余增加6.6～7.1，这说明Phenamiphos未能进入K-Clay的内层空间。而Rodriguez等〔24〕的另一研究表明，分子较小的Chlorocholine Chloride则能渗透进入以上5种单离子饱和的蒙脱土内层空间。
　　Bosetto等〔23〕对Li+、Na+、K+等6种一价离子和Ca2+、Mg2+、Cu2+、Al3+　4种多价离子饱和的蒙脱土与甲草胺的吸附作用进行了研究，根据吸附农药前后蒙脱土在190℃干燥后d(001)值的变化，发现甲草胺不能进入单价离子饱和蒙脱土的内层空间，而能够进入多价离子饱和蒙脱土的内层空间。
　　从以上研究结果可知，农药分子在蒙脱土上吸附时，能否渗透进入内层空间，不仅与农药分子的性质(如分子大小、农药类型、配位性能等)有关，而且和蒙脱土交换阳离子的种类、价态有关。农药分子越小、配位性越强，交换阳离子越大、价态越高、配位性越强，农药分子越容易渗透进入蒙脱土内层空间。
4　其它
　　荧光光谱也是研究农药在腐殖酸上吸附机理的一种手段，它包括激发光谱、发射光谱和同步扫描光谱。荧光光谱中峰的位置与分子机构有密切的相关性，通常共轭程度低的分子，其荧光峰的波长较短。有利于共轭的给电子基团取代基，能使荧光强度增加〔28〕。根据吸附农药前后腐殖酸水溶液的荧光光谱中荧光峰的相对强度及位置的变化，可以帮助判断农药分子在腐殖酸上的吸附机理。
　　甲草胺〔10〕在腐殖酸上吸附后，其作用物的激发光谱在350～400nm短波长的吸收峰有明显增强，说明腐殖酸是通过低芳香聚合度的结构单元与甲草胺发生了作用，并且很可能具有给电子取代基，如-OH、-OCH3、-NH2等。草甘膦－腐殖酸作用物〔8〕的荧光激发光谱、发射光谱、同步扫描光谱中均发现高波长的荧光峰随草甘膦在腐殖酸上吸附量的增加，向低波长方向移动。这说明腐殖酸大分子随吸附的草甘膦量的增加发生了解离作用，腐殖酸大分子的电子共轭程度下降，而造成相应的高波长荧光峰的下降。
　　元素分析和官能团分析是农药在腐殖酸上吸附机理研究的另一重要辅助手段。通过元素分析可以测定农药以及农药－腐殖酸作用物C、H、O、N的百分含量，根据各自的C/N等比值，可以确定不同腐植酸对某一含N农药吸附量的大小。结合不同腐殖酸的官能团分析，可以确定富含哪种官能团有利于对该农药的吸附。如Senesi等〔7〕通过元素分析和官能团分析比较了3种不同来源的腐殖酸对扑灭通等4种含N除草剂的吸附，结果发现含羧基、酚羟基多的腐殖酸更能有效地吸附该类除草剂，这与IR图谱研究所得的离子键为主要吸附机理的结论正好一致。元素分析、官能团分析与ESR结合的研究结果表明〔4〕，腐殖酸羧基越少，醌基越多，越有利于农药与腐殖酸之间的电荷转移作用机理的发生。
5　结语
　　农药在土壤活性组份上的吸附，往往是多种机理同时发生，需要采用多种分析手段进行研究。以上仅对普遍使用的研究方法进行简述，新仪器、新方法的应用正在不断出现，如CIR-FTIR、单晶X-衍射、穆斯堡尔谱、高分辨NMR等技术，它们将给人们提供对农药在土壤活性组份上的吸附机理的研究以更深入、更清楚的研究手段。本研究组进一步的研究工作将涉及农药与土壤根际的相互作用，农药结合物（结合态）的环境生物化学行为，以便更进一步真实反映农药在环境中的行为。
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作者简介
刘维屏　男，1958年7月生。现任浙江大学环境科学研究中心主任，化学系副主任，教授，博士生导师。主要从事环境污染化学与污染控制化学研究。近年来，主持了国家自然科学基金2项，省自然科学基金2项，国家教委留学回国人员项目等研究课题多项。获浙江大学科技成果奖6项，省教委科技进步奖1项。1990年获浙江省青年科技奖，亿利达优秀教师奖。1995年获中国环境科学学会优秀科技工作者奖。发表论文90篇(其中13篇被评为省级自然科学优秀论文一、二等奖)。
收稿日期：1997-04-15
* 国家自然科学基金资助项目(39670420)
