丛来欣,黄明明,章建浩,严文静

(国家肉品质量安全控制工程技术研究中心,江苏省肉类加工与质量控制协同创新中心,南京农业大学食品科学技术学院,江苏南京 210095)

马拉硫磷作为广泛应用于防治粮食及果蔬虫害的一种有机磷农药,具有毒性大、难以降解且具有残留性的特点[1-2]。目前在空气、土壤、食品、地表水和废水中积累残留已被广泛检测,并已成为一个重大的环境问题[3]。长期的残留积累会导致水体环境不断恶化,为了避免对环境及人体健康造成不利的影响,开发高效的水体中农药残留降解方法已经成为目前亟需解决的问题,引起了国内外科研工作者的广泛关注[4-5]。

目前,水体中农药残留降解的常用方法主要有光催化法[6-7]、超声波法[8-10]、微生物降解[11]以及氧化法[12-14]等,这些方法虽然能够有效降解一部分的农药残留,但是存在效率低、实验过程繁琐、二次污染等问题[15]。低温等离子体是在高压电场下电离空气产生的大量电子、离子、负离子、中性原子的集合,由于在放电过程中可产生大量的活性物质,如O3、自由基等,具有较强的杀菌活性,目前该技术已经被广泛用于农产品杀菌保鲜领域[16-17]。近期研究发现,低温等离子体能够有效降解有机磷农药分子,同时不会产生二次有毒副产物[18]。低温等离子体处理能够成功降解水中敌敌畏,降解效率受放电功率、处理时间及气体介质等条件的影响。在低浓度下,O2流量为40 cm3时,放电功率120 W处理120 s后,敌敌畏达到最优降解效率为96%[19]。Sarangapani等[20]利用等离子处理水中敌敌畏、马拉硫磷和硫丹,经80 kV处理8 min后,其三者的降解效率分别可达到78.98%±0.81%、69.62%±0.14%和57.71%±0.58%。介质阻挡低温等离子体对水中乐果有显著的降解作用,在乐果初始浓度为20 mg/L、放电距离为5 mm的条件下,放电功率85 W处理7 min,其降解效率可大于96%[21]。低温等离子体是一种新型非热氧化技术,具有高效率、低能耗、适用范围广的特点,适用于难降解的有机物的处理[22-24]。目前关于利用低温等离子体降解农药残留的研究主要集中在降解效率及工艺参数的优化,但关于低温等离子体对农药残留降解规律及其降解机理和途径的研究鲜有报道。

本文采用介质阻挡放电低温等离子体(dielectric barrier discharge plasma,DBD plasma)设备对马拉硫磷水溶液进行处理,研究了不同处理时间、放电电压以及农药初始浓度对其降解效率的影响,处理后的农药通过GC-MS分析降解过程中产生的中间产物,构建降解动力学模型,揭示马拉硫磷的降解途径及降解机理,为后续的降解研究提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

马拉硫磷标准溶液 中国农业部环境保护科研检测所,纯度>98%,浓度100 μg/mL;正己烷 广东光华科技股份有限公司,色谱级;所有分离用有机溶剂 均为国产色谱纯。

介质阻挡放电等离子体设备,配有电压调控箱,可控电压(0～90 kV) 南京苏曼公司;6890N气相色谱仪、320MS气相色谱-质谱联用仪 美国安捷伦公司;MAP-H360复合气调保鲜包装机 苏州森瑞保鲜包装设备有限公司;高速冷冻离心机 美国Beckman公司。

1.2 实验方法

本实验采用的DBD等离子体发生装置是将包装后的样品放置到两个铝电极之间,上下电极分别连接到高压电源和地线,并在电极和样品之间插入介质板。处理时两个电极板之间形成的高压电场,将包装盒内的空气电离产生等离子体,从而能够有效降解包装盒内的农药溶液。

1.2.1 水溶液中马拉硫磷残留量的检测及降解效率计算 水溶液中残留马拉硫磷的提取:取处理过后的水溶液10 mL于离心管中,加入20 mL二氯甲烷分两次萃取,放入振荡器中振荡5 min(转速900 r/min)。静置完全分层,取1 mL下层有机层溶液,用无水硫酸钠脱水后用氮气吹干,用正己烷定容至1 mL,采用气相色谱分析[25]。

水溶液中马拉硫磷残留浓度的测定:气相色谱条件:色谱柱:HP-5,5%苯基甲基硅氧烷毛细柱(30 m×0.32 mm,0.25 μm);升温程序:从100 ℃开始,以20 ℃/min升至240 ℃,再以15 ℃/min升至270 ℃,保持1 min;进样口温度250 ℃,不分流进样;检测器为氮磷检测器,检测器温度为250 ℃,检测器气体空气的流速为100 mL/min,氢气的流速为75 mL/min;载气N2,流速1.0 mL/min,补充气(N2)流速60 mL/min。

水溶液中马拉硫磷残留降解效率的计算:水溶液中马拉硫磷降解效率用η表示,由下列方程计算:η(%)=[(C0-Ct)/C0]×100

式中:C0表示在DBD等离子体处理前,水溶液中马拉硫磷的初始浓度(μg/mL);Ct表示低温等离子体处理t时刻后水溶液中马拉硫磷的浓度(μg/mL)。

1.2.2 提取与测定方法验证 将丙酮配制的马拉硫磷母液用蒸馏水进行稀释,使其浓度分别为0.05、0.10、0.20 μg/mL,用上述提取方法及测定方法检测并计算回收率及变异系数。

1.2.3 低温等离子体不同处理条件对水溶液中马拉硫磷残留降解效率的影响

1.2.3.1 不同处理时间及电压对水溶液中马拉硫磷残留降解效率的影响 准确吸取1 mL的马拉硫磷标准溶液(100 μg/mL)转移至10 mL容量瓶中,并用丙酮定容,配制成马拉硫磷浓度为10.0 μg/mL的母液。用蒸馏水将马拉硫磷母液稀释至0.5 μg/mL,将稀释液加入到12孔板,每孔加入2 mL后进行空气包装。选取不同处理时间(30、60、90、120、180 s)及不同处理电压(60、70、80 kV)对马拉硫磷水溶液进行处理,处理后放置2 h提取水溶液中马拉硫磷残留,采用气相色谱对其浓度进行测定。

1.2.3.2 不同农药初始浓度对水溶液中马拉硫磷残留降解效率的影响 用蒸馏水将马拉硫磷母液稀释至0.1、0.5、2.5 μg/mL,将稀释液加入到12孔板,每孔加入2 mL后进行空气包装。在处理电压为80 kV条件下,对不同浓度的马拉硫磷水溶液(0.1、0.5、2.5 μg/mL)处理不同时间(30、60、90、120、180 s),处理后放置2 h提取水溶液中马拉硫磷,采用气相色谱对其浓度进行测定。

1.2.4 降解动力学模型建立 将不同处理条件下水溶液中的马拉硫磷降解效率拟合到一级降解动力学模型中,一级动力学公式为:ln(C/C0)=-kt

式中:k为反应速率常数;t为反应时间。

模型拟合的有效性根据决定系数R2进行评价,k值由降解效率得出。

1.2.5 傅里叶红外光谱分析 0.5 μg/mL的马拉硫磷溶液经低温等离子体处理60、120和180 s后,分别用50 mL乙醚溶液提取三次,将乙醚相收集,经无水硫酸镁干燥,随后浓缩至1 mL,制备红外光谱样品。将10 μL浓缩过后的样品涂抹在KBr薄片上,进行傅里叶红外光谱扫描,扫描光谱范围为4000～500 cm-1,扫描次数为64次。以不经过低温等离子体处理的水溶液作为对照组。

1.2.6 中间产物的测定 水溶液中马拉硫磷的提取方法与1.2.1中相同。气相色谱串联质谱条件:升温程序:82 ℃保持5 min,然后以8 ℃/min升至280 ℃,保持1 min,再以25 ℃/min升至300 ℃,保持2 min。电离方式:EI;电离能量70 eV;接口、离子源、四级杆温度分别为200、250、250 ℃;全扫描模式,质量扫描范围为m/z 80～400。测定出的离子色谱结合NIST质谱库检索分析,通过特征离子解析和结构验证后确定中间产物。

1.3 数据分析

采用SPSS软件进行数据单因素方差分析,相关实验结果均采用3次平行所取平均值,数据以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 添加回收率结果

马拉硫磷在水溶液中的添加回收率如表1所示。在本实验条件下,三种浓度的马拉硫磷水溶液回收率在98%～105%之间,变异系数均小于3%,由此可见该提取和分析方法的准确度、精确度均满足实验分析要求。

表1 马拉硫磷在水溶液中的回收率Table 1 Recoveries of malathion in aqueous solution

2.2 低温等离子体不同处理时间及电压对水溶液中马拉硫磷残留降解效率的影响

0.5 μg/mL马拉硫磷水溶液经不同放电电压及处理时间下的降解效率如表2。水溶液中马拉硫磷的降解效率随着低温等离子体的放电电压及时间的增加而显著增加(P<0.05),并随着处理时间的延长,降解效率的增长逐渐趋于平缓。80 kV处理180 s后,马拉硫磷的降解效率分别是60、70 kV处理180 s的1.63和1.21倍。在所有实验组中,低温等离子体处理80 kV 180 s,马拉硫磷降解效率最高,达到64.60%。

低温等离子体产生的活性物质中,O3和·OH被认为是降解农药残留的主要物质,此外还有其他氧化活性物质,例如过氧化氢、单线态氧等[29]。O3降解农药的机理一是直接氧化,二是通过其他几种链式反应生成H2O2和·OH,从而氧化农药[20]。羟基自由基是一种强的氧化剂,可以有效去除废水中的有害物质,并且可结合形成H2O2,进而起到氧化效果[2]。

表2 不同处理时间及电压下马拉硫磷的降解效率(%)Table 2 Effects of different treatment times and dischargevoltages on the degradation of malathion(%)

2.3 不同农药初始浓度对水中马拉硫磷残留降解效率的影响

表3 不同初始浓度对马拉硫磷的降解效率(%)Table 3 Effects of different initial concentrationson the degradation of malathion(%)

为了探究农药初始浓度对马拉硫磷降解效率的影响,在保持处理电压为80 kV的条件下,选择初始浓度为0.1、0.5、2.5 μg/mL的一系列马拉硫磷水溶液进行低温等离子体处理。从表3中可以看出,随着处理时间的延长(30～120 s),三种浓度的马拉硫磷溶液的降解效率都显著增加(P<0.05),但在相同的处理条件下,随着初始浓度的增加,降解效率急剧下降。当初始浓度为低浓度(0.1 μg/mL)时,降解效率在处理180 s后可达到79.62%,而当初始浓度为高浓度(2.5 μg/mL)时,降解效率在处理180 s后仅为34.97%,说明农药初始浓度会影响低温等离子体的降解效率。

当溶液中浓度较低时,溶液中存在的农药分子较少,在一定的体积内,增加了低温等离子体产生的活性物质与农药分子的碰撞几率,故降解效率较高[21];当溶液浓度过高时,单位体积内的农药分子数量变多,而在相同条件下,低温等离子体产生的高能电子及自由基等活性物保持不变,难以降解过量的有机物分子,导致马拉硫磷的降解效率下降[30]。

2.4 不同放电电压及农药初始浓度下马拉硫磷溶液降解动力学

为了解水中马拉硫磷降解规律,采用一级降解动力学方法建立反应模型。图1为马拉硫磷ln(Ct/C0)随处理时间的变化曲线。图1中ln(Ct/C0)与低温等离子体处理时间的线性关系表明在不同放电电压及初始浓度下,水溶液中马拉硫磷的降解规律符合降解一级动力学模型(R2≥0.9)。此外,随着放电电压的增加,马拉硫磷降解速率常数随之增加,t1/2值也随之下降。但随着初始浓度的升高,马拉硫磷降解速率常数随之降低,t1/2值也随之延长。

图1 不同放电电压(a)和初始浓度(b)下马拉硫磷一级动力学模型Fig.1 The first-order kinetics model of malathion underdifferent discharge voltages(a)and initial concentrations(b)

马拉硫磷降解规律符合一级动力学可以通过低温等离子体产生和降解农药消耗的活性氧物质来解释,在低电压条件下,农药分子与较少的电子、离子和氧化活性物质进行反应,使降解速率降低;但放电强度随着放电电压的增强而增加,较高能的电子可能导致解离反应增加,使产生的活性物质的量也随之增加,进而使降解速率提高[20,31]。与此同时,农药初始浓度的增加会使系统内产生的活性物质不足,进而造成降解速率降低。

2.5 傅里叶红外光谱(FT-IR)分析结果

为了阐明水溶液中马拉硫磷的降解途径,利用傅里叶红外光谱(FT-IR)对处理过程中的马拉硫磷样品进行光谱测定,分析马拉硫磷经低温等离子体处理过程中产生的特征吸收峰变化,确定降解过程中马拉硫磷化学键的变化,推断出可能的中间产物,所有特征吸收峰对应化学键参考基础有机化学实验中的描述[32]。图2为低温等离子体分别处理0、60、120、180 s后马拉硫磷降解的红外光谱。在3326 cm-1出现较宽的红外吸收带,是O-H基团的特征拉伸峰,这可能是由于与磷连接的甲氧基中的C-O键断裂,导致由接收氢的甲氧基氧原子形成O-H键。在1733 cm-1处保留了C=O键的吸收峰,但是随着处理时间的延长,C=O键的吸收峰逐渐减弱。等离子处理前,C-O吸收峰出现在1262 cm-1处,并随着处理时间的延长逐渐消失,推断出随着低温等离子体处理时间的延长,C-O键逐渐裂解。此外,在744 cm-1处出现的P=S特征吸收峰以及在968 cm-1处出现的C-S特征吸收峰都出现随着处理时间的延长而逐渐减弱的现象。因此,傅里叶红外光谱的结果说明了在低温等离子体处理过程中,马拉硫磷的特征键表现出一系列减弱甚至断裂的现象,为进一步探讨马拉硫磷降解过程中生成的物质提供了有力的证据。

图2 马拉硫磷处理前后FT-IR图谱Fig.2 FT-IR spectra of malathionwith and without DBD plasma treatment

2.6 马拉硫磷降解产物及降解途径分析

为了进一步阐明降解途径,本文利用GC-MS技术分析了DBD等离子体处理过程中马拉硫磷降解的中间体和产物。考虑到中间产物的生成的浓度较低,采用浓度为10 μg/mL的马拉硫磷溶液进行试验,对降解物提取后进行浓缩再采用GC-MS测定分析。表4为马拉硫磷降解得到中间产物的化学式、名称、保留时间、峰面积占比、质荷比及结构式。如表4所示,马拉硫磷经低温等离子体处理后,产生了五种可能的化合物,部分马拉硫磷(C7)氧化为马拉氧磷(C6),后经过P=S键断裂生成磷酸三乙酯(C1)。主要的降解产物为化合物顺-丁烯二酸二乙酯(C3)、反-丁烯二酸二乙酯(C4)和O,O,S-三甲基二硫代磷酸酯(C2),有少量的马拉硫磷由于C-O键的断裂而形成2-二甲氧基膦硫酰磺基-4-乙氧基-4-氧丁酸(C5)。

表4 马拉硫磷及其主要降解产物的GC-MS特殊特征Table 4 GC-MS special characteristics of malathion and main degradation products

图3 介质阻挡放电等离子降解马拉硫磷途径Fig.3 Degradation pathways of malathion by DBD plasma

3 结论

本文利用介质阻挡放电等离子体对水溶液中的马拉硫磷残留进行降解,在初始浓度为0.1 μg/mL的条件下,低温等离子体放电电压80 kV处理180 s,马拉硫磷最高降解效率可达到79.62%±2.97%。在水溶液中,马拉硫磷的降解规律符合降解一级动力学,并且降解速率随低温等离子体放电电压的升高及溶液初始浓度的降低而明显提高。马拉硫磷的降解主要经历了两个途径,一是P=S键的氧化,二是C-S键的断裂。GC-MS降解产物分析表明,降解的最终产物具有更为简单的官能团。本研究为分解和净化环境水体中及果蔬中农药污染物提供了另一种新型处理途径,在食品安全领域具有广阔的应用前景。