水稻土中氯虫苯甲酰胺的降解转化过程及生物效应

Chlorantraniliprole is a novel class of insecticide that targets and activates the insect ryanodine receptors. Until now, studies of chlorantraniliprole mainly focused on chemical synthesis, biological activity and analytical methods for residues. Studies on the behavior and effects of CAP in soil ecosystem are scarce. In this proposed project, the degradation dynamics of chlorantraniliprole in paddy soil will be studied by incubation experiment. The content of chlorantraniliprole in soil will be determined by High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) and the degradation curve will be drawn. The effect of soil parent material, application amount, temperature and moisture content on degradation rate will be analysed. The degradation intermediates will be isolated, purified and their chemical structures indentified by organic chemistry methods. The content variation of these degradation intermediates will also be investigated during the degradation process. The change of soil microbial biomass and functional diversity, structural diversity and genetic diversity of soil microbial communities will be elucidated during the degradation process. The relationship between these microbiological indicators and the content variation of chlorantraniliprole and its degradation intermediates will be analysed. This project will provide scientific basis for risk assessment of potential soil pollution arise from application of chlorantraniliprole.

氯虫苯甲酰胺是一个新颖的具有高效、高选择性的昆虫鱼尼丁受体杀虫剂。目前，关于氯虫苯甲酰胺研究主要集中在化学合成、生物活性和残留分析方法上，而有关其在土壤生态系统中环境行为的研究很少。本项目针对氯虫苯甲酰胺在水稻土中的降解过程，开展室内培育试验，采用高效液相色谱法测定氯虫苯甲酰胺在土壤中的含量，绘制残留降解动态曲线，分析土壤母质、施用量、温度和水分对降解速率的影响；利用有机化学方法对氯虫苯甲酰胺降解的中间产物进行分离、提纯，并鉴定它们的化学结构，同时考察这些中间产物自身含量的变化；研究在降解过程中土壤微生物生物量和土壤微生物群落功能、结构及遗传多样性的变化，并分析这些微生物指标与氯虫苯甲酰胺及降解中间产物含量变化之间的对应关系。本项目将为评估氯虫苯甲酰胺潜在的土壤污染风险提供科学依据。

氯虫苯甲酰胺是在中国刚刚开始要广泛使用的新型杀虫剂，目前对氯虫苯甲酰胺的研究主要集中在田间药效试验和检测分析方法上，而对其在土壤中环境行为的研究相对较少，尤其缺少其对微生物活性和微生物群落结构的影响的研究工作。而这些研究对于合理评价氯虫苯甲酰胺的环境污染风险和对氯虫苯甲酰胺进行合理使用非常关键。本项目针对我国亚热带不同母质发育的典型水稻土，设置不同施药水平添加氯虫苯甲酰胺，研究氯虫苯甲酰胺的降解动态和在降解过程中对土壤微生物活性和微生物群落的影响。室内85天的培养试验结果表明氯虫苯甲酰胺在水稻土中的降解动态符合一级动力学方程，降解的半衰期（DT50）为41.0-62.5天。低浓度的氯虫苯甲酰胺（1mg/kg）在我国亚热带三种水稻土的降解过程中会对微生物生物量碳，微生物基础呼吸，微生物代谢熵，和酸性磷酸酶及蔗糖转化酶等微生物活性指标产生短暂的影响，会很快恢复，而磷脂脂肪酸（PLFA）分析表明，微生物群落结构的变化也是类似的规律。此外，我们还在一种水稻土上研究了不同用量的氯虫苯甲酰胺对微生物碳源代谢（CLPP）活性和细菌群落结构（16s RNA高通量测序）的影响，结果表明低施用量（1 mg/kg）下，氯虫苯甲酰胺对微生物碳源代谢和细菌群落结构产生短暂的影响，会很快恢复；而高施用量（10 mg/kg）下，氯虫苯甲酰胺对微生物碳源代谢和细菌群落结构则会产生较大的和较长的影响，不容易恢复。该研究结果提示我们在田间施药时，不可以过量施用氯虫苯甲酰胺，以免对土壤微生物群落产生较大的危害。此外，还分离得到了两个降解产物Z1，Z2，并鉴定了它们的化学结构。