羅 健，張大俠 編譯 劉 峰 校

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，泰安，271018)

利用殼聚糖或三價(jià)鐵改性的蒙脫土制備甲氧咪草煙-蒙脫石復(fù)合物及其在納米制劑上的應(yīng)用

羅 健，張大俠 編譯 劉 峰 校

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，泰安，271018)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)藥用于增加作物產(chǎn)量，其對解決世界人口增長帶來的糧食安全問題至關(guān)重要。但是，農(nóng)藥使用又影響著人類健康和環(huán)境安全，因?yàn)橥ㄟ^土壤淋溶和地表水流等途徑，使得農(nóng)藥在水體中廣泛分布。此外，在分布過程中，農(nóng)藥的嚴(yán)重?fù)p失會(huì)導(dǎo)致藥效降低，在大多數(shù)情況下農(nóng)民不得不重新施藥，又進(jìn)一步增加了用藥成本和環(huán)境污染。為解決上述問題，研究者提出利用控釋劑型(controlled-release formulations CRFs)以降低被吸附或包裹活性成分的釋放速率。納米農(nóng)藥指具有至少一種納米組分的農(nóng)藥制劑。除了擁有更好的環(huán)保性能，納米農(nóng)藥制劑還能促進(jìn)有效成分在作用靶標(biāo)上的沉積。

用有機(jī)陽離子和聚合物改性的黏土已制取了緩釋農(nóng)藥(包括酸性農(nóng)藥)，無機(jī)黏土也已被作為農(nóng)藥載體，但應(yīng)用范圍比有機(jī)黏土小。因?yàn)轲ね辆哂屑{米結(jié)構(gòu)，所以這些黏土-農(nóng)藥制劑都符合納米農(nóng)藥概念。與游離的化合物或商品制劑相比，納米農(nóng)藥降低了農(nóng)藥在土壤中的遷移性能，并具有與傳統(tǒng)劑型相當(dāng)?shù)某莼钚?，這已經(jīng)作為酸性除草劑控釋劑型的優(yōu)點(diǎn)而被報(bào)道。此外，有機(jī)黏土對農(nóng)藥的吸附能力強(qiáng)且吸附過程不可逆，已被應(yīng)用于固定或螯合土壤中的酸性除草劑，也用作吸附劑來處理污水。之前，大多數(shù)研究者使用大分子的合成有機(jī)陽離子或聚合物來對有機(jī)黏土進(jìn)行改性，而現(xiàn)在人們更注重尋找更安全健康的吸附劑來作為天然的改性劑。經(jīng)研究，F(xiàn)e(III)和殼聚糖改性的蒙脫石分別具有吸附酸性除草劑2,4-D和二氯吡啶酸的能力。本研究的目的是評價(jià)被Fe(III)或聚合物殼聚糖(Ch)改性的天然蒙脫石對酸性除草劑甲氧咪草煙的吸附能力。同時(shí)，評價(jià)了改性蒙脫石對甲氧咪草煙的吸附能力和二者的相互作用機(jī)理，并獲得了不同的甲氧咪草煙-蒙脫石復(fù)合物以明確它們作為緩釋載體或納米農(nóng)藥的性能。通過土壤消解和淋溶試驗(yàn)研究這些納米制劑的環(huán)境行為。

甲氧咪草煙(圖1)是咪唑啉酮類的酸性除草劑，在芽前或苗后施用，防除小麥、豆科作物、玉米和油菜田中的雜草。甲氧咪草煙是一種水溶性高，土壤中殘留低的離子型除草劑。因其在土壤中具有較好的移動(dòng)性，所以被認(rèn)為有污染地表水和地下水的風(fēng)險(xiǎn)。該除草劑主要用于豆類、向日葵和玉米等作物田，苗前施用防治寄生性的列當(dāng)屬植物，這些寄生植物大部分時(shí)間生長在地下。因此，有必要開發(fā)一種緩釋制劑，可通過混土或種子包衣施用，使有效成分長期對植物根部形成保護(hù)。

圖1 甲氧咪草煙和殼聚糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)

1 材料和方法

1.1 天然黏土礦物、陽離子、除草劑和土壤

用于制備納米制劑的黏土原料來自黏土資源庫(The Clay Minerals Society，Purdue University，West Lafayette)中富含鈉元素的懷俄明蒙脫石(SWy-2)。黏土用殼聚糖(Ch)和無機(jī)陽離子Fe3+進(jìn)行改性。殼聚糖(Ch)化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1，低分子量(分子量=50 000～190 000g/mol)的殼聚糖從Sigma-Aldrich(St Louis，MO)購得。采用2種黏土改性方法，參照Celis等描述的方法進(jìn)行。0.8 g黏土用0.65 g溶解在200 mL 3 mM乙酸或0.3 mM HCl中的殼聚糖處理，分別用SWCh4和SWCh6表示。2種懸浮體的初始pH均為5.0，振蕩24 h后最終pH不同，SWCh4為5.0，SWCh6為7.3。根據(jù)文獻(xiàn)的方法用Fe3+飽和蒙脫石原料：10 g黏土用100 mL 1M的FeCl3溶液處理，每24 h更換一次溶液，連續(xù)更換3次。之后，將黏土離心、洗滌和透析，直到Cl被完全去掉。所有改性過的黏土被冷凍和凍干，再用手工輕輕研磨。

分析純甲氧咪草煙(98.5%)，購自Dr Ehrenstorfer GmbH(Augsburg，德國)，并用于配制分析甲氧咪草煙含量時(shí)用的外標(biāo)液和吸附試驗(yàn)的初始溶液。甲氧咪草煙原藥(99.5%)，由BASF(Barcelona，西班牙)提供，與改性黏土一起用于制備制劑。商品甲氧咪草煙Pulsar 40(有效成分4% w/v)由BASF提供，在釋放、消解和淋溶試驗(yàn)中用作對照藥劑。本研究中使用的土壤為采集于西班牙塞維利亞省科里亞德爾里奧的沖積土。根據(jù)質(zhì)地(23.8%砂和28%黏土)，歸為黏土類土壤。土壤的pH為8.3，有機(jī)碳含量1.27%，0.13%的N(凱氏定氮法)和22.6%的CaCO3。

1.2 改性黏土和制劑的特征

利用X射線熒光光譜(XRF)(Axios；PANalytical，阿爾梅羅，荷蘭)分析SWy蒙脫石樣品和改性樣品SWCh4、SWCh6和SWFe的無機(jī)元素，計(jì)算SWFe中Fe飽和的百分率。分析有機(jī)黏土SWCh4和SWCh6(CHNS 932 elemeinorganic元素分析儀；Leco，St Joseph，MI)中的C和N元素，計(jì)算黏土中有機(jī)陽離子的飽和度。試驗(yàn)中所有分析均由塞維利亞大學(xué)的CITIUS服務(wù)部門完成。待測樣品用Siemens D-5000衍射儀掃描，CuKa輻射測量范圍從4～30°，掃描速度2θ為1.2°/min，獲得X射線衍射圖。將待測樣品在室溫下風(fēng)干，或在200 ℃環(huán)境下干燥后冷卻至室溫，再進(jìn)行X射線衍射測定。使用Jasco FT/IR 6300光譜儀(Jasco Europe s.r.l.，Cremella，Italy)，記錄1%w/w樣品在KBr顆粒中轉(zhuǎn)換的Fourier 紅外光譜[傅里葉變換紅外光譜學(xué)(Fourier Transform Infrared Spectoscopy FT-IR)]。

1.3 吸附試驗(yàn)

1.3.1 2個(gè)初始濃度下的吸附

在2個(gè)不同除草劑初始濃度(Ci，3.3、500 μM)下測定納米黏土對甲氧咪草煙的吸附量。將天然或改性黏土(20 mg)加入甲氧咪草煙初始溶液(8 mL)中。振蕩24 h，使其達(dá)到平衡，懸浮液在Medtronic-BL-S(JP Selecta，Barcelona，Spain)臺(tái)式離心機(jī)中轉(zhuǎn)速2 772×g離心15 min。除去上清液，用配有Waters 996二極管陣列檢測器偶聯(lián)的Waters 600E高效液相色譜儀(Waters，Milford，MA) Nova-Pak C18柱(150 mm長，內(nèi)徑3.9 mm；Waters，Milford，MA)測定平衡濃度(Ce)。流動(dòng)相H3PO4(pH=2)+乙腈(4+1，體積比)，流速1 mL/min，進(jìn)樣量25 μL，UV檢測波長244 nm。

甲氧咪草煙吸附量Cs(μmol kg-1)的計(jì)算公式為(Ci－Ce)×V/m，其中V是加入的農(nóng)藥溶液的體積，m是黏土的質(zhì)量。被吸附的除草劑的百分比計(jì)算式為(Ci－Ce)/ Ci×100。

1.3.2 等溫吸附試驗(yàn)

在除草劑濃度10～500 μM內(nèi)選擇系列濃度，在8 mL的除草劑溶液中分別添加改性黏土(20 mg)進(jìn)行等溫吸附試驗(yàn)，每濃度重復(fù)3次。如上所述，將等溫吸附數(shù)據(jù)擬合到Freundlich方程式Cs=Kf×CeNf中，計(jì)算Freundlich方程的參數(shù)Kf和Nf。

1.4 甲氧咪草煙-蒙脫石制劑的釋放和淋溶試驗(yàn)

1.4.1 制劑的制備

利用每種改性的納米黏土用3種方法制備蒙脫石-甲氧咪草煙復(fù)合物(2%w/w)，⑴ 研磨混合(GM)：將除草劑(10 mg)加入到改性的納米黏土(490 mg)中并在瑪瑙研缽中混合和研磨；⑵ 弱復(fù)合物(WC)：將甲醇(CH3OH)(1 mL)加入到納米黏土(490 mg)和甲氧咪草煙(10 mg)的混合物中，振蕩1 min，甲醇揮發(fā)后，在瑪瑙研缽中研磨；⑶ 強(qiáng)復(fù)合物(SC)：與WC制備方式相同，但用5 mL甲醇振蕩24 h，并且在甲醇揮發(fā)后研磨。為了利用X射線衍射(x-ray diffraction XRD)和傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectoscopy FT-IR)更好地表征改性黏土對甲氧咪草煙的吸附機(jī)制，還制備了具有較高甲氧咪草煙負(fù)載量(7.5% w/w)的SC。

1.4.2 水中釋放動(dòng)力學(xué)

測定了由改性黏土和除草劑不同結(jié)合程度的制劑中甲氧咪草煙在水中的釋放水平。將制劑(100 mg)或含2 mg甲氧咪草煙活性成分的商品制劑加入到裝有蒸餾水(250 mL)的500 mL體積的棕色玻璃瓶中，并密封。從0～168 h內(nèi)在選定的時(shí)間點(diǎn)，手動(dòng)振蕩瓶子1 min并靜置10 min，然后取出2 mL上清液，過濾并用HPLC分析。定期取走少量的上清液被認(rèn)為對釋放模型沒有任何影響。在通常情況下，甲氧咪草煙的釋放動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)重復(fù)2次。將甲氧咪草煙的水中釋放數(shù)據(jù)擬合到方程Mt/Mz=ktn+c，其中Mt/Mz是在t(h)時(shí)釋放的甲氧咪草煙的百分比，k、n和c是定義釋放的特征常數(shù)：k(h-n)是表示高分子交聯(lián)系統(tǒng)和活性成分關(guān)系的特征常數(shù)，n是指示釋放機(jī)制的擴(kuò)散參數(shù)，c是在t=0時(shí)釋放的除草劑的百分比。

1.4.3 土柱淋溶試驗(yàn)

測定甲氧咪草煙在土壤中的遷移，在長20 cm，直徑3 cm的玻璃柱中進(jìn)行。在玻璃柱的底部用玻璃棉防止土壤顆粒的流失。手工裝填2個(gè)土柱，每個(gè)土柱裝180 g土。在土柱的頂部添加海砂，來保證除草劑在土壤表面上均勻分布。加水使土柱飽和后，將商品甲氧咪草煙制劑和不同方法制備的甲氧咪草煙-蒙脫石復(fù)合物的水溶液以有效成分1 400 g/hm2劑量加入，即相當(dāng)于平均田間用量(有效成分70 g/hm2)的20倍。每天加蒸餾水15 mL到土柱的頂部，然后收集淋出液并用HPLC分析。淋溶試驗(yàn)在25 ℃下進(jìn)行，淋溶18 d后，用H3PO4(pH=2)+ACN(4+1體積比)的混合液提取土柱中的甲氧咪草煙。預(yù)試驗(yàn)已證明，在土壤和提取液體積比例為1︰2時(shí)，5 g土中添加0.001 3 mg甲氧咪草煙的回收率＞99%。甲氧咪草煙商品制劑或改性甲氧咪草煙-蒙脫石復(fù)合物在土壤中降解的試驗(yàn)方法，詳見補(bǔ)充材料。

1.5 生物測定

用花椰菜種子測定制劑SWCh6WC的除草活性，并與甲氧咪草煙(Pulsar 4%AI w/v)的商品制劑和空白對照比較。用土壤(200 g)填充8.5 cm直徑的花盆，加水至飽和并放置48 h。將15?；ㄒ朔N子均勻撒在土壤表面，覆蓋10 g土，除草劑有效成分用量70 g/hm2(即350 μL的Pulsar的100 mg/L溶液或1.75 mg SWCh6 WC/盆)，每處理重復(fù)3次。將花盆隨機(jī)擺放在托盤上，每天用自來水澆灌。2周后，測量苗長和根長，并稱苗重。在Windows v.15上使用SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(SPSS，Chicago，IL)，進(jìn)行單因素方差分析，使用Tukey's HSD進(jìn)行成對多重比較。當(dāng)P＜0.05時(shí)，認(rèn)為是統(tǒng)計(jì)學(xué)差異顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性黏土的表征

黏土的X射線衍射分析結(jié)果見表1，有機(jī)元素分析結(jié)果和其他相關(guān)性質(zhì)見表2。與吸附能力相關(guān)的最重要性質(zhì)是層間距和改性陽離子飽和度(CSt)的百分比。2種聚合物飽和的黏土SWCh4和SWCh6中C和N含量不同，因此陽離子飽和度百分比也不同。然而，由初始飽和陽離子Na+的減少來推測，生物聚合物殼聚糖并不是所有氨基都帶電，同時(shí)氨基也補(bǔ)償了蒙脫石的層電荷。與Celis等人報(bào)道一致，本研究也發(fā)現(xiàn)2種SWCh樣品的層間距為15 ?，相當(dāng)于單層殼聚糖的夾在蒙脫土的層間，這是由于SWy蒙脫石的低電荷造成的。結(jié)果表明，2種有機(jī)黏土具有相同的層間距，表明SWCh6中的大部分生物聚合物與蒙脫石的外表層鏈接，因?yàn)樵诤铣蓸悠返淖罱KpH(7.3)條件下，樣品中非常小的一部分NH2被質(zhì)子化，另外，SWch6中極大的陽離子飽和度百分比(427%)也支持上述結(jié)果(表2)。如之前報(bào)道的掃描電鏡觀察結(jié)果所示，一些殼聚糖被吸附在SWCh4的外表層上，但是比SWCH6的吸附程度小。相同的差異也在Celis等的報(bào)道中出現(xiàn)，2個(gè)樣品的zeta電位也表明，吸附在SWCh6上的聚合物主要是不帶電荷的NH2。

SWFe(14?)層間距的測定結(jié)果表明，在黏土的中間層中形成低構(gòu)造的Fe柱，但Fe3+的飽和度表明存在Fe3+聚合物。SWFe(128 meq/100g)中Fe3+離子的增加與Na+(45 meq/100g)和Mg2+(17 meq/100g)(表1)的減少不匹配。據(jù)報(bào)道，Mg2+在這種蒙脫石的層狀結(jié)構(gòu)中，Ca2+存在于其中的雜質(zhì)長石(16%)和石膏(1%)中，這2個(gè)陽離子存在于可交換的位置上，因此它們很容易被取代。然而，用1 M FeCl3溶液處理時(shí)石膏可能溶解，所以不能精確計(jì)算出石膏中的陽離子的取代量。Fe3+容易發(fā)生水解和聚合，形成聚[Fe(III)-OH]陽離子，并且還能促進(jìn)水分子(H3O+)的電離，增加黏土層間的酸性。這些水合和羥基化的陽離子([Fe(III)-OH])占據(jù)SWFe上的取代位點(diǎn)，以此來測量層間距。然而，根據(jù)SWy中Na和Mg的減少及SWFe的出現(xiàn)，可以推測Fe的飽和度占最初黏土的陽離子交換量的70%～80%。

表1 最初和改性黏土的主要元素組成

表2 改性黏土的性質(zhì)

2.2 改性黏土對甲氧咪草煙的吸附

2.2.1 復(fù)合物對不同濃度甲氧咪草煙樣品的吸附

SWy黏土對甲氧咪草煙沒有吸附作用。相比之下，在甲氧咪草煙3.3、500 μM的濃度下，改性黏土對甲氧咪草煙的吸附非常明顯(圖2)。在高濃度的處理中，SWCh6和SWFe的吸附非常明顯。在所有處理中，改性的黏土對甲氧咪草煙的吸附都有所增加，且SWFe的吸附量最大。初始的甲氧咪草煙溶液的pH和吸附平衡的懸浮液pH見圖2，隨著吸附過程的進(jìn)行pH發(fā)生變化：除草劑初始濃度低，有機(jī)聚合物黏土SWCh6處理的pH升高，SWFe的處理的pH降低。最終pH為4.3～6.9(圖2)。甲氧咪草煙是有機(jī)酸，其電離平衡過程如圖3所示，相應(yīng)的pKa分別為2.3、3.3和10.8。SWCh黏土懸浮液pH=5～7，大多數(shù)除草劑為陰離子或分子形式；而SWFe處理的溶液pH較低(pH=3～4)，少量除草劑以質(zhì)子化的形式存在。

根據(jù)Celis等人報(bào)道，當(dāng)pH從7降低到3時(shí)，SWCh4和SWCh6中殼聚糖的NH2基團(tuán)逐步質(zhì)子化，最終的甲氧咪草煙吸附溶液中，SWCh4(pH6.5和4.5)比SWCh6(pH 6.9和5.6)應(yīng)當(dāng)有更多的NH2被質(zhì)子化。因此，盡管有疏水性作用，陰離子型甲氧咪草煙還是可能通過與質(zhì)子化的NH3+基團(tuán)發(fā)生離子作用吸附在SWCh4和SWCh6上。因此，盡管必須考慮不帶電荷的生物聚合物鏈分子的疏水作用，甚至一些極性羧基的相互作用和未質(zhì)子化的NH2基團(tuán)的作用，但陰離子甲氧咪草煙也可能主要通過與質(zhì)子化NH3+基團(tuán)的離子相互作用吸附在SWCh4和SWCh6上。在吸附甲氧咪草煙后，懸浮液中的pH增加，表明當(dāng)吸附發(fā)生時(shí)，生物聚合物的氨基的質(zhì)子化在繼續(xù)進(jìn)行。然而，2種有機(jī)黏土對低濃度甲氧咪草煙的吸附能力非常有限。

無機(jī)改性黏土SWFe在較高的初始溶液濃度和較低的最終pH下都具有較高的吸附性能。Fe3+離子通過水合作用產(chǎn)生的強(qiáng)極化作用增加層間的酸性，首先通過極性作用吸附的甲氧咪草煙分子可被質(zhì)子化，并以陽離子吸附，可進(jìn)一步促進(jìn)甲氧咪草煙分子被吸附。據(jù)報(bào)道，一些堿性除草劑(例如三嗪類：莠去津和西瑪津)和低溶解性的酸性除草劑2,4-滴也發(fā)生過類似情況，但沒有甲氧咪草煙等水溶性酸性化合物的報(bào)道。甲氧咪草煙水溶性高，在水中的濃度較高，一旦在間層中被酸性的鐵離子水溶液質(zhì)子化，將通過促進(jìn)親水性的極性作用吸附極性分子。

圖2 甲氧咪草煙吸附的百分比和懸浮液的最終Ph

圖3 甲氧咪草煙的酸堿平衡

2.2.2 吸附等溫線

測定了SWCh4、SWCh6和SWFe對甲氧咪草煙的吸附等溫線。將數(shù)據(jù)以對數(shù)形式擬合到Freundlich方程后，計(jì)算吸附參數(shù)Kf和Nf，如表3所示。所有改性黏土的Nf＞1，表明隨著除草劑溶液濃度和除草劑吸附量的增加，吸附作用更易進(jìn)行。這也說明對甲氧咪草煙分子進(jìn)行吸附，除了疏水性作用和極性作用的組合機(jī)制外，還需要額外的吸附作用，因?yàn)棰?一些陰離子甲氧咪草煙被吸附在SWChs中的生物聚合物(殼聚糖)被質(zhì)子化的NH2基團(tuán)上，⑵ 甲氧咪草煙在層間被質(zhì)子化，保持陽離子狀態(tài)。隨著吸附進(jìn)行，次級離子相互作用增強(qiáng)了總體吸附作用，產(chǎn)生高的Nf值，這也支持上述提及的相互作用復(fù)合機(jī)制。Kf值顯示，無機(jī)的SWFe吸附水中甲氧咪草煙效果更好，SWCh6吸附量中等，而SWCh4吸附容量低。

表3 Freundlich擬合方程的吸附參數(shù)

2.3 甲氧咪草煙-蒙脫石復(fù)合物：納米農(nóng)藥

制備了多種甲氧咪草煙-蒙脫石復(fù)合物(納米農(nóng)藥)，評價(jià)了它們在水中的緩釋特性。利用X射線衍射(x-ray diffraction XRD)和傅里葉變換紅外光譜( Fourier Transform Infrared Spectoscopy FT-IR)進(jìn)行表征，以研究甲氧咪草煙和改性蒙脫石的相互作用機(jī)制。所分析的復(fù)合物是甲氧咪草煙含量為7.5%(w/w)的強(qiáng)復(fù)合物，其陽離子交換量(CEC)相當(dāng)于SWy黏土的三分之一。

2.3.1 X射線衍射(x-ray diffraction XRD)和傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectoscopy FT-IR)分析

用X射線衍射(x-ray diffraction XRD)和傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectoscopy FT-IR)研究吸附過程中的變化。為了獲得更好的結(jié)果，以甲氧咪草煙的強(qiáng)復(fù)合物(SC)負(fù)載量較高(7.5%w/w)的甲氧咪草煙-蒙脫石復(fù)合物為樣品。

圖4為SWCh4、SWFe及其與甲氧咪草煙制備成的復(fù)合物樣品分別在室溫下和200 ℃加熱2 h后的X射線衍射圖。SWCh4 SC與空白對照(圖4a)的基礎(chǔ)層間距相同(d001=14.7 ?)，表明在層間聚合物形成的順序很重要。測得的基礎(chǔ)層間距符合單殼聚糖層插在蒙脫石的層間情況。SWCh4的基礎(chǔ)層間距在加熱后下降(d001=13.8 ?)，表明其具有一定程度的抗塌力，表明殼聚糖位于蒙脫石內(nèi)部的脫水夾層；約10 ?的衍射值表明蒙脫石內(nèi)存在部分被無機(jī)陽離子或伊利石雜質(zhì)占據(jù)的未交換的層間位置。然而，SWCh4 SC-甲氧咪草煙的基礎(chǔ)層間距在加熱時(shí)沒有改變，表明除了殼聚糖之外，在蒙脫石的層間中存在甲氧咪草煙分子。甲氧咪草煙與殼聚糖的相互作用使部分甲氧咪草煙分子穿透進(jìn)入到層間，可能通過極性H鍵，甚至是通過與殼聚糖中最疏水部分的疏水作用，鍵合到未質(zhì)子化的NH2基團(tuán)上。

SWFe SC的基礎(chǔ)層間距d001=15.7 ?，未處理黏土基礎(chǔ)層間距d001=14.2 ?，這表明SWFe SC的層間距大(圖4b)，層的堆疊具有更好的順序，表明甲氧咪草煙均勻滲透到層間。當(dāng)樣品在200 ℃條件下加熱時(shí)，空白樣品塌陷至d001=10.2 ?，而SWFe SC表現(xiàn)出抗塌性(基本間距d001=14.5 ?)并保持堆積順序，證實(shí)了甲氧咪草煙存在于SWFe的層間。

圖4 X射線衍射圖

含有7.5%(w/w)甲氧咪草煙的SWCh4 SC和SWFe SC復(fù)合物以及對應(yīng)的空白黏土和甲氧咪草煙純品的紅外光譜圖見圖5。甲氧咪草煙的特征譜帶已在IR譜圖5中注明：⑴ 1746 cm-1帶是屬于內(nèi)酰胺環(huán)(咪唑啉酮環(huán))的羰基的振動(dòng)；⑵ 在1 690 cm-1處的帶是芳基羧基的C=O振動(dòng)，而1 650 cm-1處是酸內(nèi)部氫鍵的C=O振動(dòng)；⑶ 在1 465～1 375 cm-1是屬于五元雜環(huán)的環(huán)呼吸振動(dòng)模。

對應(yīng)于甲氧咪草煙中的咪草啶酸的羰基在1 746 cm-1處的譜帶，在SWCh4-Imx SC中移動(dòng)到1 760 cm-1(圖5)，表明殼聚糖的NH3+和咪草啶酸的羰基共用部分質(zhì)子。根據(jù)Adelino的研究，這種納米復(fù)合物(SWCh6)制劑改變了原始樣品(SWy-2)的Zeta電位值，從pH=7時(shí)的－18mV變?yōu)閜H=3時(shí)的+16mV，證明殼聚糖在外表面存在一些質(zhì)子化的NH2基團(tuán)。因此，很可能是咪草啶酸分子通過其羧基和未質(zhì)子化或質(zhì)子化的NH2之間的極性鍵相互作用，甚至在離子態(tài)的羧酸酯和有機(jī)黏土中質(zhì)子化的氨基團(tuán)之間也有一些離子鍵可以發(fā)揮作用，目前已經(jīng)用于二氯吡啶酸、2,4-滴、滅草煙和其他酸性除草劑。然而，咪草啶酸相應(yīng)的羧基-羧酸酯帶在SWCh4-Imx SC光譜中沒有很好地顯示，因?yàn)樗鼈兣c殼聚糖中NH的彎曲模式和殘余層間水的OH重疊。但是，SWCh4-Imx的紅外光譜顯示幾種減弱甲氧咪草煙極性的作用，主要是與殼聚糖鏈上部分的疏水基團(tuán)相互作用進(jìn)一步降低其極性。

圖5 甲氧咪草煙、SWCh4-空白(B)、SAFe-空白(B)和相應(yīng)的甲氧咪草煙-蒙脫石強(qiáng)復(fù)合物(含7.5%甲氧咪草煙)的傅里葉變換紅外光譜

在SWFe-Imx SC中，1 746 cm-1譜帶向1 780 cm-1的移動(dòng)，表明在Fe3+的存在下，咪唑啉酮環(huán)中更多的氮發(fā)生質(zhì)子化；金屬結(jié)合物和幾乎不極化的水分子作為質(zhì)子供體。質(zhì)子也影響五元雜環(huán)的環(huán)呼吸模的譜帶，使其從游離咪草啶酸狀態(tài)時(shí)的1 465～1 375 cm-1移動(dòng)到質(zhì)子化時(shí)的1 495～1 379 cm-1。對于吸附在Fe3+型蒙脫石上的甲氧咪草煙，Pusino等人經(jīng)研究也得出相同的結(jié)果。由于與改性蒙脫石中的層間水的OH彎曲一致，復(fù)合物中芳基-羧基的1 690 cm-1和1 650 cm-1處的譜帶不明顯。通過紅外光譜學(xué)觀察到的譜帶變化證實(shí)了甲氧咪草煙的吸附機(jī)理，首先通過甲氧咪草煙的極性鍵進(jìn)行吸附，然后甲氧咪草煙在SWFe的層間發(fā)生質(zhì)子化。

2.4 水中釋放動(dòng)力學(xué)

改性黏土對甲氧咪草煙的吸附容量和吸附強(qiáng)度不同，本研究對除草劑復(fù)合物(GM，WC和SC)進(jìn)行了水中釋放動(dòng)力學(xué)研究。如圖6所示，為商品制劑和改性黏土制劑中的甲氧咪草煙在水中釋放的情況，并將數(shù)據(jù)擬合到釋放動(dòng)力學(xué)方程Mt/Mz=ktn+c(表4)中。在第一取樣時(shí)間(10 min)，對應(yīng)表4中的常數(shù)c(初始釋放量)。對于商品制劑，溶液中的甲氧咪草煙濃度為86%，GM為52%～55%，WC為33%～65%，甲氧咪草煙-蒙脫石復(fù)合物SC為27%～75%。所有被測定的GM、WC和SC都具有緩釋性能，水中的甲氧咪草煙濃度逐漸增加。由表4可知，所有的復(fù)合物均顯示出良好的初始釋放水平(c值50%)，具有相似的釋放速率k(12～22 h-n)。對于SWCh4 WC和SC，具有最低的k值或釋放速率(9.5、3.2 h-n)和最大的初始釋放c值(65%和75%)，這更接近商品制劑的值。由于在WC和SC混合制劑中甲醇的存在，使得甲氧咪草煙與具有低聚合物(殼聚糖)含量的SWCh4黏土發(fā)生弱相互作用。事實(shí)上，SC的c值高于WC，表明在甲醇作用下，甲氧咪草煙與黏土的長時(shí)間接觸導(dǎo)致更多的甲氧咪草煙未結(jié)合到SWCh4黏土上。甲氧咪草煙-SWCh4中的(疏水、極性或離子)作用鍵由于甲醇的存在而被削弱，其在復(fù)合物制備后，可以與聚合物結(jié)合位點(diǎn)處的甲氧咪草煙分子一樣保持溶劑化，從而增加該復(fù)合物中游離的甲氧咪草煙分子含量(c值)。由于SWCh6中聚合物含量高，因此在黏土表面有更多的鍵合點(diǎn)，可能抵消甲醇帶來的溶劑化效應(yīng)，并且SWCh6相應(yīng)的復(fù)合物GM，WC和SC具有相似的c值和k值。最后，對于甲氧咪草煙-SWFe體系，SWFe GM與SWCh(4 6)GM具有接近的c值和k值，但在WC和SC上卻呈現(xiàn)最低的c值，意味著初始容易釋放的甲氧咪草煙只是少量的，這是因?yàn)樵诩状即嬖跁r(shí)，層間陽離子(Fe3+)與水分子發(fā)生水合作用增加層間酸性，進(jìn)而促進(jìn)層間中甲氧咪草煙分子的質(zhì)子化，使得甲氧咪草煙變得難以解吸，所以初始釋放量最低。

7 d后，從商品制劑中釋放的甲氧咪草煙的總量為88%，而對于被測定的復(fù)合物，SWFe SC的總釋放量達(dá)到57%，SWFe WC為72%，SWCh6 SC為86%，如圖6所示。除了SWFe SC之外，上述其他制劑的最終釋放量與商品制劑的釋放量相當(dāng)，沒有因?yàn)榕c黏土載體強(qiáng)烈吸附而導(dǎo)致有效成份釋放量減少。對于控釋劑型來說，這是非常重要的特性。SWFe SC(57%)的結(jié)果表明，該復(fù)合物不適合作為控釋劑(CRFs)的載體。因?yàn)榧籽踹洳轃熀蚐WFe長時(shí)間的接觸，增加了吸附在該黏土層間中的質(zhì)子化分子量，導(dǎo)致有效成份很難釋放，因此它們的總釋放量最低(表4)。

2.5 甲氧咪草煙-黏土復(fù)合物的的淋溶特性

處理后18 d，土柱中的甲氧咪草煙淋出曲線(BTC)和累積淋溶曲線如圖7所示。當(dāng)將甲氧咪草煙與黏土制備成復(fù)合物后，甲氧咪草煙的淋溶性降低。復(fù)合物中的總甲氧咪草煙損失量低于商品制劑的損失量。甲氧咪草煙制成SWCh4 WC，SWCh6和SWFe的WC和SC后，最大濃度峰發(fā)生轉(zhuǎn)移(圖7a和c)，說明這些納米載體吸附了甲氧咪草煙分子。商品制劑處理的浸出液中甲氧咪草煙的最大濃度從2.34 mg/L降至WC處理的1.3～1.5 mg/L，SWCh6 SC的浸出液濃度為1.7 mg/L，SWFe SC的浸出液濃度為0.5 mg/L (分別為圖7a和c)。這表明WC延緩并降低了甲氧咪草煙的淋溶。與SWFe SC相比，所有WC(弱復(fù)合物)和SWCh6 SC表現(xiàn)出更好的緩釋性能，因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫尼尫盘匦裕⑶遗c商品甲氧咪草煙制劑相比，甲氧咪草煙淋溶的濃度最大值和總量降低了。累積穿透曲線(圖7b和d)顯示，從商品制劑或改性黏土制劑中淋溶出的甲氧咪草煙總量與在水中釋放的甲氧咪草煙總量相一致(圖6)。然而，SWFe SC從柱中淋出的濃度非常低，并且由于濃度太低而不具備除草活性。

圖6 黏土復(fù)合物中甲氧咪草煙的水中釋放動(dòng)力學(xué)曲線

表4 用方程Mt/Mz=ktn+c擬合水中甲氧咪草煙釋放的數(shù)據(jù)得到的參數(shù)

淋溶試驗(yàn)后，從土柱中提取甲氧咪草煙并對其進(jìn)行含量分析，除了SWFe SC(提取了20%)的土柱，其他所有處理回收的除草劑量都可忽略不計(jì)。甲氧咪草煙商品制劑處理的回收總量非常高(96%：96%淋溶，0%提取)，這表明甲氧咪草煙的降解量和被土壤不可逆吸附的量很低(4%)。因此，施用除草劑的SWFe SC(85%：65%淋溶，20%提取)土柱中的甲氧咪草煙的總回收率略低，這表明除草劑被改性黏土吸附是不可逆的，有效成分不能再被植物根系吸收和發(fā)揮除草效果。

土壤中的降解結(jié)果表明，商品制劑和甲氧咪草煙-黏土復(fù)合物在土壤中殘留時(shí)間無差異，因此不需考慮更多的殘留問題。

2.6 生物測定結(jié)果

由于SWCh6 WC復(fù)合物與其他復(fù)合物(所有GM復(fù)合物、SWCh4和SWFe 的WC復(fù)合物以及SWCh SC復(fù)合物)在水中和土壤中的行為基本一致，只進(jìn)行了SWCh6 WC復(fù)合物的生物活性測定。生測結(jié)果見表5，與對照相比，商品制劑和SWCh6 WC處理的芽長度在統(tǒng)計(jì)學(xué)上差異顯著。然而，商品制劑和SWCh6 WC處理的根長或生物量的差異不顯著，但均低于對照。與商品制劑和SWCh6 WC處理過的植物的根相比，對照組植物的根更長，根的分支更多。由此可見，SWCh6 WC復(fù)合物與商品制劑對花椰菜有同樣的除草效果。

4 結(jié) 論

用殼聚糖和Fe(III)對蒙脫石改性，改性后的蒙脫石對甲氧咪草煙的吸附效率增加了，在中等除草劑濃度和pH條件下吸附率較低，而在低pH和高除草劑濃度下吸附效率較高，在所有改性的蒙脫土中，鐵離子改性的蒙脫土(SWFe)的吸附效率最高。

圖7 甲氧咪草煙的釋放曲線或累積釋放曲線

X射線衍射和傅里葉變換紅外光譜結(jié)果表明，(a)甲氧咪草煙通過極性作用以分子形式吸附在SWFe上，并通過質(zhì)子化和離子作用進(jìn)一步增強(qiáng)了在層間的結(jié)合強(qiáng)度；(b)SWCh對甲氧咪草煙的吸附是由于弱極性的疏水作用以及離子作用所致。

表5 商品甲氧咪草煙和SWCh6 WC制劑處理花椰菜的芽長、根長和生物量a

制備的各種類型的甲氧咪草煙-黏土復(fù)合物，均在水中表現(xiàn)出控釋劑型的釋放特征，并且釋放總量和釋放速率與除草劑-黏土相互作用有關(guān)。與商品制劑相比，所有復(fù)合物中除草劑在水中的釋放速率和在土壤中的淋溶性都降低了。相比于制備方法對該性質(zhì)的影響，不同甲氧咪草煙-蒙脫石復(fù)合物的作用機(jī)制影響更大。SWCh6 WC-甲氧咪草煙復(fù)合物與商品制劑具有相似的除草活性，但前者的總土壤淋溶損失比后者降低15%，淋溶浸出液中濃度的最大值降低了40%。對于SWFe和SWCh4的甲氧咪草煙WC(弱復(fù)合物)和SWCh的SC(強(qiáng)復(fù)合物)，在水中的釋放和土柱淋溶性也符合納米農(nóng)藥和控釋劑型的特征，另外，所使用的納米載體為天然土壤成分，對環(huán)境友好也是其重要的優(yōu)點(diǎn)。

國務(wù)院常務(wù)會(huì)議審議通過《農(nóng)藥管理?xiàng)l例（修訂草案）》

2017年2月8 日，李克強(qiáng)總理主持召開國務(wù)院常務(wù)會(huì)議，通過《農(nóng)藥管理?xiàng)l例（修訂草案）》，這標(biāo)志著我國農(nóng)藥管理工作和行業(yè)發(fā)展即將面臨深刻調(diào)整，進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期?，F(xiàn)行《農(nóng)藥管理?xiàng)l例》于1997年發(fā)布施行，并于2001年修訂。此次修訂，立足農(nóng)藥管理工作實(shí)際情況，針對當(dāng)前存在的問題，順應(yīng)行政體制改革和行業(yè)發(fā)展要求，對農(nóng)藥管理的體制、制度、措施等進(jìn)行了重要調(diào)整。(中國農(nóng)藥信息網(wǎng))

10.16201/j.cnki.cn31-1827/tq.2017.01.06

TQ450.6

A

1009-6485(2017)01-0026-08

羅健，E-mail: fliu@sdau.edu.cn。

2016-12-26。