农业生产中常用农药来增加农作物产量,然而大量农药的使用却严重影响着农产品质量安全、生态环境安全和人类健康。创制高效环境友好型新农药或改良现有优质农药的剂型是目前实现农药减量增效、保障粮食与生态安全的重点方向之一。近几年来,采用亲水凝胶(super absorbent polymers，SAP)包裹型农药剂型是农药开发领域的发展热点。此外,利用SAP也常用于解决干旱半干旱地区抗旱保水问题。这意味着,亲水凝胶材料与农药在环境中共存是一个值得关注的客观现象。而SAP通常含有-COOH、-OH、-NH2等官能团,在土壤环境中会通过化学和生物作用与农药产生分子间相互作用,与土壤基质竞争结合农药,进而会影响农药在土壤环境中吸附解吸、降解转归与生物效应等。因此,研究并阐明SAP与农药共存情况下农药的环境行为规律显得尤为重要。多菌灵作为一种杀菌剂,广泛用于防控水稻、棉花、烟等农作物病害。然而,国内外有关SAP与多菌灵共存下的农药环境行为研究迄今还鲜见报道。鉴于此,本论文以多菌灵为研究对象,综合运用同位素示踪技术、现代仪器分析技术以及高通量测序技术,从质量平衡角度,着重研究“亲水凝胶与多菌灵混施时多菌灵的环境行为与归趋”、“亲水凝胶包裹多菌灵在好氧土壤的环境行为与归趋”、“多菌灵与亲水凝胶共存时对土壤微生物多样性的影响规律”,以及“多菌灵与亲水凝胶共存土壤的结合残留的生物有效性”,旨在系统深入地阐明亲水凝胶共存下多菌灵的环境行为与转化归趋及其影响因素并探讨可能的相关机理。取得的主要结果如下:1.亲水凝胶材料与14C标记多菌灵混施条件下:(1)多菌灵可提态残留(ER)的变化。在100 d培养期间,多菌灵在中性黄松土S2和碱性盐渍土S3中的ER为6.9-11.4%,与其原药对照组相比,无显著差别(p>0.05)。在酸性土壤S1中,混施处理组和对照组的ER分别占引入量的62.2%和70.2%,混施处理组显著降低了 11.4%,ER的降低与多菌灵母体加速降解有关。(2)多菌灵母体降解的变化。混施处理组在3种土壤(S1 S2和S3)中的母体半减期分别为100.5 d、19.4 d和18.3 d,而对照组分别为154.0 d、22.5 d和21.9d。与对照组相比,在S1中,多菌灵母体半衰期缩短了 50d(p<0.05)。(3)多菌灵降解产物种类与含量的变化。鉴定发现,多菌灵的降解产物种类无变化,主要为2-氨基-苯并咪唑(2-AB,Ml)和2-羟基-苯并咪唑(H-AB,M2)。较之对照组,混施处理组的M1含量显著增加且最高值提早出现。在S1整个培养过程中,Ml含量占总放射性含量的0.8-7.5%,至45 d时达到最大值(7.5%)。而对照组中,M1在培养至80 d达最大值(4.4%)。在S2和S3混施处理组中,Ml含量分别为1.1-8.8%和1.3-8.6%,均显著高于对照组(0.3-4.0%和1.8-6.0%)。混施组中M2(0.2-2.6%)与对照组无显著区别(p>0.05)。(4)多菌灵咪唑环开环矿化的变化。在S2和S3中,混施处理100 d后多菌灵矿化量分别为11.3%和7.7%,而在Si中不易矿化(0.19%)。对照组中在相应3种供试土壤中的多菌灵矿化量分别为18.1%、13.1%和0.18%。添加亲水凝胶材料显著抑制多菌灵在S2和S3中开环矿化且分别下降37.6%和41.2%(p<0.05)。(5)多菌灵结合残留(BR)的变化。至培养100 d,在3种土壤(S1、S2和S3)中混施处理组的多菌灵BR分别为40.5%、77.7%和82.3%,而对照组中BR分别为34.0%、69.8%和74.1%。SAP显著增加多菌灵在土壤的BR,相对增加量为11.1-19.1%。(6)多菌灵结合残留的生物有效性影响。在中性S2中,添加混施处理组来源的BR的土壤促进了菜心生长,培养至35 d时,混施处理组中的菜心植株可食部分干重(398.27 mg/plant.d.w)显著高于对照组(365.23 mg/plant.d.w)(p<0.05),而在碱性S3中,则反之。植株体内的14C-结合残留吸收与分布试验表明,S3培养21d,源于土壤的BR被混施组整个植株吸收量为4.09ug/g,显著高于对照组(2.67 ug/g)(p<0.05);可食部分含量水平(2.24ug/g)和根部(21.21 ug/g)均显著高于对照组(可食部分1.03ug/g,根14.59ug/g)(p<0.05)。较之对照,在S2培养21 d时也有相似规律。混施组整个植株吸收含量水平为4.19 ug/g,可食部分为2.03 ug/g,根部为21.51 ug/g,三者均高于对照组(全株2.90 ug/g,可食部分1.57 ug/g,根部11.02ug/g)(p<0.05)。在S2培养35 d时,混施处理组中仍残留在土壤中的结合残留量为38.57%,而对照组为61.76%,即前者的结合残留更易被释放转化,且释放量前者是后者1.6倍。S3中也发现类似的规律。研究结果表明,SAP和多菌灵混施以后在土壤中更易形成结合残留且更具生物有效性。(7)土壤微生物的多样性与群落结构的影响。与对照组相比,添加SAP会显著增加土壤的微生物多样性与丰富度,微生物Shannon指数显著增加且物种丰度和物种均匀度增加2-3倍。门类上,在S1添加SAP后,参与多菌灵降解的微生物Proteobacteria和Chloroflexi相对丰度增加2-3倍。S2中的Firmicutes相对丰度增加1倍。而S3中Proteobacteria和Actinobacteria相对丰度无显著变化,Firmicutes、Chloroflexi和Acidobacteria相对丰度显著增加1-3倍。种水平上,在S1培养过程中,较之对照组,混施处理组中主要菌群Protebacteria，Bradyrhizobium、Sphingomonas和Methylobacterium相对丰度显著增加2倍以上,而 Lactococus、Marmoricola、bacillus和 Firmicutes 下降 30-100%。S2 中,bacillus显著增加2倍,subgroup6_norank减少45%且培养后期增加但无差异,Nitrosomonadaceae_uncultured培养后期增加但相对减少 30%。。S3 中,bacillus、subgroup 6_norank 和 blastocatella 增加 1-4 倍,而 Sphingomonas、Nitrosomonadaceae_uncultured降低了 35%-70%。显然,添加SAP增加了微生物可利用的有机碳源,在一定程度上改变微生物多样性与群落结构,进而会影响多菌灵的在供试土壤中的环境行为与后期土壤管理与作物种植。2.亲水凝胶材料包裹14C标记多菌灵在好氧土壤中:(1)亲水凝胶包裹多菌灵的可提态残留(ER)的变化。至培养100 d,在中性S2和碱性S3中ER分别占引入量的8.5%和16.9%,对照组中分别为8.5%和11.4%,二者间无显著性差异(p>0.05)。在酸性S1中呈现出不同的规律,包裹处理后,ER显著减少了 18.6%。(2)亲水凝胶包裹多菌灵母体的变化。在3种土壤S1、S2和S3中母体半减期分别为70.7 d、14.8 d和13.5 d,而对照组中在相应土壤中的母体的消减速率分别为154.0 d、22.5 d和21.9 d,多菌灵母体降解率分别提高了 54.1%、34.2%和38.4%。(3)亲水凝胶包裹多菌灵的降解产物种类与含量的变化。包裹多菌灵的降解产物含量与种类均发生明显变化。经HPLC-Q-TOF-MS/MS分析,检测到6种降解产物,M1、M2、2-氨基-3-((氨甲基))-氨基)-苯酚(M3)、2-氨基-3-((羟甲基)-氨基-苯酚(M4)、3-(2-((甲氧基羰基)氨基)-1H-苯并[d]咪唑-1-基)丙酸(M5)、1-乙烯基-2,3-二氢-1H-苯并[d]咪唑-2-醇(M6)。其中,M1和M2是亲水凝胶包裹多菌灵主要降解产物。在整个培养期间,M1和M2分别占引入量的0.9-9.8%和0.6-5.8%,均显著高于对应时间点的对照组(P<0.05)。M5和M6仅在包裹处理组中出现,且含量分别为0.3-4.2%和0.9-1.7%。M3仅在S2和S3中检测到,含量为0.5-1.6%,而M4只在S1中检测到,最高值达5.8%。(4)亲水凝胶包裹多菌灵矿化的变化。亲水凝胶包裹多菌灵在好氧土壤中开环矿化量与土壤类型有关。培养100 d,在有机质含量高的S2和S3中较易矿化,且矿化量分别为30.4%和19.2%,而在S1中较难开环矿化(0.42%)。而对照组在相应3种土壤中矿化量分别为18.1%、13.1%和0.19%。与对照组相比,亲水凝胶包裹多菌灵在S2和S3中开环矿化量分别增加了 68.0%和46.6%。(5)亲水凝胶包裹多菌灵结合残留(BR)的变化。至100 d,在S2和S3中的BR显著降低,且相对减少量分别为15.2%和14.2%。亲水凝胶包裹处理显著削减了多菌灵在S2和S3中BR的形成。而在酸性S1中则呈现相反的规律,BR相对增加了 35%。(6)亲水凝胶包裹多菌灵结合残留的生物有效性的影响。在S2培养35 d,亲水凝胶包裹多菌灵处理组中的菜心植株干重和可食部分分别为930.10 mg/pplat.d.w和571.971mg/plant.d.w,显著高于对照组(植株544.00 mg/plant.d.w,可食部分365.23 mg/plant.d.w)(p<0.05)。在S3中也发现类似规律。植株体内14C-结合残留吸收与分布试验表明,S3培养21 d,源于土壤的结合残留被包裹处理组中整个植株吸收1.30 ug/g,可食部分为0.54 ug/g,显著低于对照组(植株2.67 ug/g,可食部分1.03 ug/g)(p<0.05)。此外,亲水凝胶包裹处理后的BR释放量为46.56%,与对照组(38.24%)无显著差异(p>0.05)。较之对照在S2培养21 d时也有相似规律。亲水凝胶包裹多菌灵处理组中整个植株吸收含量水平为1.05ug/g,可食部分为0.56ug/g,显著低于对照组(整株2.90ug/g,可食部分1.57ug/g)(p<0.05)。总体来看,相比于对照组,亲水凝胶包裹处理组中富集量较低,与BR释放率有关。对照组与亲水凝胶包裹处理组中BR释放率分别为51.66%和51.57%,无显著性差异(p>0.05)。研究结果表明,亲水凝胶包裹多菌灵处理组在土壤中形成的结合残留量低且对后期种植作物菜心生长无不利影响。(7)土壤微生物的多样性与群落结构的变化。在S1-S3中,与对照组相比,亲水凝胶包裹多菌灵处理组Shannon多样性指数显著增加,土壤微生物群落的均匀度和丰度提高1-3倍。微生物群落结构分析,门类上,在S1中亲水凝胶包裹多菌灵处理组Firmicutes和Proteobacteria相对丰度显著增加0.5-1倍。在S2和S3的培养过程中,Actinobacteria、Acidobacteria和Chloroflexi的相对丰度显著增加1倍。种水平上,在S1中,较之对照组,亲水凝胶包裹多菌灵处理组中Lactococcus、Bacillus 和 Sphingomonas 相对含量显著增加 2-3 倍,而Methylobacterium和Sinomonas下降了25-99%。在S2和S3中,相比于对照组,亲水凝胶包裹多菌灵处理组中,Bacillus和Marmoricola相对丰度增加1.5-3倍,而Comamonadaceae_uncultured下降了 70-90%。亲水凝胶包裹多菌灵提高了微生物的多样性并改变其群落结构,从而影响多菌灵在土壤中环境行为与归趋。本研究发现,多菌灵与亲水凝胶材料混施时,亲水凝胶显著改变了多菌灵在土壤中可提态残留、结合态残留、矿化量以及母体降解等环境行为规律,这意味着以多菌灵单独施用情况下的行为归趋来表征两者混施时多菌灵的污染演变规律和行为归趋特征可能会存在偏颇。研究还发现,亲水凝胶包裹多菌灵剂型可在中性和碱性土壤中通过减少结合残留的形成来削减总残留量,且更易通过咪唑环开环矿化彻底脱毒。而在酸性土壤中,包裹型多菌灵的行为与归趋呈不同的特征如母体降解加快但结合残留显著增加。研究结果表明,亲水凝胶包裹处理方式能够削减多菌灵在土壤中的残留,具有较好的应用前景。研究结果还暗示,不能以多菌灵原药情况下的行为归趋来表征亲水凝胶包裹多菌灵剂型的污染演变规律和行为归趋特征。