Nitrogéntartalmú herbicidek fotodegradációs folyamatainak vizsgálata gázkromatográfiás és gázkromatográfiástömegspektrometriás módszerrel Doktori (PhD) értekezés tézisei
Lányi Katalin
Témavezetők: Dr. Dinya Zoltán Dr. Papp Lajos
Debreceni Egyetem Debrecen, 2002
1.
BEVEZETÉS ÉS CÉLKITŰZÉSEK A növényvédőszerek kémiája néhány olyan egyszerű szervetlen vegyületből, mint az
arzén, az ólom, a fluorid-vegyületek, és néhány természetben előforduló szerves vegyületből, mint a piretrinek és a rotenon, fejlődött ki a napjainkban használt vegyületek széles spektrumáig, amelyek hatása felölel szinte mindent a széles spektrumútól az igen specifikus növényvédelemig. Az új vegyületek robbanásszerű terjedésével párhuzamosan jelentkezett az igény a növényvédőszerek alkalmazásának, forgalmazásának szabályozására. Miután a növényvédőszer a talajba került, különböző fizikai és fizikai-kémiai folyamat, valamint kémiai és biokémiai reakció határozza meg a viselkedését, a további sorsát. A növényvédőszerek környezetünkben való átalakulásának, eliminációjának egyik módja a fotodegradáció. Ezen vegyületek sorsában azért is meghatározó a fotobomlás, mert vízoldhatóságuk magas, talajbeli mozgékonyságuk a közepestől a jóig terjed, stabilitásuk közepes, ami azt jelzi, hogy környezeti szennyezőként megjelenhetnek a mezőgazdasági csurgalékvizekben, majd a természetes vizekben, amelyekben a fotolitikus folyamatok fontos szerepet játszanak. A triazin-, karbamid-származék és tiolkarbamát-típusú vegyületek világszerte a legnagyobb mennyiségben használt herbicidek (gyomirtószerek) közé tartoznak. Alapvetően fontos lehet ismerni az ökoszisztémában lezajló sorsukat, így a lebomlási útvonalaikat. Kutatásaim célja különböző nitrogén tartalmú gyomirtószerek (például szim-triazinok: atrazin, cianazin, terbutilazin, terbutrin; karbamid-származékok: diuron, fenuron, kloroxuron, metabenztiazuron;
és
tiolkarbamátok:
butilát,
cikloát,
EPTC,
molinát,
vernolát)
fototranszformációs tulajdonságainak in vitro tanulmányozása volt. Célom volt az egyes növényvédőszer-hatóanyagok bomlási sebességének megállapítása, az azonos vegyületcsoportba tartozó anyagok bomlási sebességének összevetése a szerkezeti hatások megállapítása céljából, összefüggések keresése a bomlás sebessége és a kémiai szerkezet között, valamint a bomlástermékek azonosítása. Bontási kísérleteket végeztem különböző adalékanyagok jelenlétében is, hogy modellezzem a természetben (elsősorban a talajokban, vizekben) előforduló, fény hatására bekövetkező lehetséges lebomlási folyamatokat. Adalékanyagként fotoszenzitizálószereket (H2O2, TiO2), valamint a talajban természetesen 2
előforduló anyagokat (montmorrilonit, huminsav) használtam. Annak érdekében, hogy az adott körülmények között lejátszódó fotoreakció lezajlásáról részletesebb információt nyerjek, kísérleteket végeztem a töltésátviteli (chrage transfer = CT) folyamatok vizsgálatára is, benzofenon jelenlétében. 2.
ALKALMAZOTT VIZSGÁLATI MÓDSZEREK A növényvédőszer-hatóanyagok nagy tisztaságú sztenderdjének diklór-metános oldatát 1
cm-es, Teflon dugóval zárható kvarc küvettában nagynyomású higanygőz-lámpával besugároztam. Az általános kísérleti résznél és a metabenztiazuron összehasonlító vizsgálatainál 125 W-os lámpát használtam, a triazinok bontását emellett egy 15 W-os lámpával
is
lejátszattam.
A
besugárzott
oldatokat
meghatározott
időközönként
gázkromatográfiás vizsgálatnak vetettem alá. Az eredeti anyag csúcsának százalékos arányát figyelve, annak csökkenéséből következtettem az anyag bomlásának sebességére. A teljesen elbontott elegyeket GC-MS vizsgálatnak vetettem alá, hogy meghatározzam valamennyi bomlástermék szerkezetét. 3.
AZ ÉRTEKEZÉS ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEI
3.1
A fő bomlástermékek szerkezete
A triazinok fotobomlásának legjellemzőbb folyamatai az oldalláncok részleges vagy teljes lehasadása, illetve a heteroatomot tartalmazó oldallánc hidroxil-csoportra cserélődése (1. ábra). Az oldalláncok elvesztése nemcsak egymást követően, hanem párhuzamosan is lejátszódik, így különböző vegyes oldalláncú metabolitok képződnek, egészen az összes oldallánc elvesztésével létrejövő cianursavig és 2-amino-4,6-dihidroxi-1,3,5-s-triazinig. A fotobomlás során lezajló folyamatok gyökös mechanizmusát bizonyítják a dimer termékek, amelyek mindegyik vizsgált triazin bomlása során kimutathatóak voltak. A triazinok bomlási sorrendje a következő volt: terbutrin – cianazin – atrazin – terbutilazin (2. ábra). Az egyes vegyületek átlagos bomlási sebessége az 1. táblázatban látható.
3
1. ábra - A triazinok fotobomlásának általános sémája R1 NH
R1
NH
NH2
N
NH
N N
R2
N R2
N
N
R3
R3
NH
R3
NH N
N
N
N
N
N
NH R1
NH
NH
N N
R2
H2 N
N
N
OH
HO
R2
R2
N
OH
N N
NH R3
R3
NH2 N
NH
N
N OH
HO
R3 N
N
N OH
HO
N N
OH
2. ábra - A triazinok fotobomlásának lefutása 125 W-on 100,0
terbutrin cianazin terbutilazin atrazin
90,0 80,0 70,0
%
60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120
Óra fotobontás
A bontási energia növelése (15 W → 125 W) egyrészt a bomlási sebesség 2-5-szörös növekedését vonta maga után, másrészt pedig a kis energiánál még a teljesen elbontott elegyben is felbukkanó klór tartalmú metabolit a nagyobb bontási energiánál teljesen eltűnt az elegyből, tehát a nagyobb bontási energia kedvez a kevésbé veszélyes, természetazonos metabolitok kialakulásának.
4
1. táblázat - A triazinok átlagos fotobomlási sebességének függése a bontási teljesítménytől Átlagos bomlási sebesség (v), ha a bontási teljesítmény 15 W
Vegyület
125 W
v125W/v15W
µg·ml-1·h-1
rel.*
µg·ml-1·h-1
rel.*
atrazin
20,6
2,73
45,4
1,30
2,20
cianazin
17,1
2,28
81,5
2,34
4,77
terbutilazin
7,6
1,00
34,8
1,00
4,58
terbutrin
63,6
8,48
280,0
8,04
4,40
*
: vonatkoztatási alap a leglassabban bomló terbutilazin sebessége az adott teljesítmény mellett
A karbamid-származékok bomlása során is az alkil-láncok lehasadása, illetve oxidációja a domináns folyamatok (3. ábra). Ezek mellett, másodlagos folyamatként lép fel a halogén atomok hidroxil-csoportra cserélődése, illetve az aromás gyűrű meghidroxileződése. A dimer termékeknek a triazinokétól eltérően magas aránya (vegyületenként 1-2% a teljesen elbontott elegyben is) azt sugallja, hogy a karbamid-származékok fotobomlása során egyértelműen a gyökös mechanizmusú folyamatok dominálnak. Kiemelkedően fontossá teszi ezt a tényt az azo-vegyületek közismerten magas karcinogén hatása. 3. ábra - A karbamid-származékok fotobomlásának általános sémája O
O
H2N
N
R1
R3
NH
O N
R2
R1
(HO)n
R3 '
NH
R3
R1 O R3
O R2
NH2
O
O H2N
NH
R2
NH
NH
NH
NH2
R3 NH
R2 O R3
R2
NH
NH HO
N
R1 '
OH
R3
N
N
R3
R2 '
A karbamid-származékok bomlási sorrendje a következő volt: metabenztiazuron – kloroxuron – fenuron – diuron (4. ábra). Az egyes vegyületek átlagos bomlási sebessége a 2. táblázatban látható. 5
2. táblázat - A karbamid-származékok átlagos bomlási sebessége Vegyület
*
Átlagos bomlási sebesség (v) µg·ml-1·h-1
rel.*
diuron
31,0
1,00
fenuron
55,7
1,80
kloroxuron
164,5
5,31
metabenztiazuron
766,7
24,73
: vonatkoztatási alap a leglassabban bomló diuron sebessége az adott teljesítmény mellett
4. ábra - A karbamid-származékok fotobomlásának lefutása 125 W-on 100,0
diuron fenuron kloroxuron metabenztiazuron
90,0 80,0 70,0
%
60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
Fotobontás (óra)
A tiolkarbamátok esetében a leggyakrabban a nitrogénhez kapcsolódó alkil-csoporton következik be α- és β-helyzetben oxidáció. A bomlástermékek között legtöbb esetben az oldalláncban oxidált N-formil és dezalkilezett termék volt azonosítható (5. ábra). Nagyon kis mennyiségben képződik a tiol-származék is. A vizsgált tiolkarbamátok közül a vernolát az egyetlen, amelynél nem tioetil-, hanem tiopropil-csoport kapcsolódik a karbonil-szénhez. Ez esetben is lejátszódott az N-dezalkileződési folyamat, valamint a nitrogénhez kapcsolódó CH2-csoport oxidációja. A kísérletek alapján megállapítható, hogy a tioalkil-csoport meglehetős stabilitást mutat a fotodegradáció körülményei között, részlegesen vagy teljesen degradált származékait vagy nem is lehetett kimutatni, vagy pedig csak nagyon kis mennyiségben a teljesen elbontott reakcióelegyekben.
6
5. ábra - A tiolkarbamátok fotobomlásának általános sémája O
R2 N
C
N
SH
O
C
S
R1
O
R2 N
C
NH
R2
R3
R3
R3 '
O
R2
S
R1 O
R2
O
OHC
N
C
S
S
R1
S
R1
O
R2
C
C
N
C
S
R1 '
R3 '''
R1
OHC O
R2
O
N C
C
S
O
R2
R1
N
CH2
C
CHO
R3
R3 ''
A tiolkarbamátok bomlási sorrendje a következő volt: butilát – EPTC – vernolát – molinát – cikloát (6. ábra). Az egyes vegyületek átlagos bomlási sebessége a 3. táblázatban látható. 3. táblázat - A tiolkarbamátok átlagos bomlási sebessége Vegyület
*
Átlagos bomlási sebesség (v) µg·ml-1·h-1
rel.*
butilát
625,0
2,50
cikloát
250,0
1,00
EPTC
438,5
1,75
molinát
277,8
1,11
vernolát
312,5
1,25
: vonatkoztatási alap a leglassabban bomló cikloát sebessége az adott teljesítmény mellett
Az adalékanyagok jelenlétében lejátszatott kísérletek során, az általános kémiai várakozások szerint a benzofenonnal kialakított töltésátviteli komplexnek segítenie kellett a bomlást, mivel javítja az energiaátadás hatásfokát. A kísérleti eredmények alátámasztották ezt az elvárásomat, mivel a benzofenont tartalmazó oldatokban bomlott leggyorsabban az MBTA. A H2O2 jelenlétének kétféle hatása lehet: a H2O2 mind iniciálja a hidroxil-gyökök keletkezését, mind pedig fogyasztja azokat. Alacsonyabb koncentrációknál az első folyamat dominál, magasabb koncentrációknál a második. A kísérleteim során alkalmazott H2O2 koncentráció (70 µl·ml-1) egyértelműen az utóbbi kategóriába tartozik. 7
6. ábra - A tiolkarbamátok fotobomlásának lefutása 125 W-on butilát cikloát EPTC molinát vernolát
100,0 90,0 80,0 70,0
%
60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Fotobontás (óra)
Ennek alapján megállapítható, hogy mivel a gyökös folyamatok fontos szerepet játszanak a vizsgált herbicidek fotobomlásában, ezért gyökcsapdaként működő vegyületek jelenléte – különösen nagy mennyiségben – jelentősen megnövelheti ezen xenobiotikumok tartózkodási idejét a környezetben. A TiO2, a montmorrilonit és a huminsav a felületi adszorpció és kötéslazítás útján szenzitizálnak. A huminsavban levő változatos felépítésű, aromás vegyületek, pl. polifenolok, szerves savak, stb. – a benzofenonhoz hasonlóan – töltésátviteli komplexet is képezhetnek a szerves molekulákkal, ezzel tovább érzékenyítve a fotobomlásra azokat. Ugyanakkor ezek az adalékanyagok – mivel heterogén rendszert alkotnak a mintával – gátló hatást is kifejthetnek, mivel a szemcsék elnyelhetik a besugárzott fényt, csökkentve ezzel a vizsgált molekulára jutó energia nagyságát. Az eredő hatás a vizsgálandó vegyület és a montmorrilonit, illetve huminsav összetételétől függ, és mivel ez utóbbi kettő sokparaméteres tulajdonság, így előre nehéz megjósolni a tapasztalható hatást. A vizsgálataim során alkalmazott huminsav eredő hatása a bomlás enyhe gátlása volt, tehát az adszorpciós hatás felülmúlta az érzékenyítő hatást. Mivel a talajoldatokban előforduló huminsav-arány összemérhető a kísérletbelivel, vagy felül is múlja azt, ezért valószínűleg a természetes talajokon is felléphet hasonló hatás. A TiO2 és a montmorrilonit kissé
8
gyorsították a bomlást, bár ez a hatás a TiO2 esetében nem nevezhető szignifikánsnak (7. ábra). 7. ábra - Az MBTA fotolitikus bomlása különböző adalékanyagok jelenlétében
1,200
MBTA [mg·ml-1]
1,050
hidrogén-peroxid huminsav kontroll töltésátviteli komplex montmorrilonit titán-dioxid
0,900
O
0,750
H3 C
0,600
NH
N N
S
CH3
0,450 0,300 0,150 0,000 0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
3
3,3
3,6
3,9
4,2
Óra fotobontás
Az adalékanyaggal együtt lejátszatott bontási kísérletekből levonható másik fontos következtetés, hogy az adalékanyagok nemcsak a degradációs folyamat időbeli lefutását változtatták meg, hanem a bomlási termékek arányában is jelentős változást hoztak, a kis méretű bomlástermékekről a hangsúly egyértelműen a nagyobb méretű metabolitokra tolódott át. Az adalékanyagot nem tartalmazó oldatokkal lejátszatott kísérletek azt a megnyugtató képet sugallták, hogy a vizsgált herbicidek túlnyomórészt a természetben is előforduló, alacsony ökotoxicitású metabolitokra bomlanak. Az esetlegesen előforduló mérgező, karcinogén, vagy más módon veszélyes bomlástermékek mennyisége elenyésző volt, vagy stabilitásuk nem elég nagy ahhoz, hogy hosszabb időn át megmaradjanak a reakcióelegyben. Az adalékanyagokkal végzett kísérletekből viszont az derült ki, hogy bár egyes természetes vagy mesterséges adalékanyagok a bomlás idejét ugyan megrövidíthetik, de lehetővé tehetik kevésbé degradált, toxikusabb, a környezet számára idegenebb anyagok keletkezését, megmaradását.
9
Természetes körülmények között, a talajban ráadásul számos egyéb folyamat is lejátszódhat, a vizsgált vegyületek – elsősorban bázikus jellegű – nitrogén atomján a mikrobiális folyamatok hatására N-oxidáció is bekövetkezhet. Ez egyrészt közvetlenül nitrozó-vegyületek kialakulásához vezet, amelyek már magukban is igen toxikusak és karcinogének. A talajban előforduló nitrit- és különösen a nagy mennyiségű nitrát-ionokkal azonban ezek a nitrozó-vegyületek tovább is reagálhatnak, és ez a folyamat a fokozottan agresszív karcinogén N-nitrózaminok keletkezéséhez vezet. Az Európai Únió szabályozása szerint az N-nitrózaminok mennyiségét és minőségét igen szigorúan ellenőrizni kell az élelmiszerekben és az élelmiszer alapanyagokban. A növények és a talaj szoros kapcsolata miatt nyilvánvaló, hogy ez maga után vonja a talajok N-nitrózamin tartalmának vizsgálatát is. Mivel ezek a folyamatok talajtípus függőek, vizsgálatuk hazai vonatkozásban is elengedhetetlen. Az olyan, tudatosan alkalmazott xenobiotikumok esetében, mint a növényvédőszerek is, a környezeti hatás elemzéséhez feltétlenül szükség van in vivo kísérletekre is, mert még abban az esetben is, ha megpróbáljuk modellezni a természetes hatásokat (víz, talaj, mikroorganizmusok, egyéb xenobiotikumok jelenléte) az in vitro kísérletek túl sok kérdést hagynak nyitva a vegyület környezetbeli valós sorsát illetően. Mindezek miatt feltétlenül szükséges folytatni a megkezdett kutatást, hogy részletesebb információt nyerhessünk a nitrogén tartalmú herbicidek környezetbeli átalakulásáról, reakcióiról, metabolitjairól, származékairól, és mindazokról a környezeti veszélyekről, ami ezen vegyületek alkalmazása miatt felléphet.
10
Lányi Katalin (sz. Varró Katalin) publikációi: Tudományos közlemények: 1. Z. Dinya, Gy. Litkei, J. Jekő, K. Varró, S. Antus: GC-LC-MS Studies of the Extracts of Buds of Populus Nigra. In: Flavonoids and Bioflavonoids 1995 [Proceedings of the International Bioflavonoid Symposium. 9th Hungarian Bioflavonoid Symposium] (Editors: S. Antus, M. Gábor and K. Vetschera) Akadémiai Kiadó, Budapest, 1996 2. Z. Dinya, F. Sztaricskai, E. Horváth, J.B. Schaág, K. Varró: Studies of the components of Desertomycin complex by means of electrospray and MALDI mass spectrometric techniques. Rapid Communications in Mass Spectrometry Vol. 10. 1439-1448 (1996) 3. Katalin Lányi; Enikő Varga: Elaboration and use of a double channel detection ion chromatographic method in determining ions in aqueous samples. Chromatographia Supplement, Vol. 51. (2000). 4. Katalin Lányi, Zoltán Dinya: Gas Chromatographic Method for Studying the Photodegradation Rate of Some Nitrogen Containing Pesticides. Chromatographia (közlés alatt) Előadások és egyéb közlemények: 1. Varró Katalin: Szerves és szervetlen mikroszennyezők meghatározása természetes vizekben HPLC-s és ionkromatográfiás módszerrel. egyetemi diplomamunka, 1993. 5. Dragan Drinic, Zsuzsanna Flachner, Zigrida Shperlina, Nadya Sozonova, Demi Theodori, Katalin Varró: The future of international negotiations on Long Range Transboundary Air Pollution in the light of a Combined Emission Reduction protocol. EPCEM project riport, 1994. 6. Katalin Varró: Literature study on TRE and TIE methods. EPCEM szakmai gyakorlat riportja az AquaSense BV-nek, Amsterdam, the Netherlends, 1994. 7. Z. Dinya, Gy. Litkei, J. Jekő, K. Varró, S. Antus: GC-LC-MS Studies of the Extracts of Buds of Populus Nigra. International Bioflavonoid Symposium (9th Hungarian Bioflavonoid Symposium), Vienna, Austria, 1995 8. Zoltán Dinya, László Somsák, Erzsébet Sós, Zoltán Györgydeák, Katalin Varró and J-P. Praly: Stereochemical effects in the EI and CI mass spectra of anomerically disubstituted 11
monosaccharide derivatives. 5th International Conference on Chemical Synthesis of Antibiotics and Related Microbial Products, Debrecen, 1996 9. Z. Dinya, L. Somsák, E. Sós, Z. Györgydeák, P. Benke and K. Varró: Stereochemical effects in the spectra of anomerically disubstituted monosaccharide derivatives. 14th International Mass Spectrometry Conference, Tampere, Finland, 1997 10. Lányi Katalin, Lányi István: Helyszíni mérések jelentősége és lehetőségei vizes környezetben. Alföldi Tudományos Tájgazdálkodási Napok, Mezőtúr, 1997 11. Katalin Lányi, Enikő Varga: Double channel detection ion chromatographic method for determination of ions in aqueous samples. Advances in Chromatography and Electrophoresis (ACE) Symposium, 1998, Szeged 12. Lányi Katalin, Dinya Zoltán: Oxigéntartalmú heterociklusos vegyületek fragmentációs sémájának tanulmányozása. 42. Magyar Spektrokémiai Vándorgyűlés, 1999, Veszprém 13. Katalin Lányi; Enikő Varga: Elaboration and use of a double channel detection ion chromatographic method in determining ions in aqueous samples. Balaton Symposium ’99 On High-Performance Separation Methods, 1999, Siófok 14. Katalin Lányi; Zoltán Dinya: Gas chromatographic - mass spectrometric method for studying the photodegradation processes of some commonly used pesticides. Balaton Symposium ’99 On High-Performance Separation Methods, 1999, Siófok 15. Lányi Katalin: A novel approach for studying the mixability of various pesticides in order to promote new plant growing technologies. II. Alföldi Tudományos Tájgazdálkodási Napok, 1999, Mezőtúr 16. Lányi Katalin, Dinya Zoltán: Nitrogén tartalmú herbicidek fotodegradációs folyamatainak vizsgálata GC-MS módszerrel. 44. Magyar Spektrokémiai Vándorgyűlés, 2001, Baja 17. Katalin Lányi, Zoltán Dinya: Gas Chromatographic Method for Studying the Photodegradation Rate of Some Nitrogen ContainingHerbicides. Balaton Symposium ’01 On High-Performance Separation Methods, 2001, Siófok
12
