CC BY
10ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 613.6.02:543.064
АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ НЕМАТОЦИДА ФОСТИАЗАТА В ВОДЕ И ПОЧВЕ
Егорченкова О.Е.
Курпединов К. С.
ФБУН «Федеральный научный центр гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана» Роспотребнадзора, 141014,
Россия, Московская область, г. Мытищи, ул. Семашко, д. 2.
ANALYTICAL CONTROL OF NEMATOCIDE FOSTIAZATE IN WATER AND SOIL
Egorchenkova O.E.
Kurpedinov K.S.
Federal Budgetary Establishment of Science "F.F. Erisman Federal Scientific Center of Hygiene " of the
Federal Service for Surveillance on Consumer Rights Protection and Human Wellbeing (Rospotrebnadzor),
141014, Russia, Moscow region, Mytishchi, Semashko str., 2.
DOI: 10.31618/NAS.2413-5291.2022.3.85.670
АННОТАЦИЯ
В настоящем исследовании представлено аналитическое решение при разработке высокочувствительного метода контроля фосфорорганического нематоцида фостиазата в воде и почве. Идентификацию и количественное определение вещества выполняли методом капиллярной газожидкостной хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием.
В качестве метода пробоподготовки почвы использована технология QuEChERS, основанная на экстракции фостиазата органическим растворителем в присутствии комбинации солей, содержащей цитратный буфер, и очистке экстрактов от полярных соединений дисперсионной твердофазной экстракцией с применением смеси сорбентов.
Концентрирование фостиазата из воды проведено на картридже для твердофазной экстракции Sep Pak Classik C18.
Нижний предел количественной идентификации вещества: 0,0001 мг/дм3 в воде и 0,01 мг/кг почве. Средняя полнота извлечения по диапазону определяемых концентраций составила 96,3 % для воды, 89,5 % для почвы при среднем квадратичном отклонении равном 7,2% и 6,7 %, соответственно.
ABSTRACT
The present study presents an analytical solution in the development of a highly sensitive method for monitoring the organophosphate nematocide fostiazate in water and soil. Identification and quantitative determination of the substance was performed by capillary gas-liquid chromatography with mass spectrometric detection.
The QuEChERS technology based on the extraction of fostiazate with an organic solvent in the presence of a combination of salts containing a citrate buffer and the purification of extracts from polar compounds by dispersive solid-phase extraction using a mixture of sorbents was used as a soil sample preparation method.
Concentration of fostiazate from water was carried out on a Sep Pak Classik C18 solid-phase extraction cartridge.
The lower limit of quantitative identification of the substance: 0.0001 mg/dm3 in water and 0.01 mg/kg in soil. The average completeness of extraction over the range of determined concentrations was 96.3% for water, 89.5% for soil with a standard deviation of 7.2% and 6.7%, respectively.
Ключевые слова: нематоциды, фостиазат, вода, почва, ТФЭ, QuEChERS, газовая хроматография, масс-спектрометрическое детектирование.
Keywords: nematocides, fostiazate, water, soil, SPE, QuEChERS, gas chromatography, mass spectrometric detection.
Введение
Для сохранения урожая клубнеплодных культур в сельскохозяйственной практике широко применяются нематоциды - химические средства против растениеядных нематод, которые являются беспозвоночными животными из класса круглых червей и отличаются высокой вредоносностью по отношению ко многим культурным растениям, вызывая снижение и гибель урожая [1].
Применение нематоцидов серьезно регулируется во всем мире, большинство таких
препаратов используется в качестве фумигантов и могут вызывать разрушение озонового слоя, загрязнение подземных вод и негативно воздействовать на почвенную микрофлору и насекомых.
В поисках средств с нематоцидной активностью, которые не будут использоваться в качестве фумиганта, в 1992 году компанией Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd., в Японии впервые был зарегистрирован для обработки картофеля фосфорорганический нематоцид фостиазат - (RS)-
8-втор-Бутил-0-этил-2-оксо-1,3-тиазолидин-3 -илтиофосфат [2].
Проблемы обоснования гигиенических критериев безвредности применения нематоцида фостиазата не могут быть успешно решены без современных методологий его аналитической идентификации.
Контроль концентраций фостиазата в объектах окружающей среды не обеспечен официальными методами измерения Российской Федерации и нуждается в создании новых и надежных методов анализа с применением современных высокоточных средств измерения.
Цель исследования - создание метода определения остаточных количеств фостиазата в воде и почве методом газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием (ГЖХ-МС).
Материал и методы исследования.
Объекты исследования: дехлорированная водопроводная вода, не имеющая не свойственного ей запаха (привкуса) и свободная от взвешенных частиц. В качестве контрольной пробы почвы взят поверхностный слой (0-20 см) грунта Московской области.
В качестве аналитического стандарта использован аналитический стандартный образец фостиазата фирмы «Dr. Ehrenstorfer» (LOT.No. G984408), с содержанием основного компонента 96,5 %. Для приготовления основного градуировочного раствора с концентрацией 100 мкг/см3 и раствора для внесения с концентрацией 1,0 мкг/см3 применялся гексан. Рабочие растворы фостизиата для построения градуировочного графика с концентрациями 0,007-0,125 мкг/см3 готовились разбавлением гексаном
градуировочного раствора с концентрацией 1,0 мкг/см3. Для приготовления раствора для внесения в модельные пробы почвы с концентрацией 1,0 мкг/см3 использован ацетон. Приготовленные рабочие растворы хранили в течение 7 дней в холодильнике при температуре + (2-6) оС.
Пробоподготовка выполнена с
использованием следующих реактивов и расходных материалов: ацетонитрил для ВЭЖХ (чистота не менее 99,9 %); метанол «Baker HPLC Analyzed» (Lot.2120905856), деионизированная вода «Water for LC-MS», Code 701074; н-гексан, химически чистый для хроматографии (Panreac, Испания); экстракционные наборы VetexQ (Компания ООО «Интерлаб»), включающие смесь солей для экстракции (4 г сульфата магния безводного, 1 г хлорида натрия, 1 г цитрата натрия, 0,5 г натрия лимоннокислого двузамещенного, 1,5-водного) и дисперсионный набор для очистки экстрактов на основе сорбентов, состоящих из 150 мг первичного-вторичного амина (ПВА), 900 мг магния сернокислого и 150 мг твердофазного сорбента на основе октадецилсилана; полипропиленовые пробирки вместимостью 50 и 15 мл; керамические гомогенизаторы; картриджи Sep Pak Classik C18 компании «Waters Corporation».
Для экстракции вещества и очистки проб почвы использовали лабораторную роторную центрифугу «Eppendorf» 5810 R (Германия).
Для подготовки проб почвы был применен метод твердофазной экстракции QuEChERS: гомогонезированный образец суховоздушной почвы массой 10 г помещали в полипропиленовую центрифужную пробирку объемом 50 см3, вносили 5 см3 деионизированной воды и экстрагировали 10 см3 ацетонитрила в присутствии солей для экстракции, тщательно перемешивая вручную с помощью керамического гомогенизатора в течение 1 мин. Затем смесь центрифугировали в течение 5 мин со скоростью 9 000 об/мин и вымораживали на протяжении 1 часа при температуре не выше минус 18 оС. Аликвоту охлажденного ацетонитрильного экстракта (верхний слой в пробирке после центрифугирования) объемом 6 см3 переносили в центрифужную полипропиленовую пробирку вместимостью 15 см3, содержащую смесь сорбентов для очистки экстракта. Пробирку встряхивали вручную 1 мин, затем центрифугировали в течение 5 мин при скорости 9
000 об/мин., полученный после очистки экстракт вновь вымораживали в течение 1 часа при температуре не выше минус 18 оС. Аликвоту охлажденного экстракта объемом 3 см3 с помощью пипетки переносили в колбу для упаривания на 50 см3 и концентрировали методом отдувания в токе чистого газа при температуре не выше 35 °С, сухой остаток растворяли в 3,0 см3 гексана и анализировали на содержание фостиазата.
Концентрирование фостиазата из проб воды выполнено на картридже для твердофазной экстракции (ТФЭ) Sep Pak Classik C18, подготовленного непосредственно перед использованием, не допуская высыхание сорбента: в условиях вакуума, со скоростью потока растворителя, не превышающей 2 см3/мин картридж промывали последовательно 5 см3 метанола и 5 см3 деионизированной воды. Затем отфильтрованную через мембранный фильтр с размером пор не более 0,45 мкм пробу воды, объемом 100 см3, наносили на подготовленный картридж, со скоростью прохождения пробы 1-2 см3/мин., промывали 5 см3 деионизированой воды, отбрасывая элюат. Фостиазат элюировали с картриджа 6 см3 метанола, полученный элюат отдували досуха в потоке чистого газа, разводили в
1 см3 гексана, переносили в виалу и анализировали в условиях хроматографирования.
Идентификацию и количественное определение исследуемого аналита осуществляли на хромато-масс-спектрометре «Agilent 5977A» с газовым хроматографом «Agilent 7890В» фирмы «Agilent Technologies» (США), снабженном автоматическим пробоотборником. Использована хроматографическая капиллярная кварцевая колонка HP-5MS UI, длиной 30 м, внутренним диаметром 0,25 мм, содержащая пленку сорбента, состоящего из 5%-фенил 95%-
диметилполисилоксана толщиной 0,25 мкм. Температура испарителя - 270 оС; температура
термостата колонки программированная: начальная температура - 140 оС, выдержка 2 мин, нагрев колонки со скоростью 30 оС в минуту до температуры 280 оС, выдержка 4 мин. Поток газа (гелий) в колонке 1,0 см3/мин., средняя линейная скорость 37,906 см/сек., давление - 88,08 кПа. Температура квадруполя - 150 оС, источника - 230 оС, переходной камеры - 280 оС. В испаритель вводили 1 мм3 пробы без деления потока. Линейный диапазон детектирования 0,07-0,125 нг.
Хромато-масс-спектрометрию осуществляли в режиме электронной ионизации, идентификацию вещества проводили по временам удерживания, а
также наличию характеристических ионов в масс-спектрах: был применен режим регистрации выбранных ионов (SIM), ионы с m/z (отношение: масса/заряд): 195 (количественный расчет), 166, 283 и 126.
На рисунке 1 проиллюстрирована схема возможной фрагментации, которая наглядно подтверждает соответствие фостиазату
полученных на масс-спектре спектральных полос.
Относительная интенсивность иона, по которому проводили количественный расчет, была принята за 100 %.
Рисунок 1. Масс-спектр фостиазата и предлагаемая схема фрагментации.
Результаты исследования и их обсуждения
В настоящее время для проведения процедуры пробоподготовки образцов воды успешно применяют метод ТФЭ [3,4,5], который в отличие от классической жидкостной экстракции требует меньших затрат органических растворителей, а также позволяет извлекать целевые аналиты с меньшим содержанием коэкстрактивных компонентов матриц.
Выбор подходящего сорбента для ТФЭ имеет решающее значение, поэтому были проведены предварительные исследования по изучению возможности использования патронов Oasis HLB, Диапак С16 и Sep Pak Classik C18, для извлечения фостиазата из образцов воды.
Полимерный сорбент Oasis HLB, изготовленный на основе сбалансированного соотношения 2-х мономеров - липофильного дивинилбензола и гидрофильного N-винилпирролидона, для извлечения из образцов воды искомого аналита оказался неэффективным,
потери вещества достигали 40 %. Также были отмечены ощутимые потери вещества (до 35 %) при элюировании проб воды на патронах Диапак С16.
Положительные результаты по
концентрированию фостиазата из проб воды были получены с использованием картриджей Sep Pak Classik C18, заполненных обращенно-фазным сорбентом на основе силикагеля с привитыми гидрофобными октадецил-группами. Полнота извлечения аналита из проб воды составила 80-115 %, при стандартном отклонении 7,2 %.
На основании экспериментальных данных было обнаружено, что фостиазат хорошо удерживается октадециловым сорбентом, объем пропускаемой воды не влияет на полноту извлечения, даже на самом высоком уровне внесения (в 50 раз превышающего верхние границы измерений).
В исследованиях по изучению деградации в почве, было установлено, что фостиазат быстрее подвергается деградации в щелочных условиях за
счет наличия легко гидролизуемой тиоэфирной связи, а также проявляет невысокую адсорбирующую способностью, которая возрастает с увеличением содержания органических веществ в почве [6,7]. В соответствии с этим в нашем эксперименте была использована почва с нейтральным показателем pH (5,7-5,8) и содержанием гумуса (2,9 %), в которой соблюдалась наименьшая скорость
выщелачивания.
Большинство методов определения остаточных количеств пестицидов в почве отличаются трудоемкостью, поскольку
эффективное извлечение действующих веществ из проб почвы зачастую связано с использованием кипячения в кислой или щелочной среде, что сопряжено с выделением в экстракт существенного количества коэкстрактивных органических компонентов, а также потерями аналита и снижению воспроизводимости измерения.
Новым подходом в пробоподготовке почвы при анализе остаточных количеств фостиазата [8,9] стал метод, получивший название QuEChERS -быстрый (Quick), легкий (Easy), дешевый (Cheap), эффективный (Efficient), надежный (Reliable) и безопасный (Safe) [10]. Для каждой стадии классической процедуры пробоподготовки была найдена более простая альтернатива: вместо фильтрования - центрифугирование, а вместо ТФЭ на патронах - дисперсионная ТФЭ (дТФЭ).
Большое значение для максимизации эффективности экстракции и минимизации возможных нежелательных потерь фостиазата в образцах почвы имел выбор экстракционного растворителя. При проведении эксперимента было показано, что использование в данном исследовании этилацетата в качестве экстрагирующего растворителя [11] приводит к увеличению матричного эффекта в виде
интерференции посторонних пиков в конечных экстрактах почвы, к тому же данный растворитель оказался малоэффективен для очистки с применением дТФЭ, ввиду ограниченного смешения растворителя и воды. Поэтому в качестве экстрагента был использован ацетонитрил с набором солей с цитратным буфером, что обеспечило достаточное разделение фаз при центрифугировании.
Для минимизации устранения потерь фостиазата при вводе в инжектор, в связи с негативным влиянием ацетонитрила на уровень масс-спектрометрического сигнала, было принято решение прибегнуть к концентрированию проб и замене растворителя.
При подготовке проб почвы жидкостное перераспределение с ацетонитрилом и водой также было дополнено низкотемпературным
вымораживанием, как дополнительной ступенью очистки экстрактов. При использовании дТФЭ без вымораживания, отмечался повышенный шум линии фонового сигнала детектора.
Универсальность, специфичность и высокая чувствительность метода газовой хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией расширяет возможность решения сложной проблемы разделения и идентификации энантиомеров и стереоизомеров [12].
Фостиазат за счет наличия двух хиральных центров при атомах углерода и фосфора состоит из четырех стереоизомеров, имеющих равное молярное соотношение в рацемическом стандарте [13]. Данные стереоизомеры за счет своих энантиомерных свойств образуют 2 пары энантиомеров и и
которые в выбранных условиях метода хромато-масс-спектрометрии формирует на хроматограмме два близких по площади пика (рисунок 2).
+ TIC SIM
1 I I I I I I I I I I I I I
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Acquisition Time (mln)
Рисунок 2. Хроматограмма стандартного раствора фостиазата с концентрацией 0,02 мкг/см3.
При условии равного соотношения пар энантиомеров фостиазата, его количественное определение рассчитывалось с учетом суммы
площадей двух наблюдаемых хроматографических пиков.
Эффект матрицы, выраженный в процентах, количественно оценивался по соотношению суммы
площадей пиков стандарта на матрице и стандарта, приготовленного на растворителе, согласно рекомендациям международного документа [14]. Эффект матрицы не превысил 20 % для обеих матриц (вода - 1,2 %, почва - 4,8 %), что позволило построить градуировочный график с использованием растворов аналитических стандартов, приготовленных на растворителе (гексане). Градуировочная характеристика, выражающая линейную (с угловым коэффициентом) зависимость суммы площадей пиков фостиазата от его концентрации в растворе построена в диапазоне концентраций 0,007 - 0,125 мкг/см3, соотношение сигнал-шум на пределе обнаружения 12:1. Формула зависимости: S = 8,91289*104*С - 1,67984*102 (коэффициент корреляции - 0,99345).
При разработке аналитического метода, были оценены основные статистические критерии: линейность градуировочных характеристик, нижний предел количественного определения, полнота извлечения (открываемость),
селективность и специфичность,
внутрилабораторная сходимость и стабильность аналита в градуировочных растворах.
Средняя полнота извлечения по диапазону определяемых концентраций составила 96,3 % для воды, 89,5 % для почвы, при среднем квадратичном отклонении равном 7,2 % и 6,7 %, соответственно.
Согласно Директивам ЕС 91/414, 98/83 нижний предел количественного определения при индивидуальном определении пестицида в воде не должен превышать 0,1 мкг/дм3.
Примененные эффективные способы пробоподготовки воды и почвы, современные приемы детектирования на основе газожидкостной хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием, с учетом особенностей химической структуры фостиазата, позволили обеспечить низкие уровни количественной идентификации вещества: 0,0001мг/дм3 в воде и 0,01 мг/кг почве.
Показатель точности определения остаточных количеств фостиазата в выполняемых по методике измерений установлен на уровне 38 % для воды и 46 % для почвы. В соответствии с метрологической оценкой методов, суммарная погрешность измерения концентраций фостиазата в воде и почве не превысила 50 % [15].
Выводы (заключение)
Созданный метод удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 8.563-09 [16] и позволяет обеспечить контроль фостиазата в воде и почве в соответствии Федеральным законом РФ «Об охране окружающей среды» [17]. Метод оформлен в виде Методических указаний по разделу 4.1. Методы контроля. Химические факторы.
Полученные результаты экспериментальных исследований показали, что методические подходы, определенные в настоящем исследовании, являются достаточно простыми, быстро исполнимыми и недорогими для воспроизведения.
Литература
В.А. Зинченко. Химическая защита растений: средства, технология и экологическая безопасность. М.: КолосС. 2012. 247 с.
T. Koyanagi, O. Imai, Kiyomitsu Yoshida. Development of a New Nematicide, Fosthiazat. Journal of Pesticide Science. 1998; 23: 174-183.
Gonzalves C., Alpendurada MF. Multiresidue method for the simultaneous determination of four groups of pesticides in ground and drinking waters, using solid-phase microextraction-gas chromatography with electron-capture specific detection. Journal of Chromatography A. 2002; 968: 177-190. DOI: 10.1016/s0021-9673(02)00788-4.
Jing Zhu , Xin Zhou, Chunmei Fu, Sankang Liu, Zhangwan Li. Monitoring of the residue of fosthiazate in water samples using solid-phase extraction coupled with gas chromatography/mass spectrometry. Chinese journal of chromatography / Zhongguo hua xue hui. 2004; 22(6): 655-657.
Nicholas G. Tsiropoulos, Dimitrios T. Licas, Dimitrios G. Karpouzas. Liquid Chromatographic Determination of Fosthiazate Residues in Environmental Samples and Application of the Method to a Fosthiazate Field Dissipation Study. Journal of AOAC International. 2005. Vol. 88 (6): 1827-1833. D0I:10.1093/jaoac/88.6.1827.
Sujie Qin, Jianying Gan, Weiping Liu, J Ole Becker. Degradation and adsorption of fosthiazate in soil. J Agric Food Chem. 2004; 52(20): 6239-6242. DOI: 10.1021/jf049094c.
Dimitrios G. Karpouzas, Ioannis Panteleakis, Urania Menkissoglu-Spiroudi, Evangelia Golia, Nikolas G. Tsiropoulos. Leaching of the organophosphorus nematicide fosthiazate. Chemosphere. 2007; 68: 1359-1364. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2007.01.023.
Min Wu, Jiye Hu. Residue analysis of fosthiazate in cucumber and soil by QuEChERS and GC-MS. Chemical Papers. 2014; 68 (10): 1368-1374. DOI:10.2478/s11696-014-0589-8.
Evangelia S Papadopoulou, Stathis Lagos, Flora Spentza, Evangelos Vidiadakis, Panagiotis A Karas, Tassos Klitsinarisb, Dimitrios G Karpouzasa. The dissipation of fipronil, chlorpyrifos, fosthiazate and ethoprophos in soils from potato monoculture areas: first evidence for the enhanced biodegradation of fosthiazate. Pest Manag Sci. 2016; 72(5): 1040-50. DOI: 10.1002/ps.4092.
Paya Paya, Michelangelo Anastassiades, Dorothea Mak, Irina Sigalova, Bunyamin Tasdelen, José Oliva, Alberto Barba. Analysis of pesticide residues using the Quick Easy Cheap Effective Rugged and Safe (QuEChERS) pesticide multiresidue method in combination with gas and liquid chromatography and tandem mass spectrometric detection. Anal Bioanal Chem. 2007; 389(6):1697-714. DOI: 10.1007/s00216-007-1610-7.
Michelangelo Anastassiades, Steven J Lehotay, Darinka Stajnbaher, Frank J Schenck. Fast and Easy Multiresidue Method Employing Acetonitrile Extraction/Partitioning and Dispersive Solid-Phase Extraction for the Determination of Pesticide Residues
in Produce. Journal of AOAC International. 2003; 86 (2): 412-431. Doi: 10.1093/jaoac/86.2.412.
Lianshan Li, Jiangyan Xu, Bo Lv, Amir E Kazim, Fang Liu, Haiyan Shi, Minghua Wang. Chiral Organophosphorus Pesticide Fosthiazate: Absolute Configuration, Stereoselective Bioactivity, Toxicity, and Degradation in Vegetables. J Agric Food Chem. 2020; 68(29): 7609-7616. DOI:
10.1021/acs.jafc.0c03008.
Lin, K., Zhang, F., Zhou, S., Liu, W., Gan, J., & Pan, Z. Stereoisomeric separation and toxicity of the nematicide fosthiazate. Environmental Toxicology and Chemistry. 2007; 26 (11): 2339-2344. DOI: 10.1897/07-255R.1.
S ANTE/11312/2021. Analytical quality control and method validation procedures for pesticides residues analysis in food and feed - Implemented by 01/01/2022. Pesticides mrl guidelines wrkdoc 2021-11312.pdf (europa.eu) (дата обращения: 10.12.2022).
Перечень измерений, относящихся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений. Постановление
Правительства Российской Федерации от 16.11.2020 № 1847.
ГОСТ Р 8.563-09 Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений. М., Стандартинформ, 2019, -16 с.
Федеральный закон "Об охране окружающей среды" от 10.01.2002 N 7-ФЗ (с изменениями на 31 июля 2020 года).
