Műszaki Földtudományi Közlemények, 83. kötet, 1. szám (2012), pp. 137 146. TIOLKARBAMÁT TÍPUSÚ NÖVÉNYVÉDŐ SZER HATÓANYAGOK ÉS SZÁRMAZÉKAIK KÉMIAI OXIDÁLHATÓSÁGÁNAK VIZSGÁLATA I. S-ETIL-N,N-DI-N-PROPIL-TIOLKARBAMÁT (EPTC) HIDROGÉN-PEROXIDOS OXIDÁCIÓJA INVESTIGATION OF THE CHEMICAL OXIDABILITY OF THE THIOCARBAMATE TYPE PESTICIDE ACTIVE INGREDIENTS AND THEIR DERIVATIVES I. HYDROGEN-PEROXIDE OXIDATION OF THE S-ETHYL-N,N-DI- N-PROPYL-THIOCARBAMATE (EPTC) LAKATOS JÓZSEF 1, FAUR KRISZTINA BEÁTA 2 Absztrakt: Kísérleteink tiolkarbamát típusú növényvédőszer-gyártásnál képződő szennyvizekben található szerves anyagok oxidálhatóságának vizsgálatára irányultak. Az oxidáció S-etil-N,N-di-n-propil-tiolkarbamát (EPTC) hatóanyagból készített vizes oldatban hidrogén-peroxiddal történt Fe(II)/Fe(III) ionok jelenlétében. A vizsgálatok során azt találtuk, hogy a hidrogén-peroxidos kezelés hatására a szervesanyag-tartalom jelentős mértékű átalakulása következett be. A kísérletek savas közegben valamivel hatékonyabbak voltak. Méréseink szerint a hőmérséklet növelése a vártnak megfelelően gyorsította és teljesebbé tette az átalakítási folyamatot. Hasonló eredményt kaptunk az oxidálószer mennyiségnek növelésekor. Kulcsszavak: szennyvíz, növényvédő szer, EPTC, oxidáció. Abstract: Our investigations aimed at testing the oxidability of those organic materials that can be found in wastewaters resulting from the production processes of the thiocarbamate type pesticides. The oxidation reaction was carried out in aqueous solution made out of S- ethyl-n,n-di-n-propyl-thiocarbamate (EPTC) active ingredient, using hydrogen-peroxide in the presence of Fe(II)/Fe(III) ions. During these tests it was found that a considerable amount of the organic substances was converted, as a result of the hydrogen-peroxide treatment. The experiments proved to be slightly more effective in acidic medium. According to our measurements, increasing the temperature accelerated the conversion process and 1 KISCHEMICALS KFT. 3792 Sajóbábony, Gyártelep lakatos.jozsef@kischemicals.hu 2 Környezetgazdálkodási Intézet, Hidrogelológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék H-3515 Miskolc-Egyetemváros hgtinka@miskolc.hu
138 Lakatos József Faur Krisztina Beáta made that more complete, as it was expected. Similar results were obtained when the amount of the oxidizing agent was increased. Keywords: wastewater, pesticide, EPTC, oxidation. 1. Bevezetés A környezeti terhelés legsúlyosabb következménye az emberi egészség közvetlen veszélyeztetése. Ezért is fontos, hogy a növényvédő szer gyártásból származó szennyvizek növényvédő szer hatóanyag tartalma ne jelentkezzen szennyezésként az élővizekben. Ehhez olyan eljárásokat kell keresnünk, melyek hatékonyak, híg oldatban is végbemennek, és alkalmazásuk nem túl költséges. A vizsgálatokat S-etil-N,N-di-n-propil-tiolkarbamát (EPTC) hatóanyaggal végeztük. 2. Tiolkarbamát típusú növényvédő szerek, EPTC A tiolkarbamátok a sejtosztódást zavarják meg, meghatározott bioszintetikus folyamatokat gátolnak. Szelektív hatású gyomirtó szerek, ennek magyarázata egyes kultúrnövények detoxikáló mechanizmusában rejlik. A kultúrnövények tűrőképessége adalékokkal (antidótumok) növelhető. Előnyük, hogy az időjárásra, talajviszonyokra kevésbé érzékenyek. A tiolkarbamátokat mivel a csírázó gyomokra hatnak vetés előtt, a talajba bedolgozva juttatják ki. A csoport legfontosabb tagjait a magyar ipar is gyártja. Az EPTC irtja a magról kelő egyszikű gyomokat, néhány magról kelő kétszikű gyomnövényt, lassítja az évelők fejlődését. Eredményesen alkalmazható a kölesfélék és a magról kelő fenyércirok ellen is. Vetés előtt kell használni és a talajba bedolgozni. Önmagában napraforgóban és új telepítésű lucernában használható. Antidótummal együtt kukoricában, napraforgóban engedélyezett [1]. Az EPTC a tiolkarbamát vegyületcsoportba tartozó gyomirtó hatású növényvédő szer hatóanyag, mely színtelen, esetleg halványsárga színű, erős szagú folyadék. Összegképlete: C 9 H 19 NOS 1. sz. ábra. Az EPTC szerkezeti képlete Alkalmazása közvetlenül a talajba beleforgatva történik.
Tiolkarbamát típusú növényvédő szer hatóanyagok és származékaik 139 Az EPTC toxicitás adatai [2] 1. sz. táblázat Toxicitási veszély Érték Állat Akut toxicitás, szájon át LD 50 2550 mg/kg patkány (hím) LD 50 2525 mg/kg patkány (nőstény) Akut toxicitás, bőrön át LD 50 2000 mg/kg LD 50 1800 mg/kg patkány (hím) patkány (nőstény) Akut toxicitás, belégzés LC 50 4,3 mg/l/4 óra patkány (hím) Az EPTC ökotoxicitás adatai [2] 2. sz. táblázat Vízi toxicitási veszély Érték Expozíciós idő Állatfajta Akut toxicitás, hal LC 50 14 mg/l LC 50 19 mg/l 96 h Akut toxicitás, daphnia EC 50 14 mg/l 48 h Daphnia Akut toxicitás, alga EC 50 3,8 µl/l 72 h kék kopoltyús naphalra szivárványos pisztrángra 3. Az EPTC lebomlása, bomlástermékei Az EPTC egy illó, szelektív szisztematikus gyomirtó szer, melyet a növény gyökerei, szárai, hajtásai abszorbeálnak. Az alábbiakban tárgyalt lebomlási folyamat egyes elemeit vázlatosan a 2. sz. ábrán mutatom be. Lebomlás a talajokban A talajba került EPTC különösen nedves talajból könnyen kipárologhat, hacsak nincs erősen abszorbeálódva a talajrészecskékhez. Emellett gyors mikrobiális lebomlással is csökken a koncentrációja, melynek során kén- és nitrogéntartalmú metabolitokra és széndioxidra bomlik. Az EPTC metabolizmusával foglalkozó vizsgálatok a biodegradációt Rhodococcus spp. baktérium szuszpenzióval beoltott talajon kimutatták, hogy a mikroorga-
140 Lakatos József Faur Krisztina Beáta nizmusok az EPTC-t gyorsan és hatékonyan bontották szulfoxiddá (2), ugyanakkor szulfon (3) nem volt kimutatható. Ezzel párhuzamosan az EPTC a két propil-csoportján hidroxilálódott. Az 1-hidroxipropil-metabolit (4) instabil volt, és N-depropil-EPTC (5) és propionaldehid (6) képződött belőle. Az N-depropil-EPTC (5) tovább hidrolizálódott, miközben S-etil-tiolszénsav keletkezett, amely aztán S-metil-tiolszénsavvá demetileződött, és aztán valószínűleg tovább alakult CO 2 és metántiol képződése mellett. Nyomokban propilamin képződést lehetett tapasztalni, és a 8, 9, és 10 vegyületek jelenlétére is következtetni lehetett a bomlási folyamatokban. Metabolizmus a növényekben A magasabb rendű növényekben (pl. kukorica) az EPTC bomlás első lépése a szulfoxiddá (2) illetve szulfonná (3) történő oxidáció. Az EPTC szulfoxid (2) konjugált képződése során enzimatikusan reagál a glutationnal. Az in vivo vizsgálatok szerint a kukoricában a metabolizmus fő termékei a glutation és cisztein komplexek. A glutation konjugát metabolizmusa során N-malonil-cisztein komplex képződik. 2. sz. ábra. Az EPTC talajban való lebomlásának első reakciói (talaj-mikrobiális izolátum által /mi/, illetve talajban /s/) [3] 4. Az EPTC-vel végzett oxidációs kísérletek célja A tiolkarbamát típusú növényvédő szer hatóanyagok és készítmények gyártási folyamataiból az EPTC-t viszonylag magas (társaságunknál a gyártás időszakában az üzemből távozó szennyvizek EPTC tartalma az előkezelés előtt átlagosan 100 200 mg/l) koncentrációban tartalmazó technológiai vizek kerülnek ki. Ezt a hatóanyag tartalmat a szennyvíz-
Tiolkarbamát típusú növényvédő szer hatóanyagok és származékaik 141 tisztító telepre történő átadás előtt csökkenteni szükséges, hiszen a szennyvíztisztító telepen a rövid tartózkodási idő miatt nem bomlana el teljesen. Célunk az, hogy az üzemből kikerülő szennyvíz növényvédő szer hatóanyag-tartalmát kémiai oxidációval olyan szintre csökkentsük, hogy a szennyvíztisztító telepen a maradék hatóanyag-tartalom a szennyvíztisztító telepen megbízhatóan lebontható legyen. Az esetünkben tárgyalt kutatások az EPTC oxidatív lebonthatóságának meghatározására irányultak hidrogén-peroxiddal, Fe(II)/Fe(III) ionok jelenlétében. 5. Az oxidáció során végbemenő folyamatok Ipari méretben is gyakran alkalmazzák számos egyéb eljárás mellett a Fenton-reakció körülményeit szennyvizek tisztítására. A Fenton-reakció a szerves anyagok vas(ii)-szulfát által katalizált hidrogén-peroxidos oxidációja savas közegben. A Fe(II) ion és a H 2 O 2 gyökös körfolyamatban reagál. Először Fe(II)-H 2 O 2 komplex alakul ki, majd ennek bomlásakor hidroxid gyökök képződnek, mely oxidálja a szerves anyagokat, valamint a Fe(II) ion is oxidálódik Fe(III) ionná. A Fe(III) iont tartalmazó oldatban a H 2 O 2 hatására peroxid gyökök jelennek meg, melyek visszaalakítják a Fe(III) iont Fe(II) ionná. A Fenton-reakció savas közegben játszódik le, hogy ne képződjön vas-hidroxid csapadék, mely felületén a szennyezőanyagok megkötődhetnek, ezzel nehezítve az oxidációs folyamatot. Főreakció: 2+ + 3+ Fe + H2O2 + H = Fe OH + H2O 6. Laboratóriumi kísérletek 3+ 2+ + Fe + H2O2 = Fe + HO2 + H. A szennyvíz szervesanyag-tartalmának csökkentésére végzett kísérletek helyszínei a KISCHEMICALS Kft. fejlesztési, illetve minőségellenőrzési laboratóriumai voltak. A kísérletek elvégzéséhez az egyik tiolkarbamát hatóanyagot, az EPTC-t választottam ki. A 3. sz. táblázatban a kísérletekhez kiválasztott kísérleti körülményeket foglaltuk össze. Az EPTC oxidatív lebontásánál alkalmazott kísérleti körülmények 3. sz. táblázat Kísérlet Hőmérséklet ph H 2 O 2 mennyisége 1. 40 C 3,8 3 g 2. 40 C 3,6 6 g 3. 40 C semleges 3 g 4. 40 C semleges 6 g
142 Lakatos József Faur Krisztina Beáta 5. 60 C 3,4 3 g 6. 60 C 3,2 6 g 7. 60 C semleges 3 g 8. 60 C semleges 6 g 6.1. Oxidációs reakciók laboratóriumi körülmények között, a mérések leírása. Erlenmeyer-lombikba bemértünk 2000 ml desztillált vizet és kb. 150 200 mg EPTChatóanyagot, és fűthető mágneses keverővel homogén oldatot készítettünk, valamint beállítottuk a kívánt hőmérsékletet, illetve szükség esetén a kívánt savas ph-t. 200 ml mintát vettünk az oldatból, és ebből megállapítottuk a kiindulási koncentrációt. A maradék 1800 ml oldathoz bemértünk vagy 0,2 g vas(ii)-szulfát heptahidrátot és a szükséges mennyiségű 30 %-os hidrogén-peroxid oldatot. A két anyag bemérésétől számítva egy óra múlva és aztán óránként vettünk 200 ml mintát, és meghatároztuk a benne levő hatóanyag-tartalmat. A mintát az extrakció megkezdése előtt minden esetben szobahőmérsékletre hűtöttük viszsza. 6.2. A kísérlet során vett minták feldolgozása, a módszer leírása A szennyvízből szerves oldószerrel (diklór-metánnal) kiextraháltuk az EPTC-t és gázkromatográfiásan külső standard módszerrel meghatároztuk a szennyvízben lévő mennyiséget. A mérés kivitelezése Készülék: HP Agilent 6890 Oszlop: HP-1 25 m x, ID 0,32 mm, film: 0,52 µm Vivőgáz: Hidrogén Hőmérsékle: Hőfok program: 100 C 5 percig, majd 40 C/perc felfűtéssel 210 C-ra, itt 20 perc Detektor: 280 ºC Injektor: 280 ºC Split: 50 : 1 A készülék vezérlése és a kiértékelés ChemStation programmal történik. Oldatkészítés 200 cm 3 szennyvizet 3x10 cm 3 diklór-metánnal extraháltuk, és az extraktumokat savbemérőben összegyűjtöttük. Vízmentes nátrium-szulfáttal szárítottuk. Ebből az oldatból végeztük az injektálást. A diklór-metánt szennyezéseinek meghatározásához minden vizsgálat elején beinjektáltuk. A szennyvíz összetevőinek meghatározásához két kalibráló oldatot készítettünk. Analitikai pontossággal 50 cm 3 -es normállombikba bemértünk a lehetséges szennyezőknek megfelelő standard anyagokból 0,5-0,5g-ot, és diklór-metánnal jelig töltöttük (I.
Tiolkarbamát típusú növényvédő szer hatóanyagok és származékaik 143 törzsoldat). Ebből a törzsoldatból 5,00 cm 3 -t pipettáztunk egy 50 cm 3 -es normállombikba és diklór-metánnal jelig töltöttük (II. sz. törzsoldat). 1. Korrekciós faktor meghatározásához használt oldat A II. sz. törzsoldatból 1,00 cm 3 -t pipettáztunk egy csiszolatos Erlenmeyerlombikba, hozzápipettáztunk 29,0 cm 3 diklór-metánt. 2. Korrekciós faktor meghatározásához használt oldat A II. sz. törzsoldatból 5,00 cm 3 -t pipettáztunk egy csiszolatos Erlenmeyerlombikba és hozzápipettáztunk 25 cm 3 diklór-metánt. Ha a vízben lévő szerves anyagok koncentrációja a bemért összehasonlító oldatoktól nagyon eltért, akkor a faktor oldatok koncentrációját ennek megfelelően állítottuk be. 6.3. A vizsgálati eredmények: gázkromatográfiás (GC) elemzéseinek általános megállapításai A gázkromatográfiás vizsgálatok eredményeiből, megvizsgálva az alábbi kromatogramokat látható, hogy a kémiai oxidáció után, a kiindulási állapothoz képest az EPTCcsúcs kisebb, illetve az EPTC mellett, kisebb csúcsokkal megjelennek más, az oxidáció során képződött vegyületek is. Ezek azonosításával az itt tárgyalt kutatás során nem foglalkoztunk, hiszen célunk jelen esetben csak az volt, hogy a gyártási folyamatokból kikerülő szennyvizek növényvédő szer hatóanyag-tartalmát olyan szintre csökkentsük, mely szennyvíztisztító telepen kezelhető. A kiindulási állapot és az oxidáció után kapott oldat kromatogramjait a 3. és 4. sz. ábrák szemléltetik. 3. sz. ábra. Az oldatban található szerves anyagok kromatogramja az oxidáció előtt (Kiindulási kromatogram) A kromatogramon az EPTC-t jelző csúcs alatti terület mutatja a mintában lévő, oxidáció előtti hatóanyag mennyiséget a retenciós idő függvényében.
144 Lakatos József Faur Krisztina Beáta 4. sz. ábra. Az oldatban található szerves anyagok kromatogramja oxidáció után Az oxidáció után vett minta kromatogramjából látható, hogy az EPTC-csúcs jóval kisebb területet mutat, viszont retenciós ideje előtt és után azonosítatlan kisebb területű csúcsok figyelhetők meg. A bomlástermékek mennyiségének további csökkentése kémiai vagy biológiai oxidációval további vizsgálatok alapját képezi. 6.4. Kísérleti eredmények és értékelésük 5. sz. ábra. EPTC hatóanyag-tartalom %-os csökkenése a 60 C-on elvégzett kísérleteknél
Tiolkarbamát típusú növényvédő szer hatóanyagok és származékaik 145 6. sz. ábra. EPTC hatóanyag-tartalom %-os csökkenése a 40 C-on elvégzett kísérleteknél Az 5. és 6. sz. ábrán látható az oxidáció hatékonysága %-ban kifejezve, különböző feltételek mellett. A kísérletsorozatnál megfigyelhető, hogy savas és semleges közegben is mérhetően csökken a hatóanyag-tartalom. A kétszeres mennyiségben adagolt hidrogén-peroxiddal végzett kísérletek reakciósebessége láthatóan nagyobb mértékű hatóanyagtartalom-fogyást mutat, mint az egyszeres mennyiségben adagoltaké. A diagramon megfigyelhető, hogy az előző, 60 C-on végzett kísérletekhez képest a hatóanyag-tartalom csökkenése nem annyira intenzív, kisebb a reakció sebessége is. A legnagyobb fogyást viszont ismét a kétszeres mennyiségben adagolt hidrogén-peroxiddal, savas közegben értük el. 7. Összegzés A hidrogén-peroxiddal Fe(II)/Fe(III)-szulfát jelenlétében végzett EPTC bontási kísérletek 60 C-on voltak a legeredményesebbek. Nem szükséges savas közeget biztosítani, viszont a hidrogén-peroxid mennyiségének növelése intenzívebb hatóanyagfogyást eredményezett. Az eredmények alapján, a nyolc kísérlet közül a leghatékonyabbnak a savas közegben, 60 C-on, kétszeres hidrogén-peroxid mennyiséggel végzett kísérlet bizonyult. Az elvégzett vizsgálatok eredményeit felhasználva további kísérleteket tervezünk az üzemi gyártásból származó szennyvizekkel. Olyan eljárást szeretnénk kifejleszteni a szennyvíz oxidációs kezelésére, amely a gyártási folyamat részét képezi.
146 Lakatos József Faur Krisztina Beáta Köszönetnyilvánítás A tanulmány/kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. IRODALOMJEGYZÉK [1] http://www.agraroldal.hu/karbamat-es-tiokarbamat-tipusu-gyomirtszerek_szotar.html [2] EPTC biztonsági adatlap KISCHEMICALS Kft. [3] Roberts, Terence Robert Hutson, D. H. (David Herd): Metabolic pathways of agrochemicals. Part 2, Royal Society of Chemistry (Great Britain).