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Residual Patterns of Insecticides Bifenthrin and Chlorfenapyr in Perilla Leaf as a Minor Crop
Residual Patterns of Insecticides Bifenthrin and Chlorfenapyr in Perilla Leaf as a Minor Crop
Korean Journal of Environmental Agriculture. 2015. Sep, 34(3): 223-229
Copyright © 2015, The Korean Society of Environmental Agriculture
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  • Received : May 03, 2015
  • Accepted : August 10, 2015
  • Published : September 30, 2015
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상오 전
정인 황
태화 김
찬혁 권
영욱 손
동술 김
장억 김
jekim@knu.ac.kr

Abstract
소면적 재배 작물 중 연속수확작물인 높은 들깻잎의 안전성 확보를 위하여 들깻잎 중 bifenthrin 및 chlorfenapyr의 잔류양상을 연구하였다. 확립된 분석법을 이용하여 회수율시험을 실시한 결과 bifenthrin 및 chlorfenapyr의 회수율은 81.9~104.8% 범위로 만족할만하였다. 들깻잎의 생육 기간 중 bifenthrin과 chlorfenapyr의 잔류량 변화는 first order kinetics model을 적용하여 해석하였으며 이 식으로부터 산출된 감소상수는 bifenthrin에서 0.0724-0.0535 day -1 , chlorfenapyr에서 0.0948-0.0821 day 1로 나타났다. 두 농약의 들깻잎 중 반감기는 bifenthrin의 경우 9.6-12.9일이었으며, chlorfenapyr는 7.3-8.4일이었다. 산출된 두 농약의 감소상수를 이용하여 pre-harvest residue limit(PHRL)을 산출한 결과 수확 10일전 들깻잎 중 bifenthrin 및 chlorfenapyr의 잔류량이 각각 17.1 및 15.9 mg/kg일 경우 수확일에는 두 농약의 잔류허용기준인 7.0 및 10.0 mg/kg 이하로 잔류하여 안전할 것으로 예상되었다.
Keywords
서 론
농작물에 사용되는 농약은 그 목적을 달성한 후에도 작물에 잔류하여 안전성 문제를 야기할 수 있다( Jung , 2004 ). 이러한 문제를 해소하고 안전한 농산물을 생산 및 유통하기 위해서 농약의 잔류허용기준(maximum residue limits, MRL)을 설정하여 관리하고 있으며, 유통되는 농산물의 안정성 확보를 위하여 정부차원에서 지속적인 모니터링 사업도 수행하고 있다( Kim , 2014 ).
그러나 들깻잎을 포함한 소면적 재배 작물의 경우 등록된 농약이 많지 않아( Lee , 2007 ), 사과 및 배와 같은 주요 작물에 비해 잔류농약에 대한 연구가 미흡하다고 할 수 있다. 특히 국립농산물품질관리원(National Agricultural Products Quality Management Service, NAQS)의 조사 결과에 따르면 잔류농약으로 인한 부적합 건수가 소면적 재배 작물 들깻잎에서 2011년 70건 및 2012년 56건으로 상당히 높았다(NAQS report, 2011; NAQS report, 2012). 또한, Ko 등(2003) Lee 등(2007) 의 보고에 따르면 2010년 이전부터 잔류농약으로 인한 전체 부적합 농산물 중 들깻잎이 가장 큰 비율을 차지한 것으로 보고되어 왔다( Ko , 2003 ; Lee , 2007 ). 따라서 들깻잎과 같은 소면적 재배 작물의 안전성 확보를 위한 연구들이 많이 진행되어야 할 것으로 생각된다.
살충제 bifenthrin과 chlorfenapyr는 배추, 시금치, 파 및 들깨 등의 엽채류에서 나방류 방제를 위하여 품목이 고시되어 있다(Korea Crop Protection Association, 2014). NAQS의 안전성조사 결과, bifenthrin 및 chlorfenapyr의 부적합율은 각각 0.6~1.6 및 0.2~0.3%로 낮은 수준이었으나 검출횟수는 각각 341~385 및 1,379~1,406건으로 높은 편이었다(NAQS report, 2011; NAQS report, 2012).
작물에 약제가 살포된 후 농약의 초기 부착량 및 재배 기간 동안 작물 중 잔류농약의 반감기(half-life)를 조사하여 잔류양상을 규명하는 것은 최종 생산된 농산물의 안전성을 확보하기 위해 중요한 일이다. 최근까지 농약의 잔류양상을 예측하기 위해 여러 kinetics model들이 적용되어 연구되어 왔으나( Park , 2005 ; Fantke and Juraske, 2013 ), 일반적으로 작물 중 농약의 잔류양상은 first order kinetics model을 적용하여 해석하고 있다( Kim , 2012 ). First order kinetics model을 적용하여 재배 과정 동안 작물 중 농약의 잔류량을 예측할 수 있다면 신뢰성 있는 농작물의 안전관리가 가능할 것으로 생각된다.
본 논문은 들깻잎에 대하여 bifenthrin 및 chlorfenapyr를 2회 및 3회 살포한 후 두 농약의 경시적인 잔류양상을 조사하고 first order kinetics model을 적용하여 감소상수 및 반감기를 산출하여 재배기간 중 안전한 농산물을 생산 관리하기 위하여 수행하였다.
재료 및 방법
- 농약 및 시약
Bifenthrin의 표준품은 Dr. Ehrenstorfer GmbH(Augsburg, Germany)사의 순도 95.0%를 구입하였으며, chlorfenapyr의 표준품은 BASF(Ludwigshafen, Germany)사의 순도 99.7%를 분양 받아 사용하였다. 두 농약을 일정한 농도로 acetone에 희석하여 working solution으로 제조한 후 사용하였으며 두 농약의 물리화학적 성질은 Table 1 과 같다. 농약제품은 bifenthrin의 경우 유효성분 함량 1% 유제(타스타, (주)영일케미컬)를 사용하였고 chlorfenapyr의 경우 유효성분 함량 10% 액상수화제(섹큐어, (주)동부팜한농)를 사용하였다. 잔류농약분석에 사용된 acetone, acetonitrile, methylene chloride, 및 n-hexane은 Burdick & Jackson Inc.(Muskegon, MI, USA)에서, sodium chloride(EP급)와 sodium sulfate(GR급)는 Junsei Chemical Co.(Tokyo, Japan)에서 구입하였다. Florisil은 Sigma-Aldrich Chemical Co.(St. Louis, MO, USA)제품을 사용하였다.
Physico-chemical properties of the applied pesticides
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Physico-chemical properties of the applied pesticides
- 시험 포장 및 약제살포
시험 포장은 경상북도 경산시 하양읍 청천리에 위치한 시설재배 하우스를 임대하였으며, 재래종 들깻잎을 시험에 이용하였다. 처리구는 2.5 m×3.0 m, 완충거리 0.5 m를 한 처리구로 하였으며 재식밀도는 20 cm×20 cm였다. 포장 시험 기간은 2014년 9월 5일부터 2014년 9월 26일까지 진행되었으며, 들깻잎의 재배는 농가의 관행적인 방법에 따라 실시하였다. 재배기간 중 관개수는 비닐하우스 상부에 설치된 스프링쿨러를 이용하여 7일에 한 번씩 가로 5.0 m×세로 5.0 m의 재배면적 당 약 1.5 L/min의 물을 20분간 급수하였으며, 시험기간 중 포장의 온도와 습도는 각각 평균 24.8±2.6℃ 및 67.3±6.6%로 유지하였다. 약제살포는 bifenthrin은 1,000배, chlorfenapyr는 2,000배 희석하여 배부식 분무기를 사용하여 20 psi의 압력으로 분당 1,500 mL로 살포하였다. 살포 시기 및 횟수는 7일 간격으로 2회 및 3회 처리하였으며, 들깻잎 시료는 최종 약제 살포 2시간 후 수확한 0일차를 포함하여 일주일간 0, 1, 3, 5 및 7일차에 수확하였다. 채취된 시료는 즉시 실험실로 운반하여 개별 무게를 측정하였다. 채취된 시료는 균질화 한 후 잔류농약 분석 직전까지 -20℃의 냉동고에 보관하였다.
- 들깻잎 중 잔류농약분석
들깻잎 중 bifenthrin 및 chlorfenapyr의 잔류농약분석 방법은 식품공전 잔류농약 분석법을 참조 및 변형하여 적용하였다(MFDS Report, 2013). 들깻잎 시료 10 g에 일정량의 acetone을 첨가하고 homogenizer에서 3분간 12,000 rpm으로 추출하여 추출물을 Celite 545에 통과시켜 여과한 후 1.0 L 분액여두에 옮기고 50 mL 포화식염수와 450 mL 증류수를 가하여 dichloromethane 50 mL로 2회 분배 추출하였다. 추출액을 anhydrous sodium sulfate에 통과시켜 탈수하고 40℃ 수욕상에서 감압농축한 후 농축물을 일정량의 hexane에 재용해하여 정제과정에 사용하였다. 시험에 사용된 Florisil은 잔류농약분석시험 하루 전 200℃의 oven에서 활성화하여 사용하였다. Glass column (16 mm I.D.×40 cm, PTFE 부착)에 10 g의 Florisil과 일정량의 무수 sodium sulfate를 차례로 습식 충전한 후 column 상부에 hexane으로 재용해한 시료액을 부하하고 50 mL의 hexane으로 1차 용출시켜 흘려버린 후, 50 mL의 hexane/acetone(95/5, v/v)으로 2차 용출시켜 그 용출액을 분취하였다. 분취한 용출액을 감압농축한 뒤 잔사를 acetone에 재용해하여 1.0 μL씩 GC-ECD(Shimadzu GC-2010, Japan)에 주입하여 나타난 chromatogram상의 peak area를 표준검량선과 비교하여 잔류량을 산출하였다. 회수율 시험은 bifenthrin 및 chlorfenapyr를 들깻잎 시료에 각각 0.1 및 0.5 mg/kg이 되도록 처리한 다음 상기의 방법으로 추출, 정제한 후 GC-ECD로 분석하여 측정된 농약의 잔류량을 계산한 후 회수율을 구하였다.
GC-ECD의 컬럼은 DB-5 capillary column[30 mL.× 0.25 mm I.D., 0.25 μm film thickness(J&W Scientific, USA)]를 사용하였고 온도조건은 column oven은 bifenthrin 분석 시 120℃에서 2분간 유지한 다음 분당 8℃의 비율로 280℃까지 가온한 뒤 8분간 유지하였고, chlorfenapyr는 150℃에서 2분간 유지한 다음 분당 10℃의 비율로 280℃까지 가온한 뒤 5분간 유지하였으며, injector의 경우 260℃, detector의 경우 300℃였다. 이동상 가스(N 2 ) 및 makeup gas(N 2 /Air)는 각각 분당 1 및 30 mL의 유속으로 흘려주었으며, 최종 시료 용액은 1.0 μL를 split mode(split ratio 1:50)로 주입하여 분석하였다.
정량분석을 위한 bifenthrin 및 chlorfenapyr의 표준검량선은 각 농약의 표준품을 acetone으로 희석하여 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0 및 5.0 mg/L의 working solution을 조제하여 각각 1.0 μL씩 GC-ECD에 주입하여 나타난 chromatogram 상의 peak 면적을 이용하여 작성하였다.
- 감소상수 및 반감기 산출
들깻잎 중 bifenthrin 및 chlorfenapyr의 반감기( T )는 first order kinetics model을 적용하여 아래의 식에 따라 산출하였다.
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위 식에서 C 0 는 농약의 초기 잔류량(mg/kg), t 는 경과일자, k 는 감소상수를 나타내며 Ct t 시간 경과 후 농약의 잔류량(mg/kg)을 나타낸다.
- 출하 전 농약 잔류허용기준
출하 전 농약 잔류허용기준(pre-harvest residue limit, PHRL)은 작물 수확 시 잔류농약이 잔류허용기준을 초과하지 않도록 수확 전 재배 과정에서 농약 잔류량을 예측한 값으로( Kim , 2013 ) 앞선 반감기식에서 산출된 k 값을 아래의 식에 대입하여 산출하였다.
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위 식에서 Md 는 출하 d 일전 농약잔류허용기준(mg/kg), Mh 는 출하일의 잔류허용기준으로 농약의 MRL 값(mg/kg), k 는 감소상수, d 는 출하일 전 일자(day)를 의미한다.
결과 및 고찰
- 회수율시험
시험농약의 정량분석을 위한 bifenthrin 및 chlorfenapyr의 표준검량선은 상관계수( r 2 ) 값이 0.999 이상으로 양호하게 나타났다. 상기의 기기 분석 조건하에서 bifenthrin과 chlorfenapyr의 retention time은 각각 21.4 및 13.5 min였다.
들깻잎 중 bifenthin 및 chlorfenapyr의 회수율시험 결과는 Table 2 와 같다. 들깻잎 중 bifenthin의 회수율은 81.9-104.8%, chlorfenapyr의 회수율은 85.6-94.4%로 나타났으며 변이계수는 2.9% 이하로 나타나 잔류농약분석법 기준인 회수율 범위 70-120%와 변이계수 10% 이내를 만족하였다. 두 농약의 검출한계는 모두 0.01 mg/kg이었으며 GC-ECD 크로마토그램 상에 시료의 간섭 피크는 존재하지 않았다( Fig. 1 ).
Recoveries and limits of detection for residual analysis of bifenthrin and chlorfenapyr in perilla leaves
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a)Mean of triplication with standard deviation; b)MDA, Minimum detectable amount; c)LOD, Limit of detection
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Chromatograms of bifenthrin and chlorfenapyr in perilla leaves analyzed using GC-ECD (a - 5.0 mg/L of bifenthrin standard; b - 5.0 mg/L of chlorfenapyr standard; c - perilla leaves control during bifenthrin analysis; d - perilla leaves control during chlorfenapyr analysis; e – perilla leaves spiked with bifenthrin at 0.5 mg/kg; f - perilla leaves spiked with chlorfenapyr at 0.5 mg/kg).
- 재배기간 중 잔류량의 변화
최종 약제 살포 후 일주일간 채취한 들깻잎의 무게는 최저 1.11±0.15 g에서 최고 1.36±0.19 g 사이로( Fig. 2 ), 들깻잎 시료는 일자별로 균일하게 채취하였다. 들깻잎 중 bifenthrin 및 chlorfenapyr의 잔류량을 조사한 결과는 Table 3에 나타내었다. Bifenthrin의 초기 잔류량은 2회 및 3회 처리구에서 각각 0.43 및 0.55 mg/kg으로 나타났으며, 일주일 경과 후 잔류량이 0.27 및 0.38 mg/kg으로 나타나 초기 잔류량의 30.9-37.2%가 소실되었다. 반면에 chlorfenapyr의 경우 초기 잔류량은 2회 처리구에서 9.02 mg/kg, 3회 처리구에서 9.26 mg/kg으로 나타났으며 수확일 시료에서 40.1-45.0% 감소하여 4.96 및 5.55 mg/kg으로 잔류하였다.
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Weights of perilla leaves collected at sampling time after final application.
Residual amounts of bifenthrin and chlorfenapyr in perilla leaves after final application
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a)Mean of triplication with standard deviation
이론적으로는 동일 조건에서 농약의 살포 횟수를 달리하면 감소상소 k 는 동일할 수 있지만 초기 잔류량은 농도에 따라 차이를 보이게 된다. 계산식에 의해 구한 감소상수 k 가 0.05-0.10 day -1 의 범위이면 농약을 2회 및 3회 처리할 시 1회 처리했을 때의 초기 잔류량보다 2회 처리시에는 49.7-70.5%, 그리고 3회 처리시에는 74.3-120.1%의 비율로 증가되어 나타나야 한다. 본 실험의 결과와 비교한 결과 들깻잎 중 bifenthrin 및 chlorfenapyr의 2회 및 3회 처리구에서 초기 잔류량의 차이는 이 범주 안에 포함되었다.
이 결과를 바탕으로 작성한 들깻잎 중 bifenthrin 및 chlorfenapyr의 소실곡선을 Fig. 3 에 나타내었다. Bifenthrin의 회귀방정식은 2회 및 3회 처리구에서 각각 y=0.4177e -0.0724x ( r 2 =0.9345) 및 y=0.5522e -0.0535x ( r 2 =0.9569)로 나타났으며, chlorfenapyr의 회귀방정식은 각 처리구에서 y=9.4124e -0.0948x ( r 2 =0.9440) 및 y=10.1052e -0.0821x ( r 2 =0.9292)로 나타났다.
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Dissipation curves of bifenthrin (a) and chlorfenapyr (b) on perilla leaves after final application of pesticides.
들깻잎 중 bifenthrin 및 chlorfenapyr의 잔류량 감소 요인은 두 농약의 증기압이 각각 2.4×10 -2 mPa 및 1.2×10 -2 mPa로 낮은 편이며, Log K ow 값도 bifenthrin은 6.0 이상이며 chlorfenapyr의 경우 4.8로 극성이 비교적 낮아서( Macbean, 2012 ), 휘산 및 강우식 관수에 의해 소실될 가능성보다 다른 요인이 더 크게 작용할 것으로 생각된다. 이전 연구에 따르면 들깻잎과 같이 단기간에 성장이 빠른 작물의 경우 작물 중 농약의 반감기는 작물의 비대성장이 가장 큰 요인으로 보고되고 있으며( Lee , 2008 ; Marín , 2003 ), 본 연구 결과 또한 경시적인 농약의 잔류량 감소는 들깻잎의 비대성장이 주요인으로 작용한 것으로 사료된다.
산출된 방정식으로부터 들깻잎 중 bifenthrin의 반감기를 산출한 결과 2회 처리구에서 9.6일, 3회 처리구에서 12.9일로 나타났다. Ko 등(2003) 의 연구에 따르면 들깻잎 중 bifenthrin의 반감기는 2.2-4.8일로 보고되어 본 연구 결과보다 짧았으나( Ko , 2003 ), 이러한 작물 중 농약의 잔류량은 시험에 사용된 농약의 제형, 약제 살포 방법 및 재배 조건 등에 따라 다를 수 있으므로( Kim , 1997 ; Son , 2012 ), 통상적인 포장 시험에서 나타날 수 있는 차이로 보인다. 반면에 들깻잎 중 chlorfenapyr의 반감기는 2회 및 3회 처리구에서 7.3일 및 8.4일로 나타났다.
엽채류 중 bifenthrin과 chlorfenapyr의 잔류양상 연구에서 Park 등(2012) 은 쪽파와 부추에 대해 bifenthrin 및 chlorfenapyr의 반감기를 조사한 결과 bifenthrin은 3.8-11.5일, chlorfenapyr는 6.6-13.4일로 나타났다고 보고하였으며( Park , 2012 ), Cho 등(2011)은 파프리카 잎 중 chlorfenapyr의 반감기를 8.0일로 보고하였다(Cho et al. , 2011). 이러한 잔류양상은 「생산단계 농약 잔류허용기준 설정 및 합리적 운영방안 연구」 보고서에서 작물군 별 농약의 감소상수의 변이율을 조사한 결과 엽채류에서 평균 46% 정도로 산출되어 본 연구결과와 비교하였을 때 일반적인 실험적 변이로 보이며, 이전 연구에서 엽채류 중 bifenthrin 및 chlorfenapyr의 감소상수는 각각 0.0439-0.2395 및 0.0598-0.1778 day -1 의 범위로 조사되어 본 연구결과의 bifenthrin 및 chlorfenapyr의 감소상수 0.0535-0.0724 및 0.0821-0.0948 day -1 와 유사하였다(MFDS, 2014).
- Pre-harvest Residue Limit (PHRL) 산출
우리나라에서 들깻잎 중 bifenthrin 및 chlorfenapr의 잔류허용기준은 각각 10.0 및 7.0 mg/kg으로 설정되어 있다(MFDS report, 2012). 본 연구 결과에 따르면 들깻잎 중 bifenthrin의 최대 잔류량은 2회 및 3회 처리구 전체에서 잔류허용기준 이하로 나타났다. 반면에, chlorfenapyr의 경우 초기 잔류량이 각 처리구에서 9.02 및 9.92 mg/kg으로 나타나 잔류허용기준을 초과하였으나 시간의 경과에 따라 잔류량은 감소하여 최종 약제 살포 5일 후 2회 처리구에서 5.37 mg/kg, 3회 처리구에서 6.59 mg/kg으로 잔류허용기준 미만으로 나타났다.
두 농약의 2회 및 3회 처리구의 감소상수 중 낮은 감소상수를 이용하여 산출한 PHRL은 Table 4 와 같으며, 이에 따르면 수확 10일 전 들깻잎 중 bifenthin 및 chlorfenapyr의 잔류량이 각각 17.1 및 15.9 mg/kg으로 잔류할 경우 수확예정일에 두 농약의 잔류허용기준 이하로 잔류할 것으로 예상할 수 있다. 이러한 PHRL 산출 방법은 들깻잎과 같은 연속 수확 소면적 재배 작물의 안전성 확보를 위한 유용한 기준설정 방법으로 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
Pre-harvest residue limits of bifenthin and chlorfenapyr in perilla leaves
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a)PHRL, Pre-harvest residue limit; b)Dissipation constant of three times application; c)Maximum residue limits of bifenthrin; d)Maximum residue limits of chlorfenapyr
Acknowledgements
This research was supported by a grant (00-14-4-009902) from Ministry of Food and Drug Safety for 2014.
References
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