土壤的農(nóng)藥污染及修復(fù)技術(shù)

1、l我國土壤農(nóng)藥污染的現(xiàn)狀目前,全球生產(chǎn)和使用的農(nóng)藥已達(dá)1 300多種,其中廣泛使用的約為250多種。我國已邁人世界農(nóng)藥生產(chǎn)大國。1990年農(nóng)藥產(chǎn)量為22.66萬t,1994年農(nóng)藥產(chǎn)量為26.6萬t,約占世界農(nóng)藥總產(chǎn)量的1/10。現(xiàn)在,我國每年大約要施用80-100多萬t的化學(xué)農(nóng)藥,有機(jī)磷殺蟲劑占40%,高毒農(nóng)藥占37.4%,有的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,存留時(shí)間長。這些農(nóng)藥無論以何種方式施用,均會(huì)在土壤殘留,而且在我國農(nóng)藥的有效利用率低,據(jù)測定僅為20%30%(發(fā)達(dá)國家的農(nóng)藥利用率達(dá)60%-70%。若按單位面積平均施藥量計(jì)算,我國農(nóng)藥用量是美國的2倍多。大量的農(nóng)藥流失到土壤中,造成土壤環(huán)境的嚴(yán)重污染,影響

2、了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。據(jù)初步統(tǒng)計(jì),全國至少有l(wèi) 300-16 00萬hm2耕地受到農(nóng)藥污染。有機(jī)磷和有機(jī)氯農(nóng)藥是造成土壤農(nóng)藥污染的主要種類。目前,世界上的有機(jī)磷農(nóng)藥商品達(dá)上百種,在我國使用的有機(jī)磷農(nóng)藥約30余種,使用量為20萬t,其中80%以上是劇毒農(nóng)藥,如甲胺磷、甲基對硫磷、對硫磷、久效磷、敵敵畏等,其中甲胺磷的使用量一年就高達(dá)6.5萬 t。目前,我國有機(jī)磷農(nóng)藥占據(jù)農(nóng)藥主導(dǎo)地位的局面難以在短期內(nèi)改變,仍將長期使用。有機(jī)氯農(nóng)藥是造成土壤農(nóng)藥污染的另一大類。在瑞典通過的關(guān)于持久性有機(jī)污染物的斯德哥爾摩公約需要首批控制的農(nóng)藥名單中有9種屬于有機(jī)氯農(nóng)藥。我國有機(jī)氯農(nóng)藥的主要污染地區(qū)集中在華北和華東地區(qū)

3、,在土壤、農(nóng)產(chǎn)品、河流沉積物中都檢測到了該類農(nóng)藥的殘留。雖然隨著時(shí)間的推移,這些禁用有機(jī)氯農(nóng)藥的殘留在逐漸降低,但目前仍在使用的有機(jī)氯農(nóng)藥如三氯殺螨醇、五氯酚和五氯酚鈉等,同樣造成土壤、植物和水源的污染。其他土壤有機(jī)污染物還包括氨基甲酸酯類、有機(jī)氮類殺蟲劑和磺酰脲類除草劑,這些種類的農(nóng)藥毒性較低,但因使用范圍擴(kuò)大,其對土壤造成的污染亦不容忽視。近年來的研究發(fā)現(xiàn),許多化學(xué)農(nóng)藥具有環(huán)境激素效應(yīng),其在土壤和植物體上的殘留對人和動(dòng)物內(nèi)分泌系統(tǒng)產(chǎn)生干擾作用,影響生殖繁衍,造成雌性化、腺體病變和后代生命力退化。1998年,FAO曾經(jīng)公布一系列具環(huán)境激素類效應(yīng)的農(nóng)藥,包括除草劑11種、殺菌劑12種和殺蟲劑3

4、0種,以及一些植物生長調(diào)節(jié)劑。這些農(nóng)藥在一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已被禁用或限制使用,并成為該地域農(nóng)副產(chǎn)品貿(mào)易的安檢對象,成為發(fā)展中國家農(nóng)副產(chǎn)品出口的一道新的綠色壁壘。2農(nóng)藥污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響2.1土壤農(nóng)藥污染對農(nóng)作物的潛在影響主要是通過植物根系的吸收被轉(zhuǎn)運(yùn)到植物組織或收獲的產(chǎn)品中,農(nóng)藥在植物體內(nèi)殘留影響植物的生長,進(jìn)入收獲品中則影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和使用價(jià)值。2.2土壤農(nóng)藥污染對土壤生物的影響土壤生物主要包括細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物,它們是土壤性質(zhì)及維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡的關(guān)鍵。然而,大多數(shù)的農(nóng)藥對土壤生物都有一定的毒殺作用。例如,一些殺蟲劑都對蚯蚓有較強(qiáng)的殺傷力,如對硫磷和多菌靈在培養(yǎng)14

5、d的條件下,引起蚯蚓50%死亡的濃度分別是74.52 mg/kg和4.27 mg/kg。農(nóng)藥影響土壤微生物的種群和種群數(shù)量,由于微生物數(shù)量的變化,土壤中的氨化作用、硝化作用、反硝化作用、呼吸作用以及有機(jī)質(zhì)的分解、代謝和根瘤菌的固氮等過程受到不同程度的影響,使土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能失調(diào),系統(tǒng)中出現(xiàn)某些物質(zhì)的積累或某些物質(zhì)的匱乏,進(jìn)一步影響到土壤生物的生長和代謝。3土壤農(nóng)藥污染物的降解土壤中農(nóng)藥的降解包括光化學(xué)降解、化學(xué)降解和微生物降解。下面作簡單的介紹。3.1光化學(xué)降解農(nóng)藥在光照下可吸收光輻射進(jìn)行衰變、降解。光解僅對少數(shù)穩(wěn)定性較差的農(nóng)藥起明顯的作用。例如,除草劑經(jīng)光化學(xué)降解可生成鹽酸甲胺:由于土壤中

6、農(nóng)藥的光解多在表層進(jìn)行,所以光化學(xué)降解在農(nóng)藥降解中的貢獻(xiàn)較小。但光解作用使某些農(nóng)藥降解變成易被微生物降解的中間體,從而加快農(nóng)藥的降解。3.2化學(xué)降解農(nóng)藥的化學(xué)降解可分為催化反應(yīng)和非催化反應(yīng)。非催化反應(yīng)包括水解、氧化、異構(gòu)化、離子化等作用,其中水解和氧化反應(yīng)最重要。水解作用:如有機(jī)磷酯殺蟲劑在土壤中發(fā)生水解反應(yīng):有機(jī)磷酸叔酯的水解反應(yīng)可表示如下:氧化作用:有人曾經(jīng)用氯代烴農(nóng)藥進(jìn)行氧化試驗(yàn),指出林丹、艾氏劑和狄氏劑在臭氧氧化或曝氣作用下都能夠被去除。實(shí)驗(yàn)證明,土壤無機(jī)組分作催化劑能使艾氏劑氧化成為狄氏劑;鐵、鈷、錳的碳酸鹽及硫化物也能起催化氧化及還原反應(yīng)。許多農(nóng)藥能降解氧化生成羧基、羥基。如P,

7、P-DDT的脫氯產(chǎn)物P,P-DDD可進(jìn)一步氧化為 P,P'-DDA:在農(nóng)藥的化學(xué)降解中,土壤中無機(jī)礦物及有機(jī)物能起催化降解作用,如催化農(nóng)藥的氧化、還原、水解和異構(gòu)化。例如,堿性氨基酸類及還原性鐵卟啉類有機(jī)物可催化有機(jī)磷農(nóng)藥的水解和DDT脫HCl;Cu2+能促進(jìn)有機(jī)磷酯類農(nóng)藥的水解;黏粒表面的H+或OH一能催化狄氏劑的異構(gòu)化和阿特拉津及DDT的水解反應(yīng);土壤中游離氧以及H20等也能對某些化學(xué)農(nóng)藥的化學(xué)降解起催化作用。3.3生物降解微生物對農(nóng)藥的降解是土壤中農(nóng)藥最主要也是最徹底的凈化。土壤中農(nóng)藥微生物降解的反應(yīng)較多,也很復(fù)雜,其中比較重要的微生物降解反應(yīng)有氧化、還原、水解、開環(huán)作用等。而對

8、農(nóng)藥有降解能力的微生物有細(xì)菌、放線菌、真菌等。氧化作用:氧化是微生物降解農(nóng)藥的重要酶促反應(yīng),有多種形式,如羥基化、脫烷基、B 一氧化、脫羧基、醚鍵開裂、環(huán)氧化、氧化偶聯(lián)、芳環(huán)或雜環(huán)開裂等。還原作用:某些農(nóng)藥在厭氣條件下發(fā)生還原作用,如在厭氣條件下氟樂靈中的硝基被還原為胺基。水解作用:許多無機(jī)酸酯類農(nóng)藥(對硫磷、馬拉硫磷和苯酰胺類農(nóng)藥在微生物作用下,酰胺和酯鍵易發(fā)生水解作用:又如:環(huán)破裂作用:許多細(xì)菌和真菌能使芳香環(huán)破裂,這是環(huán)狀有機(jī)物在土壤中降解的重要步驟。如2,4一D在無色桿菌作用下發(fā)生苯環(huán)破裂:在同類化合物中,影響其降解速率的因素有:化合物取代基的種類、數(shù)量、位置以及取代基團(tuán)的大小。苯類化

9、合物中,不同取代基對各種微生物抗分解的順序?yàn)? -NO2>-S03H>-OCH3>-NH2>- COOH>-OH。同類化合物中,取代基的數(shù)量愈多,基團(tuán)的分子愈大,就愈難分解。脫氯作用:許多有機(jī)氯農(nóng)藥可在微生物作用下脫氯,如P,P-DDT脫氯轉(zhuǎn)變成P,P-DDD;又如林丹(-666經(jīng)梭狀芽孢桿菌和大腸桿菌作用,脫氯成為氯苯和苯:脫烷基作用:烷基與N、0或s原子連接的農(nóng)藥容易在微生物作用下進(jìn)行脫烷基降解。應(yīng)當(dāng)指出,農(nóng)藥的降解過程是非常復(fù)雜的。一種農(nóng)藥在其降解過程中常常包含多種不同類型的化學(xué)反應(yīng)(或降解作用。例如,殺蟲劑乙?；姿狨?毒蟲畏的微生物降解歷程如下:在微生物

10、的作用下,母體物(I生成脫乙基毒蟲畏f,或者由水解或氧化作用經(jīng)由一個(gè)中間體生成2,4一二氯苯乙酮(,再還原為l一(2,4一二氯苯基乙醇(V,再氧化為二醇(,從(起可能有第二條途徑,即異構(gòu)化為環(huán)氧化物2,4一二氯苯環(huán)氧乙烷(,然后和氧化生成對氯苯甲酸f。4土壤農(nóng)藥污染修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢微生物以其生長繁殖速度快、代謝類型多、能降解多種農(nóng)藥進(jìn)行生長的特點(diǎn)而逐漸成為化學(xué)農(nóng)藥的克星。因此我們可以充分利用微生物對農(nóng)藥的降解作用,采用更加有效的方法來治理土壤的農(nóng)藥污染。4.1有針對性地引入目標(biāo)污染物的降解菌南京農(nóng)業(yè)大學(xué)分離到高效農(nóng)藥殘留降解菌株達(dá)500多株,建立起國內(nèi)最大菌種庫,建立了田間應(yīng)用操作規(guī)程和菌劑

11、生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),推廣應(yīng)用面積在20萬hm2以上,產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益5億余元,投入產(chǎn)出比在l:5以上。4.2降解農(nóng)藥的酶(制劑及其應(yīng)用農(nóng)藥的降解方式主要有酶促與非酶促兩種,而微生物的降解作用主要是通過其分泌酶來完成的。常見的降解酶類主要有水解酶類(包括磷酸酶、對硫磷水解酶、酯酶、硫基酰胺酶、裂解酶等以及氧化還原酶類(過氧化物酶、多酚氧化酶1。如,Lewis等由黃桿菌分離到一種酯酶或磷酸酯酶,可降解對硫磷,顯著降低原藥毒性;同時(shí)還可水解另外10余種有機(jī)磷農(nóng)藥,如久效磷、對氧磷和馬拉硫磷等。Kaufman和Kearney從假單胞菌中分離到能切斷氯苯胺靈酰胺鍵或酯鍵的降解酶。 Wallnofer和Bader則

12、發(fā)現(xiàn)球形芽孢桿菌無細(xì)胞抽提物具有酰胺酶活性,可降解苯胺類除草劑。劉建平等和鈔亞鵬等分別從甲基營養(yǎng)菌中分離到甲胺脫氫酶和甲胺磷降解酶,對催化農(nóng)藥甲胺磷降解非常有效。Bollag從節(jié)桿菌得到了一種多功能氧化酶,可降解2,4-D和3,5-Z.氯酚。而且酶可能比細(xì)胞更能忍受不良環(huán)境f如不適宜的pH和溫度、高鹽和高溶劑濃度等,例如,對硫磷水解酶能夠耐受10%的鹽濃度和1%的有機(jī)溶劑濃度,以及50的高溫。而假單胞菌在這樣的條件下,則不能正常生長繁殖。虞云龍等將產(chǎn)堿菌YF-ll產(chǎn)生的酶固定化后,不僅對氰戊菊酯的凈化效果好,還可以降解多種有機(jī)磷和擬除蟲菊酯類殺蟲劑。因此,認(rèn)為用酶處理農(nóng)藥污染的土壤有很大的應(yīng)用

13、潛力。但需要考慮酶法處理可能造成的二次污染及酶作用需要的生產(chǎn)成本問題。4.3微生物降解酶基因的克隆和表達(dá)近年來,伴隨著分子生物學(xué)的發(fā)展,國內(nèi)外已經(jīng)有多個(gè)有機(jī)磷農(nóng)藥降解酶基因被克隆,主要來源于黃桿菌、假單胞菌、單胞菌、節(jié)桿菌、鄰單胞桿菌、土壤桿菌和紫色桿菌等。降解酶基因的研究也被用于新型高效降解菌的分離上。Chakrabartyk在分離2,4,5-T的降解菌時(shí)加入了含有降解質(zhì)粒CAM,TOL,SAL,pAC21和pAC25等的多種微生物,共同培養(yǎng)8 10個(gè)月,篩選出高效降解2,4,5-T的惡臭假單胞菌 ACI 100,其細(xì)胞內(nèi)含有pDG3、pDG4等多種質(zhì)粒,該種質(zhì)粒工程菌在6周內(nèi)可將l 000 mg/L的2,4,5-T降解至500 mg/L。采用基因重組技術(shù)構(gòu)建高效工程菌是目前的重要研究方向之一。Haug- land等將可降解2,4,5-T 的惡臭假單胞菌 ACl 100菌株和2,4-D降解菌Alicaligeneseuto- phusJMPl34進(jìn)行細(xì)胞融合,使JMPl34的降解質(zhì)粒轉(zhuǎn)入ACl 100菌株,得到一株新工程菌RHJl,可同時(shí)降解2,4-D 和2,4,5-T。5發(fā)展前景和存在問題通過對土壤的農(nóng)藥污染進(jìn)行物理、化學(xué)和生物修復(fù),可以消除土壤中六六六、DDT和呋喃