土壤中农药降解及吸附解吸对生物利用率影响的研究

4 3 2 第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集2 0 0 7 年7 月 土壤中农药降解及吸附解吸对生物利用率 影响的研究 陈经涛1 ，李克斌2 ，魏红3 ，王建军 ( 1 陕西教育学院化学系，陕西两安，7 1 0 0 6 1 ；2 西北大学化学系，陕西西安，7 1 0 0 6 9 ；3 西安理。C 大学市政与 环境工程系陕西西安，7 1 0 0 4 8 ) 摘要：土壤巾农药的降解在其环境归宿中I 与有重要地位。研究影响农药土壤降解的因素、降解模型以及吸附解吸 对农药的微生物降解行为及其对典型含氯有机物污染土壤的化学增强修复有着重要的意义。 关键词：农药；降解；吸附懈吸；生物可利用 D e g r a d a t i o no fP e s t i c i d ei nS o i l sa n dt h eE f f e c to fA d s o r p t i o n D e s o p t i o n t h eB i o a v a i l a b i l i t yo f P e s t i c i d e s C H E NJ i n g - t a oI tL IK e b i n 。，W E IH o 茸，W A N GJ i a n - j a n l ( 1 D e p a r t m e n to fC h e m i s t r y ，S h a n x iI n s t i l a eo fE d u c a t i o n ，X i a n7 1C X ) 6 1 ，C h i n a ；2 D e p a r t m e n to fC h e m i s t r y ，N o r t h w e s t U n i v e r s i t y ，X i 帅7 1 0 0 6 9 C h i n a ；3 D e p a r t m e n to f M u n i c i p a l a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ，X i a n U n i v e r s 时o f T e c h n o l o g y X i a l l7 1 0 0 4 8 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：D e g r a d a t i o no fp e s t i c i d e si ns o i lp l 吖a l li m p o r t a n tr o l ei nt h ef a t e o fp e s t i c i d e si ne n v i r o n m e n t T h ea r t i c l er e v i e w s S O R I er e c e n ta d v a n c ei nt h et r a n s f o r m a t i o no fa g r o e h e m i c a l si ns o i l ，e s p e c l a X l y0 1 1t h ef a c t o r st h a ta f t e e td e g r a d a t i o no f p e s t i c i d e s i ns o i l sa n dt h em o d e l st h a td e s c r i b et h ed e g r a d a t i o no f p e s t i c i d e si ns o i l s I na d d i t i o n 。t h ee f f e c to f t h ea d s o r p t i o n a d s o r p t i o n sO i l t h eb i o a v a i l a b i l i t yo f p e s t i c i d e si sa l s od i s c u s s e d K e y w o r d s ：p e s t i c i d e ；d e g r a d a t i o n ；a d s o r p t i o n d e s o p t i o n ；b i o a v a l l a b i h t y 农药作为一类广泛使用的特殊化学物质，在防治 病虫害、灭除杂草、延长粮食储存时间等方面表现出 良好效果，在作物的稳产、高产和提高产品质量等方 面为人类生存和发展带来了巨大的效益，但由于其污 染产生的严重后果，同时也对人类及其赖以生存的环 境造成了巨大的威胁。研究农药在环境中的迁移、转 化( 物理，化学及生物) 不仅是新农药开发的需要， 也是开展污染环境修复和合理有效使用农药实现可 持续发展的要求。 基金项目：辟西省科技计划项1 1 1 ( 2 0 0 4 K 0 3 一c 3 ) 作者简介：陈经涛( 1 9 5 5 一) ，男，教授，研究方向为应用化学厦材料化 学。E - m a i hc h j i n g t a o l1 8 1 6 3 m 1 农药在壤中的降解 土壤中农药的降解包括化学( 如光解、水解、氧 化还原、催化水解和光解等) 和生物过程。 农药的降解研究主要集中在确定土壤中农药的 降解速率和确定农药在土壤中的降解产物及降解途 径两个方面。从环境治理的角度看，进行土壤中农药 降解速率研究一方面可提供不同土壤对农药降解能 力的数据，另一方面可将环境因素对农药降解的影响 定量化，归一化，建立预测大面积区域土壤中农药降 解行为的数学模型模，以便正确有效的指导各类农药 的管理和使用m 。 1 1 影响农药降解的因素 影响农药在土壤中降解的网素主要有土壤中微 2 0 0 7 年7 月第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集4 3 3 生物活性、土壤温度、水含量、氧含量、农药浓度、 种类、农药重复使用的频率和土壤的类型等4 1 。 土壤微生物是支配农药在土壤巾降解的主要因 素，它的种类、数量对农药的土壤微生物降解有重要 影响。如2 A 一滴和克百威在不同层次土壤中的降解速 率次序与各层次微生物的含量次序恰好一致“。但并 不是所有研究都显示农药的降解速率与土壤微生物 活性呈正相关性。通常环境温度范围内，降解速度随 温度上升而升高”1 。土壤中水的含量对土壤微生物的 活性和农药的迁移有关键性的影响作用。在于燥土壤 中微生物活性消失，在水饱和土壤中将发生厌氧情 况，此时将阻碍所有好氧和亲氧细蔺的活性“。部分 农药在水饱和土壤中降解得快，而另一些农药则在非 水饱和的土壤中降解得快一些，土壤干湿循环可提高 对农药的吸附和减缓农药的降解4 “。如利谷隆和嗪草 酮”l 、西玛津( s i m a z i n e ) 和环嗪酮( h e x a z i n o n e ) ”、 莠去津( a t r a z i n e ) “I 的降解速率随土壤水含量的升高 而升高。而三嗪类和异丙甲草胺”“在水饱和士壤中不 发生降解，杀虫双农药”在水饱和土壤中的降解速率 明显慢于非水饱和的土壤。农药的重复使用可使土壤 中形成一个降解该农药的微生物体系，这样可使重复 使用的农药降解速率加快。据报道，M C P A ( 2 一甲4 氯) 在重复使用苯氧基酸( p h e n o x y a c i d s ) 1 0 年的下层土 ( 表层土l m 以下) 中的降解速率明显高于未种植作物 土壤的下层土”1 。 土壤的类型及组成的影响主要是通过影响农药 在土壤中的吸附脱附过程，然后再进一步影响其生 物利用率。 1 2 农药降解过程动力学模型 农药降解的动力学模型中有些是纯经验的拟 合方程，有些是从原理着手的机理模型。而多数模型 是降解过程的机理假定和有关参数的经验拟合相互 补充的数学模型。汪枞生等”1 把土壤中农药的降解动 力学模型归为3 类： 1 2 1 以化学反应动力学为基础的模型 一= k C “ 式中：c 是农药浓度，f 是时间，七是速率常数。 一般情况下，土壤中农药的降解按照一级反应 动力学进行。1 。为解释一级动力学方程因农药初始 浓度不同出现的女不同，也有人提出双速率模型： 一吆= C l ( k ，+ C ) 该式表示农药降解中存在催化反应。以上两式在农药 降解建模领域中一直有着较大的影响。 1 2 2 微生物参与降解的模型 化学反应动力学为基础的模型不能描述降解速 度可以存在“慢一快一慢”的非单调变化。降解速率的 非单调变化同微生物参与降解有关。描述微生物作用 下农药降解的模犁有： 一= k m C “ 式中：1 1 1 表示可降解农药在t 时的数量。另外，有许 多学者围绕农药降解与微生物量变化关系对上式进 行修正，提出许多不同形式的方程，汪枞生等已有比 较详细评述”。 1 2 3 周期和连续施加的农药降解模型 K l e 6 k a 和M a i e r 模型”： 4 = Q C v 一( m ，埘( c ( E + c + c 。，) ) 一Q C v c ，“) 式中：口，口分别是流人和流出反应器流量；v 是反 应体积；岛是M o n o d 方程饱和常数；丘是微生物生长 抑制常数；x 为农药转化为微生物量的当量系数；。 为最大的比生长率。K l e E k a 和M a i e r 模型实际是对连 续流、全混篆质量恒算模型，生物降解采用类H a l d a n e 降解动力学模型。 1 2 4 共代谢过程 由于共代谢过程中存在竞争抑制，微生物去活和 毒害效应等，其共代谢过程动力学描述较复杂。目前 国内外学者也提出许多描述此种影响的模型”“”。 1 3 共代谢 在自然条件下微生物对有机污染物的降解有两 种方式：一种是直接以该有机物为生长基质，在分解 代谢该有机物的过程中获取其生命活动所需能量及 其本身物质更新所需原料。另一种即共代谢，其定义 为微生物在生长基质的存在下对非生长基质的氧化 或还原。共代谢作用机理实际上是非专一性关键酶的 产生和作用机理4 ”。如灭草松( b e n t a z o n e ) 及其某些 非水解代谢产物在漆酶或过氧化氢酶作用下几乎不 发生作用，但有共基质如邻加氧基苯酚、阿魏酸、儿 茶酚、香草酸等作为氧化一还原反应电子供体时，灭 草松能被漆酶或过氧化氢酶转化0 1 。三氯乙烯在土壤 中发生好氧微生物降解需要另外一种化合物的存在， 如需甲苯来维持微生物的生长和酶诱导。微生物在 好氧环境下利用硫酸盐或硝酸盐作为电子受体来完 成对多种有机物的降解。如硝酸盐协助单环芳烃降 解”。”，硫酸盐协助D e s u l f o m o n i l et i e d f e i 对3 一氯苯甲 酸盐和氯酚脱氯“，D e s u l z t o b a e t e l C u md e h a l o g e n a n s 对氯酚类化合物”1 和D e h a k c # p i t i l u mm u l t i v o r a n s 对 氯乙烯”降解。利用微生物共代谢的特征可能为降解 4 3 4 第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集2 0 0 7 年7 月 难降解有机物，修复已污染土壤提供新的手段。 2 吸附解吸及生物利用率 有机化合物在土壤沉积物上的吸附常常需要经 过一个快速可逆的初始过程和几周，几月甚至几年的 慢吸附过程，这一慢吸附过程会导致一部分有机物抵 抗解吸。抵抗解吸的化学物质通常持久存在于自然环 境。这可用J o n e s 等的土壤，沉积物中有机化合物消 耗过程示意图( 图1 ) 来表示。多氯联苯3 ”、杀虫 剂和氯代脂肪烃。”已被发现存在于土壤，沉积物 中，其中部分被强烈吸附并且抵抗解吸。耐解吸化学 物质的比例随他们在土壤，沉积物中存在时间的延长 会急剧增加。向沙质黏土中添加三氯乙烯，在添加后 的两个半月时耐解吸的量为加入量的1 0 在十五个 半月时为4 5 ”。类似的例子，如在刚加入毒莠定 ( p i e l o r a m ) 的沙质沃土中的解吸量要比培养2 0 0 天 后的解吸量大得多。菲和4 一硝基酚加人到土壤中后 随时间延长更加耐生物降解和溶剂提取。随有机化 合物在土壤，沉积物存在时间的延长，这些化合物变 得越来越耐解吸，这一过程有被称为“陈化”( a g i n g ) 。 延长有机化合物在土壤，、沉积物存在时间会降低有机 物的生物可利用性和减小通过温和萃取程序提取的 有机物比例。”。 图1有机化合物生物利用率随萁与土壤接触时间的变化 F i g u r e1C h a n g e si no r g a n i cc o m p o u n da v a i l a b i l i t yw i t h i n c r e a s i n gc o m p o u n d s o i lc o n t a c tl i m e 陈化被认为是有机物从弱吸附位向强吸附位的 再分配或慢化学吸附螫合或化合物与土壤有机质形 成共价键的过程。其他过程如土壤有机质S O M 、无 机质微孔截留也被认为是有机物和土壤有机质的结 合机理。W h i t e 。研究显示干，湿循环过程能增强“陈 化”过程。 污染物在土壤中的传质控制着污染物的生物利 用性，特另是吸附的有机污染物巾能快速解吸的那一 部分的相对大小。这一观点主要认为土壤微生物对大 多数有机物的摄取是从流态而不是吸附态。一些研究 结果显示随着土壤一污染物接触时间增加，污染物被 微生物，蚯蚓和其他有机体的利用率降低。W e b e r 和 C o b l e m j 研究表明，溶液中的敌草快( d i q u a t ) 能被微 生物分解，而吸附在蒙脱石品格中的敌草快不能矿 化。吸附在土壤上的2 、4 - D 能防止其被微生物降 解。G o r d o n 和M i I l e r o ”1 研究也显示吸附态有机物比 溶解态有机物难以被微生物利用。也有一些不同的研 究结果。H a n c e 发现莠去津( a t r a z i n e ) 和利谷隆 ( 1 i n u r o n ) 在沙质沃土上的吸附程度与分解速率无 关。F u 等”发现吸附的苯乙烯经历微生物降解，即使 强烈吸附的部分也能被降解。随着与土壤接触时间的 增加，苯乙烯的降解程度降低。必须注意的是生物可 利用率是针对具体的生物种类和具体生物体而言的。 评价有机物生物可利用率有多种不同的方法，对此， R e i d 和S e m p l e 已进行了总结，研究表明部分方法所 得结果有一定相关性，但有些结果之间则无相关性存 在。 参考文献： l l l - 马庆立，陈鹤鑫，戚澄九土壤中农药降解的研究方法及其应用们国 外农业环境保护1 9 9 1 1 4 8 口l T d lS D e g r a d a t i o no f p e s t i c i d e s i ns u b s o i l a I _ e v i e wo fr a e t h e d sa n d r e s u l t s l 如柳口，凸曲珊A n s i C h e m ，1 9 9 5 ，5 2 3 1 2 4 5 8 M a l l a w ；t t 。m t f iAP _ M a e n k e yBc M u l l anJC h a r a e t e r i z a f i n no f p e s t i c i d e s o r p l i o na n dd e g r a d a t i o n i n m a e r o p o r e l i n i n g s 卸ds o i lh o f i 册n so f t h a t u n as i l t I 怕mf J 】，西瞄珊他d ，1 9 9 6 ，2 5 ：2 2 7 - 2 3 5 H 惮正军，朱忠林，华晓梅等除草剂索拉对地下水影响研究册环境科 学学报，1 9 9 4 ，9 4 ( 1 ) ：7 2 - 7 8 5 W h i t eJ c ，Q u 面o n e B R i A A l e x a n d e r M E f f e c t o f w e t t i n ga n dd r y i n g o n t h eb i o a v a i l a b B 竹o fo r g a n i cc o m p o u n d ss e q u e s t e r e di ns o i l 【J JE n z i m n T o x i c o l C h e m ，1 9 9 8 ，1 7 ：2 3 7 8 2 3 8 2 k ia V a l e m E 【 【m 1 ，heLl n l h m n e eo f “Im o i s t n m m s o r p t i o na n dd e g r a d a t i o no f h i n f J a e 蛳as i m f i n e i ns o i l - 1 1j A s 而。F o o d C h e m ，1 9 9 9 , 4 7 ：3 8 9 5 3 9 0 0 口】K 帅I 一_ J o n 鹤GF ，H a n c e RJK i n e t i c so fh 一加dm e t r i b t t z i n d e g r m l a t i o n i ns o i l 叽m 1 9 7 9 ，1 0 ：4 4 9 - 4 5 4 8 W a l k e r S R ，B l a c k l o w W MA d s o r p t i o na n dd e g r a d a t i o n o f 1 a z j 眦h e r b i e i 如s i ns o i l su s e df o rL u p l np r o d u e t i c mi nW e s t e r nA u s t r a l i a ：L a b o r a t o l ys t u d i e s a n ds i m u l a t i o n m o d a l I J A u z t J S o l l R e s ，1 9 9 4 , 3 2 ：1 1 8 9 1 2 0 5 9 B o w m e tKH A t m i n ep e r s i s t e n ma n dl O x l e h yi nl w oi r r i g a t e ds o i l s o f A u s t r a l i a 】A u s t J S o i l R e s ，1 9 9 1 2 9 ：3 3 9 3 5 0 1 0 l g o 肿p k a A 。T u r c 0 1 t LB i m l e g r a d a t i o n o f o r g a n i cc o m p o u n d s i nv 一 2 0 0 7 年7 月 第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集4 3 5 da q u i f e r 自e d i l b 叶D m m M i e m b i o l ，1 9 9 1 5 7 ：2 2 6 0 - 2 2 6 8 【l1 】棣晓白，等有毒有机物环境行为和生态毒理论文集【M 北京：中曰科 学技术出版杜，1 9 9 0 9 3 1 0 2 1 2 J Z e u t b e nS B ，d m 矿D a n h h p l a n t P r o r a t i o n C o n f e r e n c e l C l 1 9 8 8 ：2 3 3 2 【1 3 】汪枞生，刘多森，张水铭上壤巾收药的降解动力学模型研究进展】 土壤1 9 9 7 ，3 ：1 2 5 1 2 9 1 4 1 张大弟，张晓红，周建平农作物农药污染| 平价及其应m l J l 上海环境科 学，1 9 9 3 1 2 门) ：8 1 2 【1 5 1 K l e o k a G M ，M a i e r WJ K i n e t i c so fr n i e r o b i a l g r o w t ho np e n t a c h l o r o p h e n o f 明A p p l E m d m n M l ? m b J o l ，1 9 8 5 ，4 9 ：4 6 - 5 3 1 6 B m h o l r aK ，C h r i s t e n s e nTH ，J e nBJM o d e l i n gT C Ed e g r a d a t i o nb ya m i x t u r o de u h u T eo fm e t h a n e - o x i d i z i n gI l 耐棚W a t e rR e s 。1 9 9 2 ，2 6 ： 1 1 7 7 一1 1 8 5 1 7 C h a n gHk A v a m z C o h e nLM o d e lf o rt h e m t a h o l f oh i e d e g r e d a t i 蚰o f c h l o r i n a t e dn r g m f i e s J lE n v i r o n S O t T e e h n o f ，1 9 9 5 ，2 9 ：2 3 5 7 - Z 3 6 7 、1 8 C r i d d l e C SK i n e t i c sde o m e t a b o l l s m J B J b t h n o B t E ，1 9 4 1 3 ， 4 1 ：1 0 4 8 - 1 0 5 6 【1 9 C h a n gMK ，V o i c eTC ，C r i d d l eC SK i n e t i c so fc o m p e t i t i v ei l d f i b i t i o n 柏d c o m e t a h e l i s m i n t h eb i o d e g r a d a t i c n o f b e m e n e ，t o l u e n e ，a n de - x y l e n e h t w o P s 叫d o m o n a si s o l a t e s 】B + M “ h n o l B i t i n g ，1 9 9 3 ，4 1 ：1 0 5 7 1 0 6 5 2 0 | E l yRLH y m e nMI t , 揶DJ ，c ta lAe o m t a h o l f ok i n e t i m o d e l i n c o T | o m t i n ge n z y m ei n h i b i t i o r t , i n a c t i v a t i o n a n d r e e o v e r y ：1 M o d e l d e v e l o p m 肌t 仰a l y s i sa n d t e s t i n g 【J B i o t e e I m o l B i o e n g ，1 9 9 5 ，4 6 ：2 1 8 - 2 3 1 【2 1 李萍刘俊新废水中难降解性有机幅染物的共代谢降解| J 】环境污 染治理技术与设备，2 0 0 2 ，3 0 I ) 4 3 4 7 【2 2 K i mJ E ，W a n g cJ l kJ M i n t e r a c t i o no f t i v ea n d i n e r tc h e m i e a h i n t h ep i n n e eo fo x i d o r e d u e t a B e s ：r e a c t i o no ft h eh 柚i e i d eb e m a z o n 卸di t s m e l a l m l i t e sw i t hh u m i cm o n o r mU 】B i o d e g t a d a f f o n ，1 9 9 8 ，8 ：3 8 7 3 9 2 2 3 1 A l t e t g s c h m i l l tU F u n c h sc A n a e r o b i ct o l u e a eo x i d a t i o nI ob e n z y la l e n h e l a n db e l m a l d e h y d e i nad e r L 两母I n g p “如删s t r a i n J J B a e t e H o l ，1 9 9 2 1 7 4 ：删8 6 2 2 4 l A n d e r s1 IJ ，K a e I z k eA ，K i i m p 盎rP e ta 1 T a x o n o m l ep o s i t i o no fa r o m a d c d e - g r a d l n gd e n i t r i f y i n g l 舢o n 硝s t r a i n sK 1 7 2a n dK B 7 4 0a n dt h e i r d e s c r i p t i o na sn e w m e m b e r s o f t h eg e n e r aT h a u e r 日雎T h a u e 曙d 瑚M 自bs D M ，a n dA z o a r c u s ，A z o a r e u se v 口s i i n o v sm s p m ! t i v e l y ，m e m b e o f t h e b e t as u h e l a 蚰o f t h ep r o t e o l m e t e f i a J 1 肺J S y s t 册a n bB a e t e d o l ，1 9 9 5 ， 4 5 ：3 2 7 - 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1 9 7 【3 0 】肼T o mDM H c c z e m p aLM R e v e m i h l em dR e s i s t a n tC o m p o n e n l Bo fP C B A d s o r p t l o n - D e s o r p t i o n ：I s o t h e r m s 】f n f f S e tT e c h n 0 1 1 9 8 2 ，I 叠 5 9 4 J 0 0 2 f 3 1 】C o a t e sJT ，E l z e r r a a n nAWD e s o r p t i t m K i n e t i c sf o rS e l e c t e dP C B C o n g e n e m f r o m R i v e r S e d i m e n m J I J C o n t a i n H y d r o l ，1 9 8 6 ，1 ：1 9 1 - 2 1 0 3 2 P i 目n a t e l f oJJH u a n gL 0S o r p t i v er e v e n i i n l i t yo f a t r 越i n e 硼dr 脯m l a c h l 盯 m s l d u e s i n f i e l ds o i ls a m p l e 8 叶，国“1 9 9 1 ，2 0 ：2 2 2 - 2 2 8 3 3 1 P i 掣m t e l l nJ J S l o w l yr e v e m i b l e “q l m mo fa l l p h a t i eh a l o e a r b o n si ns o i l s I F o m a t i n no fr e s i d u a lf r a e o o n s JE n r f o mT o T i e o lC h ，1 9 9 0 91 1 0 7 一1 1 1 5 f 3 4 S m i n b e t gS M ，l ：k n a t e l f oJJ ，S a w h n e yB 1 一P e m i s t e n e eo f l 0 , l i b m t h a n e i n i l s ：E n t r a p m ti ni n t r ap a r t i c l ew c ”p o m U 】J b m in “， 1 9 8 7 ，2 1 ：1 2 0 1 一1 2 0 8 【3 5 P a v l 僻t a t h i sSG M a t h a v 卸GM I ) e 轴r p t i o nk i n e t i c so f 册l e c t e dv o l a t i l e o r g a i n ec o m p o u n d sf r o mf m l dc o n t a m i n a t e d 。o i l B 】曲v m nS O tT 柙h n o l , 1 9 9 互2 6 6 3 2 5 3 8 【3 6 1 M c C a l lPJ ，A s l nGLD 蹦t q a i o nk i n e t i c s0 fp i e l o r 蛐脏a f f e c t e dh r e a i d e n e et i mi nt h e I l 1b w T o x k o l C h e m Z # t r g ，1 9 8 5 ，m 3 7 4 4 【3 7 l t a t z i n g 辩PB A l e x a n d e rM E f f e c to fa g i n go fc h e m i c a l si n “lo nt h e i r b i o d e g r a d a b i l i t yn e de x t m e t a b i l i t y J - 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