（应用化学专业论文）巨大芽孢杆菌的固定化及杀虫单污染土壤的修复.pdf

摘要 本文主要研究巨大芽胞杆菌的固定化及杀虫单污染土壤的修复，试验共进行了如下 几方面的工作： l _ 采用概率单位法，求出滤纸法中杀虫单对蚯蚓的2 4 hl c 5 0 为3 2 6 9m g c m 2 ：4 8 h l c 5 0 为1 5 ，o o m g c m 2 ；人工土壤法中杀虫单对蚯蚓的7 天l c 5 0 为1 l o m g k g ( 干土) ；1 4 天l c 5 0 为4 3m g k g ( 干土) 。通过实验室农药毒性划分依据和田问投毒系数的划分，杀 虫单确定为低毒农药。 2 对提纯出来的巨大芽胞杆菌进行培养和驯化。通过正交实验测定出巨大芽孢杆菌 的最适宜生长条件是温度3 0 。c ，p h 值为7 。对巨大芽孢杆菌的生长期进行观察，延迟期 大概在开始的1 0 个小时左右，对数生长期约从1 6 小时到4 8 小时，稳定期可以持续2 4 小时，然后逐渐进入衰亡期。 3 通过三次正交实验，确定固定化的最佳工艺为：1 5 的海藻酸钠与1 0 的聚乙 烯醇以2 ：l 的比例混合，加入硅藻土的量为o 0 l 克( 1 5 m l 载体混合物) ，其余条件 对试验结果影响不大。 4 利用均匀设计方法进行降解试验，当所选变量中包括浓度和时间变量时，可以通 过回归分析方法建立目标反应的动力学方程。实验探讨并验证了固定化菌的降解能力比 游离菌高；用多元逐步回归方法建立了降解反应的数学模型，经简单的数学变换后，得 到了降解反应的动力学方程。最后讨论了显著性因素对降解过程的影响，实验结果表明： 降解时间越大，越不利于固定化菌降解；随降解时间的加长，固定化菌较游离菌降解速 率越大，优势越明显。 关键词：匿大芽胞杆菌，杀虫单，固定化，土壤修复，动力学 a b s t r a c t t h ei m m o b i l i z a t i o no fb a c i l l u s m e g a t e r i u ma n dt h er e m e d i a t i o n o n m o n o s u l t a p c o n t a m i n a t e ds o i lw e r es t u d i e di nt h i sp a p e li ti n c l u d e dt h ef o l l o w i n g p a r t s ： 1 p r o b i tm e t h o dw a su s e dt oc a l c u l a t et h ea c u t et o x i c i t yt e s to ft h ee a r t h w o r ma g a i n s t m o n o s u l t a pi nf i l t e rp a p e rm e t h o d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tl c s oo f2 4a n d4 8h o u r sw e r e 3 2 6 9m g c m 2a n d1 5 o o m g c m 2 l c s 0o f 7a n d1 4d a y so f t h ee a r t h w o r ma g a i n s tm o n o s u l t a p w e r el1 0 m g k g ( d r ys o i l ) a n d4 3m g k g ( d r ys o i l ) b ya r t i f i c i a ls o i l m e t h o d m o n o s u l t a pw a s l o w t o x i cp e s t i c i d ea c c o r d i n gt ot h ep a r t i t i o no fp e s t i c i d et o x i c i t yi nl a b o r a t o r ya n do ft o x i c c o e f f i c i e n ti nf i e l d 2 b a c i l l u sm e g a t e r i u mi s o l a t e df r o mm u dw a sc u l t u r e da n dd o m e s t i c a t e d b yo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t s ，t h eo p t i m i z e dt e m p e r a t u r e3 0 ca n dp hv a l u e7w e r ec o n c l u d e d g r o w t h p e r i o d so fb a c i l l u sm e g a t e r i u mw e r et e s t e d l a gp h a s e ，l o gp h a s ea n ds t a t i o n a r yp h a s ew e r e a p p r o x i m a t e l y1 0 1 6t o4 8a n d2 4h o u r s a n dm e nd e c l i n ep h a s ew o u l do c c u r 3 b a s e do nt h r e eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ，o p t i m i z e di m m o b i l i z a t i o np r o c e s sw a s d e t e r m i n e d o 0 1 9d i a t o m i t ew a sa d d e di n t o1 5 m lc a r r i e rm i x t u r em a d eo f t w ot i m e so f1 5 s o d i u ma l g i n a t ea n d1 0 p v a o t h e rf a c t o r sh a dw e a ke f f e c t s 4 d e g r a d a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tb yu n i f o r md e s i g n k i n e t i c se q u a t i o no f t a r g e tr e a c t i o nw a s e s t a b l i s h e db yr e g r e s s i v ea n a l y s i si ft i m ea n dc o n c e n t r a t i o nw e a ei n c l u d e d i nt h ev a r i a b l e s n ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a td e g r a d a t i o nc a p a c i t yo fi m m o b i l i z e dc e l l w a sb e t t e rt h a nt h a to ff l e ec e l l k i n e t i c se q u a t i o no fd e g r a d a t i o nr e a c t i o nw a sd e t e r m i n e db y e s t a b l i s h m e n ta n ds i m p l et r a n s f o r mo fm a t h e m a t i c sm o d e lo fw h i c hb ym e a n so fm u l t i p l e e l e m e n ts t e p w i s er e g r e s s i o na n a l y s i s t h eo r i g i u a lc o n c e n t r a t i o na n dd e g r a d a t i o nt i m eo f m o n o s u l t a pw e r ed i s c u s s e da ss i g n i f i c a n tf a c t o r so f e f f e c to nd e g r a d a t i o np r o c e s s e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w a dt h a tt h eh i g h e rt h eo r i g i n a lc o n c e n t r a t i o no fm o n o s u l t a pw a s ，t h em o r e d i s a d v a n t a g e o u sd e g r a d a t i o no fi m m o b i l i z e d c e l lw a s a n dd e g r a d a t i o nr a y a n ds u p e r i o r i t yo f i m m o b i l i z e de e l 】w e r e 撕g h e ra n do b v i o u st h a nf r e ee e l ja l o n gw i t hd e g r a d a t i o nt i m e k e yw o r d s ：b a c i l l u sm e g a t e r i u m ，m o n o s u l t a p ，i m m o b i l i z a t i o n ，s o i lr e m e d i a t i o n ，k i n e t i c s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 墨洼堡三太垒或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：刮苏 签字日期：，瞄年月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁望墨墨盘鲎 有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡兰盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供 查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电予文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说f ：) 学位论文作者签名：副落 导师签名：眵 签字日期：御j 年月f 0 日签字日期：炒年月，p 日 第一章文献综述 1 1 农药的使用现状 第一章文献综述 随着科学技术在农业中应用范围的不断扩大，农药在农业生产中的应用越来越 广，喷洒量同趋增大。一方面是因为许多害虫已形成抗体，另一方面是由于农药种类 不够多或者技术水平含量低。由此引起的环境污染问题也不断增多，已经成为农业可 持续发展中要解决的重大f o 题之一，其中以农药引起的土壤污染问题最为严重，并已 引起人们的注意。如何解决由农药引起的环境污染问题，已成为当今人类面临并亟待 解决的重大问题之一。 农药包括杀虫剂、杀菌剂、除草剂、生物调节剂等，是人类农业生产中不可缺少 的重要物质。全世界有5 0 ，0 0 0 种真菌，能引起l5 0 0 种病害，有3 0 0 0 种杂草，其中l 8 0 0 种可影响农作物收成，有1 0 ，0 0 0 种昆虫能引起各种危害，使用农药可挽回1 5 的收 成。美国是世界上使用农药量最大的国家，我国则居第二位【”】。 从不使用农药的自然农业发展到使用农药的现代农业，农药做出了积极的贡献。 有关调查资料表明，如果农业生产上不使用杀虫j f g ，而用非化学防治方法来代替，估 计由害虫引起的作物损失还要增加5 。如果限制使用除草剂，作物损失将增加l 。 据美国1 9 8 4 年估计，不使用农药，作物损失达1 0 0 亿美元，使用农药的费用大约是2 5 亿 美元，即农药投入l 美元，可回收4 美元。若不使用农药，农作物的收成及家畜生产减 少3 0 ，农副产品价格至少要上升5 0 一7 0 。显而易见，农药使用给人们带来了巨大 的效益，为人类的生存做出了重大贡献。 我国粮食作物由于使用了化学农药，每年挽回的粮食损失占总产量的7 左右，以 1 9 6 7 年粮食总产量4 0 1 9 亿千克计算，其中2 8 1 亿千克是农药的贡献。据联合国估计， 贬、非、拉国家如果不使用农药防治棉花害虫，棉花将损失5 0 。而据我国统计资 料，使用农药挽回棉花损失约占总产量的1 8 。以1 9 8 7 年产量4 0 8 力吨计算，挽回棉花 损失7 3 万吨。同样，对于我国这样一个人口众多、耕地紧张的大国，农药在缓解人口 与粮食的矛盾中发挥了极其重要的作用。我国是一个具有1 3 亿人口的农业大国，并且 每年的人口增长为15 0 0 万。而目前我国耕地面积为1 4 3 亿亩，播种面积2 2 亿亩，我国 耕地面积还在同趋减少。因此人均耕地面积也只益减少。1 9 5 3 年我国人均耕地面积 为2 8 亩，至1 1 2 0 世纪7 0 年代为1 5 亩，目前仅为1 2 亩，估计至l j 2 0 1 0 年，人均耕地面积可 减少n o 7 亩。由此可见，要解决中国的粮食问题，主要靠提高单位面积产量。这除了 进一步改进栽培技术、改良品种以外，使用农药自然是一个主要的手段。总之，在当 今世界必须发展农业，而发展农业则更离不丌农药的情况下，可以预见。农药将会得 到更大的发展。 第一章文献综述 1 2 农药残留与环境污染问题 我国农田土壤的农药污染现象十分严重，其主要原因是由于在我国农药品种结构 中具有高毒和“三致性”的杀虫剂占全部农药的4 0 以上，尤其在不少国家已禁用 或限用的甲胺磷竞占我国农药产量的2 0 p l ，另一方面，由于农药使用者缺乏农药知 识和用药技术，长期、大量、不合理地使用、甚至滥用农药。据统计，我国施用农药 面积在2 8 亿h m 2 上，每年用量5 0 - 6 0 万t ，全国平均用量为2 3 4 k g h m 2 这些施用的 农药，有5 0 一6 0 残留于土壤，有l o 一2 0 依附于植物，目前，我国约有8 7 1 0 7 万h m 2 的农田土壤受到农药污染，种植在农药污染的土壤上的作物从土壤中吸收累积农 药，不但影响植物的j 下常生长发育，而且还会在植物体内残留，造成危害和经济损 失。另外，农田施用的农药还会随雨水或灌溉水向水体转移，目前在地表水域中，基 本上找不到一块未受农药污染的水体了，既使在南北极的水域中也有农药残留。在我 国江苏、江西以及河北等地的地下水中也有六六六、阿特拉律、乙草胺、杀虫双等农 药的娃留，农药污染已成为我国影响范围最大的一种有机污染【4 j 。 有些化学农药性质相当稳定，不易分解失效，能长时间地残留在土壤和植物体 内，即残效期较长，如有机氯农药就是如此。据有关材斟分析，d d t 在土壤中降解9 5 所需时间长达4 3 0 年；六六六为3 2 0 年；狄氏剂为5 - 2 5 年。这些农药如残留在茎叶、 种子、果实内，通过食物链可造成人、膏的馒性中毒。 环境所面l 躏的问题是：农药的利用率极低，施用农药时，只有1 0 旆在作物上， 其余9 0 或直接洒落在土壤和水体中，或通过农作物落叶、降雨而进入土壤，有些农 药难于降解长期存在于土壤中。农药可通过食物链进入人体。农药通过挥发、扩 散、迁移、吸附和降解，残留羹逐步降低。但由于各种农药的化学稳定性、土壤的组 成、有机质和矿物质含量、酸碱度、氧化还原电位、湿度和温度的干差万别，各种农 药在土壤中的残留量也就不同。 1 2 1 农药造成土壤污染 农药对土壤的污染是指人类向土壤环境中投入或排入超过其自净能力的农药。而 导致壤环境质量降低，以至影响土壤生产力和危害环境生物安全的现象【5 l 。 施用农药时约有一半药剂下落在土壤中而且在土壤中残留时间很长。特别是有 些农药在土壤中的分解产物为苯胺类及其衍生物，或者有的产生n 一亚硝基化合物。例 如敌稗、草桔醚等，在土壤中，尤其是淹水的土壤中容易产生苯胺类物质。这些分解 产物有的是致癌性物质，有的可能进一步衍生为致癌性物质还有的农药本身或其中 含有的杂质具有致畸、致突变作用。总之，农药对土壤的污染与施用农药的理化性 质、农药在土壤环境中的行为及施药地区自然环境条件密切相关。农药的理化性质是 农药对土壤污染的重要因素之一。 1 ，2 2 农药造成大气污染 农药微粒和蒸汽散发空气中，随风飘移，污染全球。世界卫生组织曾报告，伦敦 市上空l t 空气中约含有l op9 d d t ：北极地区的格陵兰，估计在1 5 0 0 万平方公里的水区 罩每年可能沉积2 9 5 t d d t 。进入土壤中的农药，可能通过气体挥发，或随水淋溶在土壤 第一章文献综述 中扩散迁移。洒落在土壤表面的农药经挥发进入大气，其挥发的速率，主要取决于农 药本身的溶解度和蒸汽压，以及土壤的湿度、温度和土壤的结构、孔隙、质地等。沙 壤、水份少和有机质少的土壤中农药较易向大气中挥发。农药的挥发造成了大气的污 染。 1 2 3 农药污染对生物的影响 土壤生物是土壤有机无机复合体的重要组成部分，它们是土壤中生理、生化等各 种反应的参与者和推动者。但是，农药的大面积使用，必将对土壤生物的生存、生 长、繁殖产生种种不利影响，导致土壤生态系统的变化，因此，研究农药对土壤生物 的毒性，是评价农药对生态环境安全的一个重要指标。 生物测定l6 】：是利用生物体如昆虫，动物，细菌，组织细胞，植物等对被检物质如 细菌，真菌，病毒等产生的生物反应，根据反应类型与强度，测定出该物质生物活性 大小的一种方法：生物测定也是应用引起生物体发生反应的方法和测定物质或某一处 理的功能及内在组成的实验方法。生物体对某种物质的作用会发生一定的反应，丽这 种反应是多种多样的，生物体反应的类型大致可分为三类： ( 1 ) 质反应是一种定型反应，生物对作用物是否表现反应，不涉及数量上的差别，质量 上指标只有正反应( 阳性) 和负反应( 阴性) 之分，即反应出现或不出现。 ( 2 )最反应是观察每一反应本身所表现的强度，用数量表示。 ( 3 )时反应也可以说是量反应的一种类型，是指发生某种生物反应所需要的时间 和持续多久。 生物测定是生命现象中特有的计量方式，从现象观察到逻辑推理，畿计分析，有 自身的规律和要求。下面介绍生物农药的生物测定中，常用的计量及含义： ( 1 ) 死亡率( m o r f a l i t y ) 生物农药引起害虫死亡的百分数称死亡率；此死亡率用空自对 照的死亡率校正后，称校正死亡率 ( 2 ) 半致死剂量( l d 5 0 ，5 0 l e t h a ld o s e ) 引起供试昆虫或实验动物5 0 的死亡率所需 的试样剂量 ( 3 ) 半致死浓度( l c s o ，5 0 * 0l e t h a lc o n c e r t t r a t i o n ) 引起供试昆虫或实验动物5 0 0 0 的死 亡率所需试样的浓度 ( 4 ) 半数有效剂量( e d s o ，5 0 e f f e c t i v ed o s e ) 引起半数实验动物产生某种反应的所需 试样的剂量，如半数治愈量，半数麻醉量等 ( 5 ) 半致死时间( l t 5 0 ，5 0 l e t h a lt i m e ) 引起半数实验动物死亡所需的时问 ( 6 ) 半数组织培养感染剂量( t c i d s o ，5 0 t i s s u ec u l t u r ei n f e c t i o nd o s e ) 或半数单层细 胞出现细胞病变量( t c d 5 0 )指引起半数组织培养细胞出现感染病变的试样的剂 量 生物农药用于病虫杂草的防治，其效果主要看防治对象被毒杀死，抑制生长的程 度，因此生物测定中选择的观察指标，总的说来比较简单，l c 5 0 、l d 5 0 、e d 5 0 、l t 5 0 等的测定是经常使用的计量方法。昆虫身体较小，每个体接受的药荆剂量往往难以核 查准确，故多采用l c 5 0 。 第一章文献综述 1 3 农药污染土壤的修复 土壤污染作为一个制约人类社会可持续发展的基本问题j 下受到同益广泛的关注， 污染土壤的修复治理已成为大家十分关心的问题。随着工农业生产的发展和乡村的城 市化，土壤污染迅速蔓延，污染程度也逐渐加深。由于受自然及人为等因素的影响， 土壤中化学物质的积聚有些已超出了土壤的承受能力，对作物生长及人畜健康产生了 危害；有些虽目前尚未表现出危害，但当气候、土壤及人为活动等条件发生改变时， 可能会导致某些化学物质的活化，对环境造成危害。然而，污染土壤修复技术的发展 远远不能适应日益加剧的土壤污染。在这种形势下，污染土壤修复工作有必要进行多 层面的技术深化和技术创新，即在摸清不同地区土壤中各类污染物迁移转化规律的基 础上，把现有的技术经改造后进行最佳组合与综合，或通过技术领域的重大突破来实 现对污染土壤的有效治理【7 l 。 我国现有的l 亿公顷耕地中，近2 0 0 0 万公顷受到不同程度的污染，每年由于土壤污 染造成粮食减产2 5 亿千克。近年来，欧美国家先后投入大量人力物力进行被污染土壤 的修复和治理。荷兰政府在2 0 世纪8 0 年代就投入1 5 亿美元进行土壤修复技术研究和应 用试验德国政府在1 9 9 5 年投资6 0 多亿美元进行土壤修复，美国政府在近期也投k 1 0 0 多亿美元用于土壤修复技术开发研究。污染土壤的修复技术研究已成为当前环境保护 工程科学和技术研究的一个新热点1 8 j 。 目前，已研制出许多较成熟的土壤修复技术，可分为化学修复、物理一化学修 复、生物修复法【9 】。 1 3 1 物理化学修复 土壤气相抽提法( s v e ) 是一种重要的物理一化学修复方法。它是一种通过强制新鲜 空气流经污染区域，将挥发性有机污染物从土壤中解吸至空气流并引至地面上处理的 原位土壤修复技术，该技术被认为是一个“革命性”的修复技术l l 。对于受挥发性有 机农药污染的土壤的净化来说，s v e 是一种有效的方法。在饱和土壤受农药污染的情况 下，可将空气注入地下水，空气上升后使地下水及饱和层土壤中有机农药产生挥发、 解吸及生物降解。然后空气流将携带这些有机组成继续上升至不饱和层土壤，在那单 通过常规的s v e 系统回收。对于s v e 技术中较难处理的“半挥发性有机组成”，可通过电 磁波频率加热( r fh e a t i n g ) ，热量是通过埋人土壤中电极产生，大小与加热频率有 关，土壤温度可达到1 0 0 3 0 0 ，p e a r c e ( 1 9 9 5 ) 研究表明，只要温度到达1 5 0 ”c 以上， r fh e a t i n g 技术就可很好应用于绝大多数土壤。 1 3 2 化学修复 可以认为，化学修复是污染生态修复的技术基础与工艺支撑。相对而言，污染土 壤的化学修复发展较早，也比较成熟。其基本原理是各种污染化学反应、物理化学反 应或生物化学反应的应用及污染过程的控制l l ”。 土壤冲洗修复是一种重要的化学修复技术。即在现场利用冲洗液( 水或表面活性物 质和有机溶剂) 将污染物从土壤中嚣换出来的技术，一般做法是将冲洗液渗入或注入至 土壤污染区，使之携带农药达到地下水，然后用泵抽取含有农药的地下水送到污水厂 第一章文献综述 进行处理，但是当土壤渗透系数很低时( k k ，式( 2 ) 近似零级动力学，当c 0 ( 7 ) k = 一k 2 0 ( 9 ) k 2 = 一五+ k 2 。 3 时。死亡率接近1 0 0 当d l 时，死亡率为1 5 8 7 当d 一2 时，死亡率为2 2 7 当d 一3 时，死亡率接近0 为了消去标准正态离差的负号，将其值一律加5 ，称为概率单位，即； y ：5 + 兰羔 ( 2 ) 1 7 _ = d ( 3 ) d 式中：y 概率单位 死亡率为5 0 时概率单位为5 ，余次类推。从表2 - 1 百分率一概率单位换算表，可 以任一死亡率换算为相应的概率单位，经过此换算，剂量对数与概率单位( 即表示死 亡率) ，已不是s 状曲线( a ) 而成为直线关系( b ) 。如下图： 卜 7 - 6 - - f i - - 卜 2 - - 0 剂量黻t l 璺i2 - 6 剂域对数与氍率单位( 从北亡自分率换掉) 的戈系 f i g 2 - 6 t h ec u m o