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不同植物对土壤中敌草隆降解的影响及其差异性分析 摘要 为了探讨植物修复在农药污染土壤中的可能性，本文以黑麦草 ( 三。砌优m “哟，铭ml 锄) 、苦荬菜犯船r 豇s d 玎如咖砌h a n c e ) 、绿豆( 圪印口 阳讹纪w i l c z e k ) 为材料，通过盆栽试验和培养试验研究了三种植物对敌 草隆降解的影响及其影响因素。主要研究结果如下： 1 、在含1 2m g 埏敌草隆的土壤上种植黑麦草、苦荬菜、绿豆3 0 - 6 0 d 后，土壤中的敌草隆残留量降低了3 0 5 6 7 2 2 1 ，且种植绿豆后敌草 隆降解效果好于种植黑麦草的效果，而种植苦荬菜的效果低于其他植物 的效果。 2 、种植植物3 0 6 0d 后土壤微生物数量和微生物生物量碳均显著高 于对照( p o 0 5 ) 。种植绿豆后土壤细菌、真菌和放线菌微生物数量最多， 种植黑麦草的次之，种植苦荬菜的土壤微生物数量最少。 3 、在土壤中加入1 2m g 埏敌草隆1 5d 后，根际土壤中敌草隆的残 留量显著低于土体的残留量( p o 0 5 ) ，并且，随着培养时间的推迟根际 土壤中敌草隆的残留量不断减少而土壤微生物数量有增加的趋势。敌草 隆在绿豆根际土壤中的残留量最少，黑麦草的次之、苦荬菜的最高。灭 菌后根际土壤中敌草隆的残留量大幅度增加。在敌草隆降解过程中，敌 草隆残留量与根际微生物数量的对数呈极显著负相关( p o 0 1 ) 。 4 、在含1m 刚吗敌草隆的土壤中加入根系分泌物1 5d 后，土壤中敌 草隆的残留量显著低于对照。根系分泌物对土壤中敌草隆降解的影响与 分泌物的组成有关。绿豆根系分泌物中的水溶性氮化合物和碳水化合物 丰富、c n 较低，加入到含敌草隆的土壤中后，土壤微生物大量繁殖， 使敌草隆的残留量显著低于其他植物的残留量。相反，苦荬菜分泌的碳 水化合物和水溶性含氮化合物较少，分泌物对土壤微生物活动及敌草隆 降解的作用较弱。 5 、虽然自然阳光照射条件下敌草隆的草酸铁能加快敌草隆的降解， 但是，在黑暗条件下在草酸铁溶液中敌草隆没有发生明显的降解。 关键词：敌草隆降解根际微生物效应根系分泌物 h e x p l a n a t i o nf o rt h ed i f f e r e n c ei nt h ee f f e c t so fp l a n t i n g d i f f e r e n tc r o p so nd e g r a d a t i o no fd i u r o ni ns o i l s 吼d i n g - h e ( c o l l e g eo fa g r i c u l t u r e ，g u a n g x iu - n i v e r s i 劬n a i l i l m g5 3o 0 0 4 ，c h i n a ) a b s t r a c t t oe x p l o r ep h y t o r e m e d i a t i o np o t e n t i a l 毋o fs o i l sp 0 1 l u t e db yh e r b i c i d e ， 搿e g r a s s ( l d j f “m 聊础加删7 ，zl 锄) ，l x e r i s 括s d 胛幽咖砌h a n c e ) a i l d m d n g b e a n ( 圪口砒勉w i l c z e k ) w e r e u s e df o ri n v e s t i g a t i n gt h ee 虢c t so f p l a n t a t i o no f l e s ec r o p so nt h ed e g r a d a t i o no fd i u r o nb yp o te x p e r i m e m m e t h o da 1 1 di n c u b a t i d ne x p e r i m e n tm e t h o dj t h em a i nr e s u h sw e r e7 弱 f o l l o w e d ： 1 ：a r e rc u l t i v a t i o no ft h e s ep l a m si ns o i l sc o n t a i n e d1 2m g 培d i u r o n 矗”3 0 一6 0d a y s ，t h er e s i d u eo fd i u r o nr e d u c e db y3 0 5 6 一7 2 2 1 m o r e o v e r m ee f f e c to fp l 锄t i n gm u n g b e a no nd e 铲a d a t i o no fd i u r o nw a sm o r e s i g i l i f i c a n t l y t h a nt h a tm 巧e 黟a s s ，、h i l et h ee 髓c ti n 1 x e r i sw a sn o t s i g i l i f i c a n t l ya si n 拶e g r a s sa n dm u i l g b e a n 2 a r e rp l a n t i n g 氨3 o 一6 0d a y s ，t h ea m o u n to f b o t hm i c r o o 玛a n i s ma l l d m i c r o b i a lb i o m a s scw e r eh i g h e rt h a nt h a ti nc o n t r o ls o i ln o t a b l y ( p o 0 5 ) 1 1 1 ep o p u l a t i o no fm i c r o o 玛a n i s m sw a st h em o s ti i lm u n 曲e a l lp l a n t i n gs o i l ， n e x ti n 巧e 铲a s sp l a n t i n gs o i l ，a n dt h el e a s ti nl x e r i sp l a n t i n gs o i l 3 a r e rt l l ea d d i t i o no f1 - 2 m 埏d i u r o nt om es o i l sf o r1 5d a y s ，t h e i r e s i d u e so fd i u r o nm r h i z o s p h e r es o i lw e r ea nl e s st h a nt l l a t i i lb u l ks o i l n o t a b l y ( p 北方的格局，南北差距较为显著，平均残留 水平南方相当于北方的3 3 倍。南方地区菜地中残留量尤其高于农田。自2 0 世纪中 叶以来，除草剂的发展非常迅速。到2 0 世纪7 0 年代，全世界除草剂的销售额已超过 杀虫剂而居各类农药的首位。据调查统计( 王韧，2 0 0 6 ) ，上世纪8 0 年代全世界除草 剂销售金额已经达到5 9 5 亿美元，占农药总销售额的4 3 3 。而且这一比例近年来 仍然在不断攀升。目前在许多国家大部分耕地都已使用除草剂，化学除草已成为农业 现代化的重要标志。而同时因除草剂造成的土壤、水和大气环境的污染问题越来越广 泛地受到世界各国的重视。 土壤圈位于大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的交换地带，是自然界五大圈的中心 环节，是连接无机界和有机界的枢纽。一方面，土壤是植物、动物、微生物的营养来 源，土壤中的残留的有机有毒污染物无疑会通过各种途径进入生物圈，导致有毒物质 在食物链上发生传递和迁移，严重危害人类健康。研究表明( 谢武明等，2 0 0 4 ) ，即 使有机污染物的浓度不高，但因其高脂溶性而仍极易被脂肪组织吸收并放大，并沿着 食物链不断富集。有机有毒污染物能引发癌症已经是世界科学家们公认的事实，目前 有许多人类癌症与这类污染物有关。而有关统计发现( 雷红涛等，2 0 0 2 ) ，我国许多 地区生产的蔬菜、谷物、水果、茶叶、中草药、肉制品中都检测出农药残留超标，2 0 0 1 年国家质检总局调查全国2 3 个大中城市的数据显示，全国4 7 5 的蔬菜农药残留超标， 仅因农药残留超标被退回的出口农产品金额就达7 4 亿美元。另一方面，随着农药污染 在土壤环境中的累积，往往会导致水和大气的次生污染。有研究发现( 胡枭等，1 9 9 8 ) ， 广西大掌硕士掌位论文不同植物对土壤中敌草隆降解的影响及其差异性分析 土壤中一些污染物可吸附于悬浮物随地表径流迁移造成地表水的污染，一些水溶性的 污染物可随土壤水渗滤到地下水，使地下水也受到污染；此外，许多污染物能够挥发 进入大气，造成大气的污染。因此土壤的农药污染常常成为重要的二次污染源。而对 土壤中农药环境行为的研究也越来越受到社会的广泛关注，成为当前环境领域的研究 热点。 1 2 有机污染物植物修复研究进展 总结国内外近几十年来有关有机农药污染的治理或修复方法，可归纳为化学法、 物理法以及生物修复三种。近年来因生物修复相比化学治理技术具有成本低，环境友 好和可再利用等特点，在国内外受到越来越高的重视。利用活的植物对有机农药污染 土壤的修复是一种被人们认为安全可靠的方法。植物修复的机理包括植物对有机污染 物的吸附、直接吸收、植物根系分泌物、植物一微生物联合作用等。 1 2 1 植物吸附 由于有机污染物亲脂性，它们很难进入植物体内部，因此通常所测得的植物样品 中高有机污染物浓度可能是由作物的表面吸附引起的。s c h 、v a b 等( 1 9 9 4 ) 的研究证 明，萘能被吸附到紫花苜蓿和羊茅的成熟根上。r e i l l e y 等( 1 9 9 6 ) 也认为有机污染 物在植物根上吸附显著。污染物吸附在生物活性较强的根表面对增加其转化可能有一 定意义。 1 2 2 植物直接吸收 植物可直接吸收土壤中的有机污染物。进入植物体内的有机污染物会在植物根部 富集或迁移到植物其它部分，而本身形态、性质没有发生变化，这称为植物提取。研 究发现( j o n e s ，1 9 9 1 ) ，环境中大多数含氯溶剂和短链的脂肪化合物都是通过这一途径 去除的。土壤环境中微量的除草剂阿特拉津也可被植物直接吸收( 宁春燕等，2 0 0 1 ) 。 被吸收的有机污染物大部分暂时储存在植物组织中，植物可将其分解，并通过木质化 作用使其成为植物体的组成成分，也可通过挥发、代谢或矿化作用使其转化成二氧化 碳和水，但只有很少的一部分被完全降解、矿化成水和二氧化碳。 2 广西大掌硕士学位论文不同植物对土壤中敌草隆降解的影响及其差异性分析 1 2 3 植物一微生物联合作用 植物与根际土壤中微生物相互协作降解有机污染物，这是利用植物修复污染地区 的研究重点所在。大量研究已证明，植物根际具有丰富的微生物群体可以加快降解污 染物。n i c h o l s 等( 1 9 9 7 ) 研究表明植物根际微生物明显比空白土壤中多，这些增加的 微生物能增加环境中的有机物质的降解。r e i l l e y 等( 1 9 9 6 ) 研究了多环芳烃的降解， 发现植物使根际微生物密度增加，多环芳烃的降解增加，r ，雒等( 2 0 0 0 ) 的研究也得 到相同的结论 而到目前为止，植物根系与微生物群落的相互作用、根际微域对植物修复的促进 作用的机理还没有完全清楚。而植物的根系分泌物和根际微域微生物群落的降解作用 被普遍认为是植物修复土壤有机物污染的主要途径。植物根际、植物微生物相互作 用以加速土壤污染物降解的研究是当今世界的活跃领域，也是有机合物土壤修复技术 的一个良好发展方向( 刘惠君等，2 0 0 1 ) 。 1 。3 有机污染物修复的根际效应 1 3 1 根际微域环境研究进展 早在1 9 0 4 年，h i l i n e 就对根际这一概念首先进行了描述：它是指土壤微生物群 体的数量和种类、微生物的活性随着植物根系而发生变化，这种影响所涉及到的土壤 区域称为根际。迄今，根际微生物的研究几乎己有1 0 0 多年的历史。而根际微域环境 的研究仍旧是目前土壤与植物营养学中最活跃和最敏感的研究领域。 根际是植物、土壤和微生物三者之间相互影响较深刻的地区，是土壤微生物活动 的一个特殊生态环境( 张福锁等，1 9 9 2 ) ，根际土壤由于其物理、化学、生物学性质 之间的相互作用、相互制约，如根际p h 变化、根系分泌物将影响微生物的繁殖和养 分的有效性，而根际微生物的代谢作用，又能促进或抑制根的营养吸收和生长，也影 响根际土壤中各种物质的转化。因此根际环境是一个独特的动态的、复杂的微型生态 系统，它是水分、养分、有益与有害微生物、有机与无机污染物进入根系乃至植物的 门户，又是根沉积作用的场所( n y e ，1 9 8 5 ；k e i t h e t a le ta 1 ，1 9 8 6 ；w - a l t o n e t a le ta 1 ，1 9 9 0 ； 朱兆良等，1 9 9 2 ；陈怀满等，1 9 9 6 ；d a u 曲n e y e t a le ta 1 ，1 9 9 8 ：陶澎等，2 0 0 1 ) 。因此 根际环境的研究不仅对探讨土壤微生物植物三者相互作用的理论很有意义，而且也 3 不同植物对土壤中敌草隆降解的影响及其差异性分析 越来越显示出对环境污染修复的重要意义。利用植物根际效应进行污染修复的研究日 益受到人们的关注，并成为生物修复的研究热点之一。本文在此着重介绍根分泌物及 根际微生物两方面的研究现状和进展。 1 3 1 1 根系分泌物 植物在整个生长期间进行着活跃的新陈代谢活动，根系不仅从环境中摄取养分和 水分，同时也不断地向生长介质中分泌大量的低分子有机化合物，如糖类、有机酸、 氨基酸、酚类化合物等。学术界迄今对根分泌物尚无确切的定义。有人认为：根分泌 物就是根系渗出物、分泌物、植物粘液、胶质和裂解物，它们来自于根系的直接分泌 或微生物的作用；也可以是根系健康组织有机物的释放或衰老表面细胞和细胞内含物 的分解( r o v i r ae ta 1 ，1 9 7 9 ；h a l ec ta 1 1 ，1 9 8 l ；“l j e r o t l le t2 l 1 ，1 9 9 0 ) ；另有人认为：根分 泌物就是根系分泌的可溶性物质( i n 鲥dk r a 脏z y k e ta 1 ，1 9 8 4 ) ；也有人根据根分泌物为 根际细菌呼吸提供底物的原理，用根系反硝化过程中产生的n 0 2 量来定义根分泌物 ( h 2 l i l e rs t o l p ，1 9 8 5 ) 。 根分泌物的产生有两条基本途径，即植物生理的代谢途径和非代谢途径。非代谢 途径产生的分泌物，是指不受代谢调控的，主要来自于植物根残体的分解或衰老根表 皮细胞分解及细胞内含物的释放。代谢途径产生的分泌物又可分为初生代谢和次生代 谢产生的分泌物。初生代谢是指由于植物根系生活在植物土壤微生物等界面环境的 特殊微生态系统中，在植物代谢过程中有部分物质以根分泌物形式释放到根际土壤 中，其释放强度与根的生长、细胞膜的选择透性、根系部位及植物品种属性等有关。 植物品种属性不同，其根系分泌强度也不同；植物不同发育时期，根系分泌物的量也 不同。次生代谢是相对初生代谢而言，它的产物不直接参与植物的生长、发育和繁殖， 而是用于不良环境的适应。如在缺磷胁迫条件下，白羽扇豆柠檬酸和油菜有机酸的分 泌量增加( h o m a n de ta 1 ，1 9 8 9 ；“l i e r o t l le ta 1 ，1 9 9 0 ) ，这有利于土壤中难溶性磷化合 物的溶解，从而达到克服或缓解磷素胁迫的目的。 1 3 1 2 根际微生物 植物生长过程中的大部分光合作用产物将被转移到根部( l 弘c h e ta 1 ，1 9 9 0 ) ，并进 而被分泌到根际中，这些分泌物作为微生物的能源和碳源而产生微生物根际效应，通 常情况下，根际微生物不仅数量远高于非根际土壤，而且其代谢活动也比非根际微生 物高( 刘峰等，2 0 0 6 ) 。作为根际微域中最活跃的生物相，根际微生物对土壤环境及 植物的生长有较大影响。微生物可以分解土壤中的有机物，一方面为植物提供n h 4 + 、 4 不同植物对土壤中敌草隆降解的影响及其差异性分析 n 0 3 等无机养料，另一方面可以降解各种污染物质，净化土壤环境。 根际微生物的组成变化与分布取决于根的类型、植物种属、植物年龄以及土壤的 环境物质与能量状况( 张福锁等，1 9 9 2 ) 。在不同植物种类，甚至同一种植物的不同 基因型之间，由于其根系类型、根系分泌物数量和成分的不同，往往造成根际微生物 的数量和结构表现出很大差异。例如棉花黄萎病感病品种其根际线虫数量显著多于抗 病品种，抗病品种根际真菌和放线菌数量又多于感病品种( 李洪连等，1 9 9 8 ) 。胡峰 ( 1 9 9 8 ) 认为小麦根际与非根际细菌、真菌和原生动物数量均为抽穗期最高，线虫则为 成熟期最高，且不同基因型小麦根际效应不同。同时，土壤有机污染物的含量、土壤 p h 等指标也是影响微生物生长繁殖的重要原因。 1 3 2 有机污染物在根际的降解研究 根际生态系统是包括矿物质、有机质、生物种群等组成的多介质体系，具有复杂 的化学和生物性能。在污染物的富集和降解中起重要的作用。g 咖等( 1 9 9 6 ) 总结 根际污染物快速消解的可能机理包括：根系生长改善了土壤理化性状；从整体上增加 微生物种群数量及多样性，或者选择性地富集污染物降解特异菌群；根系分泌物及脱 落物提供污染物代谢降解底物；根部释放酶催化降解有机污染物；加速污染物的腐殖 化进程；提高污染物的土壤吸附、植物吸收及迁移转化能力等。就根际环境中有机污 染物迁移转化而言，目前研究多侧重于证明根际效应能促进土壤有机污染物降解的现 象研究上，对于根际促进有机污染物在整个土壤一植物系统中的迁移转化、物质平衡 等机理研究则还处于起步阶段。己有报道主要以母体化合物的降解或同位素示踪为手 段。目前有许多研究各种持久性难降解物质根际降解情况的例子，如b i n e t 等( 2 0 0 0 ) 曾先后研究过葸、芘等多环芳烃污染物在黑麦草根际的降解。有报道多种作物的根际 都能提高三氯乙烯的降解( n e 砌毗1 9 9 9 ) 。虞云龙等( 2 0 0 2 ) 测定了小麦、棉花、 水稻和玉米根际土壤和非根际土壤中丁草胺的降解特征和降解菌变化动态。结果表 明，种植作物丰富了土壤微生物，根际土壤中丰富的微生物对丁草胺的降解具有显著 的促进作用。根际土壤中丁草胺的降解是非根际土壤的1 6 3 - 2 3 4 倍，相应的半衰期 缩短为非根际土壤的4 2 2 7 2 8 。于颖等( 2 0 0 5 ) 利用塑料根际盒研究了甲胺磷在 黑土和棕壤大豆根际和非根际环境中的降解脱毒行为，结果表明，在大豆根际圈中， 甲胺磷的降解明显加快，尤其是在黑土中。第9d ，根际盒中层黑土和棕壤的农药残 5 广西大掌硕士掌位论文不周植物对土壤中敌】隆降解的影响及其差异性分析。 留分别比无植物对照低8 7 5 和7 6 0 。还有研究表明( l 0 p e ze ta 1 ，1 9 9 9 ) ，对硫磷在 水稻根际中降解2 2 6 时，非根际仅降解5 5 。涕灭威在玉米和豆科根际环境中的 降解速率常数分别是其对照的1 5 2 o 倍( s a b i n ee ta 1 ，2 0 0 0 ) 。d r a k e f o r d 等( 2 0 0 3 ) 研究 表明除草剂异恶酰草胺在种植植物的土壤中的降解半衰期为7d ，降解速率远高于未 种植作物土壤和灭菌土。关于植物微生物互作增强农药在植物根际微生物降解的作 用机制，当前的研究认为可能有以下几种： ( 1 ) 植物根际因富含大量的碳水化合物、氨基酸、维生素等多种营养物或者衰老 死亡根毛细胞刺激微生物在根际土壤中生长，根际土壤与非根际土壤相比，微生物种 群可提高到2 3 数量级，微生物活性也相应增强，从而加速污染物质在根围的降解 ( b o l l a ge ta 1 ，1 9 9 4 ；h 0 1 d e ne ta 1 ，1 9 9 7 ) 。 ( 2 ) 改善污染土壤的物理和化学性质。由于植物的呼吸作用、蒸腾作用、分泌作 用，根际土壤中的p h 值与非根围土壤有一定差异。氧气浓度、渗透性、氧化还原电 势和湿度也都因种植作用受到影响( s e l m o o re ta 1 ，1 9 9 5 ) 。在蒸腾作用过程中，污染 物随着水分向根际移动，而且植物可以减缓污染物的径流，提高其在土壤中的持留时 间，加大污染物与微生物接触的机会，因此污染物消失变快( m e r s i ee ta 1 ，1 9 9 9 ； s t o e e k e le ta 1 ，1 9 9 7 ) 。 ( 3 ) 分泌一些酸性物质、生物表面活性剂。一些有机化合物并非是由于其自身难 以被降解，而只是疏水性强不被微生物接近，使降解性下降。酸性物质、生物表面活 性剂可充分溶解这些疏水性物质，增加微生物与其接触机会( g l e b ae t 砒，1 9 9 9 ：b a i l l 【s e ta 1 ，1 9 9 5 ) 。此外，生物表面活性剂通常比合成表面活性剂的化学结构更为庞大复杂， 单个分子占有更大的空间，因而临界胶束浓度较低，清除有机污染物效果较好，且生 物表面活性剂更易降解( 朱利中，1 9 9 9 ) 。 h ) 植物根分泌物中含有大量的酚类化合物或其它物质，对污染物降解菌产生化 感作用，诱导微生物向根移动使之富集，增加根际降解性微生物的数量，或者降解菌 以酚类物质作为共代谢底物矿化污染物，因此植物根际微生物能加速降解污染物的降 解( g i l b e r te ta 1 ，1 9 9 7 ；g i l b e r tc ta 1 ，1 9 9 8 ；d o m l e l l ye ta 1 ，1 9 9 4 ；s i e i l i a i l oe ta 1 ，2 0 0 r ； s e m e n o ve ta 1 ，1 9 9 9 ) 。植物源诱导物具有与异生物质相似的结构可以加速微生物降 解，来源于自然，不会引起环境问题，引起许多研究者的关注。w 咖c r 等( 1 9 9 7 ) 发现 野豌豆、水稻、黑麦草等作物的残留物能促进伏草隆的降解，但未分离出具体起作用 的化合物。 6 广西大掌硕士掌位论文不同植物对土壤中敌草蔼灌 解的影响及其差异性分析 ( 5 ) 植物根能分泌出漆酶、硝基还原酶、脱卤酶、睛水解酶、过氧化酶等多种酶 攻击污染物分子，或者污染物分子经植物根吸收，在植株体内经过酶系的作用转化成 易降解的物质分泌出体外被微生物所降解( b o 州i 觚e ta 1 ，1 9 9 7 ；舢k o n ae ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 有一类植物源酶脱卤酶，能把有机溶剂三氯乙烯还原成氯原子、二氧化碳和水 ( s c l l l l o o re ta 1 ，1 9 9 5 ) 。 ( 6 ) 与非根际土壤相比，根际土壤中的微生物种群生物量会有所增加，微生物种 群的密度提高使微生物细胞之间接触机会增多，增加水平基因转移发生频率，形成具 有较强能力的降解菌株；或者微生物可能与植物间发生基因转移使植物能降解残留的 有机污染物( 伽e l l ，1 9 9 0 ；d e re ta 1 ，1 9 9 0 ；m e 玛e a ye ta 1 ，1 9 9 0 ；l o r e n ze ta 1 ，1 9 9 4 ； m e l a u se ta 1 ，1 9 9 0 ；1 r o x l e re ta 1 ，1 9 9 7 ；s a 阳玎de ta 1 ，1 9 9 8 ；h o l l o w e le ta 1 ，1 9 9 9 ) 。 这些机制的存在极大地丰富了根际微生物对有机污染物的降解功能及其多样性， 有利于农药等污染物的降解与解毒，利用植物根际效应进行污染修复的研究也日益受 到人们的关注，成为当前生物修复的研究热点之一。 1 4 敌草隆的环境行为 目前，以敌草隆为代表的取代脲类除草剂被广泛应用于玉米、棉花、大豆、甘蔗 等农田以及菠萝、柑桔等果园的杂草防治，同时也普遍用于牧场、河道、公路、公园 和森林防火道的杂草处理。这种大量使用的取代脲类除草剂不仅对许多当茬及后茬敏 感作物如烟草等造成严重药害，而且可通过各种途径进入水环境和食物链，直接危害 人类的健康。2 0 0 5 年，澳大利亚农药和兽药管理局宣布大幅度削减敌草隆的旌药剂 量来缓解环境污染发生的风险。而美国环保总署于2 0 0 6 年8 月再次宣布收到对除草 剂敌草隆制定严格残留限量的申请。因此，了解敌草隆的性质以及它在土壤中的环境 行为，对合理用药，防止作物受害，保护环境和人类健康都是非常必要的。 1 4 1 敌草隆的理化性质 敌草隆( d i u r o n ) 是一种人工合成的化学除草剂，化学名称n ( 3 ，4 二氯苯基) - n ，n7 二甲基脲，分子式c 9 h l o c l 2 n 2 0 ，分子量2 3 3 1 0 ，化学结构式如图1 1 所 示： 7 不同植物对土壤中敌草隆降解的影响及其差异性分析 臂 n h c n ( c h 3 ) 2 图1 1 敌草隆 f i g 1 1d i u r o n 敌草隆纯品为白色结晶固体，熔点：1 5 8 1 5 9 ，沸点：1 8 0 1 9 0 ，相对蒸 气密度( 空气= 1 ) ：8 0 4 ，饱和蒸气压：0 4 1 m p a ( 5 0 ) ，溶解度( 2 5 ) ：水中约3 6 n l ； 对氧化和水解稳定，在常温和中性条件下水解速度可忽略，在升温和酸碱条件下水解 速度有所加快。 1 4 2 敌草隆在土壤中的环境行为 敌草隆在土壤中具有较长的残留期，研究表明( d de ta 1 ，1 9 9 1 ) ，敌草隆在田 间土壤的残留半衰期为9 0d 左右。敌草隆在土壤中的迁移与吸附过程密切相关。敌草 隆作为苯脲类除草剂，属非离子型化合物，所以在水土体系中很难在土壤矿物质的吸 附点上与水分子竞争，因此具有较高的移动性。研究发现，敌草隆的吸附行为与土壤 中的有机质含量有关，其吸附系数有随土壤有机质含量增高而增大的趋势( s p u r l o c ke t a 1 ，1 9 9 4 ) 。因此在有机质含量低的土壤里，敌草隆容易产生淋失渗漏而导致水环境 的污染。2 0 0 5 年欧洲水与废水工业协会称，敌草隆、异丙隆、绿麦隆、莠去津、苯达 松等几种除草剂的有效成分使欧洲5 0 以上的河流受到严重污染，1 0 的地下水受到 影响。在美国加利福尼亚州的地下水中，也普遍检测出敌草隆的成分( t r o i a n oe t2 l 1 ， 2 0 0 1 ；h e s se ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 微生物降解在敌草隆在土壤中降解过程中起着非常重要的作用，目前被认为是自 然环境中敌草隆降解的主要途径。b o g 鲫吣等( 2 0 0 0 ) 通过连续流动培养，从土壤中 筛选出了能够快速降解敌草隆的球孢白僵菌和葡酒色被孢霉，最快的在接种后第7d ， 便能降解大约5 0 的敌草隆。而j o l l i l 等( 1 9 9 9 ) 培养得到的一种能更快降解敌草隆的 土壤细菌，2 4h 即可降解敌草隆5 0 左右。 8 广西大掌硕士学位论文不同相 物对土壤中敌革隆降解的影响及其差异性分析 1 5 环境中有机污染物的非生物降解 有机污染物在自然界中的降解可分为生物降解与非生物降解两大类，生物降解主 要包括微生物降解、植物吸收代谢以及原生动物代谢等；非生物降解包括光解反应、 氧化还原反应和水解反应等。 其中光降解反应具有速度快、降解彻底等优点，是自然界中有机污染物降解的重 要途径。因而针对有机污染物在自然条件下的光降解研究也成为一个新的热点问题。 目前铁氧化物光催化降解有机污染物已被广泛研究( f ue ta 1 ，2 0 0 4 ) 。c u n i l i n 曲锄等 ( 1 9 8 8 ) 经过实验证明了光照下a f e o o h 表面可产生o h 。雷静等( 2 0 0 5 ) 以 f e o o h 为催化剂，加入草酸构成光化学f e n t o n 体系，研究了这一体系中橙黄i 的光化学 脱色动力学；结果表明，草酸能显著促进橙黄i 的脱色与降解。值得关注的是，铁氧 化物虽然具有一定的光催化活性，但是光催化活性却非常低。研究发现( b o z z ie ta 1 ， 2 0 0 2 ) 自然界中的f e 3 + f e 2 + 光化学氧化还原循环对有机物的氧化还原反应也有着重 要贡献，铁离子或铁氧化物可以与多羟基有机酸配体形成配合物，这种配合物在太阳 光下可以发生一系列复杂的光化学反应，并生成强氧化性自由基，其量子产率显著高 于t i 0 2 多相光催化反应。j e o n g 等( 2 0 0 4 ) 与l e e 等( 2 0 0 3 ) 研究了草酸铁h 2 0 2 盯v 均相系统中有机物的降解过程，发现该均相系统的光利用效率明显高于其它光f e m o n 系统。f 删等( 1 9 9 3 ) 研究表明，f e 3 + 多羧酸络合物( 如柠檬酸、丙二酸、草酸络 合物) 在太阳光下发生的光化学还原反应，是大气水相和地表水中f e 2 + 、0 2 一、o o h 、o h 和h 2 0 2 的重要来源，对于大气中的有机微污染物的氧化还原有着 重要的贡献。z u 0 ( 1 9 9 5 ) 利用f e 3 + 和草酸进行研究发现，f e 3 + 草酸络合物光解生成 的中间产物c 2 0 4 一能与溶解的分子氧反应，生成0 2 _ ，进而与被还原形成的f c 2 + 反应生成o o h 和h 2 0 2 ，所生成的h 2 0 2 和还原产物f e 2 + 形成了类光f e n t o n 反应体系。 在该反应体系中，f e 3 + 和草酸的配比、p h 、溶解氧、光源等条件的变化对反应中络合 物的降解影响很大( w 缸t ee ta 1 ，2 0 0 2 ) 。高甲友( 2 0 0 4 ) 研究发现f e ”草酸配合物与 太阳光所构成的类f e n t o n 体系对氯苯酚的光解降解作用十分明显，但是在无光源存在 的情况下，氯苯酚几乎没有发生降解。 有机污染物在自然环境中的归趋过程一直是环境界研究的重点。光催化和光 f e l l t o n 反应现象作为有机污染物降解的重要途径，在自然界中可能普遍存在。首先铁 是自然界中广泛存在的无毒多价态过渡金属元素之一，地表中存在大量多种形态的结 9 广西大学硕士掌位论文不同植物对土壤中敌草隆降解的影响及其差异性分析 晶态或无定型铁氧化物。因此，在自然界中，大气水相、土壤表层与地表水体中不可 避免地发生铁氧化物光催化氧化降解有机污染物的反应。此外，大量的研究表明自然 界大气水滴、地表水体、土壤中存在一定数量的草酸，特别是植物根系能分泌大量的 草酸等多羟基有机酸。自然界中有机酸来源和途径有多种多样，在逆境条件下，许多 植物可以分泌多种多羟基有机酸( s h e ne ta 1 ，2 0 0 2 ) j 黎晓峰( 2 0 0 2 ) 研究发现，铝能诱 导黑麦的根系分泌柠檬酸和苹果酸，其中柠檬酸的分泌量随着铝处理浓度的增加而增 加。据z h e n g 等( 1 9 9 8 ) 研究表明，荞麦在砧毒胁迫下根系能够迅速分泌大量的草 酸。在缺磷的条件下，白羽扇豆可分泌大量的柠檬酸( 张福锁，1 9 9 8 ) 。此外，有机 物不完全燃烧、臭氧氧化分解和烃类在大气气相和水相的光氧化也能产生有机酸( 邓 南圣等，2 0 0 3 ) 。更重要的是，这些铁离子或铁氧化物与多羟基有机酸配体形成的配 合物和活性氧物质与有机微污染物共存于大气、水体与土壤中，它们可以作为自然界 中用于有机污染控制的重要物质之一( s c h o o n e ne ta 1 ，1 9 9 8 ) 。 1 6 本研究的内容和意义 本课题针对当前我国土壤遭受广泛的有机除草剂污染问题，结合国际环境科学中 有机污染物修复的研究热点，以敌草隆为模型化合物，考察种植绿豆、黑麦草、苦荬 菜对土壤中敌草隆降解的作用，研究不同植物根际中敌草隆的降解规律和微生物指标 的动态变化，探讨根系分泌物以及根际不同微生物种群的数量变化与敌草隆降解的关 系，并初步研究了敌草隆在草酸铁等均相体系中的光化学和暗化学降解，研究结果 不仅将有助于理解植物微生物土壤三者互作对有机污染物降解的影响以及内在机 制，而且有助于揭示有机污染物在土壤中的环境行为，为修复土壤生态环境提供科学 依据。 1 0 不同植物对土壤中敌革隆降解的影响及其差异性分析 2 材料与方法 2 1 敌草隆降解的盆栽试验 2 1 1 土壤制备 供试土壤系采集自广西大学农学院农场的耕层( o 一2 0c m ) 水稻土。经自然风干， 去除石块和植物残体等杂物，捣碎后全部过2m m 筛备用。取一部分土壤平铺到塑料 薄膜上，将敌草隆的甲醇溶液用喷雾器均匀喷洒到土壤中，边喷洒边翻动，待甲醇挥 发后再加入未污染土壤，不断搅拌混匀，制得土壤敌草隆含量( 以土壤干重计) 分别 为lm g l ( g 和2m g k g 的试验土样。分别称取制备好的污染土样1 2k g ，按n 、p 2 0 5 、k 2 0 分别为o 3 创吨土的用量加入尿素、过磷酸钙、氯化钾，拌匀后装盆。装盆后灌水平 衡过夜后待用。 2 1 2 播种 将黑麦草、绿豆、苦荬菜的种子分别用去离水浸泡过夜，于2 5 恒温黑暗条件 下，在铺有吸水纸的玻璃皿中催芽。各植物种子经催芽后，分别播种于已制备好的敌 草隆含量为1m 眺g 和2m g 瓜g 的土壤中。于出苗7d 后间苗，留苗2 0 株盆。每个处理 设3 个重复。已不种植物的处理为对照。试验在广西大学农业资源与环境实验中心的 温室内进行。 2 1 3 分析项目 待植物生长到第3 0d 、4 5d 、6 0d 时，采集土壤和植株样品，检测土壤和植株中 的敌草隆残留。同时测定土壤微生物的数量和微生物生物量c 以及土壤p h 。将采集回 的植株样品洗净、切碎后装入容器于2 0 下冷冻密封保存待测。所采土样先去除植 物残体等杂物，经风干后，以四分法缩分、粉碎过1i 姗筛。装入容器，附上标签保 存。同时测定土壤p h 、水分含量，用于校正干土残留量。最终检测结果均以土壤干 重计。 广西大掌硕士掌位讫文 不同植物对土壤中敌革隆降解的影响反其差异性分析 2 2 敌草隆降解的培养试验 2 2 1 根际与土体微生物的培养试验 2 2 1 1 土壤制各 供试土壤系采集自广西大学农学院农场的耕层( o 一2 0c m ) 水稻土。经自然风干， 去除石块和植物残体等杂物，捣碎后全部过2i 砌筛备用。分别称取土样1 2 蚝，按n 、 p 2 0 5 、k 2 0 分别为o 3g 蚝土的用量加入尿素、过磷酸钙、氯化钾，拌匀后装盆。其中 2 0 ng 装在3 0 0 目的尼龙网袋中，如下图： 图2 1 根际袋 f i g 2 1d i a g 啪o f t h ed l i z o b a g 檄际袋l 璩i z o 吨 撤际r h i z o s p h e 陀 装盆后灌水平衡待用。将黑麦草、绿豆、苦荬菜的种子分别用去离水浸泡过夜， 于2 5 黑暗条件下，在铺有吸水纸的玻璃皿中催芽。各植物经催芽后，分别播种于 如图1 所示的根际袋中。出苗7d 后间苗，留苗2 0 株袋。试验在广西大学农业资源与环 境实验中心的温室内进行。待植物播种第4 0d 后采集土壤。从根袋取出的即为根际土 壤，离根袋3c m 以外的即为非根际土壤。称取5 0g 根际土( 以土壤干重计) ，添加敌草 隆甲醇母液，于通风橱挥发甲醇至干，搅拌均匀，制得敌草隆含量分别为1m 眺g 和2 m g l ( g ( 以土壤千重计) 的试验土样。 1 2 不同植物对土壤中敌草隆降解的影响及其差异性分析 2 2 1 2 土壤中敌草隆的微生物降解 将3 种植物的根际、土体样品分别放入2 5 0i i 正灭菌三角瓶中，在6 0 的田间持水 量下，于2 5 恒温无菌培养箱中培养，以后每隔3d 以称重法补充灭菌水维持土壤含 水量不变。同时以灭菌土壤作为对照处理，每个处理设3 次重复，分别于第o 、l 、7 、 1 4 、2 1 、2 8 、3 5 、4 9 、6 4d 取样检测敌草隆残留和土壤微生物菌落数。 2 2 2 添加根系分泌物模拟根际培养试验 2 2 2 1 根系分泌物的收集 黑麦草、绿豆、苦荬菜种子经去离子水浸种、催芽、o 5m mc a c l 2 育苗、移栽至 l 5 霍格兰营养液中通气培养，待第2 0d 到第3 5d 之间，植物有足够根量后用去离子水 洗根1h ，连续洗两次后转移至无菌培养杯中收集根系分泌物2 4 小时，连续收集3 次。 合并收集液，4 0 真空旋转蒸发浓缩，以5m l 水溶解，含根系分泌物的培养液经o 2 2 岬的微孔滤膜过滤灭菌，于2 0 冰箱中保存待用。 2 2 2 2 根系分泌物对敌草隆降解的影响试验 称取相当于烘干土重1 0 0 0g 的新鲜土样( 过2 毫米筛) 于玻璃培养皿中，添加用 甲醇配置的敌草隆母液，置于通风橱中不断搅拌混匀，待甲醇挥发至千，制备成含敌 草隆1m g 瓜g 的污染土样，尔后分别添加相当于7 6 8g ( 干重) 根系的分泌物。以等 量的水的处理为对照。每个处理三个重复。调节含水量至最大田间持水量的6 0 ，于2 5 恒温培养箱中培养。每日通过称重法补充损失的水分。于培养1 5d 后，取样分析土 壤中甲醇可提态敌草隆残留量、土壤微生物数量。同时测定添加分泌物后土壤的p h ， 培养前根系分泌物的p h 、可溶性糖和可溶性氮的含量。 2 3 敌草隆的光、暗降解试验 试验设c o n 昀l 、t 1 、眨、t 3 、t 4 、t 5 六个处理。c o n 们l ：水，t l ：草酸+ f e 3 + ， t 2 ：草酸+ f e 2 + ，t 3 ：f e 3 + ，t 4 ：f e 2 + ，t 5 ：草酸。每个处理重复3 次。反应体系中 各成份的初始含量为敌草隆：4m g l ，硫酸铁：m g l ，硫酸亚铁：1 0 m g l ，草酸：1 n 姗。儿，初始p h 为4 o 。反应在1 0m l 密闭的、避光的玻璃比色管中进行，每个小 时摇动比色管一次，分别于第2 、4 、6d 取样测定各处里中敌草隆含量。同时做光照 条件下的对照试验，每天白天接受阳光照射8h 。 不同植物对土壤中敌革隆降解的影响及其差异性分析 2 4 分析方法 2 4 1 敌草隆的测定 2 4 1 1 样品制备 ( 1 ) 土壤样品的制备 称5g 土样置于5 0m l 离心管中，加入3 0m l 甲醇，在超声波仪中提取1 5m i n ，提取 液以5 0 0 0r 触i n 的转速离心l5m i n 后，取出上清液转移至浓缩瓶中，离心管下层土壤 用玻璃棒打散后再次按以上步骤加入甲醇，经超声波提取并离心，反复5 次。最后将 收集到一起的上清液在4 0 水浴中用旋转蒸发仪减压浓缩至干，用1 m l 甲醇( 色谱纯) 溶解，经0 4 5 “m 的微孔滤膜过滤后备用。 ( 2 ) 植株样品的制备 盆栽试验中的采集的植物样品洗净后经组织捣碎机捣碎，在植物组织匀浆机中匀 浆后，称取5g 植株匀浆液置于5 0m l 离心管中，提取、测定植株中的敌草隆残留量， 具体方法同土壤中残留量的测定。 ( 3 ) 水样的制备 光、暗降解试验结束后，直接吸取1 m l 反应溶液，在4 0 水浴中用旋转蒸发仪减 压浓缩至干。最后用l m l 甲醇( 色谱纯) 溶解，经o 4 5 岫的微孔滤膜过滤后备用。 2 4 1 2 敌草隆测定 敌草隆含量采用高效液相色谱法( 赵进英等，2 0 0 4 ) 测定：h p l c ( w a t e r sc o ，u s a ) ， 2 4 8 7 型紫外检测器，h y p e r s i l o d s - c 1 8 不锈钢柱( 2 5 0 4 6i n m ) ，检测波长2 5 4n m ， 柱温3 0 ，流动相为甲醇