（环境工程专业论文）光合细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解.pdf

光台细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解 光合细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解 摘要 农药在农业生产中的重要地位不言而喻，但是由于农药的毒性，带来了诸如 生态破坏、水、土壤、空气的污染。农药使用后必然会产生残留，残留超过一定 限度，则会通过富集作用危害人体健康。很多国家都面l 临由于农残引起的食品安 全问题。迄今，针对水体、土壤中的各种农残污染物的处理，国内外相关领域己 展开了一些研究工作，探讨了各种降解或处理途径，主要有微生物法、光化学法 和物理化学法。生物修复方法具有无毒、无残留、无二次污染等优点，是消除和 解毒高浓度农药残留的一种安全、有效、廉价的方法。光合细菌是地球上最早出 现的一种利用光能在厌氧条件下进行光合作用生长发育的有益微生物，它分布广 泛，除能利用不产氧的光合作用合成自身营养物质外，还在处理污水，加快水质 净化方丽有重要的利用价值。本文通过研究光合细菌对农药废水降解处理的效 果，探讨光合细菌处理农药废水的可行性，进一步扩大光合细菌的应用范围，为 大量农药废水的处理提供一条新的途径。另外通过研究光合细菌增殖培养技术， 在较短时间内获得光合细菌的快速生长，从而能用简便、快速、经济的方法达到 废水处理的目的。 本论文共分七部分，第一章介绍了我国农药污染的现状，农药的分类，以及 常用的处理方法。第二章介绍了有机磷降解微生物的相关内容，包括微生物的种 类、分布、来源、影响降解的因素，以及微生物降解的机制等。第三章为光合细 菌及其应用方面的介绍，主要是光合细菌处理废水的原理和在环境保护中的应 用。第四章为光合细菌增殖培养的实验。研究了p h 值、外加碳源、光照和氧气 对光合细菌生长的影响，并创新地研究了两种动物激素对光合细菌生长的影响。 第五章是光合细菌降解有机磷农药的相关试验。主要包括光合细菌在不同浓度有 机磷农药中的生长情况，光合细菌对有机磷农药营养物质的利用，以及光合细菌 对有机磷农药( 氧化乐果) 的降解三个方面。第六章是固定化光合细菌处理有机 磷农药( 氧化乐果) 的相关试验。在前面研究光合细菌增殖的基础上用固定化材 光合细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解 料包埋激素和光合细菌。第七章为结论与展望。 通过对添加动物激素影响光合细菌生长的研究和光合细菌降解有机磷农 药的研究，主要得到以下结论： 1 光合细菌生长适宜的p h 值为6 - - 9 ，碱性环境对光合细菌的生长有利， 光合细菌对不同物质的碳源利用程度不同。其中葡萄糖效果较好。光合细菌可以 在黑暗厌氧，黑暗好氧，光照厌氧，光照好氧条件下生长，光照条件下的生长较 好，黑暗厌氧条件下生长最差。 2 添加适量动物激素可促进光合细菌的生长，泼尼松、地塞米松的最适添 加浓度都为0 5 m g l ，在光合细菌生长平稳期生长量有1 3 一1 5 的提高，动物 激素和植物激素混和的促生效果要好于单一激素。 3 光合细菌可以在浓度低于1 0 0 0 m g l 的对硫磷、久效磷和氧化乐果中生长。 浓度越大，光合细菌生长受到的抑制作用越大。光合细菌可以利用有机磷农药( 氧 化乐果) 作为生长唯一的的c 源和n 源。 4 光合细菌可以降解一定浓度的氧化乐果，对5 0 0 m g l 的氧化乐果2 4 h 降 解率接近5 0 ，4 d 降解率可达到7 0 - - 8 0 ，对1 0 0 0 m g l 的氧化乐果2 4 h 降解 率达到4 0 。对中间产物0 ，0 ，s 一三甲基硫代磷酸酯亦有很好的降解作用，含 1 0 0 0 m g l 和5 0 0 m g l 氧化乐果其中间产物4 d 后含量降为仞始时的7 6 5 4 和 7 5 0 6 。 5 固定化光合细菌中对氧化乐果的降解较非固定化有了明显的提高。 1 0 0 0 m g l 氧化乐果2 4 h 的降解率由之前的4 0 5 1 提高到6 3 0 2 ，最终可达到 9 0 7 9 。对降解中间产物0 ，0 ，s 一三甲基硫代磷酸酯的降解亦非常明显。固 定化光合细菌中添加激素在促进细菌的生长的同时，亦使氧化乐果和中间产物的 降解效果都有不同程度的提高。 关键词：光合细菌l 有机磷农药l 氧化乐果；动物激素 光合细菌的增照培养及对有机磷农药的降解 s t u d i o so rt h ep r o ii f e r a t i o ro fp h o t o s y n t h e t i c b a c t e rjaa n dit sd e g r a d a tj0 1 3o fo r g a n o p h o s p h a t e p e s t i c i d e s a b s t r a c t p e s t i c i d e sp l a y sa l li m p r o t a n tr o l ei nm o d e ma g r i c u l t u r e a tt h es a m et i m es o m e s e r i o u se c o l o g i c a lp r o b l e m sa l ec a u s e db yp e s t i d d e s ，i n c l u d i n gs o i l p o l l u t i o n ，w a t e r p o l l u t i o na n da i rp o l l u t i o n p e s f i o d e su s e di na g r i c u l t u r ew o u l dp r o d u c er e s i d u e so f p e s t i c i d e s w h e nt h ec o n c e n 口a 垃o ne x c e e d st h ep e r m i s s i v ec o n c e n w a t i o n p e o p l ew i l l s u f f e rf r o md i s a e s e * i n d u c e db yt o x i cs u b s t a n c e s m o s tc o u n t r i e si nt h ew o r l da r e f a c e dw i t ht h e p r o b l e mo ff o o ds a f e t yr e l a t e d t or e m e d i a t i o no f p e c f i d d e s c o n g s e q u e n t l y , r e s e a r c h e so nt h en e wm e t h o d sf o rw a t e ra n ds o i lp u r i f i c a t i o n i s d e v e l o p e di nd i f f e r e n tw a y s ，i n c l u d i n gp h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i c a lt r e a t m e n l t h e a d v a n t a g e s o f b i o l o g i c a l t r e a t m e n ta l e n o n p o i s o n o u s , w i t h n or e s i d u ea n d p o s t - p o l l u t i o n i t sas a f e ，e f f e c t i v e ，l o w p r i c e dm e t h o dt ot h e r e d i d u e so fp a s t i c i d e w i t hh i g hd e n s i t y p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ( p s b ) ，w h i c ha p p e a rf i r s f l yi nt h ee a r t h ，c o u l du t i l i z el i g h t e n e r g yt og r o w t h e r ea l em a n yp r o c e s s e st h a tt r e a t i n go r g a n i cw a s t e w a t e rb yp s bo r i m m o b i l i z e dp s b ，b u tt h e r ea l el i t t l er e s e a r c ha b o u tt h i sp r o c e s st or e m o v ep e s f i d d e s t h i st h e s i sa b o u tt h ed e g r a d a t i o no f p e s t i d eb yp s bi nw a s t ew a t e r t h ef e a s i b i l i t y a n dt h ee f f e c t i o no ft r e a t m e n ta r ed i s c u s s e d t i f f st h e s i sc o n s i s t so f7 c h a p t e r s t h ef i r s t c h a p t e ri sa ni i l n d d u c t i o nt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o no fp o l l u t i o ni n d u c e db yp e s t i o d e si n o t f fc o u n t r y , t h ec l a s s i f i c a t i o no f p e s t i c i d e ，a n dc o m m o n l yu s e dd e g r a d a t i o nm e t h o d s ； c h a p t e rt w oi sa b o u to r g a n o p h o s p h a t e s ( o p s ) d e g r a d i n gm i c r o o r g a n i s m , i n c l u d i n gt h e k i n d , d i s t r i b u t i o n ，s o u r c eo fm i c r o o r g a n i s m , i n f l u e n c ef a c t o rt od e g r a d a t i o n , a n d m e c h a n i s mo fb i o d e g r a d a t i o n ；t h ei n t r o d u c t i o no fp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i u ma n d a p p t i e a t i o n ，m a i n l yt h ep r i n c i p l eo fd e a l i n gw i t hw a s t ew a t e ra n da p p l i c a t i o ni n e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na l ei n m x l u c e di nc h a p t e rt h r e e ；t h er e s e a r c ho fp s b 、s 1 1 1 光合细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解 m u l t i p l i c a t i o ni si n t e r p r e t e di nc h a p t e rf o u r , i nw h i c ht h et e c h n o l o g i c a lm e a n st o m u l t i p l yp s ba r ed i s c u s s e d a n dt h ei n f l u e n c eo fp h ，e x t r ac a r b o n8 0 u l c e ，i l l u m i n a t i o n a n do x y g e n ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft w oa n i m a lh o r m o n ea l es t u d i e d ；c h a p t e rf i v ei s c o n c e r n e dt ot h e d e g r a d a t i o n o f o r g a n o p h o s p h o r u s p e s t i c i d e ，i n c l u d i n g o r g a n o p h o s p h a t e s i n f l u e n c et o p s b ，t h e u t i l i z a t i o no f a l i m e n t a t i o n i n o r g a n o p h o s p h o r u sp e s t i c i d e ，a n dt h ed e g r a d a t i o no fo r g a n o p h o s p h o r u sp e s t i c i d eb y p s b ；t h ed e g r a d a t i o no fo p sb yi m m o b i l i z e dp s bm a k e sc h a p t e rs i x a n dt h el a s t c h a p t e r i st h ec o n c l u s i o na n dt h ep r o b l e mn e e dt ob es o l v e d t h r o u g ht h es t u d yo fo r g a n o p h o s p h a r e s d e g r a d a t i o nb yp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ，s o m e c o n c l u s i o n sc a l lb en l a d ea sf o l l o w s ： i t h ep r o p e rp ht h a tp s bc o u l dg r o wi ni s6 - 9 ，a n da l k a l e s c e n te n v i r o n m e n ti s h e l p f u lt op s b sg r o w t h p s bc o u l du s ei f f e r e n tm a t t e ra sn i t r o g e nr e s o u r c e ，a n d d e x t r o s ei sm u c hm o r eb e t t e rt h a na c e t a t e p s bc o u l dg r o wi nd a r ko r l i g h t ， 2 a d d i n gc e r t a i na m o u n to fa n i m a lh o r m o n ei n t ot h em e d i u ms e p a r a t e l y , t h e g r o w t ho fp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i ac a nb ep r o m o t e d t h ea p p r o p r i a t ec o n c e n t r a t i o no f c b l c o n i n 、d e x a m e t h a s o n ei s 0 5 m g l t h ea n i m a lh o r m o n ec o u l dp r o m o t ep s b 、s g r o w t ht o1 3 一1 5 c b l c o n i ni sm o r ee f f e c t i v e ，a n dt h em i x e dh o r m o n e si sm o r e e f f e c t i v et h a ns i n g l eh o r m o n e 3 p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a0 2 a - ig r o wi np a r a t h i o n m e t h a m i d o p h o sa n do m e t h o a t e b e l o w10 0 0 m e d l t h el e s st h e p e s t i c i d e s t h e r ei s 。t h eb e u e rt h e p s b g r o w s p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i ac a nu s eo m e t h o a t ea ss o l ec a r b o na n dn i 廿o g es o u r c e s 4 i n2 4h o u r sa b o u t5 0 o m e t h o a t e ( 5 0 0 m e r l e ) w a sd e g r a d e d ，a n da b o u t4 0 o m e t h o a t e ( 1 0 0 0 m e l ) w a sd e g r a d e d ，t h ed e g r a d a t i o nc a t t l et o7 0 8 0 a f t e r4d a y s a t t h es a m et i m e ，t h ep h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i aw a sa b l et od e g r a d e0 , 0 s t r i m e t h y l p h o s p h o r o t h i o a t e ，w h i c hw a st h em a i ni n t e r m e d i a t ep r o d u c ti nt h ed e g r a d a t i o no f o m e t h o a t e 5 t h ed e g r a d a t i o no fo m e t h o a t eb yi m m o b i l i z e dp s bi sm o r ee f f e c t i v e t h e d e g r a d a t i o nl a t ew a s6 3 0 2 a f t e r2 4h o u r s ，w h i c hc a m et o9 0 7 9 f i n a l l y a n dp s b w a sa b l et od e g r a d e0 , o ，s t r i m e t h y lp h o s p h o r o t h i o a t e ，t h em a i ni n t e r m e d i a t ep r o d u c t i nt h ed e g r a d a t i o no fm e t h o a t e a d d i n gc e r t a i na m o u n to fa n i m a lh o r m o n ec o u l d i v 光合细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解 p r o m o t et h eg r o w t ho fp s ba n dt h ed e g r a d a t i o no fo m e t h o a t e k e yw o r d s ：p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ( p s b ) ；o r g a n o p h o s p h a t e sp e s t i c i d e s ； o m e t h o a t e ；a n i m a lh o r m o n e v 独创声明 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及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得( 洼；翅趁查墓丝盂要挂剔主明 数：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。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谢意。 学位够作者签名：店辱签字魄旆月伽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 痞昏 签字日期：船6 月阳 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：刁k 手 通讯地址： 翩签字多，飘眨 签字日期砂矿6 年6 月，。日 电话； 邮编： 光合细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解 1 有机磷农药 1 1 前言 农药( p e s t i c i d e ) ，是指用来防止危害农作物( 包括树木和农林水产物) 的 病原菌、病毒、线虫、螨、昆虫、鼠及其他动植物的杀虫剂、杀病毒剂、杀线虫 剂、杀螨剂、杀鼠剂、除草剂、杀软体动物剂和其他药剂，以及用来促进或抑制 植物等的生理功能的植物生长调节剂和干扰昆虫生理作用的昆虫生长调节剂“1 。 据统计，全世界的有害昆虫、杂草、植物病原微生物使全世界农作物产量每 年平均损失约3 5 ，其中因虫害损失1 4 ，草害损失1 1 ，病害损失1 0 ，收 获进库后到消费前还要损失1 0 一2 0 。 中国的1 2 亿人口年需粮食4 0 0 0 多亿公斤，现有耕地面积0 9 5 亿公顷，播 种面积1 4 7 亿公顷。目前，中国病虫害发生面积约2 亿公顷次年，化学防治面 积已达2 6 7 多亿公顷次，年需农药2 0 多万吨。据农业部门统计，1 9 9 5 年通过 化学防治，挽回粮食损失5 4 0 0 万吨，棉花1 6 0 万吨，油料1 5 0 万吨，蔬菜1 6 0 0 万吨，果品5 0 0 万吨，减少直接经济损失6 0 0 亿元，农药的投入、产出比为1 ： ( 8 1 6 ) “1 。中国以占世界7 的耕地，养活了占世界2 2 的人口，农药工业 在国民经济中的作用是巨大的。 农药还广泛应用于卫生防疫和其他领域，如杀蚊蝇鼠，用于工业产品和图书、 服装、木材的防虫、防霉、防腐，建筑物的防蚁，公路、铁路、草坪和工业场地 的除草，城市绿化树木，花卉和公园的防虫、灭病和除草等。 以我国目前的科技水平，到下个世纪化学农药仍是不可代替的，尤其是数量 占化学农药7 0 的有机磷农药。农药在国民经济中已占有重要地位，并成为重 要的化工行业之一。 1 2 有机磷农药生产现状 自二十世纪三十年代，德国s c h r a d vg 首先发现有机磷杀虫剂后，已经历了 六十余年的历史。有机磷农药以其品种多，药效高；防治对象多，应用范围广； 作用方式多，药害轻；在环境中降解快、残毒低等特点在杀虫剂中占据了相当重 光合细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解 龟 要的地位，至今仍是世界上生产和使用最多的农药品种，近年仍有一些新品种投 放市场。 目前，世界上有机磷品种己达上百种。从销售额看，近年来一直维持在3 0 亿美元以上，居各类农药之首。其占杀虫剂比例也一直保持在3 5 以上，如再 加上有机磷除草剂( 如草甘膦、草胺膦等) ，则更为引人注目。可见，有机磷农 药在世界农药中具有举足轻重的地位。 我国自1 9 8 2 年“六六六”“d d t ”相继停产、限用、禁用后，有机磷农药的 比重就更为突出。据1 9 9 7 年化工部门统计，全国生产化学农药3 5 7 万吨，其中 有机磷农药2 0 万吨左右，约占全部农药的5 7 。而有机磷杀虫剂约为1 7 万吨， 约占全部农药的5 0 左右，占杀虫剂7 0 以上。其中六个高毒品种( 甲胺磷、 敌敌畏、甲基对硫磷、对硫磷、氧乐果、久效磷) 产量占6 8 5 2 1 。 据1 9 9 9 年化工部门统计，全国生产化学农药4 2 3 5 万吨，其中杀虫剂2 8 5 万吨，占6 7 3 。年生产能力在万吨的化学农药品种共1 5 个，含有机磷农药品 种1 0 个，即敌百虫、敌敌畏、乐果、氧乐果、甲基对硫磷、对硫磷、甲胺磷、 辛硫磷、水胺硫磷、草甘膦。 由上面两组数据可看出，我国农药工业突出的问题是产品结构不合理，老 品种多，新品种少，高附加值品种少，低附加值品种多。农药界人士常用三个 7 0 来形象的说明这种现象，即杀虫剂占农药总产量的7 0 ；在杀虫剂产量中， 有机磷杀虫剂占7 0 ；在有机磷杀虫剂中，高毒品种占7 0 。 表1 1 农业生产中常用有机磷农药种类简表“叫 类型有机磷农药品种 敌百虫、甲胺磷、敌敌畏、乙酰甲胺磷、甲基对硫磷、久效磷、 杀虫剂辛硫磷、对硫磷、双硫磷、乐果、氧乐果、水胺硫磷、杀螟硫 磷、喹硫磷。毒死蜱等 除草剂莎稗磷、草甘膦等 杀菌剂稻瘟净、异稻瘟净、甲基立枯磷、乙磷铝等 1 3 有机磷农药的环境问题 据2 0 0 0 年中国环境现状公报中的数据表明，我国有机磷农药使用量约为 7 8 8 9 万t a r 3 1 。大量有机磷农药的使用，在杀灭病害，促进农作物生长的同时， 2 光合细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解 也带来了严重的环境问题。 1 9 8 3 年有机氯农药被禁止使用后，有机磷农药由于其半衰期一般在几周至 几个月，被认为是在环境中降解快，残留期短而发展很快。但后来的研究发现， 这些所谓的非持久性农药在某些环境条件下也会有较长的残留期，并在动物体内 产生蓄积作用。有机磷农药的毒性除受农药自身性质影响外，制剂中的某些毒性 物质，代谢过程中的中间体及降解产物也会使农药的毒性大增。如乙基对硫磷属 高毒化学农药，在光照条件下易发生光氧化反应，生成毒性更大的对氧磷，在短 期内使乙基对硫磷的毒性大大增加。低毒有机磷品种辛硫磷经光解也生成对哺乳 动物毒性较大的硫代特普。还有些有机磷农药的某些降解产物具有潜在的致毒 性。如敌敌畏水解生成二氯乙醛可能诱发突变1 4 。 农药对水体的污染主要表现为以下几个方面：农药厂向水体排放生产废水； 农药喷洒时，农药微粒随风降入水体；大气和土壤中的残留农药经降雨流入水体； 农药容器和工具的洗涤废水排入水体等。 研究证实，喷洒农药后4 0 - - 6 0 的农药降落在土壤中，被农药长期污染 的农田士壤会出现明显酸化，土壤养分( 氮、磷、钾等) 随污染程度的加重而减 少，土壤中的有益微生物被杀死，以上原因造成了土壤肥沃程度的降低。 水体和土壤中存在的持久性有毒化学物质可经过生物富集，进而通过食物链 危害人体健康。这种危害为慢性作用，没有明显症状，但后果是严重的，致病、 致癌、致畸形，对人体健康危害巨大。另外农药急性中毒事件也频频发生，2 0 0 0 年由农药引起的中毒占总中毒人数的2 1 ，死亡人数占总死亡人数的2 5 9 ， 中毒原因很大一部分是由于使用了国家明令禁止生产和使用的甲胺磷、双氟磷、 氟乙酰胺，毒鼠强等高毒有机磷农药。 1 4 有机磷农药的分类 化学农药按其化学组成分为有机氯、有机磷、有机氮、菊脂、氨基甲酸脂类 农药。有机磷农药按用途可分为杀虫剂、杀菌剂，除苹剂等。其中有机磷杀虫剂 根据化学结构又可分为以下六类“1 ： ( 1 ) 磷酸酯类如久效磷、磷胺、敌敌畏等。 ( 2 ) 一硫代磷酸酯类按硫原子在磷原子上的不同连接位置，硫代磷酸酯可分 3 光合细菌的增殖培井及对有机磷农药的降解 为硫逐磷酸酯和硫赶磷酸酯。对硫磷、甲基对硫磷、辛硫磷、杀螟硫磷、二嗪磷、 水胺硫磷等属于硫逐磷酸酯，内吸磷、氧乐果等属于硫赶磷酸酯。 ( 3 ) 二硫代磷酸酯类如马拉硫磷、乐果、乙硫磷、亚胺硫磷、伏杀磷、三硫 磷、甲拌磷等。 ( 4 ) 磷酰胺、硫代磷酰胺类如棉安磷属于磷酰胺，甲胺磷、乙酰甲胺磷等属 于硫代磷酰胺。 ( 5 ) 焦磷酸酯、硫代焦磷酸酯类如特普属于焦磷酸酯，治螟磷属于硫代焦磷 酸酯。 ( 6 ) 膦酸酯类常见膦酸酯品种如敌百虫。 1 5 有机磷农药的降解方法 有机磷农药在施用过程中，大约6 0 的农药不是作用于靶生物而是通过空 气、土壤和水扩散到周围的环境中。降解有机磷农药的方法主要有化学降解、光 降解和微生物降解。 1 5 1 化学降解 有机磷农药化学降解反应主要包括水解反应和氧化还原反应。水解反应和氧 化还原反应是有机磷农药在环境中自然降解的重要途径，而人为降解有机磷农药 时氧化法则是使用最普遍的化学降解方法。 1 5 1 1 水解反应 水解反应是许多污染物化学降解的重要环节。大多数的有机磷农药属于酯 类，因此容易水解。水解是有机磷农药在环境中自然降解的一个重要途径。许多 有机磷农药生产废水处理的试验研究都表明，有机磷农药是易于水解的。反应温 度、水解时间、农药浓度及反应p h 值等都对水解反应有不同程度的影响。高明 华晦1 在处理甲胺磷生产废水的研究中发现，当反应温度由1 4 0 0 c 提高到2 0 0 0 c 时， 有机磷水解率由2 5 7 上升到7 5 5 ，水解时间由0 5 h 提高到3 0 h 时，有机 磷水解率由3 6 4 上升到7 3 1 。有机磷农药的水解速度也随p h 值的增大而加 快，如磷胺在2 3 0 c ，p h 值由4 0 上升到1 0 0 时，其水解5 0 的时间由7 4 d 下 4 光合细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解 降到2 2 d ；亚胺硫磷在2 5 0 c ，p h 值由4 0 6 上升到9 0 时，其水解5 0 的时间 则由1 5 h 下降到0 2 2 h 【6 】。 有机磷农药水解形式主要包括酸催化、碱催化，但碱催化水解要比酸催化水 解容易的多，从p h 值对有机磷农药的影响上也可看出，有机磷农药在碱性条件 下水解速率比在酸性条件下有很大的提高。这是因为有机磷农药的水解主要是发 生在磷原子上与有机基团连接的单键结构上( 这个有机基团是取代羟基或羟基上 的氢原子的) ，而0 h 一取代有机磷农药的有机基团要比旷取代有机磷农药的有机 基团容易的多，这与农药的本身结构以及o h 一的氧化能力有关。当发生碱性水解 时，有机基团被水中的o h 一所取代，当发生酸性水解时，有机磷农药中的有机基 团被h + 取代。 有机磷农药在土壤中的水解速率与在纯水中的水解速率是不一致的，有机磷 农药在无土体系中的水解要比有土体系中的水解慢的多。这是因为土壤环境中的 有机磷农药能被土壤中的有机质和矿物质所吸附，使自身发生吸附催化水解反 应。土壤中存在着根多的氧化物( 如0 3 、h 2 晚、氮氧化物以及有机质等) ，从而在 体系中产生更多的0 h 一，使有机磷农药快速彻底水解。土壤中有机磷农药的水解 还可能包含另一种机制，即与金属离子发生络合作用催化水解反应。m o r t l a n d 和r a m a n f 7 1 证实c u ”可与地亚农发生络合反应，催化它的水解反应，他们的研究 结果还表明，金属离子催化有机磷水解的倾向与有机磷和金属离子形成络合物和 鳌合物的能力有关。 1 5 1 2 氧化反应 有机磷农药进入土壤以后，即使在没有微生物参与的条件下，有氧或无氧时 也会发生氧化还原反应。土壤环境中的农药发生氧化还原反应是与土壤的氧化还 原电位( e h ) 密切相关的，当土壤透气性好时，其e h 高，有利于氧化反应的进 行，反之则利于还原反应的进行。不同的有机磷农药在土壤中的氧化还原降解性 能也不一样。例如，特丁磷、甲拌磷、异丙胺磷等在土壤氧气充足时候很快氧化： 对硫磷、杀螟硫磷等则在厌氧条件下能很快分解【8 j 。 氧化法亦是处理有机磷废水的重要途径，所用的氧化剂有过氧化氢、高锰酸 钾、臭氧和f e n t o n 试剂等。黎其万【9 】采用臭氧在清水中处理蔬菜中残留的农药， 光合细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解 对0 1 7 5 m g k g 的甲胺磷3 0 r a i n 去除7 5 8 ，其去除效果相当于果蔬清洗剂。方 剑锋【1 0 1 做了过氧化氢降解有机磷的性能、影响因素和动力学研究，结果表明紫 外光照下h ：0 2 降解农药比普通光照下的降解率提高3 9 倍，有机磷的降解动力 学符合零级反应动力学，初始p h 4 - 6 时，有机磷农药降解率最低，提高酸性或碱性 都使农药降解率提高。 超临界水氧化是近年来发展的一种清洁快速的水体污染物处理技术。在较高 的温度和压力下，超临界水具有良好的溶剂性能和传递性能，使有机污染物可以 在超临界水中迅速、有效地氧化降解成为简单无害的小分子化合物。林春绵【儿l 研究了超临界水氧化降解甲胺磷废水，降解率达到9 0 2 ，c o d 去除率最高可达 9 7 以上，结果表明甲胺磷在超临界水中可以得到有效彻底地降解。 此外还有其他处理途径，如超声波处理、零价铁还原、活性炭吸附、辐射技 术和等离子体降解等技术都可能是水中农残的有效处理途径。王宏青f 1 2 1 等研究 了含空气水溶液中脉冲超声波引发的甲胺磷农药的脱氯与氧化历程，分析了中间 产物与反应机制等，发现同直接光解、闪光光解、u 、r h 二0 2 以及半导体光催化等 方法相比，超声波处理的反应机制与半导体光催化相似。 1 5 2 光降解 有机磷农药对光化学反应都具有一定的敏感性，光解对于降解环境中的农药 有着重要作用。有机磷农药的光降解也是它在环境中转化的一个主要途径。有机 磷农药对光的敏感程度通常比其他种类的农药要大，因此容易降解。这与它的本 身结构有关。由于有机磷农药的p 一0 键和p s 键的键能相对来说较低，容易吸 收太阳光形成激发态分子，使得p o 键和p s 键断裂，发生光解。辛硫磷在 2 5 3 7 n m 的紫外光照射3 0 h ，可产生中间产物一硫代特普，但照射8 0 h 以后，中 间产物逐渐光解消失【l 引。另外当环境中存在各种各样的催化剂和氧化剂时，其 都能对有机磷农药的光降解起到促进作用。 1 9 7 2 年日本藤屿昭教授发现了t i 0 2 光催化特性，光催化条件开始引起了人 们的关注，1 9 7 6 年jhc a r y 等报道了紫外光照射下纳米t i 0 2 可使难生化降解的 有机化合物多氯联苯脱氯后，纳米t i 0 2 光催化氧化法作为一种水处理技术就引 起了各国众多研究者的广泛重视。光催化的基本原理是：当半导体氧化物( 如 6 光合细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解 t i o z ) 纳米粒子受到大于价带宽度能量的光子照射后，电子从价带跃迁到导带产 生了电子空穴对，电子具有还原性，空穴具有氧化性，目前光催化过程在液固表 面上发生的化学过程还不是很清楚，可能的方式主要有两种，一种方式是空穴与 氧化物半导体纳米粒子表面的0 h 反应生成氧化性很高的0 h 自由基，活泼 的o h 自由基可以把许多难降解的有机物氧化为c 0 2 和水等无机物，另一种方式 是空穴直接将t i o ：颗粒吸附的有机物氧化。 目前广泛研究的半导体光催化剂t i 也、z n o 、c d s 、w 0 ，、f e ：如、p b s 、s n o ：、 i 啦鸥、z n s 和s i o z 等，这些半导体氧化物都有一定光催化降解有机物的活性。t i 0 2 和z n o 的催化活性最好，c d s 也具有较好活性，但其中大多数易发生化学或光化 学腐蚀，不适合作为净化用的光催化剂。例如z n o 和c d s 在光照时不稳定，出水 时往往含有z n 2 + 、c d 2 + ，而t i o 。纳米粒子不仅具有很高的光催化活性，而且具有 耐酸碱和光化学腐蚀、成本低、无毒的特点，这就使它成为当前最有应用潜力的 一种光催化剂。 1 5 3 微生物降解 微生物降解农药的本质是酶促反应，即化合物通过一定的方式进入细菌体 内，然后在各种酶的作用下，经过一系列的生理生化反应，最终将农药完全降解 或分解成分子量较小的无毒或毒性较小的化合物的过程。关于微生物降解有机磷 的相关内容在第二章有详细介绍。 7 光合细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解 2 有机磷农药的微生物降解 有机磷( o r g a n o p h o s p h o r o u s ，o p s ) 农药消除方法有许多，包括物理的、化 学的和生物的方法。传统的物理方法( 包裹、焚烧和掩埋) 和化学方法( 包括氧化、 还原和水解) 成本高，可能产生新的污染物，且作用相对较慢1 4 1 。利用生物或生 物产品来降解污染物的生物修复方法具有无毒、无残留、无二次污染等优点，是 消除和解毒高浓度的农药残留的一种安全、有效、廉价的方法1 那。 2 1 降解有机磷农药的微生物 2 1 1 自然界中的微生物 目前，已经分离的降解有机磷农药的微生物包括细菌、真菌、放线菌、藻类 等，研究的比较深入的主要是细菌和真菌两类。其中细菌由于其生化上的多种适 应能力以及易诱发突变菌株，在降解农药的微生物中占重要地位。 表2 1 列出了几种主要有机磷农药的降解微生物。从表可看出，某些有机 磷农药同时有多种降解菌，同一种菌也会对多种有机磷农药具有降解作用，体现 了微生物种类的多样性以及某些微生物功能的多样性，同时提示某些微生物可以 应用于一种或多种农药的降解，而另一些则只能用于特定种类农药的降解。 8 光合细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解 甲胺磷 甲拌磷 久效磷 二噙磷 蝇毒磷 芽孢杆菌、曲霉、青霉、假单胞杆菌、瓶型酵母 假单胞菌属、硫杆菌属、小球绿藻属 假单胞菌属、黑兰节杆菌、巨大芽孢杆菌、铜绿假单胞菌 黄杆菌属、假单胞菌 放射性土壤杆菌、诺卡氏菌、假单胞菌 敌敌畏 乐果 异硫磷 马拉硫磷 对硫磷 阿特拉津 ( a t ) 甲基对硫磷 假单胞菌、木霉属 假单胞菌、铜绿假单胞菌，不动菌属、黄曲霉、聚多曲霉、 假单胞菌属、节杆菌 假单胞菌属、黄杆菌属、节细菌属、极瘤细菌属、木霉属、曲霉属 芽孢杆菌属、黄单胞杆菌属、固氮极毛杆菌属、短杆菌属、假单胞菌属、 黄杆菌属、极瘤细菌属、青霉属、木霉属、曲霉属、小球绿藻属 烟曲霉、焦曲霉、葡枝根霉、串珠镰刀菌、尖孢镰刀菌、微紫青霉、皱 褶青霉、白腐真菌、菌根真菌，假单胞菌、红球菌、诺卡氏菌 邻单苞菌属，假单苞菌属，黄杆菌属，短杆菌属、假单胞菌属、芽孢杆 菌属、黄杆菌属 2 1 2 基因工程菌 研究表明，许多农药降解基因存在于微生物质粒上，同时它也是其它降解基 因存在的地方。综合运用生物化学和微生物遗传育种的现代技术手段，利用降解 性质粒的各种特性，完成多质粒新菌株的构建以及降解性质粒d n a 和染色体d n a 的体外重组，构建出来的工程菌降解效率高，底物范围广，表达稳定，比自然环境 中的降解性微生物更具竞争力。闰艳春 2 0 1 等用抗性库蚊酯酶基因，引入原核表达 载体质粒p r l 4 3 9 转化大肠杆菌h b i o i 细胞并获得表达。经对重组菌进行细胞固 9 光合细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解 定化后，降解有机磷农药对硫磷的反应时间短、降解效率高。 基因工程菌用于污染物处理的研究成果令人鼓舞，具很大的发展潜力，但它 的应用研究尚停留在实验室水平，真正投入污染物处理的还很少，而且基因工程 菌在实际应用中存在一些问题，比如育种技术问题、应用的安全性和有效性问题 等。虽然这些技术的应用还不完美，但随着生物工程技术的发展。基因工程菌在生 物降解中的应用会进一步完善，为人类造福。 2 2 降解微生物的分布与获得 2 2 1 微生物分布 降解有机磷农药的细菌( 解磷菌) 分布表现出较强的根际效应。林启美f 2 ” 报道小麦和玉米根际土壤解磷菌数量要比非根际高1 2 个数量级。但不同土壤， 不同作物根际，解磷菌种群分布存在一定的差异。有人发现东北的黑钙土中芽胞 杆菌和假单胞菌占优势，丽黄棕壤和红壤中解磷菌种类繁多。夏玉米收获时期根 际有机磷细菌主要是假单胞杆菌和黄杆菌属。杨小蓉m l 发现土壤中氧乐果降解 菌占细菌总数百分比上，秋季降解菌株所占百分比最大，在降解菌株中芽孢杆菌 属在每一季节所占的比例都是最大的。总体而言，芽孢杆菌属是耕地土壤的主要 有机磷细菌，但林地和菜地土壤则主要是假单胞菌属，有机磷细菌数量比无机磷 细菌多。菜地土壤解磷细菌的数量和种类最多，而农田土壤中解磷细菌最少；但 农田土壤中解磷细菌占细菌总数的比例并不低，尤其是分解有机磷的细菌，占细 菌总数达到1 3 。林地土壤尽管有机质质量分数很高，但解磷细菌并不多。 2 2 2 微生物获得 获取有机磷农药有效降解菌的主要途径是从受该有机磷农药污染的土壤、水 体底泥或者生产车间的排水道、污水处理厂出口的污泥等受污染的环境介质中筛 选、驯化、富集和分离鉴定。富集培养有分批培养、连续培养、壤渗滤环流等 手段。分解农药的微生物有细菌、真菌、放线菌及藻类。在已分离和注释的细菌 中，以假单胞菌、黄杆菌为代表的革兰氏阴性菌占多数，它们借助外壁层脂多糖 保护，免受有机磷农药的毒害。1 9 9 2 年，z b o n i n s k n 首次报道分离出真菌 1 0 光合细菌的增殖培养及对有机磷农药的降解 p e n i c i l l i u m c i t r i n u m 能以有机磷化合物为惟一c 源进行生长【1 7 l 。近年来，一些 学者的研究认为真菌有丰富的酶系，在有机磷农药的降解中有非常重要的作用。 传统的微生物分离培养方法复杂耗时，只能反应极少部分的菌落数，可依微生物 的已知性状来设计样品的预处理方法、分离培养基及培养条件，不断设计和发展 新的机理性筛选方法，丰富降解有机磷农药的微生物资源。 测定微生物是否具有解磷能力的方法较多，常用的方法有3 种1 1 6 l ：平板法、 液体培养法、土壤培养法。平板法是一种简单而方便的定性检测磷细菌的方法， 采用这种方法将解磷菌在含有有机磷的固体培养基上培养，测定菌落周围产生溶 磷圈的大小。而液体培养法测定培养液中