（环境工程专业论文）多孔木炭固定化微生物对土壤中阿特拉津的吸附与降解研究.pdf

摘要 微生物固定化的应用目前已经成为众多学者普遍研究的热点，在工业、农业、医 药、环境保护和能源开发等领域，都得到了广泛的应用，显示出广阔的发展前景。本 论文是在分析我国土壤环境背景的基础上，开发出一种有机物污染土壤的清洁技术。 采用木炭固定化微生物对土壤中阿特拉津的富集与降解试验，目的在于能够开发出一 条提高土壤有机物降解效率的方法。主要内容如下： 1 对采自农药厂蓄水池的污泥进行好氧驯化，分离筛选出以阿特拉津作为氮源生长 的微生物。采用平板划线法分离，筛选出2 株细菌，标记为7 菌和3 2 菌。 2 对筛选出的7 菌和3 2 菌株进行生长特性研究，2 株菌在1 2 小时后均进入对数生长 期，至3 6 - j , 时进入稳定期。对菌株最适生长条件研究表明，7 菌和3 2 菌的适宜生长d h 值在8 0 - 9 0 之间，即两株菌适宜在偏碱性的环境中生长，在偏酸性的条件下，菌株的 生长受到抑制；温度对7 菌生长量的影响不是特别明显，而3 2 菌的最适生长温度在 2 0 一3 0 之间，温度高于3 0 时，菌的生长受到抑制。同时，对2 株菌的生理生化性质 进行了鉴定。 3 用木炭对水体中的阿特拉津进行了吸附解吸试验研究，证明木炭对阿特拉津具有 非常强的吸附持留能力。同时，将含碳量为2 和5 的红壤和砂浆黑土对不同浓度的 阿特拉津溶液进行吸附试验，结果表明，添加木炭后土壤的吸附能力明显大于未添加 木炭的土壤，说明木炭的多孔结构对土壤中的阿特拉津有明显的富集作用，且富集能 力远远大于土壤。 4 将固定化单一菌和混菌接种到阿特拉津含量为4 0m g k g 的灭菌和未灭菌土壤中， 3 0 c 培养一周，结果表明，固定化菌的降解效果普遍高于游离菌，固定化菌对阿特拉 津的降解率可以达到6 0 以上，而游离菌的降解效率只有3 5 左右。同时，灭菌对于 固定化菌的降解效果影响较小，说明，固定化菌含有土著菌的自然土壤中，对阿特拉 津的降解占有绝对优势，降解效果要明显好于土著菌。这为固定化微生物降解土壤中 的有机物的实际应用提供了一定的实践依据。 5 运用l c m s 对阿特拉津在土壤中的降解产物进行初步研究，结果表明，降解菌催 化阿特拉津的降解主要是脱氯水解和脱烷基反应，产生的代谢产物分别是，2 羟基4 乙氨基- 6 - 异丙胺基- 1 ，3 ，5 三嗪( h a ) ，2 - 氯4 氨基6 异丙胺基1 ，3 ，5 三囔( d e a l ) ， 2 一氨基一4 羟基- 6 一乙氨基一1 ，3 ，5 一三嗪和2 氨基- 4 羟基6 异丙胺基1 ，3 ，5 三嗪。 关键词：微生物固定化，阿特拉津，木炭，吸附，生物降解 a b s t r a c t 砧e a p p l i c a t i o n o fi m m o b i l i z e d m i c r o o r g a n i s m h a sb e c o m et h e h o t s p o t t h a tm o r ea n dm o r es c h o l a r sa r er e s e r e h i n g i ti sw i d e l yu s e di ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r e m e d i c i n e ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n de n e r g ye x p l o r a t i o ne t e a n dh a sw i d e l yd e v e l o p m e n t f o r e g r o u n d o nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v e l y a n a l y s e ss o i le n v i r o n m e n to fo u rc o u n t r y s o i l t h ep a p e rw o r k so u tt h eo r g a n i cc o n t a m i n a t e ds o i l - p u r i f i d et e c h n i q u e w i t h i m m o b i l i z e d m i c r o o g a n i s m o nc h a r c o a lm e t h o dt 0m a k eo r g a n i s md e g r a d a t i o n e x p e r i m e n t s ，t h em o t i o ni s t od e v e l o pan e wa p p r o a c ht oi m p r o v eo r g a n i cc o n t a m i n a t e d s o i ld e g r a d a t i o nr a t e s t h em a i ni t e m sa sf o l l o w i n g ： 1 s l u d g ew i t c hc o m e df r o mz h o n gs h a hc h e n m i c a lp l a n ta e r o b i s i sd e m e s t i c a t i n g ，t w o s t r a i n sa r ea b l et og r o wo na t r a z i n ea sn i t r o g es o u r c ea n dh a v eh i g h l ye f f c t i v ed e g r a d a t i o n a b i l i t y ，l a b e l l e d7a n d3 2 ， 2 1 1 坨g r o w t hc h a r a c t e r i s t i cs t u d yo f7a n d3 2s t r a i n si n d i c a t e dt h a tt h c ye n t e ri n t ot h e s t a g eo fl o g a r i t h mi n 1 2h o u ra n ds t a t i o n a r yi n3 6h o u r t h em o s ta p p r o p r i a t eg r o w t h c o n d i t i o no f t h et w os t r a i n sw e r es t u i d e d ：t h eo p t i m a lp ht ot w os t r a i n sa r eb e t w e e n8 0 9 0 a n dt h e ya d a p tf o rg r o w t hi na l k a l i n ec o n d i t i o na n da r er e s t r a i n e di nm e t a a c i d ec o n d i t i o n b u tt o7s t r a i n ，t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ei sn o to b v i o u s ；t o3 2s t r a i n , t h eo p t i m a l t e m p e r a t u r ei sb e t w e e n2 0 - 3 0 。t h eg r o w t hb e g a i n d e c l i n e i nt h em e a n t i m e ，t h e p h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e rw e r ei n d e n t i f i e d 3 t h ea d s o r p t i o n - d e s o r p t i o no fa t r a z i n eo nc h a r c o a lw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t c h a r c o a lh a dg r e a ta d s o r p t i o na b i l i t y t h em e a w h i l e a d s o r p t i o nt e s tw a sc a r r i e do nb yr e d e a r t hw i t h2 c a r b o nc o n t e n ta n ds h a j i a n gb l a c ks o i l 、v i mc a r b o nc o n t e n tt oa t r a z i n ew i t h d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h ea b s o r p t i o nq u a n t i t yo fa t r a z i n ew a sm o l e w h e nc h a r c o a lw a sp u ti ns o i lc o n t a i n i n gd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sa t r a z i n e ，c o m p a r i n gw i t h t h a ti n s o i ls o l u t i o n sw i t h o u tc h a r c o a l t h ep o r o s i t yo fc h a r c o a lh a v eo b v i o u se n r i c h m e n t t oa t r a z i n ea n dt h ee n r i c h m e n tc a p a b i l i t yo fc h a r c o a li sm o r et h a ns o i l c h a r c o a la sc a r r i e r t om i c r o o r g a n i s mi m m o b i l i z a t i o na c c o r d i n gt ot h es t r o n ga d s o r p t i o nq u a n t i t yo fc h a r c o a l ， t h ec h a r c o a la d s o r da n dd e g r a d ea t r a z i n ei n s o i la f t e rm i c r o o r g a n i s mi si m m o b i l i z e do n c h a r c o a l n l em e a n w h i l e c h a r c o a lh a v en 0s e c o n d a r yp o l l u t i n , s oi ti sc a nb ea sc a r b o n s o u r c et og r o w t hd e m a n do fc r o p a l lt h e s ep r o v et h a tc h a r c o a lc a nb ea si d e a lc a r r i e rt o m i c r o o r g a n i s mi m m o b i l i z a t i o n 4 t h eb i o d e g r a d a t i o no fa t r a z i n ew i t l l4 0m g k gc o n c e n t r a t i o n si ns o i lb yi m m o b i l i z e d s i n g l es t r a i na n dm i xs t r a i n w a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb i o d e g r a d a t i o n c a p a c i t yo fa t r a z i n eb yi m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mi nc a r b o nw a si m p r o v e dc o m p a r e d w i t h f r e em i c r o o r g a n i s m , t h ed e g r a d a t i o nr a t eo fi m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mt oa t r a z i n ew i t h i n r e a c h6 0 b u t3 5 t o 缸em i c r o o r g a n i s m m e a n w h i l e ，t h ee i f e e t o fs t e r i l i z a t i o nt o b i o d e g r a d a t i o nc a p a c i t y o fa t r a z i n ei sl e s s b i o d 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 d m i c r o o r g a n i s mw a s n l o r et h a ni n d i g e n eb a c t e r i u m 5 a t r a z i n em e t a b o l i t e sw e r ed e t e c t e da n di d e n t i f i e db yl c m s a t r a z i n em e t a b o l i t e sw e r e d e t e c t e da n di d e n t i f i e db yl c - m s t h er e s u l ts u g g e s t st h a tt h ei s o l a t e3 2b a c t e r i ac a n m e t a b o l i z e a t r a z i n ei n t o h y d r o x y a t r a z i n e ，h y d r o x y d e i s o p r o p y l a t r a z i n e a n d h y d r o x y d e e t h y l a t r a z i n e ；a n d7b a c t e r i ac a n m e t a b o l i z ea t r a z i n ei n t od e e t h y l a t r a z i n e k e y w o r d s ：i m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s m ，a t r a z i n e ，c h a r c o a l ，a d s o r p t i o n , b i o d e g r a d a t i o n 缩略语 a t d e a h a d i a d e d i a 英文全称 a t r a z i n e d e e t h y l a t r a z i n e h y d r o x y a t r a z i n e d e i s o p r o p y l a t r a z i n e d i d e a l k y l a t r a z i n e 缩略语 中文全称 阿特拉津 2 一氯4 氨基6 - 异丙胺基1 ，3 ，5 三嗪 2 一羟基4 一乙氨基一6 - 异丙胺基1 ，3 ，5 三嗪 2 一氯4 氨基一6 - 乙胺基1 ，3 ，5 三嗪 2 - 氯- 4 ，6 一氨基- 1 ，3 ，5 三嗪 m 独创性声明 本人声明所呈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，也不包含为 获得安徽农业大学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己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：垒重鱼 签字日期：2 0 0 7年6 月2 0 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽农业大学有关保留、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电子 文件，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽农业大学可以将学位论 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：垄重揄 签字日期：2 0 0 7 年6 月2 0 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通信地址： 指导教师签名：汹 签字日期：6 呐年易月知日 | 电话： 邮编： 文献综述 1 阿特拉津的应用、危害以及治理 1 1 阿特拉津的结构与理化性质 阿特拉津，通用名莠去津，英文名称a t r a z i n e ，化学名称为2 。氯4 乙胺基6 异丙 胺基1 ，3 ，5 三嗪。分子式c s h l g c l n 5 ，分子量2 1 5 6 9 ，化学结构式为： ( c 电) 图l - 1 阿特拉津的分子结构 f i g u r e1s t r u c t u r eo f a t r a z i n e 纯品为无色结晶或粉末，熔点为1 7 3 1 7 5 。c ，2 0 时的蒸汽压为4 0 x 1 0 一p a 。在有 机溶剂中溶解度与溶剂极性有关。正己烷中为0 1 1g l ，乙酸乙酯中为2 4g l ，二氯甲 烷中为2 8g l ，而在二甲基亚砜中为1 8 3g ，l ，2 5 c 时在水中的溶解度为0 0 3 3g l ，甲 醇中为1 8g j l ，氯仿中为5 2g l 。在中性、微酸或微碱的介质中较稳定，在较高温度 下能被较强的酸或较强的碱水解l l 】。 1 2 阿特拉津在世界及我国的应用 阿特拉津属选择性内吸传导型苗前、苗后除草剂【2 】。以根吸收为主，茎叶吸收很 少，迅速传导到植物的分生组织及叶部，干扰光和作用，从而杀死杂草。适用于玉米、 高粱、甘蔗、果园、茶园、林地和铁路等防除一年生禾本科杂草和阔叶杂草对多年生 杂草也有一定的抑制作用。现在生产上多用阿特拉津与乙酰类除草剂乙草胺、丁草胺、 异丙甲草胺混剂。 目前，国际上销售最大的除草剂中销售量最大的除草剂有三氮苯类、酰胺类、脲 类、二硝基苯胺类等，其中三氮苯类以玉米用的阿特拉津最为突出。在美国，阿特拉 津被列为使用最广泛的除草剂之一。在1 9 8 0 1 9 9 0 年间，每年喷洒阿特拉津达8 0 0 0 万 磅【3 】。1 9 8 6 年，瑞典全国施用了1 2 0 t 的阿特拉津 4 1 ，1 9 8 0 年，全球释放到环境中的阿 特拉津总计9 x 1 0 4 t 。2 0 0 2 年，阿特拉津位居世界第十大除草剂，销售额达2 8 亿美元【”。 目前，阿特拉津在国内外杂草防除上仍占有重要地位，世界上有8 0 多个国家在使用这 种除草剂。在美国中部，每年数千吨这种除草剂于玉米田中，占其除草剂使用量的 6 0 6 1 。 我国在2 0 世纪8 0 年代开始使用阿特拉津，近年来使用面积不断扩大，1 9 9 6 年 阿特拉津的使用量为1 8 0 0t ，1 9 9 8 年为2 1 3 0 t ，1 9 9 9 年为2 2 0 5t ，2 0 0 0 年为2 8 3 5 2t 【1 段 到2 0 世纪9 0 年代在华北、东北地区得到广泛推广和大量应用每年以2 0 的速度递增。 代表性的阿特拉津生厂厂家有吉林吉化、河北宣化农药厂和浙江长兴，阿特拉津的粉 产量可达7 0 0 0 8 0 0 0t 年。虽然生产时间不长，但三个地区均己发生严重的农田污 染事件，并在煤体公开报道过 8 1 。 1 3 阿特拉津的使用所带来的环境问题 由于阿特拉津这种除草剂在世界范围内广泛应用近4 0 年，在土壤，地表水，地 下水造成严重的污染，由此而导致的环境污染问题已不容忽视。世界上多年使用阿特 拉津农药的国家的地表水和地下水都已经受到不同程度的污染。美国环保暑规定饮用 水中的阿特拉滓含量不得超过3 烬l ，但是在严重污染的地区，阿特拉津在土壤中的 浓度是1 1 0 0 m g k g ，表面水中1 6 嵋l ，地下水中1 5 0 0 “g l 【9 】。 阿特拉津及其脱烷基代谢产物d e a ，d i a 和羟基水解产物h a ，且d e a ，d i a 为有毒代谢物【1 0 】，水样中这些代谢物的浓度已经超出了母体的浓度；国内外的地表水、 地下水、雨水、大气【l l 】中均检测出来这些有机物，其浓度远远超过美国环保局规定的 安全浓度【1 2 】，有时阿特拉津和其代谢产物的总浓度可以超出阿特拉津母体浓度的1 0 倍左右。所以，有人认为阿特拉津的的浓度并不能反映阿特拉津的污染水平，建议将 阿特拉津的代谢产物也考虑在内。 除草剂阿特拉津的结构比较稳定，被微生物矿化的过程十分缓慢，在土壤中的半 存留期长达4 - 5 7 周，阿特拉津虽是一种低毒除草剂，但由于该除草剂的持效期长， 所以容易对后茬作物如玉米、水稻、大豆和小麦造成药害，对粮食和食品安全构成潜 在的威胁。近年来，莠去滓危害水稻和蔬菜等作物的事件时有发生，1 9 8 8 、1 9 9 2 、1 9 9 3 、 1 9 9 6 年，洋河流域曾先后发生了4 次大面积的水稻受损事件，原因是农田灌溉了被 污染的洋河水。1 9 9 5 、1 9 9 6 年，辽宁省沈阳市和辽中县分别发生了几起阿特拉律对 果树、蔬菜及大豆的药害作用。中科院生态环境研究中心对水稻受害区洋河水质及宣 化区污染源调查实验表明：莠去津在河水中对水稻苗的安全浓度为o 0 1m g l 对水稻 苗的致死浓度为0 1m g l t ”1 。但是阿特拉津对水稻最为敏感的时期为苗期，安全浓度 为0 5m g l _ , t 1 4 】。中科院沈阳应用生态所对几种农作物安全临界浓度的研究后，确定了 阿特拉津对水稻、甜瓜、小麦、大豆的安全临界浓度分别为o 0 4 9 3 、o 0 8 7 9 、0 2 9 3 2 、 0 7 9 1 1m g k g ”j 。另外，阿特拉津能有效的抑制植物( 包括藻类) 的光合作用和生长。 l s h e e k h 等【1 6 发现，当阿特拉津的浓度超过1 5 1 t m o l l 时小球藻的生长立即受到抑制。 地球上9 0 的光合作用都由藻类植物完成，藻类植物受到危害会引起食物链的改变， 已至影响整个生态系统。 阿特拉津对动物也有影响。美国自然资源保护协会( n r d c ) 引用美国环保局 ( e p a ) 的风险评估报告指出，莠去津对濒危鱼类、水生无脊椎动物以及陆生和水生 植物造成危害。可能对濒危两栖和爬行动物产生不利影响，尤其是对蛙类有性别逆 2 转作用【1 7 1 莠去津浓度 o 1v g l 时，蛙类出现雌雄同体现象1 1 8 】。 因为阿特拉津分子中含有一个氯原子，所以，对人也有毒性。美国，日本和欧盟 等国均把莠去滓列入内分泌干扰剂化合物名单i 嘲。长期暴露在莠去津中，人的免疫系 统、淋巴系统、生殖系统、内分泌系统都会受到影响，有可能产生畸形、诱导有机体 突变( 2 e l 。最近的研究报告指出，在十种会对内分泌造成干扰的化学药剂中，莠去津对 女性内分泌系统造成的严重后果仅次于d d t 【2 l j 。 此外，残留在土壤中阿特拉津可以与c u 、z n 等重金属形成复合物圆，也有一部 分与土壤腐殖质相结合。研究表明，阿特拉津在有机质含量高的土壤中年结合残留量 高达5 4 ( 2 3 y - 4 j 。且通过自然环境的相互作用无法消除这些结合残留物，因而这种结合 残留物对整个生态系统构成潜在的威胁。它好似一枚定时炸弹，在积累到一定程度后， 可能对环境造成极大的破坏。c a p r i e l ( 2 5 】等发现，在施用阿特拉津9 年的土壤中，有 5 0 阿特拉津以结合态存在，这些残留物通过自然环境因素的相互作用无法除去它们! 由于目前对结合态农药的持留性和半衰期以及它的释放机理不完全清楚。因此，对化 学农药的安全评价有可能低估了农药的残留状况对粮食安全的影响1 1 4 阿特拉津在土壤中的环境行为及微生物降解 阿特拉津在环境中迁移主要有两个方面。一方面，通过固体颗粒和空气等介质带 入大气；另一方面通过地表径流和土壤淋溶作用进入河流、湖泊。农药在土壤中的扩 散有2 种形式：一种是由于自身分子的不规则运动而产生迁移的过程；而另一种则是 由于外力发生的结果，分布于土壤中的农药在流动水或在重力作用下向下渗滤，并在 土壤中逐层分布。后一种形式是阿特拉津在土壤中扩散的主要模式。这个过程与吸附， 降解和挥发等过程是密切相关的。 阿特拉津的水溶性适中，在土壤中具有中等移动性( 2 6 1 。阿特拉津具有较小的土壤 吸附系数豳和吸附常数k o c ，分别为0 1 9 2 4 6 和2 5 1 5 5 ，这些都有利于溶解态的阿 特拉津在降雨或农灌时发生物理性迁移( 2 7 1 。通过土壤地表水径流使之进入河流和地下 水，而河流在陆地和海洋及湖泊之间可以构成一个运输线，将陆地生态系统中的阿特 拉滓运输至海洋和湖泊，直接威胁海洋和湖泊生态系统的安全，同时对人类赖以生存 的饮用水安全构成威胁【2 8 j 。 阿特拉津在土壤中的吸附主要受土壤有机质的支配，这是因为当有机质含量增加 时，它的吸附位也相应增加，从而增大对农药的吸附 2 9 1 。有机质中对吸附起作用的主 要是固态有机质，而溶解的有机质对吸附作用的影响很小。农药在土壤中的吸附一 般可用f r e u n d l i e h 吸附等温线经验公式来描述即： c s = k t c e l 斑 式中：c s 为农药在土壤上的吸附量( m g k g ) ； c e 为吸附平衡时农药在溶液中的浓度( m g l ) ； k f 为吸附常数( l k g ) ； 1 n 为指数项常数。 阿特拉津在土壤中有2 种代谢途径：化学降解和微生物降解。其中，化学降解又 包括光解和水解两种方式。在特定的土壤中，这两种方式作用的强弱不同。实验室试 验表明：强酸性土壤中阿特拉津主要以化学降解为主；在弱碱性土壤中主要以化学生 物转化方式为主；在弱酸性土壤中，同时存在化学降解和微生物降解【3 l 】。 各种农药对光化学反应都具有一定的敏感性，都可能产生光化学降解，而光解对 于降解土壤中的农药有着重要作用。阿特拉津在土壤中的光解作用受各种因素影响， 包括土壤粒度、湿度、值及其他有机物。土壤粒度较小时，阿特拉津的光解速率较大， 光解的深度也较大。水的存在可以使阿特拉津较快地达到土壤颗粒表面【3 2 l ，并使光解 产物较快地移开土壤颗粒表面，因此光解速率在湿土壤中比干土壤中要大。水溶状 态下阿特拉津的光解能引起c c l 键的断裂，c l 被h 或o h 基团所取代【3 3 1 。土壤p h 值对 阿特拉津在土壤中的光解产生重要影响，在酸性和碱性土壤中阿特拉律的光解速率均 大于中性左右的土壤【3 2 4 1 。土壤中腐殖酸和表面活性剂的存在均能够加速阿特拉津 的光解，且它们之间存在着协同作用1 3 4 ；但2 种成分对阿特拉津光解的催化机理不同 【3 2 l 。前者主要表现为表面吸附效应，后者则表现为溶解效应。阿特拉津在水中的光 解发生在波长小于3 0 0n m 的紫外线照射时，且在波长为2 6 0n l i l 时转化的速度最快。其 主要产物是2 羟基阿特拉津印j 。 阿特拉津具有定的水溶性，能够在水体中发生降解，主要是通过2 位碳的水解、 4 位碳的n 一脱烷基化和开环而发生【2 7 1 。h o r r o b i n l 3 5 1 和r u s s e l l ( 3 6 噜提出关于阿特拉津 的吸附催化水解模式，环上与氯原子结合的碳原子被负电性的氯和氮原子包围着，易 受o h 的影响而水解。主要有2 种类型：一种是土壤中酸或碱催化的反应；另一种是 由于土壤腐殖质和粘土矿物的吸附催化作用而发生的反应印j 。 2 0 世纪6 0 年代以来，许多国家均致力于寻找高效降解阿特拉津的微生物。到目前 为止，已经分离出能够降解阿特拉津的单菌株【3 量鲫】。阿特拉律生物降解机理的研究 也获得了迅速发展。近两年来，国内也开始了阿特拉津生物降解的研究报道 4 0 ，4 l j 。 降解阿特拉津的微生物主要包括细菌、真菌、放线菌、藻类等。细菌由于其生化 上的多种适应能力以及容易诱发突变菌株，在降解阿特拉津的微生物中占有重要地 位。对细菌的研究非常广泛，已进入了降解酶及基因水平的研究。降解阿特拉津的细 菌主要是假单孢菌j 蓠( p s e u d o m o n a s ) t 3 9 4 2 k 和红球菌属在诺卡氏菌( 口伽锄) 【4 们、不 动杆菌属c i n e t a b a c t e r ) 、土壤杆菌属( a g r o b a c t e r i u m ) 、蜡状芽孢杆( b a c i l l u sc e r e u s ) 中也分离到降解阿特拉津的菌株。其中，假单孢菌在阿特拉滓降解中起着重要作用。 y a n z ek o n t e h o n 等【4 2 】从混菌中分离到能以阿特拉津为唯一碳源、氮源的假单孢菌 y a y a 6 。该菌在降解初期将环上2 0o 6 0 碳以c 0 2 形式释放出来。当以阿特拉津为唯一碳 4 源和氮源时，每摩尔的阿特拉津可以产生8 0g ( 干重) 的菌体。1 9 9 5 年，m a n d e l b a u m 等【3 9 】从土壤中分离到以阿特拉津为唯一氮源且可以降解高浓度( 1 0 0 0p , g m 1 ) 阿特 拉津的假单孢菌株a d p 。9 x 1 0 9 个细胞l 的细菌在15 h 即可降解1 0 0 嘴m l 的阿特拉 津，并有8 0 环上的碳以c 0 2 形式释放。该菌株不论是生长细胞还是非生长细胞均 能高效降解阿特拉津。在旋用阿特拉津多年的土壤中，a d p 仍有效降解阿特拉津。这 说明该菌可用于土壤环境中，对阿特拉津的生物降解具有广泛的应用前景。在a d p 对阿特拉津的降解过程中，柠檬酸钠的存在可以促进阿特拉津的降解。g - i a r d i n 4 3 1 及 b h e k i l 4 4 1 等报道，葡萄糖的加入也可促进阿特拉津的降解。对于广泛生长在土壤中的 红球菌，降解能力虽不及假单孢菌株，但也，具有降解多种有机污染物的能力。红球 菌n 1 8 6 2 1 可以阿特拉津为唯一碳源生长，但不能以其为氮源。不能脱氯或开环。其 主要降解产物为脱乙基阿特拉津，脱异丙基阿特拉津及羟基异丙基阿特拉津。红球菌 b 3 0 、t e l 也不能使阿特拉津开环，且更易于进行阿特拉津的脱乙基反应。对这些菌 阿特拉津降解反应均需氧的存在。尽管红球菌降解阿特拉津有一定的局限性，与假单 孢菌相比，加入一种易降解基质并不抑制且常常能加速红球菌降解难降解物质m 。 可使阿特拉津降解的真菌有：烟曲霉( a s p e r g i l l u s f u m i g a t u s ) 、焦曲霉 ( a s p e r g i l i u s u s t u s ) 、黄丙曲霉似s p e r g i l l u s f l a r i p e s ) 、葡枝根霉( r h i z o p u ss t d o n i f e r ) 、串珠 镰孢( f u s a r i u mm o n i l i f o r m e ) 、粉红镰孢( f u s a r i u mr o s e u m ) 、尖镰孢( f u s a r i u m o x y s p o r u m ) 、斜卧青霉( p e n i c i l l i u md e e u m b e n s ) ，微紫青霉( p e n i e i l l i u r n j a n t h i n e l l u m ) 、 黄体青霉( p e n n i e i ll u m l e t e u m ) 和绿色木霉( t r i e h o o l e r m av i r i d e ) 。d o n n e l l y 等m j 对9 种菌 根真菌和三种非菌根真菌降解阿特拉津的能力做了研究，发现菌根真菌和非菌根真菌 都能降解阿特拉津，并且降解能力只与真菌种类有关而与真菌的生态型无关。在降解 过程中，真菌可以吸收大量的阿特拉津到细胞组织中。氮和阿特拉滓的浓度均影响阿 特拉津被真菌同化的量。这些真菌不能使阿特拉津开环。众所周知，当真菌与寄生植 物共同生长时，真菌的细胞外酶比纯培养时明显增强，因此，d o n n e l l y m 认为，如果 把阿特拉津同与寄主植物共同生长的腐生真菌菌株共同培养，由于生物量的增加以及 酶活性的增强。真菌对阿特拉津的降解能力也会得到增强。 近年来，发现藻类也能有效地降解农药。因此，对于藻类富集降解农药的研究也 不断增多。许多实验表明，藻类不仅能富集农药，还能将农药降解为无毒化台物或以 农药为磷源、氮源生长藻降解农药的发现及其机理的深人研究，为去除环境中农药 的残留又提供了一条途径。 阿特拉津是生物难降解物质，能够完全降解即矿化阿特拉津的纯菌较少。在环境 中自然微生物群落对环境污染物的共降解现象是非常重要的。在生物降解阿特拉津 的研究中发现，由于微生物的共降解或相互间的协同作用，通过两种或多种微生物的 共降解过程及降解反应，阿特拉津也是可以完全降解的。 5 阿特拉津在土壤中的降解既有化学降解又有微生物降解，主要是微生物降解，其 降解途径如图2 所示，主要包括3 个过程：脱烷基、水解、开环。 一( h 3 c ) 。一拉c 2 n 5 叫2 h c - 嘲弋矿l n 卜 锄3 c ) 2 h 0 瑚 d e e t h y l a t r a z i n ed e i s o p r o p y l a l r a z i n e h y d r o x y d e i s o p r o p y l a t r a z i n eh y d r o x y d e e t h y l a t r a z i n e 。一也一一 a m m e l i n e l ，脱烷基2 水解3 侧链修饰4 开环 围l - 2 阿特拉津在土壤中的降解途径 f i g u r e l - 2d e g r a d a t i o np a t h w a yo f a l r a z i n ei ns o i l 34 氮氧化物、c 0 2 、h 2 0 降解阿特拉津的菌能够产生脱乙基阿特拉律和脱异丙基阿特拉津。在不饱和区， 乙基侧链的降解要比异丙基侧链的降解速度快几倍【5 4 1 。而二者的继续降解速度很慢。 这就是不饱和区中脱乙基阿特拉津持留性高且频繁发现的原因。例如：红球菌t e l 降 解阿特拉津产生脱乙基阿特拉津和脱异丙基阿特拉津后不能迸一步降解这两种产物。 羟基阿特拉津主要是由化学水解产生的【5 ”。由于阿特拉津的两个烷基的存在，使微 生物脱氯较为困难【5 “。也有微生物可以降解阿特拉津产生羟基阿特拉津。假单孢菌 a d p 、y a y a 6 均可使阿特拉津脱氯。与脱烷基等降解支链相比，阿特拉津开环更难。 在阿特拉滓开环降解过程中，氧作为电子受体的存在非常重要。与厌氧条件相比，好 氧条件下，阿特拉津开环降解要快1 0 0 多倍。因此，在深层土壤中，氧气的缺乏会阻 碍阿特拉津的降解。目前发生的能够使阿特拉津开环的菌株多为假单孢菌【3 9 4 “4 2 】， 红球菌较少。 1 5 阿特拉津极其降解产物的分析方法 阿特拉津在土壤环境中的主要降解产物脱乙基阿特拉津( d e a ) 、脱异丙基阿特拉 津( d i a ) 和羟基- 阿特拉津( h a ) ，具有与阿特拉滓类似的毒性，且极性更高更易向 6 盹m 啦 一。 乳 如 q 扭 咖 归 毗 阻 下渗滤，对地下水威胁更大【4 7 “明。所以在进行环境中阿特拉滓的迁移转化规律研究 时，需要建立环境土壤样品中阿特拉津及其降解产物的可靠分析方法。阿特拉津及其 降解产物均为弱碱性化合物，极性高，它们在环境土壤样品中易和大量存在的腐殖酸 结合形成共聚物，给痕量分析带来了很大的困难。它们的结构式及相关性质见表l 。 文献报道可采用二级固相萃取小柱提取净化，p r o s e n 等1 4 9 j 应用c 1 8 小柱提取、s a x 小 柱净化分析土壤中的阿特拉津，f e r e r 等t 5 0 1 应用索氏提取和免疫吸附小柱净化分析底 泥中的阿特拉津及其降解物。二级固相萃取小柱操作繁琐，且影响因素较多，并不适 用于大量环境样品的分析。任晋【5 3 】提出，利用水做溶剂超声提取，之后采用磺酸化高 分子基质材料固相萃取小柱富集和净化，中性化合物通过单一的吸附作用被保留，离 子化的碱性物质通过氨离子交换机制保留，因此可以选择性地富集弱碱性的阿特拉津 及其降解产物，有效地去除腐殖酸的干扰，简化了实验的过程，同时提高了方法的选 择性。 表1 饵特拉津及其主要降解产物的结构与性质 t a b l e1t h e8 t f t l c t u r g sa n d p r o p e r t i e so f a v r a z i n ea n di t sd e g r a d a t i o np r o d u c t s 通常采用气相色谱一质谱( o c m s ) 和高效液相色谱一质谱( h p l c - - - m s ) 分析环 境中的阿特拉津去津降解产物。阿特拉津代谢物极性大，特别是难挥发的羟基产物在 用g c m s 分析时必须通过衍生( 硅烷化、烷基化、酰基化或甲基化【5o b 才可进行分析， 操作复杂，现在应用越来越少。h p l c - - m s 现较多地应用于阿特拉津及其降解产物的 同时分析，液相色谱一电喷雾电离质谱一质谱( l d e s i m s m s ) 被用来分析阿特拉津 r e t o r t s 试剂的降解产物和环境水样中阿特拉津羟基衍生物的鉴定和分析【5 2 j 。 1 6 阿特拉津污染环境的修复技术 环境当中阿特拉津的污染治理主要有三种方法：物理法、化学法和生物修复法。 对于物理和化学方法的应用不是很广泛，主要用于水体中阿特拉津的去除。 目前，深受人们青睐和关注的治理方法主要是生物修复技术，这又包括植物修复 技术和微生物降解技术。植物可以利用根吸收和收获、叶表蒸腾挥发、植物降解等方 7 法来消除有机污染物。阿特拉津是一种内吸传导型除草剂，它主要是通过植物根部吸 收进入植物体内，再经过木质部传导至地上部而发挥活性【5 7 】。陈林观等【5 8 】报道阿特 拉津是一种植物光合作用的强烈抑制剂，玉米体内含有多量苯并恶嗓酮，它能将阿特 拉津水解成无毒的轻基阿特拉津。另外，玉米、高粱、甘蔗等对阿特拉津具有抗性的 作物，体内含有一种谷耽甘肤转移酶，能够促进阿特拉津与谷胧甘肤生成可溶于水的 结合体，使阿特拉津在这些作物体内失去活性，从而使这些作物不致于遭受伤害【鲐 5 引。而水稻、小麦、豌豆等作物，体内没有谷胧甘肤转移酶，阿特拉津被这些作物吸 收后能表现出极高的活性并抑制其光合作用，使这些作受到危害。因此，若玉米田地 里施用阿特拉津后，极有可能对下茬作物造成一定的危害。近年来，我国一些地区阿 特拉津危害农田作物的事件时有发生。 对于阿特拉津的微生物降解，一直以来，就是微生物学家在孜孜专研的课题。到 目前为止，已经分离筛选得到许多阿特拉津的高效降解菌。这些降解菌已经被用在污 水处理上，并取得了很好的处理效果。张兰英等 6 0 l 从农药厂的排污口采集污泥，通过 富集培养，从中分离筛选出一株阿特拉津高效降解菌j l n y 0 2 ，并进一步对其降解的 影响因素进行了研究。实验得出在1 0 c 降解阿特拉津，其降解率可达8 1 8 ，而在高 温下的降解率较低，仅3 1 4 。因此，该菌适用于地下水及深层土壤的低温环境中对 a t 的降解。且适用于寒冷地区的土壤和地表水中对a t 的生物修复。胡江等【6 l 】从除草剂 污染的土壤中驯化分离得到l 株能够以阿特拉津为唯一碳源生长的革兰氏阳性细菌 b t a h l b t a h l ，该菌株能够在1 2 6h 内完全降解1 0 0 0n a g l 的g 可特拉津。通过生理生 化鉴定，结合1 6 sr d n a 聚类分析，将该菌株鉴定为微小杆菌属( e x i g u o b a c t e r i u ms p ) ， 外加碳源不会促进该菌株对阿特拉津的降解，该菌株的最适降解温度为2 5 3 0 c ，最 适降解p h 值在7 9 之间该菌株具有2 个大质粒，p b t a h ll * n p b t a h l 2 ，大小分别为 2 0k b 和1 0 0k b ，基因定位发现有2 个参与阿特拉津降解的基因位于其中一个较小的质 粒( p b t a h l l ) 上。陈元彩等 6 3 1 利用固定化好氧菌和厌氧颗粒污泥在不同供氧条件下对 氯酚进行了降解研究。结果表明，混合固定化颗粒污泥在有限供氧系统具有较低的残 留t o c 值厌氧好氧微生物菌群通过固定化在微环境中有效的结合在有限供氧条件下 能完全彻底降解高氯代芳香化合物。王松文等阻埽u 用假单胞菌p s e u d o m o n a sa d l 菌株 对阿特拉津污染土壤进行生物修复，结果表明在向每克土壤含lm g 阿特拉津的模拟污 染土壤中接种假单胞菌a d i 株。补加适量碳源和磷源，3 0 培养4 周以后，9 6 的阿特 拉津被去除。 生物降解有机物的研究，不仅用于水中有机物的去除，同样适用于土壤中有机物 的去除。对于水中有机物的微生物治理已经作了大量的科学研究和实践，而对于土壤