（环境科学专业论文）粘土矿物固定化微生物对土壤中阿特拉津的吸附与降解研究.pdf

物上生长良好，4 8h 达到对数生长期；接种降解菌能明显加快阿特拉津在土壤中的降 解速率，粘土矿物固定化微生物的降解效果要明显优于游离菌，粘土矿物粒径越小， 固定化微生物的降解效果越好，纳米粘土矿物固定化微生物的降解效果要好于原粘土 矿物。 用一级动力学方程描述阿特拉津在土壤中的降解过程，不同土壤中阿特拉津的降 解速率不同。当投加同样菌体数量时，培养2 8d 的砂姜黑土中，只投加游离菌处理， 阿特拉津降解率为4 2 4 7 ；投加蒙脱石、纳米蒙脱石以及凹凸棒石固定化降解菌处理， 阿特拉津降解率分别为5 2 1 6 、6 3 9 7 、6 5 7 8 ；而不投菌的对照，阿特拉滓降解 率仅为2 9 1 6 。对于黄褐土，只投加游离菌处理，阿特拉津降解率为4 6 1 9 ；投加 蒙脱石、纳米蒙脱石以及凹凸棒石固定化降解菌，阿特拉津降解率分别为5 9 2 8 、 6 3 9 1 、6 5 1 6 ：不投菌的对照，阿特拉滓降解率为3 0 6 3 。对于红壤，只投加游 离菌处理，阿特拉滓降解率为5 6 3 1 ；投加蒙脱石、纳米蒙脱石以及凹凸棒石固定化 降解菌，阿特拉津降解率分别为6 8 0 3 、7 6 5 9 、7 2 0 9 ：不投菌的对照，阿特拉 津降解率为4 1 4 7 。阿特拉津在红壤、砂姜黑土、黄褐土中的降解半衰期( t l 2 ) 分 别为3 6 9d 、4 9 1d 、5 5 0d ，投加纳米蒙脱石固定化降解菌后的半衰期则分别为1 6 3d 、 2 5 3d 、2 1 7d 。 关键词：阿特拉津，微生物固定化，粘土矿物，吸附，降解 i i a b s t r a c t a d s o r p t i o na n db i o d e g r a d a t i o no fa t r a z i n ei ns o i l sb yc l a ym i n e r a l si m m o b i l i z e da d e g r a d a t i o nb a c t e r i u mw e r es t u d i e d f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t i r ) t e c h n o l o g yw a sa p p l i e dt oa n a l y z et h em e c h a n i s mo fa t r a z i n ea d s o r p t i o no nc l a ym i n e r a l s ab a c t e r i u mw a si s o l a t e df r o ma c t i v a t e ds l u d g eb ye n r i c h m e n tu s i n ga t r a z i n ea ss o l e s o u r c eo fc a r b o na n dn i t r o g e n t h eb a c t e r i aw e r ei m m o b i l i z e db yc l a ym i n e r a l sw h i c hh a d s p e c i a lm i c r o 。c r y s t a l l o i ds t r u c t u r ea n dh u g es u r f a c ea r e a t h eg r o w t hs i t u a t i o no f i m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mw a so b s e r v e db ye n v i r o n m e n ts c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( e s e m ) w ee o n d u c t e dl a b o r a t o r ys t u d i e st oe x a m i n et h ee f f e c to fb i o d e g r a d a t i o no f i m m o b i l i z e dc a r r i e r si nd i f f e r e n t s o i l s ，r e v e a ls y n e r g i s mm e c h a n i s mb e t w e e nt h e a d s o r p t i o no fc a r r i e r sa n db i o d e g r a d a t i o no ft h em i c r o o r g a n i s m t h ef i n d i n g sw i l lp r o v i d e t h et h e o r yf o rb i o l o g i c a lr e m e d i a t i o no fp e s t i c i d ep o l l u t i o ni nf a r m l a n d ，a l s ow i l lp r o v i d e t h en e ww a yf o rf a s td e g r a d a t i o no fr e s i d u a lc h e m i c a l si ns o i l t h ec o n c r e t er e s e a r c h c o n t e n t sa n dr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： 1 a d s o r p t i o na n dd e s o r p t i o no fa t r a z i n eo nc l a ym i n e r a l sa n ds o i l sw e r es t u d i e du s i n gt h e b a t c he q u i l i b r a t i o nt e c h n i q u e a d s o r p t i o ni s o t h e r m so fa t r a z i n ew e r ef i t t e dt ot h ef r e u n d l i c h e q u a t i o n a d s o r p t i o no fa t r a z i n eo nc l a ym i n e r a l si n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o n t h es m a l l e rt h ep a r t i c l es i z eo fc l a ym i n e r a l s ，t h em o r et h ea d s o r p t i o no fa t r a z i n e t h e n a n o s c a l ec l a ym i n e r a l sh a dh i g h e ra d s o r p t i o n c a p a c i t yf o ra t r a z i n et h a nt h o s eo ft h e c o r r e s p o n d i n gc l a y s t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fc l a ym i n e r a l sf o ra t r a z i n ef o l l o w e dt h eo r d e r n a n o s i 0 2 n a n o m o n t m o r i l l o n i t e a t t a p u l g i t e m o n t m o r i l l o n i t e s i 0 2 d e s o r p t i o no f a t r a z i n es h o w e ds i g n i f i c a n th y s t e r s i sw h i c hw a si n d i c a t e db yt h eh i g h e ra d s o r p t i o ns l o p e ( 1 h a d s ) c o m p a r e dt ot h ed e s o r p t i o ns l o p e ( 1 乜船) 。t h ed e s o r p t i o nr a t ef o l l o w e dt h eo r d e r s i 0 2 a t t a p u l g i t e n a n o - m o n t m o r i l l o n i t e n a n o s i o z m o n t m o r i l l o n i t e a v e r a g e d e s o r p t i o n r a t e so fa t r a z i n ew e r e 8 5 8 ，2 3 2 8 ，4 4 3 2 ，2 0 0 3 ，3 3 4 4 o n m o n t m o r i l l o n i t e ，n a n o m o n t m o r i l l o n i t e ，s i 0 2 ，n a n o - s i 0 2a n da t t a p u l g i t e t h ea d s o r p t i o no fa t r a z i n eo ns o i l sw a ss m a l l e rt h a no nc l a ym i n e r a l ss i g n i f i c a n t l y t h e a d s o r p t i o nc a p a c i t yo ft h es o i lf o ra t r a z i n ef o l l o w e dt h eo r d e rr e ds o i l v e r t i s o l a l f i s 0 1 t h ea d s o r p t i o no fa t r a z i n ew a si n f l u e n c e db yt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h es o i l o r g a n i cm a t t e rc o n t e n to fr e ds o i lw a sh i g h e r , t h ea d s o r p t i o no fa t r a z i n ew a sm o r e i i i 2 ab a c t e r i u mw h i c hw a si s o l a t e df r o ma c t i v a t e ds l u d g eb ye n r i c h m e n tu s i n ga t r a z i n ea s s o l es o u r c eo fc a r b o na n dn i t r o g e nw a sp r e l i m i n a r i l yi d e n t i f i e da so c h r o b a c t r u ms p ， a c c o r d i n gt o i t s p h y s i o l o g i c a l b i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，p h o t o so fe s e ma n dt h e s i m i l a r i t ya n a l y s i so fi t s16 sr d n ag e n es e q u e n c e t h eb a c t e r i ar e a c h e dl o g a r i t h m i cp h a s ea t4 8h ，a n dd e g r a d a t i o no fa t r a z i n ew a s4 7 0 8 t h eb a c t e r i aw e r ec u l t i v a t e do nt h eo p t i m a li n g r e d i e n to fm e d i u ma n dt h eo p t i m a lm e t h o do f c u l t i v a t i o n w h e nt h ei n o c u l u ms i z ew a s4 ，t h ev a l u eo fo d 6 0 0w a s3 9 7a f t e r4 8h w h e n p hw a s8 ，t h ev a l u eo fo d 6 0 0 w a s2 7 9 w h e nt h eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r e6g o l g l y c e r i n ， t h eo t h e ri n g r e d i e n to fm e d i u mw e r e2t i m e st h a nc o m m o nm e d i u m ，t h ev a l u eo fo d 6 0 0w a s 3 5 0 w h e na d d i n g4m ln e wm e d i u ma f t e r2 4h o u r s ，t h ev a l u eo fo d 6 0 0w a s3 4 6 u n d e r t h o s eo p t i m a lc o n d i t i o n s ，t h ee f f e c to fb a c t e r i a sg r o w t hw a sb e u e r 3 ab a c t e r i u mw a si m m o b i l i z e db yc l a ym i n e r a l s t h es t r a i n sg r o w e dw e l lo nc l a y m i n e r a l sa n dr e a c h e dl o g a r i t h m i cp h a s ea t4 8h t h ed e g r a d a t i o nr a t eo fa t r a z i n ew a sl a r g e r s i g n i f i c a l l yw h e na d d i n gd e g r a d a t i o nb a c t e r i ai n t os o i l s t h eb i o d e g r a d a t i o nc a p a c i t yb y i m m o b i l i z e d m i c r o o r g a n i s m o n c l a y m i n e r a l sw a si m p r o v e d c o m p a r e d w i mf r e e m i c r o o r g a n i s m t h es m a l l e rt h ep a r t i c l es i z eo fc l a ym i n e r a l s ，t h em o r et h eb i o d e g r a d a t i o no f a t r a z i n e t h ee f f e c to fi m m o b i l i z e dn a n o c l a ym i n e r a l sw a sb e t t e rt h a nc o r r e s p o n d i n gc l a y s a t r a z i n ed e g r a d a t i o ni ns o i l sc a nb ed e s c r i b e db yf i r s t - o r d e rk i n e t i ce q u a t i o n t h ee f f e c t o fd e g r a d a t i o nv a r i e df r o md i f f e r e n ts o i l s t h ed e g r a d a t i o nr a t e so fa t r a z i n ew e r e4 2 4 7 ， 4 6 19 ，5 6 31 r e s p e c t i v e l y , a f t e ra d d i n gf r e em i c r o o r g a n i s mi n t ov e r t i s o l ，a l f i s o la n dr e d s o i l2 8d w h e na d d i n gi m m o b i l i z e d m i c r o o r g a n i s mb ym o n t m o r i l l o n i t e ，n a n o m o n t m o r i l l o n i t ea n da t t a p u l g i t e ，t h ed e g r a d a t i o nr a t e so fa t r a z i n ew e r e5 2 16 ，6 3 9 7 ， 6 5 7 8 i nv e r t i s o l ，5 9 2 8 ，6 3 9 1 ，6 5 1 6 i na l f i s o l ，a n d6 8 0 3 ，7 6 5 9 ，7 2 0 9 i nr e d s o i l t h ed e g r a d a t i o nr a t e so fa t r a z i n ei nt h es o i lw i t h o u tm i c r o o r g a n i s mw a s2 9 16 i n v e r t i s o l ，3 0 6 3 i na l f i s o l ，4 1 4 7 i nr e ds o i l t h e ( t l 2 ) o fa t r a z i n ew a s3 6 9di nr e ds o i l 、 4 9 1di nv e r t i s o l 、a n d55 0di na l f i s o lw i t h o u tm i c r o o r g a n i s m w h e na d d i n gi m m o b i l i z e d m i c r o o r g a n i s mb yn a n o m o n t m o r i l l o n i t e ，h a l f - l i f ew a s1 6 3d 、2 5 3d 、2 1 7dr e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：a t r a z i n e ，i m m o b i l i z a t i o nm i c r o o r g a n i s m ，c l a ym i n e r a l s ，a d s o r p t i o n ， d e g r a d a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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它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。 研究生签名： z 建夔： 时间：7 刃，年多月jf 国 关于论文使用授权的说明 本人完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意安徽农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：i 皇芝 第吲币签名习盘彗 j 、 时间：砂刀7 年易月，日 帆岬年易川日 文献综述 一农药污染的微生物修复 生物修复包含了广义和狭义的两种类型。广义的生物修复指一切以利用生物为 主体的环境污染治理技术，包括利用植物、动物和微生物吸收、降解、转化土壤中的 污染物，使污染物的浓度降到可接受的水平；或将有毒、有害污染物转化为无害的物 质。在这一概念下，可将生物修复分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。 狭义的生物修复是特指通过微生物的作用消除土壤中的微生物，或使污染物无害化的 过程。 ( 一) 微生物修复技术 微生物修复利用微生物的生命代谢活动使环境中的有毒有害物质减少化或使其 完全无害化，从而使受污染环境能部分或完全恢复到原始状态。 用微生物方法修复受有机物污染的土壤必须具备两方面条件，一是有机化合物 大部分具有可生物降解性，即在微生物作用下由大分子化合物转变为简单小分子化合 物的可能性；二是在土壤中存在能够降解或转化污染物的微生物。 土壤中常见的各种微生物是微生物修复的基础。土壤遭受污染后，会对微生物产 生自然驯化和选择的过程，一些特异的微生物在污染物的诱导下能够产生分解污染物 的酶体系。而土著微生物虽然在土壤中广泛地存在，但其生长速度较慢，代谢活性不 高，或者由于污染物的存在造成土著微生物的数量下降，致使其降解污染物的能力降 低，因此需要在污染土壤中接种一些难降解污染物的降解高效菌。在很长的一段时间 内，在没有人类干预的情况下，自然及人工产生的污染物都能自然降解。这一自然降 解过程，就是通过微生物、酶、某些化学物质及大气的联合作用去除毒素。但随着人 类活动的增加以及对自然环境在一定程度上的破坏，自然降解不能达到目的。新兴发 展的生物技术，能大大加快这一自然净化过程。通过选择、浓缩、驯化微生物来进攻、 去除一些以碳氢化合物为骨架的毒素，降解这些物质的时间就由原先的几十年缩短到 几个星期。生物修复就是利用这些微生物去降解、消除一些有毒或不需要的以碳氢化 合物为骨架的污染物，如石油类废物。生物修复与传统的染物去除方法相比，具有高 效、彻底、低成本等优势。 微生物修复受到溶解氧、p h 值、温度、光照以及营养成分等因素的影响。故在 生物修复过程中应注意各种外界条件的控制，适当的添加外源营养盐、电子受体及其 他必需物质，注意通风、温度和光照等，给微生物创造一个适宜生长的环境，充分发 挥其降解污染物的作用。 微生物修复技术的应用非常广泛。如处理蓄水层中的碳氢污染物，可以将微生物 直接注入水井，微生物沿着污染物流动，将污染物部分或完全降解成无害物质；或将 微生物引进土壤，需要一些机械设施辅助，以至于能更充分地降解土壤中的污染物； 如处理混凝土中的污染物，可以用水平或阔口钻头将微生物打进混凝土内，不用像传 统的处理过程为了消除污染物而不得不移走混凝土板或建筑物。微生物修复技术从经 济的角度来看，也比其他处理方法更具有优势。原位处理污染物，是将受污地区与干 净地区隔离，生物修复在受污地方发挥作用时，该地区渐渐地开始净化。传统的处理 方法往往是将污染物从一个地方转移到另一个地方，而生物修复能彻底去除污染物， 不会产生二次污染。所以说微生物修复技术，无论从环境的角度还是经济的角度来看， 具有相当大的优势。 但是，微生物修复技术在实际应用中却具有一定的局限性。具体表现在以下几个 方面：微生物不能降解所有进入环境的污染物，污染物的难生物降解性、不溶性以 及与土壤腐殖质或泥土结合在一起常常使生物修复不能进行；生物修复需要对污染 地区的状况和存在的污染物进行昂贵的现场考察；特定的生物只降解特定类型的化 学物质，结构稍有变化的化合物就可能不会被同一生物破坏；生物活性受温度和其 他环境条件影响：在有些情况下，生物修复不能将污染物全部取出，因为当污染物 浓度太低而不足以维持降解细菌一定数量时，残余的污染物就会留在土壤中。 ( 二) 固定化微生物修复技术 传统意义上微生物修复的特点是利用游离优势菌的降解作用。随着污染物逐渐趋 向成分更复杂，易积累，难降解和毒性影响更长期，游离微生物修复技术的不足日益 显示出来。固定化细胞技术是2 0 世纪7 0 年代兴起的一种生物技术。此技术是指利用物 理或化学的方法将游离细胞定位于限定的空间区域，并使其保持催化活性、反复使用 的方法。细胞被固定化后会具有细胞密度高、反应速度快、耐毒害能力强、产物分离 容易、能实现连续操作，可以大大提高生产能力等优势，因此在近几十年来固定化细 胞技术得到了迅速的发展和广泛的应用【啦，3 】。但同时细胞被固定化后也存在一些问 题，如固定化后，新陈代谢减慢，底物和产物扩散受到影响等。 1 微生物的固定化方法 微生物固定化方法有四大类，包括吸附法、交联法、包埋法和共价结合法【4 】。 吸附法是依据带电的微生物细胞和载体之间的静电作用，使微生物细胞固定的方 法。可分为物理吸附法和离子吸附法。物理吸附法是指使用具有高度吸附能力的硅胶、 活性炭、多孔玻璃、石英砂和纤维素等吸附剂将细胞吸附到表面上使之固定化，是一 种最古老的方法，操作简单，反应条件温和，载体可以反复利用，但结合不牢固，细 胞易脱落；离子吸附法根据细胞在解离状态下可因静电引力( 即离子键合作用) 而固 2 着于带有相异电荷的离子交换剂上，女n d e a e 纤维素，c m 纤维素等。吸附法的优点 主要表现在：吸附性能强，具有合乎细胞生长的生理条件。当载体与细胞悬浮液混合 后，细胞便吸附在载体的表面，因为载体是惰性的，并且没有化学试剂参与过程，所 以被固定的细胞处在与悬浮细胞相同的生理条件下，这样就不会影响细胞的生长，也 不会影响细胞的特性和活力。吸附法的缺点是吸附容量小、结合强度低。已经表明： p h 值、离子强度以及无机盐载体的组成等，均对此有影响。 交联固定法是利用双功能或多功能试剂，直接与细胞或酶表面的反应基团( 如氨 基酸、羟基、硫基、咪哇基) 发生反应，使其彼此交联形成网状结构的固定化细胞或 酶。常用的交联剂有戊二醛、甲苯二异氰酸醋等。由于交联固定法化学反应比较激烈， 固定化微生物的活力在多数情况下较脆弱【5 j ，而且这种方法所用的交联剂价格较贵， 成为该方法的限制条件。 包埋固定法是将微生物细胞用物理方法包埋在各种载体之中。这种方法既操作简 单又不会明显影响生物活性，是比较理想的方法，目前应用最多。但这种方法其包埋 材料( 即载体) 往往会一定程度地阻碍底物和氧的扩散，影响水处理效果。对于包埋 法，理想的固定化载体应是对微生物无毒性、传质性能好、性质稳定、不易被生物分 解、强度高、寿命长、价格低廉等【6 】。通常选用海藻酸钙、角叉藻聚糖、聚丙烯酞胺 凝胶( a c a m ) 、光硬化性树脂、聚乙烯醇( p v a ) 等【7 j 。目前聚乙烯醇固定法在日本应用 得较广泛，也是固定化微生物处理废水或分解有毒物研究最多的方法。 共价结合法是利用微生物细胞表面功能团与固相载体表面基团之间形成的化学 共价键相连来固定细胞。具有结合紧密，稳定性好的优点，但是基团结合时反应激烈、 操作复杂、并难以控制。 2 微生物固定化的载体 固定化细胞技术所采用载体的物理化学性质直接影响所固定细胞的生物活性和 体系传质性能。理想的载体材料应具有对微生物无毒性、传质性能好、性质稳定、寿 命长、价格低廉等特性。可分为有机高分子载体、无机载体和复合载体三大判引。有 机高分子载体又可分为天然高分子凝胶载体和合成有机高分子凝胶载体。天然高分子 凝胶载体一般对生物无毒，传质性能较好，但强度较低，在厌氧条件下易被生物分解； 有机合成高分子凝胶载体一般强度较大，但传质性能较差，在进行细胞固定时对细胞 活性有影响，易造成细胞失活。无机载体大多具有多孔结构，在与微生物接触时，利 用吸附作用和电荷效应，从而把微生物固定。它的操作方法是把载体放入含有一定微 生物浓度的溶液中，固定一段时间即可。由有机载体和无机载体材料组成的复合载体 材料，可以改进载体材料的性能。 3 固定化微生物修复技术的应用 固定化细胞技术自问世以来，其应用已涉及到食品、化学、医药、化学分析、环 境保护和能源开发等领域，显示出广阔的发展前景。主要包括：用于生产各种胞外产 物，包括酒精酒类、氨基酸、有机酸抗生素、酶和辅酶，还可用于甾体转化、废水处 理等，同时也用于制造微生物传感器。其中，固定化微生物技术在废水处理中应用较 广，被处理废水的种类主要有：造纸废水、印染废水、含氮废水、含难降解污染物的 有机废水、重金属废水等。l o hk c ，c h u n g ts t 9 】利用聚砜纤维膜包埋假单胞菌处理 高浓度苯酚废水，研究表明，浓度为1 2 0 0m g l 的苯酚在9 5h 内可以完全降解。严国 安【lo j 利用褐藻酸钠包埋小球藻处理重金属汞的研究表明固定藻对汞的去除率明显高 于悬浮藻。宋志文等l i l 】用微生物固定化处理甲醇废水的实验，研究表明，固定化微生 物反应器方法可用于甲醇废水的深度处理。陈元彩等l l2 】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。马红【l3 j 采用固定床反应 器，以海藻酸钠包埋活性污泥进行含n h 3 臭氧处理，气相n h 3 去除率大于9 2 ，千克 固定化湿颗粒的硝化速度( 以n 计) o 6 3g d 一，硝化速度最高可达2 9 3g d - 1 。邵立 明【1 4 】采用海酸钠包埋，c a c l 2 胶联法，利用滴滤塔反应器净化含h 2 s 气体，最大有效处 理h 2 s 的体积负荷可达6 0 0 0 - 6 5 0 0g ( m 3 d ) ，净化效率保持在8 7 以上。 土壤是人类社会生产活动的重要物质基础，是不可缺少、难以再生的自然资源。 目前土壤污染的形势已十分严峻。土壤中有毒有害化学品通过大气和水体传递，危害 人类和动物的生存繁衍与生命安全。由于土壤污染的严重性及其修复的难度，以及对 污染土壤修复的迫切性与需求，污染土壤修复己成为当今环境科学研究的热点与极具 挑战性的领域。土壤污染的防护与治理是土壤和环境科学领域中的一个重要方向。随 着点源污染逐渐得到控制，污染土壤的修复已经提到议事日程上来。人们开始重视研 制、开发土壤污染治理和修复技术，特别是欧美发达国家纷纷制定了土壤治理修复计 划。荷兰在2 0 世纪8 0 年代开始注重此项工作，并已花费约1 5 亿美元进行土壤修复； 9 0 年代美国在土壤修复方面发起并成立了“全球土壤修复网络”，标志着污染土壤的 修复已经成为世界普遍关注的领域之一；德国于1 9 9 5 年投资约6 0 亿美元用于净化土 壤。 将固定化微生物技术应用于土壤污染的研究是一个崭新的领域。中科院沈阳应用 生态研究所对此进行了尝试性的研究，采用聚乙烯醇包埋土著优势菌降解含多环芳烃 的污染土壤，结果表明：经过固定后的细菌和真菌对菲、芘的降解明显高于土著游离 菌【1 5 l6 1 。 4 二、阿特拉津概述 ( 一) 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 8 h 1 4 c i n 5 ，分子量2 1 5 6 9 ，化学结构式为： 图1 - 1 阿特拉津的分子结构 f i g u r e1 - 1s t r u c t u r eo f a t r a z i n c 阿特拉津纯品为无色结晶或粉末，熔点1 7 3 1 7 5 ，2 0 时的蒸汽压为4 0 x 1 0 一p a 。 在有机溶剂中的溶解度与溶剂极性有判1 7 】，正己烷中为0 1 1g l 一，乙酸乙酯中为2 4 g l ，二氯甲烷中为2 8g l ，二甲基亚砜中为1 8 3g l ，2 5 时在水中的溶解 度为0 0 3 3g l 一，甲醇中为1 8g l ，丙酮中为3 1g l 一。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酸或较强碱水解【1 8 】。 阿特拉津属均三氮苯类化合物，是一种广泛使用的三嗪类除草剂【1 9 1 ，主要用于玉 米、高粱、甘蔗、果树、苗圃、林地防除一年生禾本科杂草和阔叶杂草，对某些多年 生杂草也有一定的抑制作用【2 0 。阿特拉津虽然是一种低毒选择性除草剂，但由于其在 土壤中的半衰期长达4 5 7 周，且土壤中的弱吸附使其具有较强的移动性，而阿特拉 津结构稳定，难以降解，对粮食和食品安全构成潜在威胁，长期暴露在受阿特拉津污 染的环境中，势必对生物繁衍及人体健康产生不良的影响【2 峪2 】。 目前，国际上除草剂中销售量最大的有三氮苯类、酰胺类、脲类、二硝基苯胺类 等除草剂，其中三氮苯类以阿特拉津最为突出。1 9 8 0 年，全球释放到环境中的阿特拉 津总计9 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【2 3 】。 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 多个国家仍在使用 这种除草剂。在美国中部，每年数千吨阿特拉津施于玉米田中，占其除草剂使用量的 6 0 t m 。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 0 t ，1 9 9 8 年2 1 3 0 t ，1 9 9 9 年2 2 0 5 t ，2 0 0 0 年为2 8 3 5 2 t t 2 5 1 。n 2 0 世纪9 0 年代，在华北、东北地区得到广泛应用，并且每年以2 0 的速度递增。 ( 二) 阿特拉津在土壤中的环境行为 阿特拉津在土壤中扩散的主要模式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。这个过程与吸附、降解和 订c q l c n 一 夕 心 n f q时炉h 挥发等密切相关。阿特拉津在环境中迁移主要有两个方面：通过固体颗粒和空气等 介质带入大气；通过地表径流和土壤淋溶作用进入河流、湖泊。阿特拉津的水溶性 适中，在土壤中具有中等移动性【2 6 】；并具有较小的土壤吸附系数厨和吸附常数如， 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 。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 8 】。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1 2 9 】：农药在土壤中的吸附般可用f r e u n d l i c h 吸 附等温线经验公式来描述 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；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 0 】。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、p h 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。阿特拉津具有一定的水 溶性，能够发生水解，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 】。h o r r o b i n 【3 1 1 和r u s s e l l 3 2 】等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予包围着，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。 ( 三) 阿特拉津的污染状况及带来的环境问题 阿特拉津在世界范围内广泛应用近4 0 年，对土壤、地表水、地下水造成严重污 染，由此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的国家地表水和 地下水都受到不同程度的污染。美国环保暑规定饮用水中阿特拉津的含量不得超过3 ug l ，但在严重污染的地区，阿特拉津在土壤中的浓度可达到1 1 0 0m g k g ，表 面水中1 6 ug l ，地下水中1 5 0 0 ug l 1 p 引。我国管理和监控阿特拉津比较晚，1 9 9 6 年制定了农作物中阿特拉津的最大残留限量标准，玉米、甘蔗中的含量o 。0 5m g k 一 ( g b1 6 3 2 3 1 9 9 6 ) ；2 0 0 2 年规定地表水在i 、i i 、i i i 类水域中的特定项目标准值为 0 0 0 3m g l ( g b3 8 3 8 2 0 0 2 ) 。 除草剂阿特拉津的结构比较稳定，虽是一种低毒除草剂，但由于该除草剂的持效 期长，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。所以在使 用过这种除草剂的土壤中及邻近的地下水和地表水中，其浓度远远超过最大允许值， 对环境造成严重污染。阿特拉津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，阿特拉津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 6 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津对果树、蔬菜及大豆的药害作用。 阿特拉津对动物也有一定影响。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，阿特拉津对濒危鱼类、水生无脊椎动物以及陆生和 水生植物可造成危害。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 别逆转作用【3 4 1 。阿特拉津浓度 0 1ug l 以时，蛙类出现雌雄同体现象【3 5 1 。 阿特拉津对人体也具有一定毒性。美国，日本和欧盟等国均把阿特拉津列入内分 泌干扰剂化合物名单( 3 叫。长期暴露在阿特拉津的环境中，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【3 7 】。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，阿特拉津对女性内分泌系 统造成的严重后果仅次于d d t i 邛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【3 9 ，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 4o 4 0 , 4 1 】。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。c a p r i e l 【4 2 】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 去除。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。 ( 四) 阿特拉津在环境中的降解 1 阿特拉津降解菌的国内外研究现状 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【4 3 m 】。阿特拉津生物降解机理的研究也 获得了迅速发展。近些年来，国内对阿特拉津生物降解的研究报道也逐渐增加【4 毛矧。 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 菌主要是假单孢菌属( p s e u d o m o n a s ) 4 4 , 4 7 】和红球菌属。在诺卡氏菌( n o c a r d i a ) 1 4 5 】、不 动杆菌属口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 ) 、蜡状芽孢杆菌属( b a c i l l u s c e ，| e u s ) 中也分离到阿特拉津的降解菌株。y a n z ek o n t e h o n 等h 7 】从混菌中分离到能以 阿特拉津为唯碳氮源的假单孢菌y a y a 6 ，该菌在降解初期将环上2 0 的碳以c 0 2 形式释放出来，当以阿特拉津为唯一碳氮源时，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 掣4 4 】从土壤中分离到以阿特拉津为唯氮源且可以 降解高浓度( 1 0 0 0l ag m l 。) 阿特拉津的假单孢菌株a d p 。9 1 0 9 个细胞l 的细菌 在1 5h 即可降解1 0 0ug m l 1 的阿特拉津，并有8 0 环上的碳以c 0 2 形式释放。 7 g i a r d i n l 4 8 1 及b h e k i 4 9 】等报道，葡萄糖的加入也可促进阿特拉津的降解。张兰英等【5 0 】 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滓高效降解 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。胡江等【5 l j 从除草剂污染的土 壤中驯化分离得到1 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 0m g l 。1 的阿特拉津。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 m s p ) 。王松文等1 5 2 】利用假单胞菌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