土壤农药污染的降解与修复

1、北京化工大学研究生课程论文课程名称： 环境毒理学 课程代号：Env504任课教师： 林爱军 完成日期： 2011 年11月2日专 业：环境科学与工程学 号：姓 名：张知非 成 绩：土壤农药污染的降解与修复张知非（北京化工大学环境科学与工程系，）摘要：本文介绍了土壤中农药污染的现状与危害，综述了土壤农药污染的修复技术，重点分析了植物和微生物对土壤农药污染的修复机理，介绍了影响植物修复和微生物修复的主要因素，并对植物修复技术和微生物修复技术应用于农药污染土壤研究进行了展望。关键词：土壤；农药污染；植物修复；微生物修复；展望1. 引言化学农药作为保障农业丰收的重要手段，在农业生产中发挥着非常重要的作

2、用。然而，由于人们长期的不科学的用药，剧毒、高残留、难降解农药的大量使用，我们面临着不断增加的土壤、地下水和大气农药污染的环境问题【1】。国家质检总局公布的最新数据显示，目前我国农药年产量已达40万t，居世界第2位(全世界12亿磅，1997年)。我国农业防治约需农药25万t，而农药的利用率只有1020，其余进入农作物、土壤。2000年太湖流域农田土壤中15种多氯联苯同系物检出率为100，六六六、DDT超标率为28和24，上海市郊区农田中的DDT含量严重超标，南京市菜地土壤中六六六和DDT的检出率为100。据统计，我国被污染的土壤面积已达到1300万1600万hm2，经济损失达10亿元之巨。夏威

3、夷耕地土壤中同样也发现禁用了15年的七氯和七氯环氧化物严重超标【2】。由此可见，世界各地土壤中的农药污染问题已经到了非常严重的地步。鉴于农药残留的持久性、农药施用的普遍性和农药污染的严重性，土壤农药污染的修复成为必须解决的重大问题，引起了众多科研工作者的高度关注。2. 农药污染的修复农药污染的修复一般有物理、化学和生物修复等方法，但通过像焚烧、填埋等物理化学方法处理被认为是逻辑上不可行、昂贵或是环境不友好的方式【3】。对于像土壤和地下水污染的原位修复，应用生物学的方法是非常具有潜力和竞争力的。2.1 植物修复介绍 植物修复技术即利用植物能忍耐和超量积累环境中污染物，利用植物的生长来清除环境中污

4、染物的方法【4】。植物修复农药污染环境的机理很复杂，经历的过程可能包括吸附、吸收、转移、降解、挥发等。植物修复的5种方式【5】。植物提取。植物直接吸收有机污染物并在体内蓄积，植物收获后才进行处理。收获后可以进行热处理、微微生物处理和化学处理。植物降解。植物本身及其相关微生物和各种酶系将有机污染物降解为小分子的CO：和H：0，或转化为无毒性的中间产物。植物稳定。植物在与土壤的共同作用下，将有机物同定并降低其生物活性，以减少其对生物与环境的危害。植物挥发。植物挥发是与植物吸收相连的，它是利用植物的吸取、积累、挥发而减少土壤有机污染物。根际作用。利用植物根际圈微生物及根释放的各种酶的降解作用来转化有

5、机污染物，降低或彻底消除其生物毒性，从而修复有机污染土壤。2.1.1 可降解的植物种类选择物种类是植物修复的关键因子。如何寻找、选用土壤有机污染植物修复的特性植物是当前该领域的难点和前沿问题之一。不同植物的蒸腾作用强度不同，对污染物的稀释转运能力不同。另外，由于组织成分不同，不同植物的积累、代谢污染物的能力也不同。脂质含量高的植物对亲脂性有机物的吸收能力强。植物种类不同对污染物的稀释机制存在差异，即使同类作物间也会有所区别。植物不同部位累计污染物的能力不同，对多数植物来说，根系累计污染物的能力大于茎叶和籽实。植物不同生长季节，由于代谢活动强度不同，吸收污染物的能力也不同。植物根系形态对植物吸收

6、污染物有显著影响，须根比主根具有更大的表面积，且经常处在表层，而土壤表层比下层含有更多的污染物，因此，须根吸收污染物的量高于主根。另外，根系类型不同，根面积、根分泌物、酶、菌根等的数量和种类都不同，导致根际对污染物的降解能力存在差异【6】。土壤的性质也对降解植物的选择有着一定的影响。土壤物理性质如：土壤颗粒组成、酸碱性、矿物质和有机质含量、土壤水分等，对植物吸收污染物具有显著的影响。土壤颗粒组成直接关系到土壤颗粒比表面积的大小，影响其对有机污染物的吸附能力，从而影响污染物的生物可给性。土壤酸碱性不同其吸附有机物的能力也不同。土壤矿物质和有机质含量是影响有机污染物可给性的最重要的两个因素。矿物质

7、含量高的土壤对离子性有机污染物吸附能力较强，降低其生物可给性；有机质含量高的土壤会吸附或者固定大量的疏水性有机物，降低其生物可给性。植物主要从土壤水溶液中吸收污染物，土壤水分能抑制土壤颗粒对污染物的表面吸附能力，促进其生物可给性；但水分过多，会因根际氧气不足而减弱对污染物的降解能力【6】。2.1.2 植物修复的机理大量研究表明，植物对土壤中农药的修复主要有3种机制【7】： 植物的直接吸收和降解植物 从土壤中直接吸收有机物，将没有毒性的代谢中间体储存在植物组织中，这是植物去除环境中的中等亲水性有机污染物(辛醇水分配系数log Kow = 0.5-3.0)的一个重要机制。疏水有机化合物(log K

8、ow>3.0)易于被根表强烈吸附而难以运输到植物体内，比较容易溶于水的有机物不易被根表吸附而易被运输到植物体内【7】。化合物被吸收到植物体后，植物根对有机物的吸收直接与有机物的相对亲脂性有关。植物吸收有机污染物的途径及其影响因素一般认为，植物通过根部吸收有机污染物的途径有3条【】：质外体、共质体和质外体共质体。这些化合物一旦被吸收后，会有多种去向：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部分，也可通过挥发、代谢或矿化作用使其转化成CO2和H2O，或转化成为无毒性的中间代谢物如木质素，储存在植物细胞中，达到去除环境中有机污染物的目的【8】。有机污染物直接被植物吸收取决于植物的吸

9、收效率、蒸腾速率以及污染物在土壤中的浓度。而吸收率反过来取决于污染物的物理化学特征、污染物的形态以及植物本身特性。蒸腾率是决定污染物吸收的关键因素，其又决定于植物的种类、叶片面积、营养状况、土壤水分、环境中风速和相对湿度等【9】。 植物释放酶的降解作用植物 可释放物质到土壤中，包括酶及一些糖、醇、蛋白质、有机酸等。植物释放到根际土壤中的酶可直接降解农药等有机污染物。研究发现，某些能够降解污染物酶来源于植物而不是微生物，人们利用植物根中的硝基还原酶对含硝基有机污染物进行降解，相似研究还发现植物中的脱卤素酶和漆酶可被用来降解含氯有机物。与植物酶有关的有机物降解非常快，致使化学污染物从土壤中的解吸和

10、转移成为限速步骤【10】。植物释放酶可刺激根际微生物的活性，它们与脱落的根冠细胞一起为根际微生物提供重要的营养物质。促进根际微生物的生长和繁殖。并且，其中的有些分泌物也是微生物共代谢的基质。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。对多环芳烃降解的研究显示，植物使根际微生物密度增加。多环芳烃的降解增加。植物酶对各种杀虫剂、除草剂等外源有机物的降解起着重要的作用，但植物修复还需靠整个植物体系来实现。游离在土壤中的酶会在不利环境条件如不适宜的酸碱度、过高的金属离子浓度或细菌毒素等情况下被摧毁或钝化。而植物的生长可以中和土壤中的pH、吸着或螯合重金属，

11、酶被保护在植物体内或吸附在植物表面，不会受到损伤，从而保持其降解活性【11】。 根际微生物的联合矿化作用 根际是受植物根系影响的根土界面的一个微区，也是植物土壤微生物与其环境条件相互作用的场所，这个区与无根系土体的区别即是根系的影响。由于根系的存在，增加了微生物的活动和生物量。微生物在根际区和根系土壤中的差别很大，一般为520倍，有的高达100倍，这种微生物在数量和活动上的增长，很可能是使根际非生物化合物代谢降解的因素。而且植物的年龄、不同的植物的根，例如有瘤或无瘤，根毛的多少以及根的其他性质，都可以影响根际微生物对特定有毒物质的降解速率。根际微生物的群落组成依赖于植物根的类型(直根、丛根)、

12、物种类、植物年龄、土壤类型以及植物根系接触有毒物质的时间。根际区的CO2浓度一般要高于无植被区的土壤，根际土壤的pH值与无植被的土壤相比较要高l2个单位。氧浓度、渗透和氧化还原势以及土壤湿度也是植物影响的参数，这些参数与植物种和根系的性质有关。根系与土壤物理、化学性质不断地变化，使得土壤结构和微生物环境也不断变化。植物和微生物的相互作用是复杂的，互惠的。植物根表皮细胞和根细胞的脱落，为根际的微生物提供了营养和能源，如碳水化合物和氨基酸，而且根细胞分泌粘液(根生长穿透土壤时的润滑剂)和其他细胞的分泌液构成了植物的渗出物，这些都可以成为微生物重要的营养源。另外，植物根系巨大的表面积也是微生物的寄宿

13、之处。微生物群落在植物根际区繁殖活动，根分泌物和分解物养育了微生物，而微生物的活动也会促进根系分泌物的释放。最明显的例子是有固氮菌的豆科植物，其根际微生物的生物量、植物生物量和根系分泌物都有增加。这些条件可促使根际区有机化合物的降解。植物促进根际微生物对有机污染物的转化作用，已被很多研究所证实。植物根际的菌根真菌与植物形成共生作用，有其独特的酶途径，用以降解不能被细菌单独转化的有机物。植物根际分泌物刺激了细菌的转化作用，在根区形成了有机碳，根细胞的死亡也增加了土壤有机碳。这些有机碳的增加可阻止有机化合物向地下水转移，也可增加微生物对污染物的净化作用【12】。2.2 微生物修复介绍 微生物代谢方

14、式丰富多样，底物范围广，从复杂的有机大分子如纤维素、木质素甚至包括人造的高聚化合物尼龙到简单无机小分子如H2和C02。作为生态系统的重要成员，微生物必将在污染物的去除中发挥重要的作用，成为生物修复中的主力军。2.2.1 可降解的微生物物种类【13】农药的微生物降解研究从最早的有机氯农药DDT开始已有几十年的历史。世界各国的科研工作者分离筛选了大量的降解性微生物【15】，国内的研究工作者也在这方面做了大量工作，南京农业大学分离鉴定了多株高效降解菌株，建立了目前我国农药微生物降解最大的菌株种质资源库。已报道的能降解农药的微生物包含细菌、真菌、放线菌、藻类等，大多数来自于土壤微生物类群(表1)。细菌

15、由于其生化上的多种适用能力以及容易诱发突变等特性从而占了主要的地位，其中假单胞菌属菌株是最活跃的菌株，对多种农药等化合物有分解作用。2.2.2 农药微生物降解的代谢途径与降解基因 许多顽固性农药的好氧，厌氧生物降解途径已经被阐明，其中芳香环簇类农药的代谢中包含了许多羟基化开环的过程，单加氧酶将一个氧原子加入底物形成羟基或双加氧酶将两个氧原子加入底物形成两个羟基团导致开环作用【16】，这一步骤在农药的矿化反应中起着非常重要的作用。然而，在有些情况下，农药的代谢是从支链的降解开始的。美国Minnesota大学的生物降解与生物催化数据库(Biodegradation and Biocatalyst

16、Database)收集了农药等化合物的139条代谢途径、910个反应、577种酶、328个微生物条目、247条生物转化规律、50个有机功能群、76个萘的1，2-双加氧酶反应109个甲苯双加氧酶反应，其中包含了许多农药的微生物降解代谢途径和酶类，像对硫磷、阿特拉金、2,4-D、BHC、4-硝基苯酚、四氢呋喃、S三嗪、DDT、2,4,5-T等农药的代谢途径和降解机制已经被详细列出【】。在研究了相关代谢途径的基础上，科研工作者在降解性基因方面也作了大量的研究工作，对一些降解性基因进行了定位，克隆了一些降解性相关基因(表2)。并对降解性基因进行高效表达，研究降解酶的酶学特性，构建多功能高效降解菌株【1

17、7】，这些研究一直受到了科研工作者们的关注。2.2.3 农药微生物修复的影响农药本身的物理性质，尤其是内部化学键、浓度、水溶性、分子极性、生物可利用性、化合物的吸附性、降解代谢的基因池存在与否【18】和环境因子(温度、盐度、pH、氧化还原电位、营养可利用程度)等是影响农药等顽固性化合物生物降解和修复的主要因素。微生物对环境污染物的修复能否最终实现不仅仅依赖于其降解能力本身，而且依赖于污染物的生物可利用性以及细菌与土著微生物之间的竞争能力等其他因素。化合物存在的界面尤其重要，因为其不仅影响农药的吸附性，而且能影响不同的微生物类群形成和基因的水平转移性【19】。因此，污染物的生物可利用性成为成功生

18、物修复的重要障碍之一，增加污染物的溶解性和生物可利用性是生物学方法进行成功修复的必要条件。近几年来，科研工作者开始研究细菌的趋化性和调控污染环境中降解基因的水平转移来增强细菌的生物修复效果。3. 前景与展望3.1农药污染土壤的微生物修复的前景与展望 在各种消除农药污染的措施中，微生物修复虽然受农药的种类、环境条件等因素的限制，但因其高效、安全、成本低、无二次污染等而最具有发展前景，这方面的研究将持续快速发展，并推动应用的步伐。总之，随着研究的进一步深入，随着对农药微生物修复技术规律的逐渐掌握，农药生物修复将会有非常广阔的发展空间，在农药环境污染的治理中发挥更大的作用。在今后一段时间内，微生物修

19、复技术研究将在以下几个领域进一步展开：(1) 白腐真菌的应用研究；(2) 环境微生物种资源和基因资源的收集与保护；(3) 高分子有机污染物降解过程中的共代谢机理；(4) 代谢工程与生物修复相结合，解决难降解污染物的生物降解问题；(5) 研究微生物在生态系统中的组成中相互关系(信息交流)；(6) 污染环境中的降解性微生物分子生态研究；(7) 增强微生物降解性能的其他属性(如趋化性)研究；(8) 土壤宏基因文库中降解性能基因的筛选；(9) 通过遗传工程构建高效降解的微生物菌株；（10) 生物降解潜力的指标与生物修复水平的评价；（11）污染环境的生物全细胞检测；（12）生物修复与理化方法结合的综合技

20、术的研究；(13) 污染物的资源化及生物修复的产业化等。3.2农药污染土壤的植物修复的前景与展望高效修复植物的筛选 针对不同种类和不同浓度的农药污染物，筛选对污染物耐受性强、去除率高、生物量大的植物，研究环境因素对其修复效果的影响。由于污染物的种类繁多，按常规方法去筛选符合要求的植物、微生物既要花费大量的时间，又要花费大量的人力和物力。有必要进行对农药污染物污染土壤环境的高效修复植物微生物联合体的筛选技术研究。这一研究领域包括富集特定有机污染物植物的筛选指标、方法建立以及运用分子生物学技术、从基因水平上来研究植物根际微域微生物多样性，如应用RAPD(随机扩增多态性DNA)分子生物学检测技术、以

21、及ARDRA(Amp lifted rDNA Restriction Analysis)技术，以精确发现降解特定有机污染物的微生物【】。但是，转基因技术的环境安全性目前尚无定论，这还需要其他学科提供安全评估。由于环境中的污染物成分复杂，且常共同存在，因此筛选能同时耐受并降解多种污染物的超级植物也将是一个非常有意义的课题【20】。污染物的生物可利用性研究 植物的修复效果很大程度上受污染物的生物可利用性影响，因为植物吸收和酶降解污染物的速度通常较快，污染物在土壤中的迁移就成为控速步骤。农药在土壤中与腐殖酸形成稳态的失去生物活性的农药结合残留，可能是导致植物修复中土壤中游离态农药减少的原因之一。据报

22、道有90的化学农药在土壤中会形成结合残留，其结合残留量可占施药总量的2070【21】。因此，研究各种条件下土壤中农药等污染物的吸附-解吸机理将为修复方案的设计提供依据。在植物修复土壤农药污染时，选用合适的添加剂增溶污染物的研究还很少，今后应该加强这方面的研究。污染物在植物体内的转化机理研究 植物根系在遇到有毒有害有机污染物时，先会产生一种化感物质，这种物质诱导植物分泌特定的分泌物。因此，有必要对植物分泌特定根系分泌物的机理及其影响因素进行研究。系统地研究污染物在植物体内的代谢转化机理对筛选修复用植物和制订修复方案有决定性作用。土壤基质中有害物质通过吸收与代谢从土壤中转移到植物组织，这种转移是否

23、为有毒害物质的累积过程，有害化学物质如果未被生物降解而直接被植物吸收累积存在于植物体内，则对当地的野生动物和人类构成一种潜在的威胁。深入研究农药等污染物在植物体内迁移、转化和代谢的动力学，确定控速步骤，以便控制修复效果，研究开发分析植物组织中污染物及其代谢产物的新型、高效可靠的分析方法与设备也是很有意义的课题【22】。多种修复技术联合的研究 植物的分泌物和酶有助于微生物的生命活动，而微生物的活动为植物提供各种营养成分，因此这两者能达到互助共进的境界，对污染物的降解和去毒化有着很大的潜力，但如何配置还是有待研究的热点与难点。土壤中一些动物的活动也可能改变污染物的存在形态以有利于植物的吸收和降解该

24、污染物。研究表明，土壤中的一些大型土生动物如蚯蚓和某些鼠类，能吸收或富集土壤中的残留农药，并通过其自身的代谢作用把部分农药分解为低毒或无毒产物【23】。因此，建立植-微生物-动物的联合修复技术可能会大大提高土壤中污染物的清除效率。参考文献：1.杨小红；李俊；葛诚；沈德龙 微生物降解农药的研究新进展期刊论文-微生物学通报 2008 062 Fatigoni C; Marcarelli M; Monarca S Effects of synthetic pyrethroids on mammalian chromosomes 2007 073 Rieger PG; Meier HM; Gerle

25、M; Vogt U, Groth T, Knackmuss HJ Xenobiotics in the environment: present and future strategies to obviate the problem of biological persistence 2009 034 祝鹏飞；宁平 有机污染土壤的植物修复 2006 035 FLATHMAN P E; LANZA G R Phytoremediation: Current Views on an Emerging Green Technology 2002 066 WATANABE M E Phytoreme

26、diation on the Brink of commericalization 2008 097 桑伟莲；孔繁翔 植物修复研究进展环境科学研究进展，2009 078 林道辉；朱利中；高彦征 土壤有机污染植物的机理与影响因素期刊论文-应用生态学报 2003 109 吴畏； 张晓枫 土壤沉积物中多氯代有机物的生物降解行为及修复 2001 0210 王书锦；胡江春；张宪武 新世纪中国土壤微生物学的展望期刊论文-微生物学杂志 2008 0611 刘惠君；刘维屏 农药污染土壤的生物修复技术期刊论文-环境污染治理技术与设备 2007 0712 REILLEY A; BANKS M K; SCHWAB A P Disspation of PAHs in the rhizosphere外文期刊 2006 0313 Ding Keqiang; Luo Yongming; Sun Tieheng; Li Peijun Bioremediation of soil contaminated with petroleum Usin