土壤的农药污染及修复技术

l我国土壤农药污染的现状目前，全球生产和使用的农药已达1300多种，其中广泛使用的约为250多种。我国已迈人世界农药生产大国。1990年农药产量为22．66万t，1994年农药产量为26．6万t，约占世界农药总产量的1／10。现在，我国每年大约要施用80-100多万t的化学农药，有机磷杀虫剂占40％，高毒农药占37．4％，有的化学性质稳定，存留时间长。这些农药无论以何种方式施用，均会在土壤残留，而且在我国农药的有效利用率低，据测定仅为20％～30％(发达国家的农药利用率达60％-70％)。若按单位面积平均施药量计算，我国农药用量是美国的2倍多。大量的农药流失到土壤中，造成土壤环境的严重污染，影响了农业的可持续发展。据初步统计，全国至少有l300-1600万hm2耕地受到农药污染。有机磷和有机氯农药是造成土壤农药污染的主要种类。目前，世界上的有机磷农药商品达上百种，在我国使用的有机磷农药约30余种，使用量为20万t，其中80％以上是剧毒农药，如甲胺磷、甲基对硫磷、对硫磷、久效磷、敌敌畏等，其中甲胺磷的使用量一年就高达6．5万t。目前，我国有机磷农药占据农药主导地位的局面难以在短期内改变，仍将长期使用。有机氯农药是造成土壤农药污染的另一大类。在瑞典通过的《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》需要首批控制的农药名单中有9种属于有机氯农药。我国有机氯农药的主要污染地区集中在华北和华东地区，在土壤、农产品、河流沉积物中都检测到了该类农药的残留。虽然随着时间的推移，这些禁用有机氯农药的残留在逐渐降低，但目前仍在使用的有机氯农药如三氯杀螨醇、五氯酚和五氯酚钠等，同样造成土壤、植物和水源的污染。其他土壤有机污染物还包括氨基甲酸酯类、有机氮类杀虫剂和磺酰脲类除草剂，这些种类的农药毒性较低，但因使用范围扩大，其对土壤造成的污染亦不容忽视。近年来的研究发现，许多化学农药具有环境激素效应，其在土壤和植物体上的残留对人和动物内分泌系统产生干扰作用，影响生殖繁衍，造成雌性化、腺体病变和后代生命力退化。1998年，FAO曾经公布一系列具环境激素类效应的农药，包括除草剂11种、杀菌剂12种和杀虫剂30种，以及一些植物生长调节剂。这些农药在一些发达国家和地区已被禁用或限制使用，并成为该地域农副产品贸易的安检对象，成为发展中国家农副产品出口的一道新的绿色壁垒。2农药污染对土壤生态系统的影响2．1土壤农药污染对农作物的潜在影响主要是通过植物根系的吸收被转运到植物组织或收获的产品中，农药在植物体内残留影响植物的生长，进入收获品中则影响农产品的质量和使用价值。2．2土壤农药污染对土壤生物的影响土壤生物主要包括细菌、真菌、原生动物和后生动物，它们是土壤性质及维持土壤生态系统平衡的关键。然而，大多数的农药对土壤生物都有一定的毒杀作用。例如，一些杀虫剂都对蚯蚓有较强的杀伤力，如对硫磷和多菌灵在培养14d的条件下，引起蚯蚓50％死亡的浓度分别是74．52mg／kg和4．27mg／kg。农药影响土壤微生物的种群和种群数量，由于微生物数量的变化，土壤中的氨化作用、硝化作用、反硝化作用、呼吸作用以及有机质的分解、代谢和根瘤菌的固氮等过程受到不同程度的影响，使土壤生态系统的功能失调，系统中出现某些物质的积累或某些物质的匮乏，进一步影响到土壤生物的生长和代谢。3土壤农药污染物的降解土壤中农药的降解包括光化学降解、化学降解和微生物降解。下面作简单的介绍。3．1光化学降解农药在光照下可吸收光辐射进行衰变、降解。光解仅对少数稳定性较差的农药起明显的作用。例如，除草剂经光化学降解可生成盐酸甲胺：由于土壤中农药的光解多在表层进行，所以光化学降解在农药降解中的贡献较小。但光解作用使某些农药降解变成易被微生物降解的中间体，从而加快农药的降解。3．2化学降解农药的化学降解可分为催化反应和非催化反应。非催化反应包括水解、氧化、异构化、离子化等作用，其中水解和氧化反应最重要。水解作用：如有机磷酯杀虫剂在土壤中发生水解反应：有机磷酸叔酯的水解反应可表示如下：氧化作用：有人曾经用氯代烃农药进行氧化试验，指出林丹、艾氏剂和狄氏剂在臭氧氧化或曝气作用下都能够被去除。实验证明，土壤无机组分作催化剂能使艾氏剂氧化成为狄氏剂；铁、钴、锰的碳酸盐及硫化物也能起催化氧化及还原反应。许多农药能降解氧化生成羧基、羟基。如P，P’-DDT的脱氯产物P，P’-DDD可进一步氧化为P，P'-DDA：在农药的化学降解中，土壤中无机矿物及有机物能起催化降解作用，如催化农药的氧化、还原、水解和异构化。例如，碱性氨基酸类及还原性铁卟啉类有机物可催化有机磷农药的水解和DDT脱HCl；Cu2+能促进有机磷酯类农药的水解；黏粒表面的H＋或OH一能催化狄氏剂的异构化和阿特拉津及DDT的水解反应；土壤中游离氧以及H20等也能对某些化学农药的化学降解起催化作用。3．3生物降解微生物对农药的降解是土壤中农药最主要也是最彻底的净化。土壤中农药微生物降解的反应较多，也很复杂，其中比较重要的微生物降解反应有氧化、还原、水解、开环作用等。而对农药有降解能力的微生物有细菌、放线菌、真菌等。氧化作用：氧化是微生物降解农药的重要酶促反应，有多种形式，如羟基化、脱烷基、B一氧化、脱羧基、醚键开裂、环氧化、氧化偶联、芳环或杂环开裂等。还原作用：某些农药在厌气条件下发生还原作用，如在厌气条件下氟乐灵中的硝基被还原为胺基。水解作用：许多无机酸酯类农药（对硫磷、马拉硫磷)和苯酰胺类农药在微生物作用下，酰胺和酯键易发生水解作用：又如：环破裂作用：许多细菌和真菌能使芳香环破裂，这是环状有机物在土壤中降解的重要步骤。如2，4一D在无色杆菌作用下发生苯环破裂：在同类化合物中，影响其降解速率的因素有：化合物取代基的种类、数量、位置以及取代基团的大小。苯类化合物中，不同取代基对各种微生物抗分解的顺序为：-NO2-S03H-OCH3-NH2－COOH-OH。同类化合物中，取代基的数量愈多，基团的分子愈大，就愈难分解。脱氯作用：许多有机氯农药可在微生物作用下脱氯，如P，P’-DDT脱氯转变成P，P’-DDD；又如林丹(γ-666)经梭状芽孢杆菌和大肠杆菌作用，脱氯成为氯苯和苯：脱烷基作用：烷基与N、0或s原子连接的农药容易在微生物作用下进行脱烷基降解。应当指出，农药的降解过程是非常复杂的。一种农药在其降解过程中常常包含多种不同类型的化学反应(或降解作用)。例如，杀虫剂乙酰基磷酸酯(毒虫畏)的微生物降解历程如下：在微生物的作用下，母体物(I)生成脱乙基毒虫畏fⅡ)，或者由水解或氧化作用经由一个中间体生成2，4一二氯苯乙酮(Ⅳ)，再还原为l一(2，4一二氯苯基)乙醇(V)，再氧化为二醇(Ⅵ)，从(Ⅵ)起可能有第二条途径，即异构化为环氧化物2，4一二氯苯环氧乙烷(Ⅶ)，然后Ⅵ和Ⅶ氧化生成对氯苯甲酸fⅧ)。4土壤农药污染修复技术的发展趋势微生物以其生长繁殖速度快、代谢类型多、能降解多种农药进行生长的特点而逐渐成为化学农药的克星。因此我们可以充分利用微生物对农药的降解作用，采用更加有效的方法来治理土壤的农药污染。4．1有针对性地引入目标污染物的降解菌南京农业大学分离到高效农药残留降解菌株达500多株，建立起国内最大菌种库，建立了田间应用操作规程和菌剂生产行业标准，推广应用面积在20万hm2以上，产生经济效益5亿余元，投入产出比在l：5以上。4．2降解农药的酶（制剂）及其应用农药的降解方式主要有酶促与非酶促两种，而微生物的降解作用主要是通过其分泌酶来完成的。常见的降解酶类主要有水解酶类(包括磷酸酶、对硫磷水解酶、酯酶、硫基酰胺酶、裂解酶等)以及氧化还原酶类(过氧化物酶、多酚氧化酶1。如，Lewis等由黄杆菌分离到一种酯酶或磷酸酯酶，可降解对硫磷，显著降低原药毒性；同时还可水解另外10余种有机磷农药，如久效磷、对氧磷和马拉硫磷等。Kaufman和Kearney从假单胞菌中分离到能切断氯苯胺灵酰胺键或酯键的降解酶。Wallnofer和Bader则发现球形芽孢杆菌无细胞抽提物具有酰胺酶活性，可降解苯胺类除草剂。刘建平等和钞亚鹏等分别从甲基营养菌中分离到甲胺脱氢酶和甲胺磷降解酶，对催化农药甲胺磷降解非常有效。Bollag从节杆菌得到了一种多功能氧化酶，可降解2，4-D和3，5-Z．氯酚。而且酶可能比细胞更能忍受不良环境f如不适宜的pH和温度、高盐和高溶剂浓度等)，例如，对硫磷水解酶能够耐受10％的盐浓度和1％的有机溶剂浓度，以及50℃的高温。而假单胞菌在这样的条件下，则不能正常生长繁殖。虞云龙等将产碱菌YF-ll产生的酶固定化后，不仅对氰戊菊酯的净化效果好，还可以降解多种有机磷和拟除虫菊酯类杀虫剂。因此，认为用酶处理农药污染的土壤有很大的应用潜力。但需要考虑酶法处理可能造成的二次污染及酶作用需要的生产成本问题。4．3微生物降解酶基因的克隆和表达近年来，伴随着分子生物学的发展，国内外已经有多个有机磷农药降解酶基因被克隆，主要来源于黄杆菌、假单胞菌、单胞菌、节杆菌、邻单胞杆菌、土壤杆菌和紫色杆菌等。降解酶基因的研究也被用于新型高效降解菌的分离上。Chakrabartyk在分离2,4,5-T的降解菌时加入了含有降解质粒CAM，TOL，SAL，pAC21和pAC25等的多种微生物，共同培养8～10个月，筛选出高效降解2,4,5-T的恶臭假单胞菌ACI100，其细胞内含有pDG3、pDG4等多种质粒，该种质粒工程菌在6周内可将l000mg／L的2,4,5-T降解至500mg／L。采用基因重组技术构建高效工程菌是目前的重要研究方向之一。Haug-land等将可降解2,4,5-T的恶臭假单胞菌ACl100菌株和2,4-D降解菌Alicaligeneseuto-phusJMPl34进行细胞融合，使JMPl34的降解质粒转入ACl100菌株，得到一株新工程菌RHJl，可同时降解2,4-D和2,4,5-T。5发展前景和存在问题通过对土壤的农药污染进行物理、化学和生物修复，可以消除土壤中六六六、DDT和呋喃丹等农药残留，提供清洁农业生产环境；消除土壤中的残留长效除草剂，解除对下茬作物的抑制；消除农作物生产环境中菊酯、有机磷等农药造成的污染，生产绿色农产品。但值得注意的是，某些有机污染物在生物修复过程中还产生不同程度的次生代谢产物，其中有些产物的毒性比其母体污染物的毒性更大，往往会导致所处理土壤的生态毒性增强。因此如何对污染土壤的生物修复进行评价成为需要解决的重要问题。天津农业科学，2007(l)权桂芝(大津农学院西校区，大津300384)