土壤有机农药污染的降解机理与生物修复技术

土壤有机农药污染的降解机理与生物修复技术

罗玉虎 1， 2,3,4王娜 1,2,3,4

1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075

2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075

3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075

4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075

摘要:微生物修复技术是指利用自然或通过人工敢于微生物在适当条件下促进或加强微生物的新陈代谢以减少或降解无毒物质。本文论述了污染土壤、化学污染、重金属污染和矿山生态修复中微生物的修复机理，并且总结了土壤污染的新特性和提出了今后的研究方向。

关键词：土壤；有机农药污染；生物修复技术

引言

由于病、虫、草三害所致的我国的农业损失约占全国粮食总产量的二分之一。有机农药的应用能弥补这部分的损耗。现在全世界都在生产和使用有机农药，我国是世界上最大的农药生产国，我国在全国农药产量占很大的比重。有机农药在今后一段时期内仍然是保持产量、增产、保持粮食持续稳定增长的主要途径，目前国内外对有机农药的环境行为和修复技术的研究还很少。目前我国农药中有机磷占75%以上高毒性品种占一半以上。乐果、甲胺磷、对硫磷、对硫磷、敌敌畏进行了对比分析。目前我国的农业受到了农药的污染导致有机磷农药是造成耕地质量下降的主要因素。通过调查发现原机磷农药厂址十年后对不同深度的土壤进行了检测，结果表明土壤中的有机磷浓度依然较高。根据国家环境保护局监测在黄河三角洲地区在果园蔬菜保护地耕作5年多的耕地中发现有机磷的检出率在80%以上。研究发现目前我国农药残留超标对农产品、土壤乃至海洋环境都产生了一定的影响。有机磷农药的水解、光解反应速度较慢不易完全分解成小分子，因而仅能作为一种辅助方法使用。随着生物技术的发展有机磷农药的降解研究也越来越深入，并在生物降解方面的作用给予了充分的肯定。目前土壤污染已成为一个世界性的环境问题传统的物理和化学方法都存在着难以完全清除的问题为了不造成二次污染给环境和人们的健康造成威胁，生物修复技术则是通过生物有机物特别是微生物的降解过程对污染物进行降解，从而达到高效、安全、经济的目的。利用微生物来处理各种污染类型的土壤是目前国内外微生物领域的一个重要课题。

一、微生物修复的基本概念和基本理论

(一)微生物修复概念

微生物修复技术是通过在一定的环境中,利用自然形成的或经过培育的功能性微生物,促进或增强微生物的代谢能力,以减少或降解为无害物质。微生物具有微小的个体、快速的繁殖能力、高度的适应性和易变性,能够在变化的环境中形成新的、自发的变种,也可以通过形成新的酶,使其具有适应新环境的新代谢能力,对"陌生"的微生物进行降解,包括氧化、还原、水解、聚合等。

(二)微生物修复的机理

微生物对土壤进行修复需要两个条件:一是土壤中有大量的微生物它们可以适应环境的改变和产生酵素;二是土壤中含有大量的有机物微生物可以把有机物质分解为微小的物质就可以进行微生物的修复。土壤中的有机物和重金属,除极少数由物理、化学作用被稀释、扩散、挥发、氧化、还原、中和等途径外其余均由微生物作用而分解和固定。其次微生物的新陈代谢需要在适当的环境中进行，而有机重金属对土壤的影响则更为严重，所以工作人员要加强微生物对土壤的修复。

二、影响微生物修复的环境因素

（一）营养

微生物在一定范围内必须保持一定的C:N:P的科学分配,并要求各种养分中有一定的微量元素。目前很多人对土壤微生物修复的最优生态条件提出了100:10:1的评价。在环境压力下微生物也许会消耗更多的能源来维持生命。在分析土壤中是否存在重金属元素时土壤中的脱氢酶活力和有机质含量的比值可以作为评价重金属污染土壤是否加入养分的一个重要指标。

(二)共代谢基质

微生物不能依赖于某些有机物质的成长并不代表它可以抵御微生物的侵袭。很多微生物具有共同代谢的功能可以利用多种基质。因为它们的降解过程除了具有氧化作用之外还包括多种不同的反应。

三、有机农药在土壤中的环境行为与降解机理

（一）扩散作用

土壤中有机农药的传播方式主要有两种。一种是由有机农药分子的无规律移动而产生的横向移动，一种是通过水流或地心引力将农药渗入土壤，然后农药在土壤中分层扩散。有机农药在土壤中扩散的主要途径通过吸收、解吸、迁移转化、降解、挥发等多种途径，因为土壤结构对土壤中的水分迁移和吸收农药的能力有很大的影响^[1]。

(二)土壤的吸附与解吸作用

土壤对有机农药的吸附主要是粘土矿物和有机物质的吸附,其中腐殖质的吸附量最大。我们发现由于无机矿物的强极性以及矿物与水分子之间的强极性,它们很难与土壤中的矿物发生反应,因此有机农药的吸附能力很低。在有机农药中,大多数有机化合物是非极性的,因此对有机质

(腐殖酸)有较强的亲和力^[2]。

(三)挥发性

有机农药分子由土壤和大气的界面层进入大气中或者直接喷洒到大气中，然后采用地面施喷和地下播种法对林丹的挥发速度进行了研究,结果表明,在地面上喷洒林丹可以发现挥发速度更快，但当林丹被挖出地面时剩余的林丹就会迅速蒸发。有机农药的挥发性与其本身的特性密切相关^[3]。

四、几种受污染土壤的微生物修复

（一）受农药污染土壤的微生物修复

随着农业的发展人们对农药用量不断增加,对环境的影响也日益严重。根据发现我国每年的农药用量超过50万吨，而且农药的种类很多,主要是有机氯、有机磷、有机氮、有机硫农药,它们对土壤的硝化和固氮都会造成暂时性的或永久的影响，因为农药无论使用何种方法农药都会进入土壤。若对土壤进行高温杀菌或使用抑制剂，则会使土壤中的农药分解速率减慢甚至停止。结果显示在未处理过的土壤中,"敌草隆"对除草剂的降解速率比熏蒸处理的要快。敌草隆在6周内降解了近一半,而敌草隆降解率只有1/10。微生物降解农药主要有两种途径:一是以农药为主要解决方法的途径，二是以农药为唯一的能量来源或仅为氦源,这种农药可以迅速地被微生物降解，因此很容易被分解;二是共代谢即微生物利用营养基质将污染物分解，然后转化为对环境无害的物质^[4]。

(二)受重金属污染土壤的微生物修复

由于我国工农业的快速发展,每年都会有大量的工业废弃物和城镇废弃物被用作肥料。这些废物中的重金属含量比较高,如汞,铜,锌,镍,铅,铬等,它们是微量元素，但在一定浓度下土壤微生物数量减少和土地饭活性降低特别是对自生固氮等有益微生物的作用尤为显著，因此重金属污染对人们的身体和生命的质量造成了越来越大的威胁。重金属对人体的损害与其体内状况密切相关。一般来说由于它们的形态差异它们的毒性作用也会有所不同。一些细菌,如胶体细菌、蓝藻、硫酸盐还原菌和一些藻类,可以产生胞外多糖和糖蛋白,其阴离子基团与重金属离子结合^[5]。

(三)植物修复

目前利用植物对土壤中的有机农药进行修复已经有报道，由于企业投资的资金低、操作简单、经济、生态和美学效果好等优点具有很好的研究和应用价值。植物在土壤中吸附农药后，其化学性质和毒性会受到植物种类、农药浓度、农药性质、降解时间以及土壤的物理性质等因素的影响^[6]。

结论

综上所述，微生物修复技术是目前最具发展前景和实用价值的生物修复技术，在微生物材料、降解途径、修复技术等方面取得了很大进展，但是在面临着严峻的环境污染和复杂的生态环境时各种微生物技术都必须克服各自的不足和充分认识和解决这些问题。有机农药在土壤中的迁移和转换机制为土壤有机农药的污染治理提供了理论依据和实际指导^[7]。由于我国的人口压力过大耕地面积不断缩小农药的使用量会持续很长一段时间，从而使土壤有机农药的污染范围有进一步扩大的趋势尤其是在发展中国家对有机农药的污染进行了探讨。

参考文献

[1]陈志良,罗军,王成刚,等.土壤有机农药污染的降解机理与生物修复技术[J].环境污染治理技术与设备,2003,4(8):73-77.

[2]张娜娜,姜博,邢奕,等.有机磷农药污染土壤的微生物降解研究进展[J].土壤,2018,50(4):645-655.

[3]陈健,胡筱敏,姜彬慧.种植基地有机磷农药污染土壤的微生物修复[J].环境保护与循环经济,2012(5):35-38,72.

[4]蔡君,刘娱齐,姚思远,等.有机氯农药污染土壤的植物修复研究进展[J].甘肃科技,2017,33(19):53-56.

[5]张伟,蒋凡,徐翔.有机农药污染的植物修复及其应用研究进展[C].//第二十二届中国植保信息交流暨农药械交易会.2006:53-58.

[6]郭子武.笋用竹林地有机农药污染土壤微生物修复机理研究[D].北京:中国林业科学研究院,2008.

[7]赵元添,马娟,张澜,等.有机氯农药微生物降解机理的研究进展[J].化工环保,2021,41(5):551-558.

基金项目：陕西省土地工程建设集团有限责任公司内部项目“β-环糊精负载类芬顿试剂修复石油污染土壤的技术研究”（DJNY2021-19）