有机农药对土壤的污染及生物修复技术研究

1、收稿日期:2009-05-10作者简介:李阳(1982-,女,黑龙江省齐齐哈尔市人,毕业于爱丁堡大学环境保护与管理专业,硕士,助教,主要研究空气污染治理、农业污染治理。有机农药对土壤的污染及生物修复技术研究李 阳,王玉玲,李敬苗(中国环境管理干部学院,河北 秦皇岛 066004摘 要:农药的大量使用污染了大气、水体及生态系统。有机农药以直接施用、拌种、喷撒、随降水落入等方式进入土壤。农药在土壤中会以吸附、扩散稀释和降解等几种方式发生转化,并改变土壤结构、对土壤中生物的生存及酶的活性产生影响。生物修复技术可以通过动植物、微生物及根际环境对农药污染的降解来治理土壤中的农药,是治理农药污染的一种推荐

2、方法。关键词:土壤;有机农药污染;迁移转化;危害;生物修复中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:1008-813(200903-0064-03Organic Pesticides Contamination Statusand Countermeasures in ChinaLi Yang,Wang Yuling,Li Jingmiao(Environmental M anagem ent College of China ,Qinhuangdao H ebei 066004Abstract:The massive use of org anic pesticide has co nt

3、aminated atmosphere 、w ater and eco -system.M ain access of the pesticide po llutants to soil,the tr ansform ation of pesticide in the soil and its effect on so il has been intro duced.T he bioremediation o f pesticides is an em er -g ing new technolog y that use o rganism to degrade,assimilate o r

4、detox ify pesticide w hich has been consider ed an effective technique to reduce soil pollutio n by pesticide.Key words:soil;org anic pesticide contamination;tr ansform ation;harm ;bioremediation在现代农业生产中,使用农药已经成为保证农产品丰收的重要途径。其中使用最多的有机农药是人工合成的化学品,主要是有机氯农药和有机磷农药。有机农药在减少病虫害,杂草,增加农产品产量的同时,对环境及生态的影响也逐步显现

5、出来。除了直接对土壤、水和大气环境造成污染外,还会通过食物链对生态平衡造成破坏。因此,联合国环境规划署和其他国际组织都明令禁止继续生产和使用一些危害很大的农药,如艾氏剂、氯丹、七氯、灭蚁灵、毒杀芬、DDT 等。1985年,我国全部禁止六六六和滴滴涕等有机氯农药的生产和使用,有机氯农药禁用后,有机磷农药取而代之,成为杀虫剂的主导产品。目前,使用的化学农药中杀虫剂、杀菌剂、除草剂的比例为75 10 15,而其中高毒害杀虫剂有机磷又占70%以上1。有资料表明,我国农药污染土壤达1600万hm 2,主要农产品的农药残留超标率高达16%18%2。粮食类中,六六六、DDT 等有机氯农药禁用10年后,水稻、

6、小麦、玉米中仍可检测出3。1 农药污染土壤的主要途径农药污染土壤的主要途径为:一是病虫害防2009年第3期李 阳 王玉玲 李敬苗 有机农药对土壤的污染及生物修复技术研究65治过程中有些农药直接撒入土壤中,用于消灭土壤中的病菌和害虫;二是施用于田间的各种农药大部分落入土壤中;三是使用浸种,拌种等施药方式和播种了带有病菌的种子,通过种子携带的方式进入土壤;四是近年来采用喷射的方法(如飞机喷射使用农药,农药从叶片落入土壤;五是大量撒在或蒸发到空气中的农药,一旦降雨,随雨水降落到土壤中,污染土壤。据有关资料统计,喷施农药仅有20%30%的药剂附着在植物体上,有30%50%的药剂降落在地面上,有5%20

7、%的药剂弥散在大气中,被雨水冲淋污染土壤和水源,危害生物和人类的生存环境,危及人类的健康4。2 农药在土壤中的迁移转化2.1 吸附作用土壤对化学农药有吸附作用。化学农药被土壤吸附后,其形态发生改变,随之其生理毒性也将改变。在通常使用的农药中,有90%可以在土壤和植物中形成结合残留,其结合残留量一般占施药量的20%70%,结合态农药中只有1% 10%是生物可以利用的。土壤对农药吸附能力的强弱与土壤质地,土壤粘土矿物种类,土壤有机质含量有关。2.2 降解作用土壤中农药降解有化学降解,光解和生物降解等几种途径。农药进入土壤后,长时间受到太阳辐射和紫外线的照射,就引起光化学降解。土壤微生物一方面受到农

8、药的抑制,另一方面也会利用有机农药为能源进行降解作用,使各种有机农药彻底分解为二氧化碳而最后消失。同时,农药的生物降解是农药转化和解毒的主要途径。2.3 化学农药在土壤中的挥发、扩散和转移进入土壤中的农药,还能通过气体而挥发,通过随水淋溶而在土壤中扩散移动。土壤对农药的吸附能力直接影响农药在土壤中的迁移。有机农药在土壤中的扩散有两种形式,一种是有机农药分子的不规则运动引起的横向迁移;另一种则是土壤中的有机农药受流水或重力作用的下渗过程,并在土壤中逐层分布。后一种形式是土壤中有机农药扩散的主要模式,有机农药在下渗过程中不断发生着吸附与解吸、迁移转化、降解和挥发等环境行为5。3 农药污染对土壤环境

9、的影响虽然土壤自身有一定的净化能力,但土壤对外来化学物质的环境容量是有限的,当进入土壤中的化学物质在数量和速度上超过土壤的环境容量时就会导致土壤污染事件的发生。3.1 引起土壤的结构和功能的改变。过多的外来化学物质会改变土壤的结构和功能,引起土壤的理化性质的改变。同时,被农药长期污染的土壤会出现明显的酸化,土壤养分也会随污染程度的加重而减少。3.2 危害土壤中的生物,特别是生活在土壤中的有益生物。土壤中有一些大型土生动物(如蚯蚓和某些鼠类以及一些小型动物种群(如线虫纲、弹尾类蜈蚣目等,一方面对土壤中的农药污染有一定的吸收和富集作用,可以从土壤中带走部分农药;另一方面,土壤农药污染也会造成土壤生

10、物的死亡。研究表明:杀虫剂对蚯蚓具有较强的致死效应,低剂量药液即导致蚯蚓数量的递减。此外,一些害虫的天敌也因农药中毒而死亡。农药污染对某些土壤微生物的影响是有选择性的。对于某些能利用污染物作碳源和能源的微生物来说,污染可能会刺激这些微生物的生长繁殖;而对于那些缺乏耐性的微生物来说,污染势必会对其产生抑制作用6。有些杀虫剂(如DDT还会在食物链传播中不断浓缩,从而加重它在生物体内的残留浓度,对人类的食品安全构成威胁。农药污染还会对土壤中酶类活性产生影响,土壤中能降解残留农药的酶类来源于植物和微生物,游离在土壤中的酶类会在不利环境条件下被摧毁或钝化。4 有机农药的生物修复生物修复bio-rem e

11、diation就是在人为作用下,利用活的有机体促进环境中有毒有害有机物质的降解和固定,减少其对环境危害的技术7。生物降解技术因其不易造成二次污染,保护了生态系统的完整性,具有得天独厚的优势。4.1 动物降解土壤中一些大型土生动物和水体中的某些低级水生生物能吸收和富集环境中的残留农药,并通过自身的代谢作用,把部分农药分解成低毒或无毒的产物。农药通过渗透,食物链等方式进入生物体内,经过一系列的酶促反应和代谢过程,农药的分子结构会随着代谢过程发生变化,转化成生物体生理代谢过程的中间产物,农药的毒性被降低或消除。66中国环境管理干部学院学报2009年9月4.2 植物降解污染土壤的植物修复是利用植物及其

12、根际微生物的共存体系净化土壤中的污染物。在植物及其根际微生物所形成的共存体系中,植物向根际释放碳水化合物、氨基酸和有机酸,给根际微生物提供生态位和营养条件。植物修复是多种因素综合作用的结果,它包括植物对污染物的吸收与富集、根系分泌物以及土壤微生物对污染物的降解等因素的综合作用。植物降解有机农药有两种机制:一是直接吸收并在植物组织中积累非植物毒性的代谢物,一旦农药被吸收,植物可以通过木质化作用将其储藏于新的植物结构中,也可以通过代谢、矿化、挥发将其无毒化。二是植物释放的酶可使有机农药降解得非常快,即使植物死后其释放的酶仍可继续发挥分解作用,已经证实来自植物的五种酶(脱卤酶、硝酸还原酶、过氧化物酶

13、、漆酶和腈水解酶对有机污染物的分解起着重要的酶促作用。但是植物酶必须依存于整个植物体才能更好地发挥高效作用,离开了植物体,游离的酶容易在低pH 值、高污染物浓度和细菌毒性下被摧毁或钝化。4.3 微生物降解微生物的降解代谢方式有酶促方式和非酶促方式,酶促方式是主要形式8。当农药污染物浓度较高时,微生物通过酶对农药分子的特殊毒性基团进行代谢,使其失去毒性,并在代谢过程中将农药分子当成自身需要的碳源物质,从中获得生长所需的能量。当农药浓度较低时,农药分子在广谱酶的作用下进行水解代谢或共代谢。有研究表明,对农药代谢起重要作用的很多酶来自于微生物,通过改善微生物的营养状况,可以诱导新的酶产生和泌出,增强

14、土壤酶的活性,促使农药的迅速降解。非酶促反应方式是生物降解的辅助方式,如通过产生辅助因子促进其它反应的进行,或者改变pH值促进反应进行,或者是微生物的其它代谢产物作为农药分子降解的电子受体或电子供体。4.4 根际环境的生物降解根际环境是一个由土壤、植物、微生物、水分、空气、根系分泌物以及体外酶等形成的,距离植物根系数毫米到1cm的特殊生态系统9。根际环境包含土壤圈、水圈、大气圈和生物圈。在根际环境中,这些圈层之间互相进行物质和能量的交换,互相作用、相互促进,使农药在根系环境中的降解和代谢比在非根系环境中要快得多。在根系环境中,植物和微生物生长、代谢、分泌各种酶,进行活跃的生命活动,土壤酶加上大

15、量根系生物的作用,使根系环境中的农药迅速分解。甚至一些单种酶难以分解的成分,在各种微生物和酶的共同作用下也能快速分解。由于根际环境中农药污染物的高效降解,使农药对于农产品、人畜的污染大大减少,使农药的污染范围得到控制。5 结语有机农药在土壤中的迁移与转化机理是有机农药污染土壤修复的理论基础和实践指导。在巨大的人口压力和耕地减少的情况下,农药的施用量将可能在很长的时间内维持较高的水平,因而有机农药污染土壤面积有可能进一步增加,这种增加在发展中国家表现更为明显。因此,进行有机农药污染土壤修复技术的研究,加速有机农药的降解,从而减少有机农药对环境和人类的危害,将成为农业环境治理的热点领域。参考文献1张敏恒.1999年布赖顿植保会议上公布的除草剂新品种J.农药通讯,2000(2:1242周启星,宋玉芳.污染土壤修复原理与方法M.北京:科学出版社,2004.383王秋莲.浅淡农药的污染J.山西农业,2008,(34:404王玉霞,赵晓宇,张先成,等.化学农药对环境的污染及生物整治措施J.国土与自然资源研究,2008(4:69705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