（環(huán)境工程專業(yè)論文）多孔木炭固定化微生物對土壤中阿特拉津的吸附與降解研究.pdf

摘要 微生物固定化的應用目前已經成為眾多學者普遍研究的熱點，在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī) 藥、環(huán)境保護和能源開發(fā)等領域，都得到了廣泛的應用，顯示出廣闊的發(fā)展前景。本 論文是在分析我國土壤環(huán)境背景的基礎上，開發(fā)出一種有機物污染土壤的清潔技術。 采用木炭固定化微生物對土壤中阿特拉津的富集與降解試驗，目的在于能夠開發(fā)出一 條提高土壤有機物降解效率的方法。主要內容如下： 1 對采自農藥廠蓄水池的污泥進行好氧馴化，分離篩選出以阿特拉津作為氮源生長 的微生物。采用平板劃線法分離，篩選出2 株細菌，標記為7 菌和3 2 菌。 2 對篩選出的7 菌和3 2 菌株進行生長特性研究，2 株菌在1 2 小時后均進入對數生長 期，至3 6 - j , 時進入穩(wěn)定期。對菌株最適生長條件研究表明，7 菌和3 2 菌的適宜生長d h 值在8 0 - 9 0 之間，即兩株菌適宜在偏堿性的環(huán)境中生長，在偏酸性的條件下，菌株的 生長受到抑制；溫度對7 菌生長量的影響不是特別明顯，而3 2 菌的最適生長溫度在 2 0 一3 0 之間，溫度高于3 0 時，菌的生長受到抑制。同時，對2 株菌的生理生化性質 進行了鑒定。 3 用木炭對水體中的阿特拉津進行了吸附解吸試驗研究，證明木炭對阿特拉津具有 非常強的吸附持留能力。同時，將含碳量為2 和5 的紅壤和砂漿黑土對不同濃度的 阿特拉津溶液進行吸附試驗，結果表明，添加木炭后土壤的吸附能力明顯大于未添加 木炭的土壤，說明木炭的多孔結構對土壤中的阿特拉津有明顯的富集作用，且富集能 力遠遠大于土壤。 4 將固定化單一菌和混菌接種到阿特拉津含量為4 0m g k g 的滅菌和未滅菌土壤中， 3 0 c 培養(yǎng)一周，結果表明，固定化菌的降解效果普遍高于游離菌，固定化菌對阿特拉 津的降解率可以達到6 0 以上，而游離菌的降解效率只有3 5 左右。同時，滅菌對于 固定化菌的降解效果影響較小，說明，固定化菌含有土著菌的自然土壤中，對阿特拉 津的降解占有絕對優(yōu)勢，降解效果要明顯好于土著菌。這為固定化微生物降解土壤中 的有機物的實際應用提供了一定的實踐依據。 5 運用l c m s 對阿特拉津在土壤中的降解產物進行初步研究，結果表明，降解菌催 化阿特拉津的降解主要是脫氯水解和脫烷基反應，產生的代謝產物分別是，2 羥基4 乙氨基- 6 - 異丙胺基- 1 ，3 ，5 三嗪( h a ) ，2 - 氯4 氨基6 異丙胺基1 ，3 ，5 三囔( d e a l ) ， 2 一氨基一4 羥基- 6 一乙氨基一1 ，3 ，5 一三嗪和2 氨基- 4 羥基6 異丙胺基1 ，3 ，5 三嗪。 關鍵詞：微生物固定化，阿特拉津，木炭，吸附，生物降解 a b s t r a c t 砧e a p p l i c a t i o n o fi m m o b i l i z e d m i c r o o r g a n i s m h a sb e c o m et h e h o t s p o t t h a tm o r ea n dm o r es c h o l a r sa r er e s e r e h i n g i ti sw i d e l yu s e di ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r e m e d i c i n e ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n de n e r g ye x p l o r a t i o ne t e a n dh a sw i d e l yd e v e l o p m e n t f o r e g r o u n d o nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v e l y a n a l y s e ss o i le n v i r o n m e n to fo u rc o u n t r y s o i l t h ep a p e rw o r k so u tt h eo r g a n i cc o n t a m i n a t e ds o i l - p u r i f i d et e c h n i q u e w i t h i m m o b i l i z e d m i c r o o g a n i s m o nc h a r c o a lm e t h o dt 0m a k eo r g a n i s md e g r a d a t i o n e x p e r i m e n t s ，t h em o t i o ni s t od e v e l o pan e wa p p r o a c ht oi m p r o v eo r g a n i cc o n t a m i n a t e d s o i ld e g r a d a t i o nr a t e s t h em a i ni t e m sa sf o l l o w i n g ： 1 s l u d g ew i t c hc o m e df r o mz h o n gs h a hc h e n m i c a lp l a n ta e r o b i s i sd e m e s t i c a t i n g ，t w o s t r a i n sa r ea b l et og r o wo na t r a z i n ea sn i t r o g es o u r c ea n dh a v eh i g h l ye f f c t i v ed e g r a d a t i o n a b i l i t y ，l a b e l l e d7a n d3 2 ， 2 1 1 坨g r o w t hc h a r a c t e r i s t i cs t u d yo f7a n d3 2s t r a i n si n d i c a t e dt h a tt h c ye n t e ri n t ot h e s t a g eo fl o g a r i t h mi n 1 2h o u ra n ds t a t i o n a r yi n3 6h o u r t h em o s ta p p r o p r i a t eg r o w t h c o n d i t i o no f t h et w os t r a i n sw e r es t u i d e d ：t h eo p t i m a lp ht ot w os t r a i n sa r eb e t w e e n8 0 9 0 a n dt h e ya d a p tf o rg r o w t hi na l k a l i n ec o n d i t i o na n da r er e s t r a i n e di nm e t a a c i d ec o n d i t i o n b u tt o7s t r a i n ，t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ei sn o to b v i o u s ；t o3 2s t r a i n , t h eo p t i m a l t e m p e r a t u r ei sb e t w e e n2 0 - 3 0 。t h eg r o w t hb e g a i n d e c l i n e i nt h em e a n t i m e ，t h e p h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e rw e r ei n d e n t i f i e d 3 t h ea d s o r p t i o n - d e s o r p t i o no fa t r a z i n eo nc h a r c o a lw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t c h a r c o a lh a dg r e a ta d s o r p t i o na b i l i t y t h em e a w h i l e a d s o r p t i o nt e s tw a sc a r r i e do nb yr e d e a r t hw i t h2 c a r b o nc o n t e n ta n ds h a j i a n gb l a c ks o i l 、v i mc a r b o nc o n t e n tt oa t r a z i n ew i t h d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h ea b s o r p t i o nq u a n t i t yo fa t r a z i n ew a sm o l e w h e nc h a r c o a lw a sp u ti ns o i lc o n t a i n i n gd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sa t r a z i n e ，c o m p a r i n gw i t h t h a ti n s o i ls o l u t i o n sw i t h o u tc h a r c o a l t h ep o r o s i t yo fc h a r c o a lh a v eo b v i o u se n r i c h m e n t t oa t r a z i n ea n dt h ee n r i c h m e n tc a p a b i l i t yo fc h a r c o a li sm o r et h a ns o i l c h a r c o a la sc a r r i e r t om i c r o o r g a n i s mi m m o b i l i z a t i o na c c o r d i n gt ot h es t r o n ga d s o r p t i o nq u a n t i t yo fc h a r c o a l ， t h ec h a r c o a la d s o r da n dd e g r a d ea t r a z i n ei n s o i la f t e rm i c r o o r g a n i s mi si m m o b i l i z e do n c h a r c o a l n l em e a n w h i l e c h a r c o a lh a v en 0s e c o n d a r yp o l l u t i n , s oi ti sc a nb ea sc a r b o n s o u r c et og r o w t hd e m a n do fc r o p a l lt h e s ep r o v et h a tc h a r c o a lc a nb ea si d e a lc a r r i e rt o m i c r o o r g a n i s mi m m o b i l i z a t i o n 4 t h eb i o d e g r a d a t i o no fa t r a z i n ew i t l l4 0m g k gc o n c e n t r a t i o n si ns o i lb yi m m o b i l i z e d s i n g l es t r a i na n dm i xs t r a i n w a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb i o d e g r a d a t i o n c a p a c i t yo fa t r a z i n eb yi m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mi nc a r b o nw a si m p r o v e dc o m p a r e d w i t h f r e em i c r o o r g a n i s m , t h ed e g r a d a t i o nr a t eo fi m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mt oa t r a z i n ew i t h i n r e a c h6 0 b u t3 5 t o 缸em i c r o o r g a n i s m m e a n w h i l e ，t h ee i f e e t o fs t e r i l i z a t i o nt o b i o d e g r a d a t i o nc a p a c i t y o fa t r a z i n ei sl e s s b i o d e g r a d a t i o nc a p a c i t yo fi m m o b i l i z e d m i c r o o r g a n i s mw a s n l o r et h a ni n d i g e n eb a c t e r i u m 5 a t r a z i n em e t a b o l i t e sw e r ed e t e c t e da n di d e n t i f i e db yl c m s a t r a z i n em e t a b o l i t e sw e r e d e t e c t e da n di d e n t i f i e db yl c - m s t h er e s u l ts u g g e s t st h a tt h ei s o l a t e3 2b a c t e r i ac a n m e t a b o l i z e a t r a z i n ei n t o h y d r o x y a t r a z i n e ，h y d r o x y d e i s o p r o p y l a t r a z i n e a n d h y d r o x y d e e t h y l a t r a z i n e ；a n d7b a c t e r i ac a n m e t a b o l i z ea t r a z i n ei n t od e e t h y l a t r a z i n e k e y w o r d s ：i m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s m ，a t r a z i n e ，c h a r c o a l ，a d s o r p t i o n , b i o d e g r a d a t i o n 縮略語 a t d e a h a d i a d e d i a 英文全稱 a t r a z i n e d e e t h y l a t r a z i n e h y d r o x y a t r a z i n e d e i s o p r o p y l a t r a z i n e d i d e a l k y l a t r a z i n e 縮略語 中文全稱 阿特拉津 2 一氯4 氨基6 - 異丙胺基1 ，3 ，5 三嗪 2 一羥基4 一乙氨基一6 - 異丙胺基1 ，3 ，5 三嗪 2 一氯4 氨基一6 - 乙胺基1 ，3 ，5 三嗪 2 - 氯- 4 ，6 一氨基- 1 ，3 ，5 三嗪 m 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作 及取得的研究成果。據我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為 獲得安徽農業(yè)大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與 我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確 的說明并表示謝意。 學位論文作者簽名：壘重魚 簽字日期：2 0 0 7年6 月2 0 曰 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解安徽農業(yè)大學有關保留、使用學位論文 的規(guī)定，有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子 文件，允許論文被查閱和借閱。本人授權安徽農業(yè)大學可以將學位論 文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印 或掃描等復制手段保存、匯編學位論文( 保密的學位論文在解密后適 用本授權書) 。 學位論文作者簽名：壟重揄 簽字日期：2 0 0 7 年6 月2 0 日 學位論文作者畢業(yè)后去向： 工作單位： 通信地址： 指導教師簽名：洶 簽字日期：6 吶年易月知日 | 電話： 郵編： 文獻綜述 1 阿特拉津的應用、危害以及治理 1 1 阿特拉津的結構與理化性質 阿特拉津，通用名莠去津，英文名稱a t r a z i n e ，化學名稱為2 。氯4 乙胺基6 異丙 胺基1 ，3 ，5 三嗪。分子式c s h l g c l n 5 ，分子量2 1 5 6 9 ，化學結構式為： ( c 電) 圖l - 1 阿特拉津的分子結構 f i g u r e1s t r u c t u r eo f a t r a z i n e 純品為無色結晶或粉末，熔點為1 7 3 1 7 5 。c ，2 0 時的蒸汽壓為4 0 x 1 0 一p a 。在有 機溶劑中溶解度與溶劑極性有關。正己烷中為0 1 1g l ，乙酸乙酯中為2 4g l ，二氯甲 烷中為2 8g l ，而在二甲基亞砜中為1 8 3g ，l ，2 5 c 時在水中的溶解度為0 0 3 3g l ，甲 醇中為1 8g j l ，氯仿中為5 2g l 。在中性、微酸或微堿的介質中較穩(wěn)定，在較高溫度 下能被較強的酸或較強的堿水解l l 】。 1 2 阿特拉津在世界及我國的應用 阿特拉津屬選擇性內吸傳導型苗前、苗后除草劑【2 】。以根吸收為主，莖葉吸收很 少，迅速傳導到植物的分生組織及葉部，干擾光和作用，從而殺死雜草。適用于玉米、 高粱、甘蔗、果園、茶園、林地和鐵路等防除一年生禾本科雜草和闊葉雜草對多年生 雜草也有一定的抑制作用。現在生產上多用阿特拉津與乙酰類除草劑乙草胺、丁草胺、 異丙甲草胺混劑。 目前，國際上銷售最大的除草劑中銷售量最大的除草劑有三氮苯類、酰胺類、脲 類、二硝基苯胺類等，其中三氮苯類以玉米用的阿特拉津最為突出。在美國，阿特拉 津被列為使用最廣泛的除草劑之一。在1 9 8 0 1 9 9 0 年間，每年噴灑阿特拉津達8 0 0 0 萬 磅【3 】。1 9 8 6 年，瑞典全國施用了1 2 0 t 的阿特拉津 4 1 ，1 9 8 0 年，全球釋放到環(huán)境中的阿 特拉津總計9 x 1 0 4 t 。2 0 0 2 年，阿特拉津位居世界第十大除草劑，銷售額達2 8 億美元【”。 目前，阿特拉津在國內外雜草防除上仍占有重要地位，世界上有8 0 多個國家在使用這 種除草劑。在美國中部，每年數千噸這種除草劑于玉米田中，占其除草劑使用量的 6 0 6 1 。 我國在2 0 世紀8 0 年代開始使用阿特拉津，近年來使用面積不斷擴大，1 9 9 6 年 阿特拉津的使用量為1 8 0 0t ，1 9 9 8 年為2 1 3 0 t ，1 9 9 9 年為2 2 0 5t ，2 0 0 0 年為2 8 3 5 2t 【1 段 到2 0 世紀9 0 年代在華北、東北地區(qū)得到廣泛推廣和大量應用每年以2 0 的速度遞增。 代表性的阿特拉津生廠廠家有吉林吉化、河北宣化農藥廠和浙江長興，阿特拉津的粉 產量可達7 0 0 0 8 0 0 0t 年。雖然生產時間不長，但三個地區(qū)均己發(fā)生嚴重的農田污 染事件，并在煤體公開報道過 8 1 。 1 3 阿特拉津的使用所帶來的環(huán)境問題 由于阿特拉津這種除草劑在世界范圍內廣泛應用近4 0 年，在土壤，地表水，地 下水造成嚴重的污染，由此而導致的環(huán)境污染問題已不容忽視。世界上多年使用阿特 拉津農藥的國家的地表水和地下水都已經受到不同程度的污染。美國環(huán)保暑規(guī)定飲用 水中的阿特拉滓含量不得超過3 燼l ，但是在嚴重污染的地區(qū)，阿特拉津在土壤中的 濃度是1 1 0 0 m g k g ，表面水中1 6 嵋l ，地下水中1 5 0 0 “g l 【9 】。 阿特拉津及其脫烷基代謝產物d e a ，d i a 和羥基水解產物h a ，且d e a ，d i a 為有毒代謝物【1 0 】，水樣中這些代謝物的濃度已經超出了母體的濃度；國內外的地表水、 地下水、雨水、大氣【l l 】中均檢測出來這些有機物，其濃度遠遠超過美國環(huán)保局規(guī)定的 安全濃度【1 2 】，有時阿特拉津和其代謝產物的總濃度可以超出阿特拉津母體濃度的1 0 倍左右。所以，有人認為阿特拉津的的濃度并不能反映阿特拉津的污染水平，建議將 阿特拉津的代謝產物也考慮在內。 除草劑阿特拉津的結構比較穩(wěn)定，被微生物礦化的過程十分緩慢，在土壤中的半 存留期長達4 - 5 7 周，阿特拉津雖是一種低毒除草劑，但由于該除草劑的持效期長， 所以容易對后茬作物如玉米、水稻、大豆和小麥造成藥害，對糧食和食品安全構成潛 在的威脅。近年來，莠去滓危害水稻和蔬菜等作物的事件時有發(fā)生，1 9 8 8 、1 9 9 2 、1 9 9 3 、 1 9 9 6 年，洋河流域曾先后發(fā)生了4 次大面積的水稻受損事件，原因是農田灌溉了被 污染的洋河水。1 9 9 5 、1 9 9 6 年，遼寧省沈陽市和遼中縣分別發(fā)生了幾起阿特拉律對 果樹、蔬菜及大豆的藥害作用。中科院生態(tài)環(huán)境研究中心對水稻受害區(qū)洋河水質及宣 化區(qū)污染源調查實驗表明：莠去津在河水中對水稻苗的安全濃度為o 0 1m g l 對水稻 苗的致死濃度為0 1m g l t ”1 。但是阿特拉津對水稻最為敏感的時期為苗期，安全濃度 為0 5m g l _ , t 1 4 】。中科院沈陽應用生態(tài)所對幾種農作物安全臨界濃度的研究后，確定了 阿特拉津對水稻、甜瓜、小麥、大豆的安全臨界濃度分別為o 0 4 9 3 、o 0 8 7 9 、0 2 9 3 2 、 0 7 9 1 1m g k g ”j 。另外，阿特拉津能有效的抑制植物( 包括藻類) 的光合作用和生長。 l s h e e k h 等【1 6 發(fā)現，當阿特拉津的濃度超過1 5 1 t m o l l 時小球藻的生長立即受到抑制。 地球上9 0 的光合作用都由藻類植物完成，藻類植物受到危害會引起食物鏈的改變， 已至影響整個生態(tài)系統(tǒng)。 阿特拉津對動物也有影響。美國自然資源保護協(xié)會( n r d c ) 引用美國環(huán)保局 ( e p a ) 的風險評估報告指出，莠去津對瀕危魚類、水生無脊椎動物以及陸生和水生 植物造成危害?？赡軐l危兩棲和爬行動物產生不利影響，尤其是對蛙類有性別逆 2 轉作用【1 7 1 莠去津濃度 o 1v g l 時，蛙類出現雌雄同體現象1 1 8 】。 因為阿特拉津分子中含有一個氯原子，所以，對人也有毒性。美國，日本和歐盟 等國均把莠去滓列入內分泌干擾劑化合物名單i 嘲。長期暴露在莠去津中，人的免疫系 統(tǒng)、淋巴系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、內分泌系統(tǒng)都會受到影響，有可能產生畸形、誘導有機體 突變( 2 e l 。最近的研究報告指出，在十種會對內分泌造成干擾的化學藥劑中，莠去津對 女性內分泌系統(tǒng)造成的嚴重后果僅次于d d t 【2 l j 。 此外，殘留在土壤中阿特拉津可以與c u 、z n 等重金屬形成復合物圓，也有一部 分與土壤腐殖質相結合。研究表明，阿特拉津在有機質含量高的土壤中年結合殘留量 高達5 4 ( 2 3 y - 4 j 。且通過自然環(huán)境的相互作用無法消除這些結合殘留物，因而這種結合 殘留物對整個生態(tài)系統(tǒng)構成潛在的威脅。它好似一枚定時炸彈，在積累到一定程度后， 可能對環(huán)境造成極大的破壞。c a p r i e l ( 2 5 】等發(fā)現，在施用阿特拉津9 年的土壤中，有 5 0 阿特拉津以結合態(tài)存在，這些殘留物通過自然環(huán)境因素的相互作用無法除去它們! 由于目前對結合態(tài)農藥的持留性和半衰期以及它的釋放機理不完全清楚。因此，對化 學農藥的安全評價有可能低估了農藥的殘留狀況對糧食安全的影響1 1 4 阿特拉津在土壤中的環(huán)境行為及微生物降解 阿特拉津在環(huán)境中遷移主要有兩個方面。一方面，通過固體顆粒和空氣等介質帶 入大氣；另一方面通過地表徑流和土壤淋溶作用進入河流、湖泊。農藥在土壤中的擴 散有2 種形式：一種是由于自身分子的不規(guī)則運動而產生遷移的過程；而另一種則是 由于外力發(fā)生的結果，分布于土壤中的農藥在流動水或在重力作用下向下滲濾，并在 土壤中逐層分布。后一種形式是阿特拉津在土壤中擴散的主要模式。這個過程與吸附， 降解和揮發(fā)等過程是密切相關的。 阿特拉津的水溶性適中，在土壤中具有中等移動性( 2 6 1 。阿特拉津具有較小的土壤 吸附系數豳和吸附常數k o c ，分別為0 1 9 2 4 6 和2 5 1 5 5 ，這些都有利于溶解態(tài)的阿 特拉津在降雨或農灌時發(fā)生物理性遷移( 2 7 1 。通過土壤地表水徑流使之進入河流和地下 水，而河流在陸地和海洋及湖泊之間可以構成一個運輸線，將陸地生態(tài)系統(tǒng)中的阿特 拉滓運輸至海洋和湖泊，直接威脅海洋和湖泊生態(tài)系統(tǒng)的安全，同時對人類賴以生存 的飲用水安全構成威脅【2 8 j 。 阿特拉津在土壤中的吸附主要受土壤有機質的支配，這是因為當有機質含量增加 時，它的吸附位也相應增加，從而增大對農藥的吸附 2 9 1 。有機質中對吸附起作用的主 要是固態(tài)有機質，而溶解的有機質對吸附作用的影響很小。農藥在土壤中的吸附一 般可用f r e u n d l i e h 吸附等溫線經驗公式來描述即： c s = k t c e l 斑 式中：c s 為農藥在土壤上的吸附量( m g k g ) ； c e 為吸附平衡時農藥在溶液中的濃度( m g l ) ； k f 為吸附常數( l k g ) ； 1 n 為指數項常數。 阿特拉津在土壤中有2 種代謝途徑：化學降解和微生物降解。其中，化學降解又 包括光解和水解兩種方式。在特定的土壤中，這兩種方式作用的強弱不同。實驗室試 驗表明：強酸性土壤中阿特拉津主要以化學降解為主；在弱堿性土壤中主要以化學生 物轉化方式為主；在弱酸性土壤中，同時存在化學降解和微生物降解【3 l 】。 各種農藥對光化學反應都具有一定的敏感性，都可能產生光化學降解，而光解對 于降解土壤中的農藥有著重要作用。阿特拉津在土壤中的光解作用受各種因素影響， 包括土壤粒度、濕度、值及其他有機物。土壤粒度較小時，阿特拉津的光解速率較大， 光解的深度也較大。水的存在可以使阿特拉津較快地達到土壤顆粒表面【3 2 l ，并使光解 產物較快地移開土壤顆粒表面，因此光解速率在濕土壤中比干土壤中要大。水溶狀 態(tài)下阿特拉津的光解能引起c c l 鍵的斷裂，c l 被h 或o h 基團所取代【3 3 1 。土壤p h 值對 阿特拉津在土壤中的光解產生重要影響，在酸性和堿性土壤中阿特拉律的光解速率均 大于中性左右的土壤【3 2 4 1 。土壤中腐殖酸和表面活性劑的存在均能夠加速阿特拉津 的光解，且它們之間存在著協(xié)同作用1 3 4 ；但2 種成分對阿特拉津光解的催化機理不同 【3 2 l 。前者主要表現為表面吸附效應，后者則表現為溶解效應。阿特拉津在水中的光 解發(fā)生在波長小于3 0 0n m 的紫外線照射時，且在波長為2 6 0n l i l 時轉化的速度最快。其 主要產物是2 羥基阿特拉津印j 。 阿特拉津具有定的水溶性，能夠在水體中發(fā)生降解，主要是通過2 位碳的水解、 4 位碳的n 一脫烷基化和開環(huán)而發(fā)生【2 7 1 。h o r r o b i n l 3 5 1 和r u s s e l l ( 3 6 嚕提出關于阿特拉津 的吸附催化水解模式，環(huán)上與氯原子結合的碳原子被負電性的氯和氮原子包圍著，易 受o h 的影響而水解。主要有2 種類型：一種是土壤中酸或堿催化的反應；另一種是 由于土壤腐殖質和粘土礦物的吸附催化作用而發(fā)生的反應印j 。 2 0 世紀6 0 年代以來，許多國家均致力于尋找高效降解阿特拉津的微生物。到目前 為止，已經分離出能夠降解阿特拉津的單菌株【3 量鯽】。阿特拉律生物降解機理的研究 也獲得了迅速發(fā)展。近兩年來，國內也開始了阿特拉津生物降解的研究報道 4 0 ，4 l j 。 降解阿特拉津的微生物主要包括細菌、真菌、放線菌、藻類等。細菌由于其生化 上的多種適應能力以及容易誘發(fā)突變菌株，在降解阿特拉津的微生物中占有重要地 位。對細菌的研究非常廣泛，已進入了降解酶及基因水平的研究。降解阿特拉津的細 菌主要是假單孢菌j 蘺( p s e u d o m o n a s ) t 3 9 4 2 k 和紅球菌屬在諾卡氏菌( 口伽鋤) 【4 們、不 動桿菌屬c i n e t a b a c t e r ) 、土壤桿菌屬( a g r o b a c t e r i u m ) 、蠟狀芽孢桿( b a c i l l u sc e r e u s ) 中也分離到降解阿特拉津的菌株。其中，假單孢菌在阿特拉滓降解中起著重要作用。 y a n z ek o n t e h o n 等【4 2 】從混菌中分離到能以阿特拉津為唯一碳源、氮源的假單孢菌 y a y a 6 。該菌在降解初期將環(huán)上2 0o 6 0 碳以c 0 2 形式釋放出來。當以阿特拉津為唯一碳 4 源和氮源時，每摩爾的阿特拉津可以產生8 0g ( 干重) 的菌體。1 9 9 5 年，m a n d e l b a u m 等【3 9 】從土壤中分離到以阿特拉津為唯一氮源且可以降解高濃度( 1 0 0 0p , g m 1 ) 阿特 拉津的假單孢菌株a d p 。9 x 1 0 9 個細胞l 的細菌在15 h 即可降解1 0 0 嘴m l 的阿特拉 津，并有8 0 環(huán)上的碳以c 0 2 形式釋放。該菌株不論是生長細胞還是非生長細胞均 能高效降解阿特拉津。在旋用阿特拉津多年的土壤中，a d p 仍有效降解阿特拉津。這 說明該菌可用于土壤環(huán)境中，對阿特拉津的生物降解具有廣泛的應用前景。在a d p 對阿特拉津的降解過程中，檸檬酸鈉的存在可以促進阿特拉津的降解。g - i a r d i n 4 3 1 及 b h e k i l 4 4 1 等報道，葡萄糖的加入也可促進阿特拉津的降解。對于廣泛生長在土壤中的 紅球菌，降解能力雖不及假單孢菌株，但也，具有降解多種有機污染物的能力。紅球 菌n 1 8 6 2 1 可以阿特拉津為唯一碳源生長，但不能以其為氮源。不能脫氯或開環(huán)。其 主要降解產物為脫乙基阿特拉津，脫異丙基阿特拉津及羥基異丙基阿特拉津。紅球菌 b 3 0 、t e l 也不能使阿特拉津開環(huán)，且更易于進行阿特拉津的脫乙基反應。對這些菌 阿特拉津降解反應均需氧的存在。盡管紅球菌降解阿特拉津有一定的局限性，與假單 孢菌相比，加入一種易降解基質并不抑制且常常能加速紅球菌降解難降解物質m 。 可使阿特拉津降解的真菌有：煙曲霉( a s p e r g i l l u s f u m i g a t u s ) 、焦曲霉 ( a s p e r g i l i u s u s t u s ) 、黃丙曲霉似s p e r g i l l u s f l a r i p e s ) 、葡枝根霉( r h i z o p u ss t d o n i f e r ) 、串珠 鐮孢( f u s a r i u mm o n i l i f o r m e ) 、粉紅鐮孢( f u s a r i u mr o s e u m ) 、尖鐮孢( f u s a r i u m o x y s p o r u m ) 、斜臥青霉( p e n i c i l l i u md e e u m b e n s ) ，微紫青霉( p e n i e i l l i u r n j a n t h i n e l l u m ) 、 黃體青霉( p e n n i e i ll u m l e t e u m ) 和綠色木霉( t r i e h o o l e r m av i r i d e ) 。d o n n e l l y 等m j 對9 種菌 根真菌和三種非菌根真菌降解阿特拉津的能力做了研究，發(fā)現菌根真菌和非菌根真菌 都能降解阿特拉津，并且降解能力只與真菌種類有關而與真菌的生態(tài)型無關。在降解 過程中，真菌可以吸收大量的阿特拉津到細胞組織中。氮和阿特拉滓的濃度均影響阿 特拉津被真菌同化的量。這些真菌不能使阿特拉津開環(huán)。眾所周知，當真菌與寄生植 物共同生長時，真菌的細胞外酶比純培養(yǎng)時明顯增強，因此，d o n n e l l y m 認為，如果 把阿特拉津同與寄主植物共同生長的腐生真菌菌株共同培養(yǎng)，由于生物量的增加以及 酶活性的增強。真菌對阿特拉津的降解能力也會得到增強。 近年來，發(fā)現藻類也能有效地降解農藥。因此，對于藻類富集降解農藥的研究也 不斷增多。許多實驗表明，藻類不僅能富集農藥，還能將農藥降解為無毒化臺物或以 農藥為磷源、氮源生長藻降解農藥的發(fā)現及其機理的深人研究，為去除環(huán)境中農藥 的殘留又提供了一條途徑。 阿特拉津是生物難降解物質，能夠完全降解即礦化阿特拉津的純菌較少。在環(huán)境 中自然微生物群落對環(huán)境污染物的共降解現象是非常重要的。在生物降解阿特拉津 的研究中發(fā)現，由于微生物的共降解或相互間的協(xié)同作用，通過兩種或多種微生物的 共降解過程及降解反應，阿特拉津也是可以完全降解的。 5 阿特拉津在土壤中的降解既有化學降解又有微生物降解，主要是微生物降解，其 降解途徑如圖2 所示，主要包括3 個過程：脫烷基、水解、開環(huán)。 一( h 3 c ) 。一拉c 2 n 5 叫2 h c - 嘲弋礦l n 卜 鋤3 c ) 2 h 0 瑚 d e e t h y l a t r a z i n ed e i s o p r o p y l a l r a z i n e h y d r o x y d e i s o p r o p y l a t r a z i n eh y d r o x y d e e t h y l a t r a z i n e 。一也一一 a m m e l i n e l ，脫烷基2 水解3 側鏈修飾4 開環(huán) 圍l - 2 阿特拉津在土壤中的降解途徑 f i g u r e l - 2d e g r a d a t i o np a t h w a yo f a l r a z i n ei ns o i l 34 氮氧化物、c 0 2 、h 2 0 降解阿特拉津的菌能夠產生脫乙基阿特拉律和脫異丙基阿特拉津。在不飽和區(qū)， 乙基側鏈的降解要比異丙基側鏈的降解速度快幾倍【5 4 1 。而二者的繼續(xù)降解速度很慢。 這就是不飽和區(qū)中脫乙基阿特拉津持留性高且頻繁發(fā)現的原因。例如：紅球菌t e l 降 解阿特拉津產生脫乙基阿特拉津和脫異丙基阿特拉津后不能迸一步降解這兩種產物。 羥基阿特拉津主要是由化學水解產生的【5 ”。由于阿特拉津的兩個烷基的存在，使微 生物脫氯較為困難【5 “。也有微生物可以降解阿特拉津產生羥基阿特拉津。假單孢菌 a d p 、y a y a 6 均可使阿特拉津脫氯。與脫烷基等降解支鏈相比，阿特拉津開環(huán)更難。 在阿特拉滓開環(huán)降解過程中，氧作為電子受體的存在非常重要。與厭氧條件相比，好 氧條件下，阿特拉津開環(huán)降解要快1 0 0 多倍。因此，在深層土壤中，氧氣的缺乏會阻 礙阿特拉津的降解。目前發(fā)生的能夠使阿特拉津開環(huán)的菌株多為假單孢菌【3 9 4 “4 2 】， 紅球菌較少。 1 5 阿特拉津極其降解產物的分析方法 阿特拉津在土壤環(huán)境中的主要降解產物脫乙基阿特拉津( d e a ) 、脫異丙基阿特拉 津( d i a ) 和羥基- 阿特拉津( h a ) ，具有與阿特拉滓類似的毒性，且極性更高更易向 6 盹m 啦 一。 乳 如 q 扭 咖 歸 毗 阻 下滲濾，對地下水威脅更大【4 7 “明。所以在進行環(huán)境中阿特拉滓的遷移轉化規(guī)律研究 時，需要建立環(huán)境土壤樣品中阿特拉津及其降解產物的可靠分析方法。阿特拉津及其 降解產物均為弱堿性化合物，極性高，它們在環(huán)境土壤樣品中易和大量存在的腐殖酸 結合形成共聚物，給痕量分析帶來了很大的困難。它們的結構式及相關性質見表l 。 文獻報道可采用二級固相萃取小柱提取凈化，p r o s e n 等1 4 9 j 應用c 1 8 小柱提取、s a x 小 柱凈化分析土壤中的阿特拉津，f e r e r 等t 5 0 1 應用索氏提取和免疫吸附小柱凈化分析底 泥中的阿特拉津及其降解物。二級固相萃取小柱操作繁瑣，且影響因素較多，并不適 用于大量環(huán)境樣品的分析。任晉【5 3 】提出，利用水做溶劑超聲提取，之后采用磺酸化高 分子基質材料固相萃取小柱富集和凈化，中性化合物通過單一的吸附作用被保留，離 子化的堿性物質通過氨離子交換機制保留，因此可以選擇性地富集弱堿性的阿特拉津 及其降解產物，有效地去除腐殖酸的干擾，簡化了實驗的過程，同時提高了方法的選 擇性。 表1 餌特拉津及其主要降解產物的結構與性質 t a b l e1t h e8 t f t l c t u r g sa n d p r o p e r t i e so f a v r a z i n ea n di t sd e g r a d a t i o np r o d u c t s 通常采用氣相色譜一質譜( o c m s ) 和高效液相色譜一質譜( h p l c - - - m s ) 分析環(huán) 境中的阿特拉津去津降解產物。阿特拉津代謝物極性大，特別是難揮發(fā)的羥基產物在 用g c m s 分析時必須通過衍生( 硅烷化、烷基化、酰基化或甲基化【5o b 才可進行分析， 操作復雜，現在應用越來越少。h p l c - - m s 現較多地應用于阿特拉津及其降解產物的 同時分析，液相色譜一電噴霧電離質譜一質譜( l d e s i m s m s ) 被用來分析阿特拉津 r e t o r t s 試劑的降解產物和環(huán)境水樣中阿特拉津羥基衍生物的鑒定和分析【5 2 j 。 1 6 阿特拉津污染環(huán)境的修復技術 環(huán)境當中阿特拉津的污染治理主要有三種方法：物理法、化學法和生物修復法。 對于物理和化學方法的應用不是很廣泛，主要用于水體中阿特拉津的去除。 目前，深受人們青睞和關注的治理方法主要是生物修復技術，這又包括植物修復 技術和微生物降解技術。植物可以利用根吸收和收獲、葉表蒸騰揮發(fā)、植物降解等方 7 法來消除有機污染物。阿特拉津是一種內吸傳導型除草劑，它主要是通過植物根部吸 收進入植物體內，再經過木質部傳導至地上部而發(fā)揮活性【5 7 】。陳林觀等【5 8 】報道阿特 拉津是一種植物光合作用的強烈抑制劑，玉米體內含有多量苯并惡嗓酮，它能將阿特 拉津水解成無毒的輕基阿特拉津。另外，玉米、高粱、甘蔗等對阿特拉津具有抗性的 作物，體內含有一種谷耽甘膚轉移酶，能夠促進阿特拉津與谷朧甘膚生成可溶于水的 結合體，使阿特拉津在這些作物體內失去活性，從而使這些作物不致于遭受傷害【鮐 5 引。而水稻、小麥、豌豆等作物，體內沒有谷朧甘膚轉移酶，阿特拉津被這些作物吸 收后能表現出極高的活性并抑制其光合作用，使這些作受到危害。因此，若玉米田地 里施用阿特拉津后，極有可能對下茬作物造成一定的危害。近年來，我國一些地區(qū)阿 特拉津危害農田作物的事件時有發(fā)生。 對于阿特拉津的微生物降解，一直以來，就是微生物學家在孜孜專研的課題。到 目前為止，已經分離篩選得到許多阿特拉津的高效降解菌。這些降解菌已經被用在污 水處理上，并取得了很好的處理效果。張?zhí)m英等 6 0 l 從農藥廠的排污口采集污泥，通過 富集培養(yǎng)，從中分離篩選出一株阿特拉津高效降解菌j l n y 0 2 ，并進一步對其降解的 影響因素進行了研究。實驗得出在1 0 c 降解阿特拉津，其降解率可達8 1 8 ，而在高 溫下的降解率較低，僅3 1 4 。因此，該菌適用于地下水及深層土壤的低溫環(huán)境中對 a t 的降解。且適用于寒冷地區(qū)的土壤和地表水中對a t 的生物修復。胡江等【6 l 】從除草劑 污染的土壤中馴化分離得到l 株能夠以阿特拉津為唯一碳源生長的革蘭氏陽性細菌 b t a h l b t a h l ，該菌株能夠在1 2 6h 內完全降解1 0 0 0n a g l 的g 可特拉津。通過生理生 化鑒定，結合1 6 sr d n a 聚類分析，將該菌株鑒定為微小桿菌屬( e x i g u o b a c t e r i u ms p ) ， 外加碳源不會促進該菌株對阿特拉津的降解，該菌株的最適降解溫度為2 5 3 0 c ，最 適降解p h 值在7 9 之間該菌株具有2 個大質粒，p b t a h ll * n p b t a h l 2 ，大小分別為 2 0k b 和1 0 0k b ，基因定位發(fā)現有2 個參與阿特拉津降解的基因位于其中一個較小的質 粒( p b t a h l l ) 上。陳元彩等 6 3 1 利用固定化好氧菌和厭氧顆粒污泥在不同供氧條件下對 氯酚進行了降解研究。結果表明，混合固定化顆粒污泥在有限供氧系統(tǒng)具有較低的殘 留t o c 值厭氧好氧微生物菌群通過固定化在微環(huán)境中有效的結合在有限供氧條件下 能完全徹底降解高氯代芳香化合物。王松文等阻埽u 用假單胞菌p s e u d o m o n a sa d l 菌株 對阿特拉津污染土壤進行生物修復，結果表明在向每克土壤含lm g 阿特拉津的模擬污 染土壤中接種假單胞菌a d i 株。補加適量碳源和磷源，3 0 培養(yǎng)4 周以后，9 6 的阿特 拉津被去除。 生物降解有機物的研究，不僅用于水中有機物的去除，同樣適用于土壤中有機物 的去除。對于水中有機物的微生物治理已經作了大量的科學研究和實踐，而對于土壤