農(nóng)藥污染的生物修復

匯報人：王新富2018年04月08日

農(nóng)藥污染的

生物修復農(nóng)藥污染1動物、植物、微生物、酶修復3匯報提綱生物修復2修復案例5農(nóng)藥污染

中國是一個農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)藥施用量居世界前列,且農(nóng)藥已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必要物質(zhì)保障,但長期、大量、不合理地施用農(nóng)藥也對土壤環(huán)境造成了嚴重污染。目前,我國每年施用農(nóng)藥量達50~60萬t,其中70%~80%直接進入環(huán)境,農(nóng)藥有效利用率僅為20%~30%,全國至少有1300~1600萬hm2耕地受到農(nóng)藥污染,對生活、生產(chǎn)活動產(chǎn)生越來越多的直接或間接危害。污染面積大經(jīng)濟損失顯著生態(tài)效益廣

生物修復

目前，西方國家已研制出許多較成熟的土壤及地下水農(nóng)藥污染修復技術(shù)，可分為物理—化學修復，化學修復，生物修復幾種方式。生物修復（Bioremediation）是指利用微生物或其他生物將存在于土壤、地下水和海洋中的有毒、有害污染物降解為CO2和H2O或轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的方法，與物理化學方法方法相比，被公認為是一種有效、安全、廉價和無二次污染的方法。生物修復動物修復酶修復植物修復微生物修復

土壤中的一些大型土生動物如蚯蚓和某些鼠類,能吸收或富集土壤中的殘留農(nóng)藥,并通過其自身的代謝作用,把部分農(nóng)藥分解為低毒或無毒產(chǎn)物。

動物對某種毒物的積累及代謝符合一級動力學,某種農(nóng)藥經(jīng)某種動物體內(nèi)的代謝,有一定的半衰期,一般經(jīng)過5—6個半衰期后,動物積累農(nóng)藥達到極限值,意味著動物對土壤中污染農(nóng)藥的去除作用已完成。同時,土壤中還生存著豐富的小型動物種群,如線蟲綱、彈尾類、稗螨屬、蜈蚣目、蜘蛛目、土蜂科等,均對土壤中的污染農(nóng)藥有一定的吸收和富集作用,可以從土壤中帶走部分農(nóng)藥。

動物修復植物修復

植物修復(phytoremediation)技術(shù)即利用植物能忍耐和超量積累環(huán)境中污染物,利用植物的生長來清除環(huán)境中污染物的方法。

植物的生活周期會對其周圍環(huán)境發(fā)生物理化學和生物的影響,在枝條和根的生長、水和礦物質(zhì)的吸收、植株的衰老及其腐解等過程中,植物都能極大地改變周圍的土壤環(huán)境?，F(xiàn)有一種新的術(shù)語,把一株綠色植物看成是一個“太陽能驅(qū)動的、抽吸和過濾系統(tǒng)”,這個系統(tǒng)具有適度的負荷、降解及納污能力。植物修復01植物直接吸收并在植物組織中積累非植物毒性的代謝物02植物釋放酶到土壤中,促進土壤的生物化學反應(yīng)03根際-微生物的聯(lián)合代謝作用植物修復技術(shù)的三種機制微生物修復

微生物修復技術(shù)是在人為優(yōu)化的條件下,利用自然環(huán)境中生息的微生物或人為投加特效微生物的生命代謝活動,來分解土壤中的污染物,以修復受污染的環(huán)境。農(nóng)藥的微生物降解研究從最早的有機氯農(nóng)藥DDT開始已有幾十年的歷史。世界各國的科研工作者分離篩選了大量的降解性微生物，國內(nèi)的研究工作者也在這方面做了大量工作，南京農(nóng)業(yè)大學分離鑒定了多株高效降解菌株，建立了目前我國農(nóng)藥微生物降解最大的菌株種質(zhì)資源庫。微生物修復微生物修復修復方法NO.1NO.2污染土壤中人工接種能降解農(nóng)藥的微生物,利用微生物將殘存于土壤中的農(nóng)藥降解或去除，使其轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)或降解成CO2和H2O,這種方法不會形成二次污染或?qū)е罗D(zhuǎn)移，可將農(nóng)藥的殘留濃度降到很低，經(jīng)過長期處理可明顯消除。改善土壤的環(huán)境條件，特別是營養(yǎng)條件，定期向地下水投加H2O2

和營養(yǎng)物，以滿足污染環(huán)境中已經(jīng)存在的降解菌的中間產(chǎn)物生長需要，以便增強士著降解菌的降解能力。微生物修復具體技術(shù)微生物修復多種修復技術(shù)聯(lián)合使用生物通氣法微生物與植物共生法淋洗與生物法把固相-半固相的有機污染物轉(zhuǎn)為液相而洗出土壤，淋洗液通過生物硫化床、生物轉(zhuǎn)盤及生物膜等，經(jīng)生物處理后的水再用于清洗，直至土壤得到修復有機黏土法有機黏土可以擴大土壤和含水層的吸附容量，黏土上的表面活性劑可以將有毒有機物吸附到黏土上富集，有利于微生物對污染物的原位降解。翻耕與微生物法通過翻耕攪拌均勻，從而降低污染物濃度，提高了微生物的生物活性，同時，可添加一些高效的改良菌。酶修復

農(nóng)藥降解菌之所以能夠降解農(nóng)藥,歸根結(jié)底是由其分泌的酶來完成的,因而,直接采用酶進行農(nóng)藥降解比用微生物處理更具有優(yōu)勢。主要表現(xiàn)在酶對外界環(huán)境條件的適應(yīng)性,對低濃度農(nóng)藥的降解,對農(nóng)藥的降解范圍和降解效能上比微生物更優(yōu)越?？山到廪r(nóng)藥的酶有多種,主要有加氧酶、脫氫酶、偶氮還原酶和過氧化物酶等。在許多情況下,農(nóng)藥生物降解是在多種酶的協(xié)同作用下完成的。第二種酶無疑是農(nóng)藥生物修復中最理想的酶。根據(jù)酶在微生物細胞中存在的位置,酶分為胞內(nèi)酶和胞外酶。虞云龍等進行了有機磷和擬除蟲菊酯農(nóng)藥酶促降解的研究,發(fā)現(xiàn)主要是胞內(nèi)酶在起作用。分解代謝的酶偶發(fā)代謝的酶解毒代謝的酶微生物可利用農(nóng)藥作為能源或農(nóng)藥誘導酶利用農(nóng)藥作為能源微生物降解農(nóng)藥不是出于利用它們作為能源,而是出于抵抗這些農(nóng)藥的毒性。在這里,微生物雖然能代謝農(nóng)藥,但不可利用農(nóng)藥作為能源酶修復技術(shù)的不足是,酶在土壤中遷移性較強,使修復難以達到預期水平。因此固化酶成為目前酶修復技術(shù)的關(guān)鍵?。?！修復案例1研究背景

阿特拉津，又名莠去津，是一種廣泛使用的三嗪除草劑，其作用方式是破壞植物體中葉綠體光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)，主要用于玉米、高粱和甘蔗田雜草的防除。隨著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展和阿特拉津在我國的推廣使用，阿特拉津所帶來的環(huán)境問題也日趨嚴重，由于其溶解性較好，遷移率較高，殘留期長，已經(jīng)造成了許多重大損失和環(huán)境污染。使用微生物的原位修復是解決污染的最好的辦法。因為微生物作用于凈徹，不會帶來二次污染。李順鵬（2005）對從土壤中分離到的兩株能夠以阿特拉津為唯一碳氮源的降解菌株在未滅菌土壤中對阿特拉津的原位修復做了初步研究，發(fā)現(xiàn)通過對土壤中投加二定量的降解菌劑可以非常好的消除土壤中的除草劑，并且解除除草劑對植物藥害作用。2.研究方法(1)供試菌株和植物菌株BTAH1(微小桿菌屬，Exiguobacteriumsp.)和AG(節(jié)桿菌屬，Arthrobactersp.)均為本實驗室從土壤中分離得到。實驗所用植物為蘇麥7號。(2)供試土壤供試土壤為南京農(nóng)業(yè)大學試驗農(nóng)場采集的田間表層土(0～30cm)，土壤經(jīng)風干，過篩(5mm)備用。該土壤從未使用過阿特拉津。修復案例(3)培養(yǎng)基

實驗中所用培養(yǎng)基為LB培養(yǎng)基稀釋10倍、簡稱1/10LB培養(yǎng)基。(4)實驗設(shè)計

實驗設(shè)4個處理，每處理用土2.5kg，重復3次。4個處理分別為a.空白處理，施用1oomL新鮮的1/10LB培養(yǎng)基b.對照處理、施用50mg/kg的阿特拉津和100mL新鮮的1/10LB培養(yǎng)基c.使用BTAH1菌株處理，施用50mg/kg的阿特拉津和100mL的1/10LB液體培養(yǎng)基搖瓶培養(yǎng)的BTAH1菌液；d.使用AG菌株處理，施用50mg/kg的阿特拉津和100ml，的1/10LB液體培養(yǎng)基搖瓶培養(yǎng)的AG菌液。施用除草劑7d后向處理組均勻噴灑相應(yīng)的細菌培養(yǎng)液，再過7d播種小麥。每盆(30cm×4ocm)約播種300粒小麥，最后定苗約150株，即每組最后約450株。3.結(jié)果與分析(1)降解菌對土壤中阿特拉津的降解效果

當投加菌體數(shù)量為每g土10個時，8d后，投加AG菌株的土壤中，阿特拉津的濃度降1.53mg/kg，降解率為96.9%，投加BTAH1菌株的土壤中，阿特拉津的濃度降至1.79mg/kg，降解率為96.4%，并且AG的降解過程略快于BTAH1。而對照土壤中阿特拉津一直維持在一個較高水平，8d后為47.1mg/kg,27d后仍然有46.2mg/kg。由此可以看出，外源降解菌的投加對于土壤中阿特拉津的快速降解有非常明顯的貢獻，對照土壤由于從未使用過阿特拉津，降解過程緩慢。修復案例(2)降解菌的修復作用對小麥生長的影響在投加降解菌7d后，在各組土壤中播種了對阿特拉津比較敏感的作物——小麥，觀察降解菌的投加對消除除草劑藥害的影響。結(jié)果顯示，降解菌的投加對小麥的長勢有非常明顯的影響。當含有除草劑的土壤被降解菌處理7d后，小麥的生長狀況就得到了明顯的改善，不論從植株的高度還是根長來看，都基本達到空白的生長水平。進一步分析降解菌的施用對小麥地上部分和根的鮮重進行了比較和分析，降解菌的投加對小麥各部分鮮重的影響也非常明顯。投加降解菌AG的效果好于降解菌BTAH1的效果，而從土壤測定的結(jié)果來看，兩個菌株的降解效果的差異不顯著，且投加降解菌AG的土壤中生長的小麥的植株鮮重也高于空白小麥，顯示該菌株可能具有促進植物生長的作用。(3)兩株降解菌降解中間產(chǎn)物的比較經(jīng)過兩天的降解，兩個菌株的培養(yǎng)基中的阿特拉津濃度均大幅下降，但是AG的培養(yǎng)基中出現(xiàn)了氰尿酸的累積。進二步研究發(fā)現(xiàn)，BTAH1始終沒有出現(xiàn)氰尿酸的累積，但是AG的培養(yǎng)基中隨著時間的增加，氰尿酸的量也增加。并且BTAH1可以利用氰尿酸為唯一氮源，但是AG卻不能。氰尿酸是阿特拉津代謝中的一個重要產(chǎn)物，一般來說可以降解氰尿酸就可以將阿特拉津的三嗪環(huán)打開后徹底降解，因此可以判斷BTAH1可將阿特拉津徹底降解，而AG卻不可以。修復案例4.討論與結(jié)論在實驗室條件下，降解菌可以在較短的時期內(nèi)使土壤中的除草劑濃度下降至一個較低水平，從而使敏感作物(小麥)可