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土壤农药污染与微生物修复技术

来源: 《卷宗》 点击:   2017-11-15 10:07:02

摘要:农药是化学品中的重要种类,它在防治、杀害、驱避或减少农作物的病虫草害和保证稳产高产起着极为重要的作用,然而大量事实证明,化学农药的广泛使用已成为环境污染的重要因素之一。农药进入环境后会不断地从施药区向四周扩散,从而导致对水、大气、土壤及生物产生污染和危害,影响周围环境的安全。它通过主要农业应用进入农田环境,及土壤、水及植物的农田生态系统。

农药,作为人类文明进步的产物,为解决人类温饱、增强社会稳定、促进社会发展做出了贡献,对人类健康起到了积极作用。尤其是20世纪三四十年代,有机农药的成功发现和生产,为控制害虫的危害提供了有效的手段。然而,从现阶段看,农药的使用已不可避免,为了人类更加健康安全地生存,了解、避免、减缓和解决这一越发严重的问题,有必要和必须探索和研究农药的环境污染机理。

1 概述

1.1 农药的定义

农药广义的定义是指用于预防、消灭或者控制危害农业、林业的病、虫、草和其他有害生物以及有目的地调节植物、昆虫生长的化学合成或者来源于生物、其他天然物质的一种物质或者几种物质的混合物及其制剂。是指在农业生产中,为保障、促进植物和农作物的成长,所施用的杀虫、杀菌、杀灭有害动物(或杂草)的一类药物统称。特指在农业上用于防治病虫以及调节植物生长、除草等药剂。

1.2 农药的毒性

农药对人体的危害主要表现为急性毒性和慢性毒性。农药经口、吸呼道或接触而大量进入人体内,在短时间内表现出的急性病理反应为急性中毒。急性中毒往往导致神经麻痹乃至死亡,甚至造成大面积死亡,成为最明显的农药危害。据世界卫生组织和联合国环境署报告,全世界每年有300多万人农药中毒,其中20万人死亡。时至今日,由于农药在各方面的广泛应用,任何一个生活在现代生活中的人都不可能避免每天接触很低浓度的各种不同种类的农药,或是通过食物,或是通过饮水。由此所产生的可能对人体健康的危害属于连续的低水平暴露,这是一种潜在的慢性毒性效应。

1.3 农药对土壤的污染

土壤是污染物的汇也是污染物的源。农药土壤污染是农药污染最典型的例子之一。农药的理化特性决定了它在土壤中的分布、降解速率及对环境的影响。农药在土壤中经土壤微生物作用,可以迁移、转化直至矿化。土壤污染了,土壤上所生长的作物和所结的果实也会吸收污染空气。一种简单的植物物种,吸收也是多种多样的,植物根系可以吸收土壤溶液中的农药,土壤中固体颗粒也能吸收土壤溶液中的农药。有些农药易挥发,植物的叶子可以吸收空气中的农药蒸气;而根又能吸收土壤中的农药,再从叶面上蒸发出它,过程相当复杂。植物根茎叶吸收农药后,继而在植物体内提升,最后可残留在植物体内,人们摄入该植物可直接摄入农药。

2 农药在土壤中的环境行为与降解机理

2.1 农药在土壤环境中的滞留、迁移

一般而言,如果农药能被强烈地吸附,则它们就容易滞留在土壤的固相,不易进一步造成对周围环境的污染;反之,就容易发生迁移,如被淋溶进入地下水而造成污染。农药滞留、迁移的物理化学原理有:表面功能基团;表面配合物;表面吸附。

2.2 农药在土壤中的水解作用

农药的水解是农药分子与水分子发生相互作用的过程,它是农药在环境中迁移转化的一个重要途径。水解反应是许多农药如有机磷、菊酯、氨基甲酸酯及羧酸脂等降解的主要步骤,与农药在环境中尤其是在水体中的持久性是密切相关的,是影响农药在环境中归宿机制的主要判据之一,也是评价农药在水中残留特性的重要指标。研究农药在环境系统中的水解,尤其是一些有机磷酸脂类杀虫剂、磺酰脲类除草剂水解反应是其在环境中降解转化的初始步骤,对于了解这些农药在环境系统中的归宿机制、残留特性及其对靶标与非靶标生物的毒理效应具有重要意义。

2.3 农药在环境中的光降解

农药可以吸收一定的光能量或光量子,发生光物理和光化学反应。光物理反应包括辐射能以光、热等能量形式吸收或释放,但农药分子形态没有变化;而光化学反应则是通过农药分子的异构化、键断裂、分子重排或分子间反应生成新的化合物。环境中农药的光化学反应可在气相、水相、固相中发生。尽管评价农药在环境中迁移、转化行为时,有一些农药光化学降解可以忽视,但许多农药的光降解还是其在环境中主要的降解途径之一。农药光解释农药真正的分解过程,它不可逆地改变了反应分子,强烈影响着某些农药在环境中的趋势。因此研究农药的光化学降解具有非常重要的意义。

3 农药污染土壤的生物修复技术

微生物修复技术是利用微生物的生命代谢活动对有机农药的降解作用使受污染土壤恢复到健康状态。所利用的微生物主要有土着微生物、外来微生物和基因工程菌3种类型。微生物修复技术可分为原位修复、现场修复和异位修复,其中原位修复不仅操作简单、成本低,而且不破坏植物生长所需要的土壤环境,污染物氧化安全,无二次污染,处理效果好,是一种高效、经济和生态可承受的环保技术。

微生物降解农药有2种方式:一是微生物直接作用于农药,以农药成分作为唯一的碳源或氮源、磷源,通过酶促反应降解农药;另一种是将农药与其它有机质进行共代谢。微生物修复与植物修复不同,通常一种微生物能降解多种农药,

如假单胞杆菌可降解DDT、艾氏剂、毒杀酚和敌敌畏等。另外,微生物也可通过改变土壤的环境理化特征降低农药有效性,从而间接起到修复污染土壤的作用。如:刘宪华等人用假单胞菌AEBL3降解呋喃丹污染,结果发现未加菌土壤呋喃丹在0 ~7cm土层中含量已达90mg/kg,加菌土壤呋喃丹含量为48mg/kg,后者降解率达96.4%。

现今微生物修复农药污染已进入基因水平,通过基因重组、构建基因工程菌来提高微生物降解农药的能力。目前对微生物修复技术的研究已相当成熟。世界各国的科研工作者分离筛选了大量的降解性微生物,利用基因工程技术,人们按照需要构建具有特殊功能、降解效率高、降解范围广和表达稳定的新菌株。有微生物原位修复技术的构成提高修复效果的技术措施的成功例子,但存在的问题也非常突出。首先,虽然已经筛选到许多有机农药降解菌,但高效菌种不多;其次,降解菌的降解谱不够广,不能完全代谢有机农药中各组分;另外,许多实验室得到的高效降解菌在实际应用中效率不高,修复效果不理想。为此,有机农药高效降解菌的筛选及降解效果的改良是环境科学工作者的研究热点课题。基因工程菌用于污染物处理的研究成果令人鼓舞,发展潜力很大。但是,基因工程菌的应用研究尚停留在实验室水平,真正投入污染物处理的还很少,而且基因工程菌在实际应用中存在一些问题,主要包括基因工程菌构建的技术问题和应用的安全性问题。如今,微生物修复技术作为一种有效的环境治理措施, 在治理土壤污染方面的作用已越来越突出。

文章来源: 《卷宗》
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