土壤農藥污染原位生物修復技術及其研究進展

王 新，姚夢琴，祝虹鈺，曹 宇，鮑 佳*，張惠文

(1.沈陽工業大學，遼寧沈陽 110870；2.中國科學院沈陽應用生態研究所，遼寧沈陽 110016)

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土壤農藥污染原位生物修復技術及其研究進展

王 新1，姚夢琴1，祝虹鈺1，曹 宇1，鮑 佳1*，張惠文2

(1.沈陽工業大學，遼寧沈陽 110870；2.中國科學院沈陽應用生態研究所，遼寧沈陽 110016)

介紹了農藥污染土壤的生物修復和原位生物修復技術及其研究現狀，分析了其研究方向與發展趨勢，以期為農藥污染土壤原位生物修復技術的理論研究和應用提供參考。

生物修復；農藥；污染土壤

現代化種植模式、農業科學技術的發展，化肥和農藥的使用，雖然大幅度提高了農作物產量，但隨之而來的是一系列環境問題。人們在使用農藥防治病蟲草害的同時，也導致了糧食、蔬菜、瓜果等農產品中的農藥殘留超標，給非靶生物帶來傷害，每年造成的農藥中毒事件及職業性中毒病例不斷增加[1-4]。當農藥中的有機磷進入人體后，其磷酰基會與酶的活性部分結合，形成磷酰膽堿酯酶，從而喪失了分解乙酰膽堿的能力，致使乙酰膽堿大量積蓄，并抑制乙酰膽堿酯酶的活力，使中樞神經系統及膽堿能神經過度興奮，最后轉入抑制和衰竭，導致神經死亡[3]。同時因大量使用化肥、農藥導致土壤污染日趨嚴重，已經嚴重威脅到人們的健康及生活環境[6-7]。

目前，用于土壤農藥污染治理的方法包括物理修復、化學修復和生物修復。雖然物理、化學的方法可以達到一定的效果，但其存在能耗大、環境不友好等問題。生物修復利用生物的生命代謝活動減少土壤環境中有毒有害物質的濃度或使其完全無害化，從而使被污染的土壤環境能夠部分或完全恢復到初始狀態[8]，具有操作簡單、處理費用低、效果好、可以就地進行處理等優點。筆者介紹了土壤農藥生物修復的類型及其降解機理、相關修復技術的原理與特點，綜述了這些技術在修復農藥污染土壤方面的研究進展，以期為該領域的相關研究提供參考。

1 農藥污染土壤的生物修復

1.1 微生物修復 微生物修復是利用篩選、馴化的專性微生物或基因工程菌去除或降解土壤有機污染物，實現修復的目的。由于微生物對環境有極強的適應性，可以在各種條件下進行生長繁殖，并具有較強的變異性，因此在生存過程中分化出多種多樣的代謝類型，并能較強地適應生存環境。在有機物污染土壤中，經過自然馴化，存在大量能降解污染物的微生物，對污染物的去除起著重要作用[9-11]。土壤中微生物類群、數量分布，由于土質、肥力、季節、種植作物、土壤深度和層次不同有很大差異。肥沃土壤中含有微生物107～109個/kg，而貧瘠土壤中僅有微生物103～106個/kg，甚至更低。其中，以細菌數量最多(70%～90%)、分布最廣、作用強度和影響最大；放線菌和真菌次之(5%～30%)；藻類原生動物等較少，影響較小。土壤中生物種類見表1。

在微生物對農藥降解的過程中酶促反應起到了直接作用。許多微生物具有強大的酶降解體系，農藥降解的每個過程均由酶催化完成。參加反應的酶一種是微生物本身含有可降解該農藥的酶系，可以直接降解進入土壤中的農藥；另一種是微生物本身無酶系，當農藥進入環境后，經誘導或環境存在選擇壓力，基因發生重組產生新的降解酶系。研究發現，真菌中的白腐真菌，可以在次生代謝階段釋放錳過氧化物酶、木質素過氧化物酶、漆酶等降解酶至細胞外，形成胞外酶降解系統[12]，促使一些難降解的有機物轉化成其他無毒或易降解的物質[13]。除酶促反應外，微生物還通過自身的活動改變土壤的理化性質，而間接作用于農藥。常見的作用方式有3種：①礦化作用。指在土壤微生物作用下，土壤中有機態化合物(農藥)轉化為無機態化合物(CO2和H2O等)的過程。解秀平等[14]分離到1株能以甲基對硫磷及其降解中間產物對硝基苯酚為唯一生長碳源，且能夠將其徹底降解為CO2和H2O的細菌X4。②共代謝作用。共代謝微生物不能從非生長基質的轉化作用獲得能量、碳源或其他營養，但在可利用生長基質存在時，對非生長基質也伴隨發生氧化或其他反應。微生物共代謝反應的關鍵是能產生非專一性酶，這些酶在共代謝反應中不但能代謝轉化生長基質，還能催化氧化目標污染物。Ali等[15]從含有有機磷農藥污染土壤中分離出1株細菌菌株，經鑒定為短小芽孢桿菌W1，對其生化特性研究發現，其能夠在甲基對硫磷(250 mg/L)中生長。將

表1 土壤中微生物種類

其用于降解對硝基苯酚，發現在有氧條件且葡萄糖存在下，24 h內超過70%的對硝基苯酚被降解。③種間協同代謝。有時單一的微生物不足以降解農藥，需要環境中其他菌種將其代謝產物進一步降解。培養混合菌是解決該問題的可行方法。劉蛟等[16]混合培養惡臭假單胞菌和熱帶假絲酵母，可同時降解苯酚、間甲酚和4-氯酚。微生物對部分農藥的降解情況見表2。

表2 微生物對農藥的降解情況

1.2 植物修復 植物修復以植物積累、代謝、轉化某些有機物的理論為基礎，通過有目的地優選種植植物，利用植物并與根際微生物協同作用，去除、轉移或降解土壤有機污染物，以恢復土壤系統正常功能的污染環境治理措施[27-29]。植物修復的類型和過程見圖1。實際上對于農藥的修復，植物往往與微生物共同完成。在整個植物修復系統，由于存在植物、微生物、多樣性的酶類物質、土壤膠體等，系統活性很高，可通過一系列的物理、化學和生物過程去除污染物。

農藥被植物根部吸收后[30]，有多條轉化途徑：可轉化為植物體的組成部分，無毒的中間產物如木質素等在植物細胞中儲存，或者通過揮發、代謝或礦化作用使其轉化成CO2和H2O，達到去除環境中有機污染物的目的[31]。同時植物根部可以分泌低分子有機物(氨基酸等)來刺激微生物的大量繁殖，使微生物活性得以提高，同時也為微生物生長提供穩定的生長環境，間接促進了有機污染物的根際微生物降解，更利于其對農藥污染物質的降解[32-33]。另外，植物的存在使土壤變得疏松，提高了土壤中酶的活性從而大大提高了土壤肥力，根系的輸水性能也為微生物生長提供更為適宜的濕度環境。一些農藥植物修復情況見表3。

1.3 動物修復 在實際土壤修復時，土壤的生物修復除常見的微生物修復及植物修復外，土壤中還存在一定數量的動物類群，如蚯蚓、線蟲、昆蟲、螞蟻和蝸牛等[43]。這些動物以植物、其他動物的排泄物和無生命的物質為食料，在土壤中打洞挖巢，搬運大量的土壤物質，從而改善土壤的通氣、排水和土壤結構形狀。同時，還將作物殘渣和枯枝落葉浸軟、嚼碎，并以一種較易為土壤微生物利用的形態排出體外。動物對某種毒物的積累及代謝符合一級動力學，某種農藥經某種動物體內的代謝，有一定的半衰期，一般經過5～6個半衰期后，動物積累農藥達到極限值，意味著動物對土壤中污染農藥的去除作用已完成[44]。

土壤是一個復雜的環境系統，其中，各種礦物質及有機物質顆粒并不是單獨存在的，一般通過多種途徑相互結合形成各種團聚體。土壤的結構組成、溫度、pH均影響各種生物的種類和數量及與生物間的相互作用。隨著人們對土壤的認知與了解的不斷深入，探索農藥在進入土壤介質后發生的多種復雜轉變、生物群落組成的轉變，對土壤生物修復的關注不再局限于表觀的現象，而是更深入地研究機理，在理論研究的基礎上開發多樣化的生物修復形式則是今后研究的熱點。

圖1 植物修復的類型和過程Fig.1 Types and processes of phytoremediation

農藥種類PesticideSpecies代表產品Plantuptake植物種類Plantspecies文獻Reference有機氯Organochlorines艾氏劑(Aldrin)甘薯(Ipomoeabatatas)、芋頭(Colocasiaesculenta)[34]滴滴涕(DDT)豇豆(Vignaunguiculata)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、水稻(Oryzasativa)[35-36]有機磷Organophos-phates毒死蜱(Chlorpyrifos)番茄(Lycopersiconesculentum)[37]三唑磷(Triazophos)美人蕉(Cannaindica)[38]敵百蟲(Trichlorfon)鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes(Mart.)Solms)[39]氨基甲酸酯Carbamates甲萘威(Carbaryl)狹葉羽扇豆(Lupinusangustifolius)[40]沙蠶毒素類殺螟腈車前草(PlantagomajorL.)[41]酰胺Amides丁草胺(Butachlor)棉花(Gossypiumspp)、水稻(Oryzasativa)、小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)[42]

2 農藥污染的生物原位修復技術

由于生物修復具有其獨有的特點，近20多年來發展尤為迅速，給農藥污染土壤的修復技術帶來了豐富的研究內容和發展前景。從修復場地分，土壤生物修復技術主要分為2類，即原位修復(in-situ )和異位修復(ex-situ)。異位修復技術處理污染土壤時，需要對污染的土壤進行大范圍的擾動，主要技術包括預制床技術、生物反應器技術、厭氧處理和常規的堆肥法。其特點在于修復效率較快、污染物降解徹底、處理時間短，但其操作復雜、運行維護困難、修復費用高，會破壞土壤的原始形態結構，限制其在修復技術上的應用。而原位修復技術無須將土壤挖走而直接向污染土壤中接入生物體，并投加氮、磷等營養物質和供氧，該方法不僅操作簡單、成本低，而且不破壞植物生長所需要的土壤環境，污染物氧化安全、無二次污染，處理效果好，是一種高效、經濟和生態可承受的清潔技術，是未來農藥污染土壤修復的趨勢。

2.1 生物通風 該項技術源于20世紀90年代的美國，是一種加壓氧化的生物降解方法。主要操作是將空氣強行排入土壤中，然后抽出，土壤中的揮發性有機物也隨之去除。其結合了土壤通風的物理過程和增強的生物降解過程，成為一種應用廣泛的革新性原位修復技術[45-46]。美國艾斯特技術工程公司運用生物通風工藝，實踐證明該工藝是行之有效的石油類污染土壤修復技術。但處理期一般較長，通常180 d后，TPHs濃度降低60%～70%，2～3 a后降低80%以上。目前該項技術在國外發展較為成熟，國內對該工藝的研究還是以實驗室和中小試驗居多。隋紅等[47]運用生物通風技術去除土壤中甲苯，結果顯示，通風流量為20 mL/min時，揮發去除的甲苯與生物降解去除比例約為1.5∶1.0。在土柱通風操作的226 h 期間，共有96.68%的甲苯被去除，同時產生了128.13 mg CO2，生物降解去除的甲苯為初始加入甲苯的42%～49%。

2.2 生物噴淋 將微生物(細菌、真菌)和植物提取物噴灑在土壤中，這些提取物實際上是一些表面活性劑，在促進污染物生物降解的同時，自身也能被生物降解。與傳統的人工化學合成類表面活性劑相比，生物表面活性劑[48-50]的生物相容性好、可降解性好、不產生二次污染，有利于土壤的后續復墾和利用[51]。

2.3 生物投菌法 該工藝直接向受污染的土壤中接入農藥污染物降解菌，同時投加微生物生長所需的營養物質，通過微生物對污染物的降解和代謝達到去除污染物的目的。直接投加的方法操作簡單易行，成本較低，但多數生物對環境較敏感，其對于污染物的降解需要在一定的環境條件下進行，直接將生物菌體投加到受污染環境中往往受溫度和土壤類型的影響而具有一定的局限性，因此生物投菌法常聯合其他工藝對土壤農藥進行修復。尹盤基等[52]提出了一種表面活性劑淋洗與投菌法相結合的土壤修復方法。該方法采用表面活性劑淋洗污染土壤，使高濃度氯酚得到部分去除后再加入微生物降解菌，從而實現低濃度氯酚的持續降解。25 d內土壤中的2，4，6-三氯苯酚從190.4 mg/kg降至3.1 mg/kg，去除率達98.4%。

異位修復是土壤修復早期常用的方法，由于其涉及挖土和運土，處理成本高，很難治理深度污染特別是污染物滲入至飽和層土壤及地下水的場合，不能處理建筑物下面的土壤污染，破壞原土壤結構及生態環境等[53]，因而存在明顯的不足。針對異位修復的這些問題，原位修復成為國內外十幾年來發展的重點，也是未來發展的方向。但其處理效率相對較低、對環境條件要求較高、修復時間較長等問題是未來研究中需要解決的。作為一種生物處理技術，原位生物修復能否取得成功，由多種相關因素共同決定。因此，要達到較好的污染去除效果，必須因地制宜，設計有針對性的原位生物修復方案。

3 展望

土壤原位生物修復技術是一種綠色、節能、環保的修復手段，具有巨大的發展潛力。但也存在一些問題，如植物、微生物是活的生物體，需要有合適的生存條件；生物修復過程通常比物理、化學修復過程緩慢；不同區域修復差異較大等。因此，原位生物修復還存在許多局限性及有待完善之處，今后應從以下幾個方面加強研究和應用。

(1)高效生物的選育。應有針對性地選育修復不同種類和不同濃度農藥污染物的生物。應用分子生物學和基因工程技術[54]加強具有高效修復能力的微生物的研究，培養出有高效轉化和吸附農藥能力的功能菌，尤其是微生物細胞表面技術以及胞外酶的研究的不斷成熟與完善將會極大地提高微生物對有機農藥的吸附能力。篩選對污染物耐受性強、去除率高、生物量大的植物，研究環境因素對其修復效果的影響。從基因水平上篩選出能同時耐受并降解多種污染物的“超級植物”也將是未來科學研究的一個方向。

(2)生物的循環利用。無論是微生物還是植物，用以修復時，往往受到環境高負荷的沖擊使得活性下降甚至死亡，從而導致修復效果不理想。如果增加生物的降解時間和周期，不僅提高處理效果也將改善其應用問題。系統地研究污染物在生物體內的代謝轉化機理是關鍵。土壤基質中有害物質通過吸收與代謝從土壤轉移到微生物細胞及植物組織中，在生物體內遷移、轉化和代謝的動力學，確定控速步驟，建立研究模型[55]以及分析測定方法，也是很有意義的課題。

(3)強化生物修復技術。除選育功能性植物外，也有許多的強化生物技術。其中固定化是目前研究較多且較為有效的一種技術[56-57]。固定化技術的出現不僅提高了微生物的活性，而且還實現了微生物的可重復使用性，克服了微生物顆粒小、機械強度低的缺點，它使微生物的應用領域逐漸擴大。固定化的方式、固定化載體將推進材料、化學、環境等跨學科的合作。

(4)多種修復技術的聯合。植物的分泌物和酶有助于微生物的生命活動[58]，而微生物的活動為植物提供各種營養成分，這兩者能互助共進，對污染物的降解和去毒化有很大的潛力，土壤中的一些大型土生動物也能吸收或富集土壤中的殘留農藥，因此，研究生物在生態系統組成中相互關系，加強各修復技術有效的集成，充分發揮技術各自的優勢，會大大提高土壤中污染物的清除效率。此外，研究土壤環境條件變化對農藥轉化的影響，通過應用化學試劑(絡合劑、螯合劑)或土壤改良劑、酸堿調節劑等加速生物修復作用。

除在技術上進行研究外，農藥的結構、不同地理區位土壤的環境條件也不可忽略。雖然農藥污染土壤的原位微生物修復技術還存在一定問題，目前的應用和市場還很有限，但因其具有高效、安全、成本低、無二次污染等優點而具有巨大潛力和發展前景，無論從經濟上和生態上都是物理和化學方法所不及的。隨著研究的深入，土壤農藥污染原位生物修復將在農藥環境污染治理中發揮更大的作用，成為一種環境友好和經濟有效的農藥污染土壤修復方法。

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In-situ Bioremediation Technology for Soil Pesticide Pollution and Its Research Progress

WANG Xin，YAO Meng-qin，ZHU Hong-yu，BAO Jia*et al

(School of Science, ShenyangUniversity of Technology, Shenyang, Liaoning 110870)

Based upon a review on the pesticide contaminated soil bioremediation and in situ bioremediation technology research progress, the research direction and development trend could be demonstrated, in order to provide a reference for theory research and application of pesticide-contaminated soil and in situ bioremediation technology.

Bioremediation; Pesticides; Contaminated soil

國家自然科學面上基金項目(31670515)；國家自然科學青年基金項目(21507092)。

王新(1973- )，女，遼寧沈陽人，副教授，博士，從事環境生物治理技術及污染土壤修復研究。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導師，從事環境污染化學及污染控制化學研究。

2016-08-17

S 181

A

0517-6611(2016)31-0067-05