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农药污染土壤的生物修复技术

北极星环境监测网  来源:《基层建设》  作者:郭瑾  2019/11/22 16:42:45  我要投稿  

北极星环境监测网讯:摘要:目前,越来越多的人认为利用活的生物体对农药污染土壤进行修复是一种十分安全可靠的方法。本文将从动物修复技术、植物修复技术和生物修复技术这三个方面来深入分析农药污染土壤的生物修复技术,以供参考。

一、动物修复技术

土壤中的一些大型土生动物如蚯蚓和某些鼠类,能吸收或富集土壤中的残留农药,并通过其自身的代谢作用,把部分农药分解为低毒或无毒产物。动物对某种毒物的积累及代谢符合一级动力学,某种农药经某种动物体内的代谢,有一定的半衰期,一般经过5—6个半衰期后,动物积累农药达到极限值,意味着动物对土壤中污染农药的去除作用已完成。同时,土壤中还生存着丰富的小型动物种群,如线虫纲、弹尾类、稗螨属、蜈蚣目、蜘蛛目、土蜂科等,均对土壤中的污染农药有一定的吸收和富集作用,可以从土壤中带走部分农药。

二、植物修复技术

由于人们担心工厂化生产微生物的安全性和应用到环境中再次引起另一种形式的污染,一种人们普遍能够接受的、更加安全可靠的生物修复方法——植物修复技术已成为研究的热点。植物修复技术是利用植物的独特功能,并可和根际微生物协同作用,从而可以发挥生物修复的更大效能。作为一种高效的生物修复途径正在受到越来越多的重视。植物修复的机理主要包括直接吸收、根际微域对有机污染物的降解等。

1.植物直接吸收污染物

土壤环境中的有机污染物可以直接被植物吸收。有机污染物进入植物体内,有的本身形态、 性质不发生改变,储存于植物组织中,这称之为植物提取;有的在植物生长代谢活动中发生不同程度的转化或降解,被转化成对植物无害的物质储存在植物组织中。如Raveton的研究结果表明,玉米苗72h可将吸收的95%的阿特拉津转化为代谢产物,而在死亡植株中,吸收 量的80%仍为母体化合物。Burken从培植于含阿特拉津的土壤和沙石中的杨树的根、茎和叶中提到了阿特拉津母体及6种代谢产物,并发现培养80d后,母体化合物占标记量的比率分别为:土壤中50%以上,杨树根系38%左右,叶片中10%左右;且随着培养时间的延长,叶片中代谢产物的比率明显上升。Solanum nigrum的毛根可以吸收PCB,并可以使72%的PCB降解,其中二氯联苯的代谢产物为单羟基二氯联苯,单氯联苯的代谢产物为单羟基氯代联苯和双羟基氯代联苯。另外,有机污染物被植物根部吸收后,可以借助植物的共质体、质外体或共质体-质外体联合途径向地上部运输。如杂交杨树从土壤中吸收的TNT中,75%被固定在根系,转移到叶部的量也可高达10%。一部分有机污染物被植物吸收后,可以完全被降解并最终被矿化成二氧化碳和水。如杂交杨树可有效吸收四氯乙烯(TCE),并且可以把它降解成三氯乙醇、氯代酮,最后降解成二氧化碳。

2.根际-微生物的联合代谢作用

根际是植物根系直接影响的土壤范围,在植物的生长过程中,死亡的根系和根的脱落物是微生物的营养来源,同时根系旺盛的代谢作用可以释放一些物质进入到土壤中,包括土壤酶、糖类、醇类和酸类物质,Moser等研究表明,植物每年释放的这类物质可达植物总光合作用的10%—20%,它们与脱落的根冠细胞等一起为根区的微生物提供重要的营养物质,促进了根区微生物的生长和繁殖。由于根系的穿插,使根际的通气条件、水分状况和温度均比根际外的土壤更有利于微生物的生长,另一方面,植物又可将大气中的氧气经叶、茎传输到根中,扩散到根际周围缺氧的底质中,形成了氧化的微环境,刺激好氧微生物的生长和活性。研究表明,植物根区微生物明显比空白土壤中的微生物数量和种类多,假单孢菌属、黄杆菌属、产碱菌属和土壤杆菌属的根际效应非常明显。这些增加的微生物可以增加环境中的农药等有机物的降解,Henner等研究表明,根际环境可以加速许多农药以及三氯乙烯的降解。阿特拉津的矿化与土壤中有机碳的含量有直接关系。植物根上有菌根菌的生长,菌根菌与植物形成共生作用,具有独特的降解途径,可以代谢某些不能被自生细菌降解的有机物。植物根际是一个能降解土壤中污染物的生物活跃区,研究者针对植物宿主的正确选择、必要的植根方式和有关的微生物群落,进行了综合研究。植物根际-微生物系统的相互促进作用将是提高污染土壤植物修复能力的一个活跃领域。

三、生物修复技术

1.微生物对农药降解的代谢方式和途径

微生物的农药降解作用分为酶促降解作用和非酶促降解作用。酶促降解作用表现为:第一,微生物以农药或其分子中某部分作为能源和碳源,部分微生物能以某种农药为唯一碳源或氮源。有些能被微生物立即利用,有的则不能立即利用,需先经产生特殊酶解后再使农药降解。第二,微生物通过共代谢作用使农药降解。许多研究表明,由于某些化学农药的结构复杂,单一的微生物不能使其降解,需靠二种或二种以上的微生物共同代谢降解。此领域是目前研究的热点。第三,去毒代谢作用。微生物不是从农药中获取营养或能源,而是发展了为保护自身生存的解毒作用。非酶促降解作用:微生物活动使pH发生变化而引起农药降解,或产生某些辅助因子或化学物质参与农药的转化,如脱卤作用、脱烃作用、胺及酯的水解、还原作用、环裂解等。许多顽固性农药的好氧/厌氧生物降解途径已经被阐明,美国Minnesota大学的生物降解与生物催化数据库收集了农药等化合物的139条代谢途径、910个反应、577 种酶、328个微生物条目、247条生物转化规律、50个有机功能群,其中包含了许多农药的微生物降解代谢途径和酶类,像对硫磷、阿特拉津、2,4-D、4-硝基酚、四氢呋喃、S-三嗪、 DDT等农药的代谢途径和降解机制已经被详细列出。

2.微生物修复农药污染土壤的影响因素

农药本身的性质,尤其是内部化学键、浓度、水溶性、分子极性、生物可利用性、化合物的吸附性和环境因子(温度、盐度、pH、土壤类型、氧化还原电位、营养物质)等是影响农药生物降解和修复的主要因素。微生物对环境污染物的修复能否最终实现不仅仅依赖于其降解能力本身,而且依赖于污染物的生物可利用性以及细菌与土著微生物之间的竞争能力等其他因素。增加污染物的溶解性和生物可利用性是生物学方法进行成功修复的必要条件。土壤中农药的降解效率还与土壤中微生物活性关系密切,而土壤中微生物的活性又受多种因素影响,如农药浓度、土壤理化特性、有机物种类和含量、微生物区系组成等。

四、其他生物处理方法

以上介绍的生物修复方法均是在好氧的环境中进行,事实上,对于农药污染的土壤,厌氧条件下的修复技术也具有很大的潜力。如有机氯农药在厌氧的条件下降解速度反而更快,可以利用厌氧微生物对有机氯污染的土壤进行修复。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。为了进一步提高生物修复效率,又发展了许多辅助技术,如利用计算机作为辅助工具来设计最佳的修复环境,预测微生物生长动态和污染物降解动力学;植物根际-微生物系统受到重视,希望通过植物根际来改善微生物的生存环境,从而加强其生长代谢来促进污染土壤的原位修复;人们尝试通过基因工程的手段选育出高效菌株,以提高农药污染土壤的修复。


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