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土壤遭農藥污染 微生物來“對付”

2014-08-05 17:28 | 作者: 蔣建東 | 標簽: 土壤遭農藥污染

微生物修復最具潛力

數據顯示,目前我國每年使用的化學農藥量超過130萬噸,平均每畝施用931.3克,比發達國家高一倍,且由于施藥技術落后,農藥利用率僅為20%~30%左右,70%~80%農藥進入土壤和水體,導致土壤和農產品中農藥殘留污染嚴重。

據中科院南京土壤所及全國各地的環境監測站的檢測數據表明,全國受農藥污染的農田約1600萬公頃,達到我國可耕地的10%以上。綠色和平組織2009年檢測結果表明我國90%農產品檢出農藥殘留,66%的樣品殘留著至少5種以上不同的農藥,沃爾瑪超市一顆草莓身上竟含有13種農藥殘留。2010年春節期間發生的海南毒豇豆事件和2010年4月份發生的青島毒韭菜事件就是有機磷農藥污染導致的。

由此可見,我國農田生態環境農藥殘留問題已經非常嚴重。而且,農藥殘留是一種面源污染,濃度低、范圍廣,采用傳統的物理化學處理方法難度大、成本高,并且還有二次污染。

微生物修復技術被公認為是最具潛力的修復技術,在解決農藥面源污染問題、提升農產品質量安全方面具有重要作用。

微生物由于其種類繁多,代謝類型極為豐富,能夠將污染物徹底分解為二氧化碳、水、無機化合物等對環境及人體無害的物質。此外,微生物降解農藥具有底物專一性,只能降解一種或一類結構相似的農藥,對于復合農藥污染的修復成本則會增加。另一方面,降解菌劑產品貨架期的延長、田間降解修復效果穩定性等方面還需要進一步提高。

解密兩大技術

微生物修復農藥污染土壤主要運用的是兩種技術,一是生物修復技術,二是生物激勵技術。

生物修復技術包括投加外來菌種的生物強化和利用現場原有菌種的生物激勵兩種技術。

生物激勵技術由于使用的是污染現場原有菌種,不存在由于外來微生物投加造成的污染問題,已經在美國、日本等國得到工程應用。然而,生物激勵可能會由于污染場地原本沒有降解性菌株或降解菌株降解效率低等原因而出現修復效果差、時間長等缺點。

生物強化是通過投加大量的高效降解菌株,并在一定時間內形成優勢菌群,從而達到快速修復污染的效果,在世界各地得到普遍應用。然而,生物強化也可能由于外源接種的微生物競爭不過土著微生物或受各種生物和非生物因素影響,而出現修復效果不穩定等問題。

當前,關于農藥污染土壤的微生物修復主要研究重點也集中在生物強化和生物激勵兩個方面,將兩種技術相結合可以優勢互補,可能取得更好的修復效果。

微生物對農藥污染的修復效果依賴于菌株的降解能力,也同樣依賴于污染物的生物可利用性以及細菌與土著微生物之間的競爭能力等因素。

農藥污染的生物修復影響因素還包括農藥污染物自身特性、環境中微生物的生態結構以及各種環境因子等。農藥結構不同、理化性質不同,其生物可降解性也不同。

此外,農藥污染物在土壤等環境中的分布特性和初始濃度等因素也是影響其生物降解特性的主要因子。低水溶性物質易形成獨立的非水相,極易吸附到土壤等固相中,降低了其生物可利用性。選擇最佳的環境條件是決定微生物修復技術能否成功運用的關鍵,也是人們在農藥污染土壤微生物修復研究中必須解決的關鍵問題。

在生物修復過程中補充電子供體和受體也可以提高修復效果,如土壤耕耘、直接充氧或注入雙氧水以釋放游離氧作為土壤中微生物氧化的電子受體。在缺氧的條件下,可以投加硝酸鹽和碳酸鹽作為替代的電子受體,比氧更有效地提高降解菌的生物活性。

建立菌株種質資源庫

生物修復的前提基礎是具有高效降解污染物的菌株資源,這也是生物修復技術產品的核心,南京農業大學當前建立了目前我國農藥微生物降解最大的菌株種質資源庫。

南京農業大學建立的種質資源庫中農藥降解菌株能降解的農藥種類基本上涵蓋了我國市場上常見的農藥品種。這些性能優良的專利菌株為我國農田生境化學農藥殘留污染生物修復產品研發提供了菌株基礎,也為農藥降解的機理研究提供菌株資源。

南京農業大學從全國各地采集的幾千個樣本中,通過常規的三角瓶馴化、活性污泥法、土壤回流法等方法進行富集馴化,還采用改進的梯度稀釋接種、抗性壓力、模擬生態等方法,分離篩選獲得了500多株高效降解化學農藥的微生物菌株,建立了品種齊全的農藥降解菌種質資源庫并形成一套系統的菌株保存、活化、檢驗、復壯工藝。

這些菌株能夠高效降解我國農田生境環境中各類有機磷、有機氮、有機氯類殺蟲劑、殺菌劑和除草劑,共有62個降解菌株及其發酵工藝獲得國家發明專利,發表具有化學農藥降解功能的細菌新種27個,占同期同類型新種的63%。

(作者系南京農業大學生命科學學院教授,本報見習記者李勤采訪整理)

來源:中國科學報

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