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土壤遭农药污染 微生物来“对付”

微生物修复最具潜力

数据显示,目前我国每年使用的化学农药量超过130万吨,平均每亩施用931.3克,比发达国家高一倍,且由于施药技术落后,农药利用率仅为20%~30%左右,70%~80%农药进入土壤和水体,导致土壤和农产品中农药残留污染严重。

据中科院南京土壤所及全国各地的环境监测站的检测数据表明,全国受农药污染的农田约1600万公顷,达到我国可耕地的10%以上。绿色和平组织2009年 检测结果表明我国90%农产品检出农药残留,66%的样品残留着至少5种以上不同的农药,沃尔玛超市一颗草莓身上竟含有13种农药残留。2010年春节期 间发生的海南毒豇豆事件和2010年4月份发生的青岛毒韭菜事件就是有机磷农药污染导致的。

由此可见,我国农田生态环境农药残留问题已经非常严重。而且,农药残留是一种面源污染,浓度低、范围广,采用传统的物理化学处理方法难度大、成本高,并且还有二次污染。

微生物修复技术被公认为是最具潜力的修复技术,在解决农药面源污染问题、提升农产品质量安全方面具有重要作用。

微生物由于其种类繁多,代谢类型极为丰富,能够将污染物彻底分解为二氧化碳、水、无机化合物等对环境及人体无害的物质。此外,微生物降解农药具有底物专一 性,只能降解一种或一类结构相似的农药,对于复合农药污染的修复成本则会增加。另一方面,降解菌剂产品货架期的延长、田间降解修复效果稳定性等方面还需要 进一步提高。

解密两大技术

微生物修复农药污染土壤主要运用的是两种技术,一是生物修复技术,二是生物激励技术。

生物修复技术包括投加外来菌种的生物强化和利用现场原有菌种的生物激励两种技术。

生物激励技术由于使用的是污染现场原有菌种,不存在由于外来微生物投加造成的污染问题,已经在美国、日本等国得到工程应用。然而,生物激励可能会由于污染场地原本没有降解性菌株或降解菌株降解效率低等原因而出现修复效果差、时间长等缺点。

生物强化是通过投加大量的高效降解菌株,并在一定时间内形成优势菌群,从而达到快速修复污染的效果,在世界各地得到普遍应用。然而,生物强化也可能由于外源接种的微生物竞争不过土著微生物或受各种生物和非生物因素影响,而出现修复效果不稳定等问题。

当前,关于农药污染土壤的微生物修复主要研究重点也集中在生物强化和生物激励两个方面,将两种技术相结合可以优势互补,可能取得更好的修复效果。

微生物对农药污染的修复效果依赖于菌株的降解能力,也同样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因素。

农药污染的生物修复影响因素还包括农药污染物自身特性、环境中微生物的生态结构以及各种环境因子等。农药结构不同、理化性质不同,其生物可降解性也不同。

此外,农药污染物在土壤等环境中的分布特性和初始浓度等因素也是影响其生物降解特性的主要因子。低水溶性物质易形成独立的非水相,极易吸附到土壤等固相 中,降低了其生物可利用性。选择最佳的环境条件是决定微生物修复技术能否成功运用的关键,也是人们在农药污染土壤微生物修复研究中必须解决的关键问题。

在生物修复过程中补充电子供体和受体也可以提高修复效果,如土壤耕耘、直接充氧或注入双氧水以释放游离氧作为土壤中微生物氧化的电子受体。在缺氧的条件下,可以投加硝酸盐和碳酸盐作为替代的电子受体,比氧更有效地提高降解菌的生物活性。

建立菌株种质资源库

生物修复的前提基础是具有高效降解污染物的菌株资源,这也是生物修复技术产品的核心,南京农业大学当前建立了目前我国农药微生物降解最大的菌株种质资源库。

南京农业大学建立的种质资源库中农药降解菌株能降解的农药种类基本上涵盖了我国市场上常见的农药品种。这些性能优良的专利菌株为我国农田生境化学农药残留污染生物修复产品研发提供了菌株基础,也为农药降解的机理研究提供菌株资源。

南京农业大学从全国各地采集的几千个样本中,通过常规的三角瓶驯化、活性污泥法、土壤回流法等方法进行富集驯化,还采用改进的梯度稀释接种、抗性压力、模 拟生态等方法,分离筛选获得了500多株高效降解化学农药的微生物菌株,建立了品种齐全的农药降解菌种质资源库并形成一套系统的菌株保存、活化、检验、复 壮工艺。

这些菌株能够高效降解我国农田生境环境中各类有机磷、有机氮、有机氯类杀虫剂、杀菌剂和除草剂,共有62个降解菌株及其发酵工艺获得国家发明专利,发表具有化学农药降解功能的细菌新种27个,占同期同类型新种的63%。

(作者系南京农业大学生命科学学院教授,经采访整理)

《中国科学报》 (2014-08-05 第8版 生物)
 
点击次数:  更新时间:2014/09/03  【打印此页】  【关闭
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