有机磷农药污染土壤的微生物降解研究进展

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1、土壤（Soils）有机磷农药污染土壤的微生物降解研究进展张娜娜1,2，姜博1,2，邢奕1,2*，连路宁1,2，陈亚婷1,2（1北京科技大学能源与环境工程学院，北京100083；2北京市工业典型污染物资源化处理重点实验室，北京100083）摘要：有机磷农药是目前我国使用量最大的农药之一，严重污染环境和生态系统，并通过食物链在生物体内富集，进而危害人类健康。微生物降解技术具有降解效率高、代谢途径多、无二次污染的优势，是目前清除环境中有机磷农药的主要手段，能有效降低有机磷农药的危害。目前机磷农药的降解微生物主要是通过实验室纯培养方法获得，与自然生态环境中存在的降解功能性微生物信息差异较大，而利用不可

2、培养方法识别功能性微生物的技术具有广阔的应用前景。本文从有机磷农药的使用情况及引发的环境问题出发，概述了有机磷农药在土壤中的迁移转化途径；稳定同位素探测技术和磁性纳米材料等不可培养方法对有机磷农药降解功能性微生物的识别；微生物降解有机磷农药污染土壤的功能基因、降解途径及降解机理。探讨了植物-微生物联合修复在有机磷农药污染土壤修复中的作用，并分析了环境因子及农药自身性质对有机磷农药降解的影响。最后，讨论了微生物降解技术存在的问题及今后研究方向。关键字：有机磷农药；微生物降解；不可培养微生物；功能基因；降解途径中图分类号：S154文献标识码：A有机磷农药（OrganophosphorusPesti

3、cides，OPs）作为一种广谱杀虫/除草剂，被广泛应用于农业中，以杀除有害病虫，确保农作物正常生长。由于OPs具有品种丰富、价格低廉和易被生物降解的优点，在有机氯农药开始限制并禁止使用（1970年）后，作为其优势农药替代品迅速发展[1]，成为我国需求量最多的农药之一。据中国农药工业协会统计，2015年，我国农药总用量为30万t，其中OPs用量为7.05万t（折百量），占我国农药总用量的20%以上。然而农药利用率普遍偏低，仅为35%左右，剩余农药残留在土壤、植物以及大气中[2]，对环境和生态系统存在潜在的毒害作用。土层中残留的OPs会随着大气降水或灌溉水下渗，污染地下水[3]；OPs易吸附于土

4、壤颗粒上，破坏土壤结构和功能，进而影响农产品质量[4]；同时OPs污染会刺激土壤微生物群落结构[5]，使耐受农药的菌群代替代敏感种成为优势种群，微生物种类减少，严重时导致物种灭绝，生物多样性降低[6]。研究表明，大部分OPs属于高毒性，可通过皮肤接触、呼吸吸入、食用食物等途径进入人体，抑制体内胆碱酯酶的活性，造成生物体中毒[7]。据统计，由于环境中OPs的暴露，每年约有300万人中毒，20万人死亡[8]。土壤OPs污染防治已成为目前全球面临的严重问题。针对OPs污染土壤的环境问题，目前的主要修复技术包括物理、化学及生物方法。而微生物在环境中分布广泛，具有降解效率高、代谢途径多、无二次污染的特点

5、，成为目前降解OPs的主要手段[9]。大量研究证明，自然界中存在多种微生物可利用OPs作为碳源和能源，将其降解为小分子低毒或无毒物质，最终转化为CO2、水和矿物质，实现无害化处理[10]。1971年，首次有研究表明，微生物可降解OPs，由于杀虫剂二嗪农的生物降解，有害病虫褐飞虱的控制效率有所下降[11]。此后通过富集、驯化、分离的纯培养方法，筛选出多种能够降解OPs的微生物，包括细菌，真菌，放线菌和藻类等[12]，并对农药的降解途径以及代谢方式进行了研究。微生物降解OPs作为一种高效清除农药污染的环境生物技术已成为研究热点。14土壤（Soils）近年来，利用新型分子生物学技术识别功能降解微生物

6、取得了显著进展，在此基础上，本文对通过不可培养方法识别环境中OPs降解功能性微生物的技术进行论述，揭示其在OPs污染土壤中微生物降解的应用前景。同时概述了OPs在土壤中的迁移转化过程、OPs的微生物降解途径、降解功能基因、降解过程中的限制因素以及植物—微生物联合修复OPs污染土壤的作用，为有效降低或清除环境中OPs残留提供科学依据。本文也批判性的综述了微生物降解OPs存在的问题，并对今后主要研究方向进行讨论。1OPs在土壤中的迁移转化OPs在环境中的迁移转化是一个复杂的过程，了解OPs在土壤中的迁移行为是评价其安全性的重要依据。一般来说，农药在地下水系统中的迁移转化过程包括：通过土壤表面蒸发进

7、入到大气；经径流进入地表水；或受淋溶进入地下水，污染地下水；以及植物根系吸收、土壤吸附、微生物的降解等[13]，如图1所示。OPs在土层中的迁移与其本身吸附、降解、挥发性能相关，另外土壤TOC、含水量、黏粒含量、pH等因素也会影响农药的迁移能力[14]。调研结果表明，国内外研究OPs在土壤中的迁移转化方法有土壤柱淋溶法[15]、土壤薄层层析法[16]、同位素示踪法[17]等。为了综合各种环境因素的