土壤中残留有机磷农药的环境行为及生物修复研究进展

宁诗琦

摘 要：该文分析了土壤施用有机磷农药后，有机磷农药在土壤中的主要环境行为和迁移转化规律，概述了生物修复技术的研究进展。

关键词：有机磷农药；土壤；生物修复；农药残留

中图分类号 X592.02 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）08-0093-03

Abstract：Soil application of organophosphorus pesticide was reviewed in this paper，which contains the main environmental behavior of organophosphorus pesticides in soil and the migration transformation rule，summarizes the principle and method of bioremediation.

Key words：Organophosphorous pesticides；Soil；Bioremediation；Pesticide residues

随着经济社会的发展，为了满足生产和生活需求，提高农作物的生产力，人们大量使用农药来抵御病虫害，提高作物产量。大量以及不合理施用农药，使得农药污染日益严重，农药已经一跃成为我国五大食品污染源之首[1-3]，严重威胁人类健康。目前被广泛使用的农药可以分为：有机磷类、有机氯类、拟除虫菊酯类和乙酰胺类4类，除此之外还有苯氧基烷醇酸类及相关除草剂[4]。其中有机磷农药因其对有害靶生物的去除效果好，已经成为目前我国使用最多的农药种类。一般而言，有机磷农药的化学性质不稳定，其在土壤中残留量较小，毒性小，但近来也有学者发现，部分有机磷农药的化学性质稳定，能较长时间残存在土壤中成为造成土壤污染的主要物质[5]，对当地生态系统造成一定程度的干扰和破坏[6]。

目前国内学者已经探究出多种降解土壤中农药残留的方法，包括物理法、化学法和生物法。其中生物修复技术因其效果好、残留少、有时不需降解处理就能消除废物或污染物的特点[7]，在众多处理方法中脱颖而出，成为当今治理农药污染方法中的研究热点[8-10]。生物修复技术主要包括植物修复、动物修复和微生物修复。在目前的研究中微生物修复表现出优秀的降解性能和降解效率，它是指利用农药降解菌对土壤中残留农药进行分解，将有毒性的农药转化为毒性较小或无毒性的产物，使土壤中农药残留达到可接受水平，从而达到降解的目的。本文综述了土壤中有机磷农药的环境行为以及目前针对土壤中残留有机磷农药治理的主要生物修复技术的研究进展，以期对该领域的研究提供参考。

1 土壤中有机磷农药的环境行为

1.1 滞留 与难降解农药例如有机氯农药相比，有机磷农药在土壤中残留的时间较短。而有机磷农药能够对人类健康造成潜在威胁的主要原因是土壤对有机磷农药具有吸附和结合残留作用[11-14]。有机磷农药被施入土壤或者落在土壤表面后，有一部分会通过扩散作用进入大气或者受到太阳光照射后而发生分解作用，但大部分农药会与土壤粒子结合，立即被土壤吸附[15]。当外界环境条件改变时，被土壤所吸附的有机磷农药也有机会被重新释放进土壤中，重新达到吸附-解吸平衡[16]。土壤粘粒含量、有机质含量、温湿度、pH值等条件不同，都会影响土壤对有机磷农药的吸附能力。其中粘粒含量和有机质含量被认为是影响土壤吸附性能的关键条件，因为土壤粘粒和土壤有机质在吸附过程中起到決定性作用[17]。此外，不同的土地利用方式也会对土壤中有机磷农药的吸附产生一定影响，不同作物施用的有机磷农药量不同，其土壤中残留的有机磷农药的量也会不同[18]。

1.2 迁移 有机磷农药在土壤中的迁移作用主要包括挥发、脱附和淋溶等。在有机磷农药施用的过程中，约90%的农药都是通过大气、水和土壤扩散到周边环境的，而非直接作用于靶性生物[19]。由水所造成的淋溶作用是有机磷农药的土壤中迁移的主要途径，有机磷农药易被水解，降雨或表层积雪融化所带来的水会由于重力向下渗入土壤中，同时也使土壤中施入的有机磷农药重新分布，造成不同深度的土壤中有机磷农药含量不同的情况。若积水排入江河，还会对水体造成污染，影响水生生态系统。这种作用主要与土壤性质有关，土壤性质决定了有机磷农药的扩散系数，土壤的密度越大、含水量越少时，扩散系数会相应减少，有机磷农药越不容易在土壤中扩散。在施药过程中，由于人工喷洒的不确定性，有机磷农药还会随着空气进行扩散。

1.3 转化 有机磷农药在土壤中的转化过程主要指其自然降解过程。在自然条件下，有机磷农药在土壤中的降解过程主要包括：自然光解、化学降解和生物降解过程。自然光解过程是指反应物在吸收光量子的情况下，通过活性中间产物再引发其他反应过程的反应。有机磷农药对光有一定的敏感性，有机磷农药的P-S键和P-O键容易断裂，在光照条件下易分解。化学降解过程主要包括水解作用和氧化还原作用，在有氧条件下有机磷农药易发生氧化反应，而在厌氧条件下发生还原反应。生物降解过程是有机磷农药在土壤中一个重要的转化过程，生物修复技术就是受到自然条件下有机磷农药的生物降解过程所启发而发展的一项技术。土壤中的含有可降解有机磷的微生物群落在适宜环境条件下，会利用有机磷农药完成自身生理过程，使土壤中有机磷农药含量降低。微生物菌群能够降解有机磷农药的关键原因在于其体内含有可降解有机磷农药的酶，生物修复技术就是通过培养和分离这种菌群，使其在规定时间内把土壤中的有机磷农药降解到可接受水平。

2 生物修复研究进展

2.1 微生物降解 土壤中的微生物主要包括细菌、放线菌、真菌、藻类、原生动物，这些生物中的有些种类可以通过自身代谢，直接以有机磷农药作为营养来源进行利用，或者通过自身生理过程改变土壤的理化性质，使得土壤对有机磷农药的吸附性和扩散性发生改变，从而达到降解土壤中有机磷农药的目的[20-21]。微生物修复技术是生物修复中应用最广的一种有效方法。研究人员通常会通过分离、培养、驯化的方式来挑选出针对有机磷农药的菌种，大量培养后投入实际应用。近年，慕毅敏[22]等筛选出以有机磷农药作为唯一氮源时，10株芽孢杆菌可降解有机磷农药，同时还能抑制霉菌。石爽[23]发现革兰氏阴性的粪产碱菌（Alcaligenes faecalis）对有机磷类的乐果农药具有较高的降解率，可达71.8%，该菌广泛存在与土壤和水中，在一定条件下会成为动物和人肠道内的致病菌，但在正常条件下无害。刘玉焕[24]等从农药厂的废水池中分离出曲霉（Aspergillus sp.），后续实验表明该菌株还可以降解甲胺磷、马拉硫磷和对硫磷。王永杰[25]等筛选出地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis），其对甲胺磷的耐受浓度高达3 500mg/L，对甲胺磷、敌敌畏和对硫磷均有降解作用。从上述研究可以看到，目前已分离培养出多种能够耐受高浓度有机磷农药且对有机磷农药的降解效率较高的菌种，但由于生长所要求的环境条件限制，还未大规模生产投入使用。

2.2 植物降解 实际上植物对于有机磷农药的降解是与根际微生物合作完成的，植物会通过根系的吸收、代谢、转化来使土壤中的有机磷农药转移或被分解，从而达到修复的目的。有些植物会利用土壤中的有机磷农药，将其转化为对自身无害的中间产物，用于生长和发育。还有些植物会由根系分泌营养物质，为微生物菌群提供良好的生存环境，促进微生物的分解作用。也有一些仅能通过根系大量吸收有机磷农药，而并不能利用和分解，这类植物在种植一段时间内后进行收割，也能达到净化土壤的目的。已有研究发现[26]，转基因表达OPH会提高番茄果实降解有机磷农药的能力，尤其是对于毒死稗这类农药。成水平[27]等研究了美人蕉对于水体中三唑磷的降解效果。

2.3 动物降解 在微生物修复和植物修复时，蚯蚓、蚂蚁、线虫等土壤动物的作用也常常被考虑在内。土壤动物常常以土壤中的有机质、植物根系分泌物、微生物代谢物为食，且土壤動物在生活过程中常常会打洞，使土壤疏松多孔，易于空气流通，改善土壤的理化性质。土壤动物还会搬运土壤中的腐殖质等，利于微生物的分解作用。随着科学的发展，人们不再局限于单一生物的降解作用，常常会将多种生物配合使用，为菌群营造良好的生存环境，同时也会加强降解效率，提高修复效果。

3 小结与展望

目前，我国生物修复土壤中农药污染仍是研究热点，国内外学者也已经筛选分离出多种高效降解土壤中有机磷农药的菌种。由于生物修复法利用的微生物、动物、植物等对当地环境条件有一定要求[28]，且引入新的菌群或动植物后，是否能够融入当地生态系统，是否会使本地物种的生态位发生变化，这些问题仍处于实验研究阶段，也成为了生物修复技术发展的限制性因素。目前大部分学者所发现的菌种仅在实验室条件下具有优良的降解效果，但投入土壤后是否仍具有相同效果尚不清楚，大部分实验缺乏实际应用的案例。

目前已筛选出多种高效菌种，若能解决实际应用问题和成本问题，大量投入使用还有很大希望。生物修复技术比起物理法和化学法对环境的影响更小，更省时省力，简洁方便，残留少、高效。若能投入实际使用将会成为一种具有巨大竞争潜力的方法。

参考文献

[1]王赛妮，李蕴成.我国农药使用现状、影响及对策[J].现代预防医学，2007（20）：3853-3855.

[2]陈晓明，王程龙，薄瑞.中国农药使用现状及对策建议[J].农药科学与管理，2016（02）：4-8.

[3]刘颍.我国农药使用现状、原因及对策研究[J].国土与自然资源研究，2005（04）：50-51.

[4]朱天纵.浅谈农药分类[J].农药科学与管理，1990（01）：45-46.

[5]陈宗保.土壤中有机农药残留分析及有机磷农药降解行为研究[D].南昌：南昌大学，2006.

[6]张美娇，吴大畅，周琪，等.长期使用农药的土壤微生态变化研究初探[J].中国微生态学杂志，2015，27（07）：770-772.

[7]葛斌，刘丽丽，李俊峰.土壤中农药的生物降解和生物修复综述[J].环境保护与循环经济，2009（09）：71-73.

[8]王华，艾涛，温晓芳，等.土壤中乐果降解菌的筛选及其特性研究[J].农业环境科学学报，2006，25（5）：1255- 1259.

[9]林玉锁，徐亦钢，石利利，等.土壤—作物系统中农药残留生物降解去除研究[J].农业环境科学学报，2003，22（2）：221-223.

[10]王新，姚梦琴，祝虹钰，等.土壤农药污染原位生物修复技术及其研究进展[J].安徽农业科学，2016（31）：67-71.

[11]张世鸿，张千策，韩豫萍.有机磷农药在土壤中降解转化的研究进展[J].环境污染与防治，2013（09）：112.

[12]方晓航，仇荣亮.有机磷农药在土壤环境中的降解转化[J].环境科学与技术，2003（02）：57-59.

[13]何丽莲，李元.农田土壤农药污染的综合治理[J].云南农业大学学报，2003（04）：430-434.

[14]王艳.不同有机物料对有机磷农药污染土壤酶活性及土壤微生物量的影响[J].生态环境学报，2014（07）：1205-1209.

[15]陈宗保.土壤中有机农药残留分析及有机磷农药降解行为研究[D].南昌：南昌大学，2006.

[16]施国涵.有机磷农药在土壤中的吸附与降解[J].环境科学，1982（04）：69-72，30.

[17]刘维屏，Carla Gessa.利谷隆在土壤中吸附过程和机理[J].环境科学，1995，16（1）：16-18.

[18]周婕成，陈振楼，毕春娟，等.上海崇明农田土壤中有机磷农药的残留特征[J].土壤通报，2010（06）：1456-1459.

[19]毛应明.有机磷农药在土壤中的降解转化过程及影响因子研究[D].南京：南京理工大学，2004.

[20]王新，姚梦琴，祝虹钰，等.土壤农药污染原位生物修复技术及其研究进展[J].安徽农业科学，2016（31）：67-71.

[21]林玉锁.土壤中农药生物修复技术研究[J].农业环境科学学报，2007（02）：533-537.

[22]慕毅敏，代岩石，刘宇.芽孢杆菌降解有机磷农药的研究[J].中国卫生工程学，2014，13（5） ：414-415.

[23]石爽.有机磷农药乐果污染土壤的微生物修复研究[D].大连：辽宁师范大学，2009.

[24]刘玉焕，钟长英.真菌降解有机磷农药乐果的研究[J].环境科学学报，2000，20（1）：95-99.

[25]王永杰，李顺鹏，沈标，等.有机磷农药广谱性降解菌的分离及其生理特性研究[J].南京农业大学学报，1999，22（2）：42-45.

[26]赵杰宏，赵德刚，韩洁.转基因表达OPH提高番茄果实降解有机磷农药能力的研究[J].生物技术通报，2010（12） ：213-216.

[27]成水平，肖瑾，肖惠萍，等.美人蕉对水体三唑磷降解作用研究[J].水生生物学报，2008，32（3）：437-439.

[28]唐亮.降解有机磷农药微生物的筛选及降解条件研究[D].重庆：西南大学，2008. （责编：张宏民）