杀虫剂和除草剂的植物修复研究进展

李海涛, 叶 非

(东北农业大学理学院,哈尔滨 150030)

中国是一个农业大国,农药的施用给粮食增产、有害生物的减少等都带来了极大的益处;同时随着其施用量的增加,也严重污染了土壤,对植物、动物和环境都带来了巨大的危害。植物在接触某些农药后,其生理、生化代谢功能受到干扰,正常的生长发育过程受到影响;此外,植物还会从土壤中吸收农药在体内残留,导致农产品污染超标,并通过食物链造成牲畜的慢性中毒,最终影响人体健康。农药的长期使用,不仅使土壤害虫抗药性不断增强,也使有益于农作物的微生物、昆虫、鸟类及大量害虫的天敌遭受毒害;此外,喷洒到植物上的农药大部分会降落到地面而残留于土壤中,并会通过径流、入渗污染地表水与地下水,对环境造成危害。目前,对农药污染土壤的修复技术包括物理修复、化学修复和生物修复等。其中生物修复主要包括微生物修复和植物修复。传统的物理修复和化学修复方法是将受污染的土壤挖掘后再处理,不仅工程大、费用高,而且对生态系统破坏严重。微生物修复则对环境条件要求苛刻,微生物群落间的相互竞争、温度、营养物都会影响处理效果,因此,在实际环境微生物修复当中,往往需要向污染土壤中加入营养和生物催化剂混合物,以加速微生物修复的速率。但是工厂化生产微生物存在安全性问题而应用到环境中可能再次引起另一种形式的污染。植物修复技术是近年来兴起的一种去除土壤、水和沉积物中污染物的新方法,它利用植物能忍耐和超量积累环境中污染物的能力,通过植物的生长来清除环境中的污染物,是一种经济、有效、非破坏型的污染土壤修复方式。植物修复具有操作简单、成本低、修复范围广等特点,是一种易为社会公众和政府管理机构接受的有潜力的修复工程技术。

1 植物修复的机制与方式

目前,植物对土壤中农药的修复主要有3种机制理论[1]:(1)许多植物可以直接从土壤中吸收农药等污染物,通过木质化作用在新的植物结构中储藏它们及其残片,或是在植物生长代谢活动中发生不同程度的转化或降解,变成对植物无害的中间产物储存在植物体内,有的则被完全降解并最终矿化成H 2 O和CO2;(2)植物产生并释放出具有降解作用或促进环境中生物化学反应的酶等根系分泌物。植物释放到根际土壤中的酶可直接降解有关化合物,其中对杀虫剂和除草剂等外源有机物的降解起着重要作用的植物酶是水解酶类和氧化还原酶类等降解酶,这些酶通过氧化、还原、脱氢等方式将农药分解成结构简单的无毒小分子化合物[2];(3)植物根际与微生物的联合代谢作用。植物根系、根系微生物和土壤组成的根际微生态系统是土壤中最活跃的区域,微生物群落在植物根际区繁殖活动,根分泌物和分解物给微生物提供营养物质,而微生物活动也促进了根系分泌物的释放,两者互惠互利,共同加速根际区农药的降解。

植物修复的方式主要有4种[3]。(1)植物提取:植物直接吸收有机污染物并在体内蓄积;(2)植物降解:植物本身及相关微生物和各种酶系将有机污染物降解为小分子的CO2和H 2O,或转化为无毒性的中间产物;(3)植物稳定:植物在与土壤的共同作用下,将有机物固定并降低生物活性,阻止其进一步扩散,以减少其对生物与环境的危害;(4)植物挥发:植物挥发是与植物吸收相连的,它是利用植物的吸收、积累、挥发而减少土壤污染物。前3种方式实际应用较多,最后一种植物挥发方式只针对一些挥发性强的金属,局限性较大。主要的杀虫剂和除草剂植物修复见表1。

表1 主要的杀虫剂和除草剂植物修复情况

2 几种杀虫剂污染土壤的植物修复研究进展

由于在农林生产上大量不合理地施用各种杀虫剂来控制害虫危害,给土壤、水体和大气带来许多有机污染物残留。目前,人们在利用植物对这些杀虫剂造成的污染进行修复研究方面取得了一定的成果。

2.1 有机氯类杀虫剂

主要产品有滴滴涕(DDT)、六六六(BHC)等,它们是较早广泛使用的杀虫剂,尤其是DDT的开发被认为是现代农药的起点。尽管现在已经淘汰了这两种杀虫剂,但由于它们在土壤中残留时间长,故对其进行植物修复的研究仍然必要。Gao等[6]报道,在无菌条件下,水生植物鹦鹉毛、紫萍、伊乐藻在6 d内可以完全富集水环境中的 DDT,并能将 1%～13%的DDT降解为DDD和DDE。Lunney等[18]通过对西葫芦、大牛毛草、紫花苜蓿、黑麦草和南瓜5种植物在温室内对DDT及其代谢产物DDE运输传导和修复能力的研究发现,两种葫芦科植物南瓜和西葫芦具有较强的运输和富集能力,且嫩芽的富集能力高于根系;在用较高质量浓度DDT处理的土壤中,南瓜和西葫芦根系的富集量分别为1 519 ng和2 043 ng,在芽中分别达到57 536 ng和35 277 ng。安凤春等[19]比较了用早熟禾、草地早熟禾、多年生黑麦草与高羊茅草等10种草坪草修复受滴滴涕和六六六污染土壤的能力,研究发现:同一品种的草在不同土壤中对污染物的清除能力不同;不同品种的草在同一土壤中对污染物的清除能力相异。在植物修复的过程中,通过草本身的直接吸收途径去除土壤中有机污染物所作的贡献很小,植草的作用可能是通过草的根部向土壤释放酶和某些分泌物,从而激发土壤中微生物的活性,并加速农药生物降解作用。草在不同土壤中修复能力的差异,可能是不同土壤中所存在的微生物差异以及其活性酶和某些分泌物所激发的差异所产生的结果。植物根系及其根际微生物在有机农药残留的植物修复中起着极其重要的作用,Pereira等[20]研究了地中海蓟和埃里卡藻对杀虫剂六六六同分异构体的吸收和分布,在地中海蓟和埃里卡藻的组织中β-型的六六六所占的比例最大,且地上组织比在根中的六六六含量要大得多,这些结果对于修复六六六污染的土壤有很重要的意义。

2.2 有机磷类杀虫剂

Chávez等[7]研究了香蒲对甲基对硫磷(parathion-methyl)的吸收,在正常的光照条件,p H 7,18～22℃的温度下培养14 d,测定杀虫剂的浓度、叶绿素的含量和谷胱甘肽S-转移酶的活性,结果表明:香蒲对甲基对硫磷有很高的去除率,是一种很有前景的植物修复候选物。Flocco等[8]将紫花苜蓿放在10 mg/L的保棉磷(azinphos-methyl)中培养,20 d后,已检测不出保棉磷;而在没有种植紫花苜蓿的培养基中,30 d后,仍有20%左右的保棉磷残留在培养基中。结果显示:在种植紫花苜蓿的培养基中,保棉磷的半衰期由10.8 d下降到3.4 d。

2.3 其他类杀虫剂

Garcinuno等[4]研究了狭叶羽扇豆种子对杀虫剂甲萘威(carbaryl)、苯线磷(fenamiphos)和氯菊酯(permethrin)的保留效果。试验结果显示:狭叶羽扇豆种子对上述杀虫剂有极强的保留能力,因此,用它来修复被这些杀虫剂污染的土壤或水体具有应用前景。夏会龙等[5]对凤眼莲修复水溶液中乙硫磷(ethion)、高效氯氟氰菊酯(lambda-cyhalothrin)的研究结果表明:10～11 g凤眼莲可使250 mL中1 mg/L的乙硫磷、高效氯氟氰菊酯消解速度分别提高283.33%、362.23%;修复机理是凤眼莲吸收农药后在其体内积累或进一步降解,其中乙硫磷消解量的60%是由累积作用完成。由于在试验期内,凤眼莲吸收的乙硫磷主要累积在植物组织中,因此,凤眼莲是否能利用这些污染物作为碳源产生同化作用而避免农药的二次污染值得进一步研究。同期的研究还表明,凤眼莲对水溶液中的甲基对硫磷具有极佳的吸收作用,并且具有彻底清除水溶液中甲基对硫磷的能力。

3 几种除草剂污染土壤的植物修复研究进展

除草剂的种类较多,有酚类、苯氧乙酸类、苯甲酸类、二苯醚类、酰胺类、磺酰脲类和三氮苯类等等。因为有些种类的除草剂应用并不广泛,所以人们对这类除草剂的植物修复研究得还很少,本文主要介绍几种常用除草剂的植物修复情况。

3.1 三氮苯类除草剂

该类除草剂是现代除草剂中最主要的类型之一,它的杀草谱广,适应范围大,选择性强,主要品种有西玛津(simazine)和莠去津(atrazine)等。Jordahl发现狼尾草在污染土壤中生长80 d以后,莠去津和西玛津分别降解45%和52%,而未种植狼尾草的只降解22%和20%[21]。Lin等[12]用5种牧草(鸭茅草、高羊茅、梯牧草、大扁雀稗和风倾草)对莠去津污染的土壤进行了修复试验,结果显示:大部分莠去津仍然残留在土壤中,只有少量(＜4%)被牧草吸收,而风倾草降解了80%以上的莠去津,因此,它可以作为一种很好的修复植物。Kruger等[13]研究发现,在用植物修复多种农药污染的土壤时,地肤草可明显地吸收多年沉积的莠去津,降低土壤中生物可利用的莠去津量,且莠去津的降解不受污染土壤中其他农药存在的影响。因此,对于受到多种农药污染的土壤,利用植物降解其中的莠去津是可行的。如果人为地向土壤中添加高分子线性阴离子聚丙烯酰胺(PAM)作为土壤调节剂,虽然不影响非离子的莠去津在土壤中的吸附和解吸附,却能够影响其代谢产物,并能对另一种除草剂2,4-滴的吸附、解吸以及降解行为产生影响,从而改善土壤中这两种农药的生物可利用性。Gaskin等[22]的研究发现,在外部根际菌群与宿主植物松树共存时,对于土壤中的莠去津其修复效率比单独的植物修复高3倍。尽管某些植物的根际菌群能够加速污染物的降解或转移,但并不是所有的植物都具备这样的功能。Fang等[23]的研究证实了这一点,他们将5种类似植物:苏丹草、黑麦草、高牛毛草、冠毛芽草、柳枝稷种植于肥沃的湿土中,研究根际菌群对莠去津降解和培养土的利用情况,发现种植苏丹草的土壤异于其他4种草,与未种任何植物的土壤情况类似。Perkovich等[24]报道了种植地肤草可以加速莠去津在根际区土壤中的矿化,36 d后根际区莠去津的矿化率达62.1%。研究表明,即使培养条件改变导致了菌群结构的改变,与植物对莠去津降解效率没有直接的关联。

3.2 苯甲酸类除草剂

2,4-二氯苯乙酸(2,4-dichlorophenyl acetic acid)是一种有机氯类内吸型选择性除草剂,它被广泛使用来控制阔叶杂草,但其对阔叶植物如杨树、柳树等同样具有毒性,在土壤中残留时间长,并且可以在土壤中迁移。Germaine等[14]将能够降解2,4-二氯苯乙酸的细菌的基因导入到豌豆中,试验表明这些豌豆具有更高的降解2,4-二氯苯乙酸的能力。Roy等[15]研究了草坪草对另一种代表性除草剂麦草畏(dicamba)的降解作用,选用美国肯塔基州的草地早熟禾,在实验室中模拟田间条件,结果发现种植草地早熟禾的土壤中麦草畏的降解率比没有种植草地早熟禾的土壤要高6～8倍,通过计算得出麦草畏的半衰期仅为5.5 d。因此,草地早熟禾可以作为一种很有效的修复植物来修复被麦草畏污染的土壤。

3.3 酰胺类除草剂

虞云龙等[16]通过对根际土壤和非根际土壤中丁草胺(butachlor)降解的研究发现,棉花、水稻、小麦和玉米的种植明显促进了丁草胺的降解,其降解半衰期缩短了26.6%～57.2%。Mezzari等[17]从分子水平上研究了拟南芥幼苗对乙草胺(acetochlor)和异丙甲草胺(metolachlor)等物质的修复,证实了拟南芥根细胞中的谷胱甘肽(GSH)和乙草胺以及异丙甲草胺发生结合反应,表明还原酶OPR2也参与了乙草胺和异丙甲草胺的代谢反应,这些结果对研究植物修复的机理具有十分重要的意义。

3.4 其他类除草剂

Olette等[9]研究了浮萍、伊乐藻和水盾草对磺酰脲类除草剂啶嘧磺隆(flazasulfuron)的吸收能力,将浮萍、伊乐藻和水盾草放在5种不同浓度的啶嘧磺隆的培养基中培养了7 d,发现浮萍的吸收能效率最强,依次是伊乐藻和水盾草,每天每克鲜重的最大吸收量可达到27μg。Li等[10]研究发现,多花黑麦草能吸收氟乐灵(trifluralin),并在植株体内将其代谢。Conger等[11]发现,黑柳、北美鹅掌楸、落羽杉、黑桦及栎属植物都能有效地降解除草剂灭草松(bentazone)。近年来,应用转基因技术将特定外源基因导入植物以提高植物降解除草剂的效率研究也获得良好结果。表达CYP2B6基因的水稻植株对除草剂呋草黄(benfuresate)的降解作用至少增强了60倍;表达大豆CYP71A10和P450还原酶基因的烟草植株,对苯脲型除草剂降解能力提高20%～23%[25-27]。Inui等[28]将人类细胞色素P450种类的基因转入到马铃薯和水稻植株中,使得它们对磺酰脲类除草剂表现出较好的抗性,并且能够代谢一系列的除草剂,因此这些转基因作物同样可以用来修复环境污染物。此外,研究还表明:通过表达单个目标基因或同一代谢途径中的多个目标基因能够有效地提高植物修复有机污染物的能力。

4 植物修复目前存在的问题及展望

植物修复技术是一种利用太阳能作为动力的低投入、节能、环保的修复手段,具有巨大的发展潜力,如将基因工程技术运用到植物修复中,利用基因工程技术来增强植物本身对农药的降解能力,可大大提高植物修复的效率。但是,植物是活的生物体,需要有合适的生存条件,况且植物修复过程通常比物理化学修复过程缓慢,因此植物修复还存在许多局限性及有待完善之处,主要表现在:(1)植物不能降解环境中所有的有机农药污染。(2)应用植物修复,由于植物的生物量小,无法满足大面积污染的修复要求。(3)植物修复受污染物浓度的限制,只有在植物能承受的浓度范围内,植物修复才能进行。(4)植物修复需要的时间相对来说要长些,不如物理或化学修复快。

但是,植物修复其经济有效、绿色环保、以太阳能为驱动等优点使得该技术成为非常适合我国国情的实用技术。如何寻找、筛选自然界中累积、超累积植物,如何利用现代生物技术手段培育具有多种吸收和降解机制的植物,如何耕种混合植物进行复合污染植物修复等问题仍是今后研究的重点。此外,如利用基因工程技术来增强植物本身对农药的降解能力,提高植物修复的效率,加强根系分泌物调节与控制根际微生物对污染物的降解转化机理研究,都是今后的研究方向。

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