烤烟二氯喹啉酸药害及其治理的研究进展

周挺，张炳辉，黄光辉，顾钢

福建省烟草公司，烟草科学研究所，福州 350003

二氯喹啉酸是德国巴斯夫公司在1984 年研发的一种激素型喹啉酸类除草剂。其作用机制是通过植物根部吸收进入植株体内，诱导1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）大量形成，随后在ACC 氧化酶的作用下生成大量的乙烯，同时产生等量的氰化物，氰化物阻断叶绿体及线粒体中电子传递，最终导致活性氧在植物体内大量积累，使植物中毒死亡[1]。而二氯喹啉酸可诱导水稻体内具有药物解毒功能相关基因家族的基因表达增强[2]，使水稻免受二氯喹啉酸的伤害。因此，二氯喹啉酸多用于防除稻田内稗草、马唐等单子叶杂草和部分双子叶杂草[1]。

虽然王一茹[3]在天津、吉林，苑学霞[4]在杭州、济南、铁力等地的研究表明，于水稻种植期在田间施用二氯喹啉酸，收获期土壤中残留的二氯喹啉酸均低于最低检测限。但陈泽鹏[5]在广东的研究表明，将50%二氯喹啉酸分别按照推荐剂量和一半剂量添加到pH值为5.84的烟田土壤中，其半衰期为22.04～23.30 d，180 d 后仍然能检测到0.069～0.085 mg/kg 的残留量，李欣[6]研究发现，二氯喹啉酸在长沙地区土壤中降解缓慢，其降解半衰期为43.12 d。这主要是由于南方地区土壤偏酸性导致二氯喹啉酸不易降解所致。因此，在我国南方水旱轮作区域，稻田使用的二氯喹啉酸较易对后茬作物产生药害。

本文从二氯喹啉酸对烤烟的危害、二氯喹啉酸在环境中的消解、药害的治理等方面进行综述，以期为烤烟二氯喹啉酸药害治理研究提供思路。

1 二氯喹啉酸对烤烟的危害

烟草对二氯喹啉酸较敏感，在土壤含量达到0.01 mg/kg 时，即可出现明显的药害症状[7]。广东烟区就曾出现过由于前茬水稻过量施用二氯喹啉酸，导致烤烟大面积畸形生长的现象[8]。李儒海[9]研究表明，在武汉烟稻轮作区的水稻田施用50%二氯喹啉酸 WP，有效成分超过225 g/hm2时，后茬烤烟发生轻度药害。王诚浩[10]在郴州烟稻轮作区，于水稻季施用50%二氯喹啉酸WP，有效成分为1500 g/hm2时，后茬烤烟发生中度药害。研究表明，烤烟种子经二氯喹啉酸处理后，发芽势、发芽指数和活力指数显著降低[11]，烟苗经二氯喹啉酸处理后，叶片活性氧含量迅速上升，而SOD、POD 等保护酶活性明显下降，膜质过氧化作用加剧[12]，受害烟株的茎尖和叶片超微结构受到严重破坏，其中茎尖和上部叶受害程度大于中下部叶，烟叶成熟时，总糖，还原糖，淀粉和钾含量显著降低[13]，叶片细胞内叶绿素含量、净光合速率、叶片蒸腾速度、气孔导度和气孔限制值下降，胞间CO2浓度升高[14]。二氯喹啉酸除对植株产生直接危害作用外，还通过破坏土壤生态系统稳定性[15]，抑制土壤酶活性，降低土壤养分有效性[16]等间接作用，影响后茬作物对养分的吸收和干物质的积累。烟株受二氯喹啉酸危害时，叶片出现畸形、变窄变厚，不能伸展，叶宽受抑制，边缘向叶背翻转皱缩，严重时出现线状或鼠尾状叶型[17]，严重影响烟叶的品质和后续的加工利用。

2 二氯喹啉酸在环境中的归宿

2.1 二氯喹啉酸在水中的消解

王一茹[18]研究发现二氯喹啉酸在水田环境中的主要消解途径是光解，H2O2的存在可加速光解速度。车军[19]认为pH 是影响二氯喹啉酸在水体中光解速率的重要因素，二氯喹啉酸在缓冲液中的光解半衰期随pH 升高而缩短，不同水体类型对二氯喹啉酸的光解半衰期也有一定影响。Lucia[20]研究发现以TiO2作为催化剂可加速水体中二氯喹啉酸的光解，稻田水中存在的有机溶质与二氯喹啉酸对 OH·的竞争导致二氯喹啉酸在稻田水中的光解速率较纯水中慢，在没有催化剂的情况下，二氯喹啉酸在稻田水中的光解率非常低。在H2O2或者TiO2存在的情况下，水体中二氯喹啉酸的光降解产物较多，以有机物为主[18,20]。杨一思[21]构建了Z 型Ag 光催化剂，在太阳光照射下，可将水体中的二氯喹啉酸氧化为CO2、H2O 和HNO3，实现了对二氯喹啉酸的矿化。

2.2 二氯喹啉酸在土壤中的消解

土壤对二氯喹啉酸的吸附可影响其生物活性，是影响二氯喹啉酸在土壤中归宿的一个重要因素[22]。欧阳彬[23]研究了二氯喹啉酸及其代谢体BAS514H（3-氯-8-喹啉酸）在湖南省3 种类型土壤中的吸附行为，结果表明，二氯喹啉酸及其代谢体在红壤、河潮土、紫泥土中的吸附属于物理吸附，二氯喹啉酸在这几种土壤中的移动性强，其代谢体移动性中等。杨丽华[24]研究了湖南省四种母质发育的土壤对二氯喹啉酸的吸附行为，结果表明二氯喹琳酸在供试土壤中吸附属物理吸附，在紫泥田、紫色土、黄泥田、麻沙泥、花岗岩红壤和红黄泥中移动性中等，在第四纪红壤中具有低移动性。上述不同的结果可能是由于土壤理化性状不同而造成，因为土壤对二氯喹啉酸的吸附能力与土壤的有机质和pH 值有很大相关性[6]，且不同矿物对二氯喹啉酸吸附的特性和机理也不同[25]。植物根系分泌物中的低分子量有机酸可参与土壤矿物风化和形成，改变矿物表面的化学性质，破坏土壤结构[26-27]，影响根际土壤中持久性有机污染物的吸附、解吸和生物可利用性[28-29]。低分子量有机酸的存在可能通过改变有机质结构，空间阻碍，改变土壤pH 等来影响二氯喹啉酸的吸附与解吸，进而影响土壤中二氯喹啉酸的活动性和可利用性[30]。此外，降雨对二氯喹啉酸在土壤中的移动也有较大影响，随着降雨量的增加，土壤内二氯喹啉酸被洗出，残留量降低[31]。

张倩[32]研究发现，随着土壤pH、温度和含水量在一定范围内升高，二氯喹啉酸的降解速率逐渐加快。pH 可能是通过影响土壤中二氯喹啉酸的存在形态、吸附和解吸来影响其降解[30]。温度和含水量可以影响农药的降解速率常数，Walker[33]研究发现，甲草胺在土壤中的降解速率常数随着温度和含水量的升高而增大，半衰期缩短。苗辉[34]认为，中性条件和适宜的温度有利于土壤中二氯喹啉酸的降解，土壤湿度对二氯喹啉酸的降解无明显作用。

2.3 二氯喹啉酸的微生物降解

Walker[33]研究发现，甲草胺在土壤中的降解率跟微生物量及微生物呼吸成正相关，Hill[31]认为温度和湿度可通过影响土壤微生物和酶的活性，进而影响微生物分解化合物的速度。鉴于在稻田水中的光解率很低，Lucia[20]认为，生物因素可能是影响二氯喹啉酸在田间降解的主要因素。目前，研究人员已从不同环境中分离获得了大量可降解二氯喹啉酸的菌株，例如洋葱伯克霍尔德菌[35]（Burkholderia cepacia），人苍白杆菌[36]（Ochrobactrum anthropi），彼得雷氏杆菌[37]（Bordetella petrii），成团泛菌[38]（Pantoea agglomerans），粪产碱菌（Alcaligenes faecalis）[39]， 噬 麦 芽 寡 养 单 胞 菌（Stenotrophomonas maltophilia）[40]，巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）[41]，节杆菌属菌株[42]（Arthrobactersp.），分枝杆菌属菌株[43]（Mycobacteriumsp.），链霉菌属菌株[44]（Streptomycessp.）等，这些菌株在适宜的温湿度以及pH 条件下可快速降解二氯喹啉酸。不同的菌株降解二氯喹啉酸的途径不同，降解产物也不同。LÜ[35]鉴定到2 种洋葱伯克霍尔德菌WZ1对二氯喹啉酸的降解产物，分别为3, 7-二氯8 喹啉和2-氯-1, 4-苯二甲酸。刘敏[41]研究发现巨大芽孢杆菌Q3 对二氯喹啉酸的降解是通过羧基还原作用和脱氯作用进行的，产物主要有3, 7-二氯-8 甲基喹啉、3-氯-8-羧酸喹啉和8-羧酸喹啉 3 种。LANG[44]分析了链霉菌菌株AH-B 对二氯喹啉酸的降解产物，发现主要有3-氯-7-甲氧基-8-喹啉羧酸、3-氯-7-甲基-8-喹啉羧酸、3-氯-7-氧乙基-8-喹啉羧酸和3, 7-二氯-6-甲基-8-喹啉羧酸。LI[43]研究表明分支杆菌菌株F4 对二氯喹啉酸的降解是通过甲基化和脱氯进行的，产物分别为二氯喹啉酸甲酯和3-氯-7-羟基喹啉-8-羧酸（或7-氯-3-羟基喹啉-8-羧酸），且降解产物对烟草无毒。

3 烤烟二氯喹啉酸药害的修复

3.1 烤烟二氯喹啉酸药害的物理修复

物理修复是通过物理方法降低土壤中二氯喹啉酸的浓度、减轻烤烟药害的方法。目前采用的主要措施是施用吸附剂吸附二氯喹啉酸，使烤烟免受危害。已有研究表明，施用活性炭可以修复烤烟二氯喹啉酸药害，施用量达到一定剂量时，畸形症状基本缓解，烟草可正常生长，继续增大用量对烟草无不良影响[45-47]。活性炭虽然可缓解二氯喹啉酸药害，却使土壤中二氯喹啉酸消解速率变慢，而吸附剂改性蒙脱石不仅可以缓解烤烟二氯喹啉酸药害，还可以加快土壤中二氯喹啉酸的消解[5]。

3.2 烤烟二氯喹啉酸药害的化学修复

化学修复是用化学的手段降低土壤中残留二氯喹啉酸的浓度或者提高烟株自身的抵抗力来缓解烤烟药害。施用生石灰可以提升土壤pH，加速二氯喹啉酸的降解。研究表明施用生石灰可减轻二氯喹啉酸引起的烟草畸形症状，但不能使其恢复正常，且随着使用量的增加，修复效果反而下降[45-47]。刘华山[12,48]向二氯喹啉酸胁迫烟株喷施硝普纳（SNP）和氯化钙溶液，可降低烟叶中O2-、·OH-、MDA 及H2O2的含量，提高烟叶中SOD、CAT、POD、APX 等保护酶的活性，减缓膜质过氧化作用。

3.3 烤烟二氯喹啉酸药害的生物修复

利用微生物进行生物修复，是减少土壤化学污染的有效方法[49]，具有效率高、成本低的特点。已有研究表明，部分二氯喹啉酸降解菌或微生物制剂，可在修复土壤污染的同时修复烤烟二氯喹啉酸药害。易建华[50]，刘华山[13]等向二氯喹啉酸处理的土壤中添加博德特氏菌HN36，土壤中二氯喹啉酸降解率显著提高，烟株叶片细胞结构、株高、叶长、叶宽、干鲜重等指标显著修复，化学成分与对照趋于一致。董俊宇[39]从长期施用二氯喹啉酸的土壤中分离得到1 株产碱菌属细菌，可使受二氯喹啉酸（25%田间推荐剂量）危害的盆栽烟草的回复率达到68%。周挺[40]等从福建植烟土壤中分离获得1 株具有降解二氯喹啉酸能力的寡养单胞菌，盆栽条件下对二氯喹啉酸胁迫烤烟叶片生长的修复效果为33.46%；小区试验中对烤烟二氯喹啉酸田间药害的防治效果为36.92%。郭盘盘[14]选用复合微生物菌肥，修复二氯喹啉酸胁迫烟株的光合作用，取得一定效果。杨森[51]选用富必来微生物酶制剂500 倍液进行灌根处理，可有效提高二氯喹啉酸致害烟株的干鲜重，增强SOD，CAT，GSH 酶活性，增加可溶性蛋白含量，降低MDA 含量，改善烟叶化学成分。周小会[52]以0.135%赤霉酸+0.0031%云苔素内酯叶面喷施+格芙微生物菌剂200 倍液灌根处理二氯喹啉酸致害烟株，可增加二氯喹啉酸致害烟株根际土壤的微生物数量，提高土壤酶活性，对二氯喹啉酸致害烟株有较好的修复效果。

3.4 其他方法

董红丽[53]测定了8 种水稻常用除草剂对烟草生长的影响，筛选出了适宜作为稻烟轮作区中二氯喹啉酸的替代除草剂品种，使用这些除草剂替代二氯喹啉酸可消除或降低烤烟二氯喹啉酸药害的风险。

4 现有药害治理技术的评价

物理吸附修复方法见效快，可在短时间内收到明显的效果。但有研究表明活性炭与土壤混合后对二氯喹啉酸的吸附效果降低[54]，因此要得到较好的修复效果，往往需要施用大量的吸附剂，劳动强度大，而且活性炭还会降低二氯喹啉酸的消解速率，随着二氯喹啉酸的不断积累和活性炭吸附量的饱和，此方法必然会失效。改性蒙脱石不仅可以吸附二氯喹啉酸，还可以加速土壤中二氯喹啉酸的消解，但有的材料可能会对烟草产生毒害作用[7]，使用前必须进行必要的试验。

我国南方烟区土壤普遍呈酸性，施用生石灰可提高土壤pH 值，加速二氯喹啉酸降解。为了达到较好的调节效果，需要长期且大量的施用，这会导致土壤有机质加速分解，腐殖质积累减少，从而破坏土壤结构，对烤烟生产产生不利影响。喷施一些外援的解毒剂或修复剂虽然对药害症状有所缓解，但并未从根本上解决二氯喹啉酸在土壤中的残留问题。

筛选二氯喹啉酸的替代物看似可以从根本上解决危害问题，但若施用量过大，仍然会出现残留超过临界浓度，产生新的药害现象。

利用微生物进行环境修复是实现污染农田可持续利用的有效措施，具有环境友好、无污染、效率高、成本低等特点，是目前的研究热点、也是未来发展的方向。但土壤中微生物的活性受环境因素影响较大，温湿度、pH 等条件都会影响微生物的降解效果，而且微生物的定殖、对环境及生态的安全性问题也会影响其应用推广。目前的研究大多是降解菌的分离和影响降解效率因素的探索等基础性研究，涉及到田间使用的应用研究相对较少。

5 展望

目前，在烤烟二氯喹啉酸药害的治理方面已开展了大量研究，并取得进展，但研究热点以及未来的研究方向均聚焦于微生物修复，如何选择更为有效的方法开展二氯喹啉酸药害的治理，有些问题仍需进一步考虑：

（1）微生物修复方法的选择。微生物修复方法包括生物强化技术和生物刺激技术。生物强化是在土著降解菌数量不足或者土著菌不具备降解功能的区域，接入具有降解功能的细菌、真菌或基因工程菌等微生物，以此清除环境中的有机污染物[55]。目前已报道的针对二氯喹啉酸药害的生物修复技术大多是属于生物强化技术。生物强化技术可选择优势微生物种群，局部维持高浓度生物量，提升降解效率和修复效果，但筛选菌株需要花费大量的人力和物力，应用时还需要考虑生物安全性的问题。生物刺激是通过添加一些营养元素或者诸如土壤改良剂的其他因子来刺激土著微生物的活性[56]，达到修复污染的目的。目前在二氯喹啉酸药害治理方面尚未见报道。该方法可通过添加微生物的营养源或通过农业手段改善土壤环境，促进土著微生物的繁殖，提高种群数量，增强生命活动，加速土壤污染物的降解，但该方法受环境因素影响较大，修复效果变异较大。因此，合理的选择修复方法或两种修复方法的有机结合有待进一步探究。

（2）生物修复菌株的综合利用。目前已有的报道中，都是采用单一的菌株进行修复，但土壤中存在着大量的拮抗菌，单菌株的施用可能出现菌株被土壤中其他微生物所抑制或拮抗，导致修复失效的现象。因此，有必要开展多菌株混合生物修复剂的研究，以抵消土壤中潜在的拮抗因素，增强修复效果。

（3）生物修复菌株的田间固定。生物修复菌株在田间的定殖直接影响到其对土壤污染的修复效果。微生物固定化技术是通过物理或化学的方法将游离的微生物与特定的载体相结合，为微生物提供相对稳定的生存环境，减少土著微生物的竞争，缓冲外界环境的影响，达到强化修复的目的[57]。目前，采用生物炭作为载体搭载微生物技术在水体污染[58-59]、土壤污染[57,60]治理以及作物病害防治方面[61]已有应用。利用载体固定二氯喹啉酸降解菌，清除农业废水中的二氯喹啉酸污染也有报道[62]，通过载体固定，菌株对温度及酸碱的耐受强度显著提高，对污水中二氯喹啉酸的去除率也显著高于游离菌株。因此，筛选合适的载体固定降解菌株以提高菌株在土壤中的定殖率和存活时间，持续降解土壤二氯喹啉酸残留污染，在药害治理方面具有较大的实用价值。

（4）降解产物的毒性研究尚需深入。采用Ag 基光催化剂可以实现水体中二氯喹啉酸的矿化[21]，但是土壤中的二氯喹啉酸无法采用光催化降解技术实现污染修复。同时二氯喹啉酸在土壤中的代谢体3-氯-8-喹啉酸是有毒的[23]。虽然LI[43]分离获得的分支杆菌菌株F4 降解二氯喹啉酸的产物对烟草无毒，但关于二氯喹啉酸生物降解的研究很多并未涉及降解产物的毒性分析，甚至未涉及降解产物的结构分析。因此，有必要开展二氯喹啉酸降解产物对烤烟或者其他作物以及对环境毒性的研究。