“十三五”国家重点研发计划农田有毒有害化学/生物污染研究方向立项实施情况与成果产出分析

徐长春 ,刘 婕 ,熊 炜

(1. 农业农村部科技发展中心 北京 100176;2. 华南农业大学 广州 510642)

长期以来,我国面临人口众多与耕地等资源紧缺之间的矛盾,农业生产过程中使用大量化学投入品,导致农田土壤中有毒有害物质富集,造成农业面源污染,已成为制约我国农业绿色发展的突出环境问题[1]。目前我国农田有毒有害化学/生物污染物主要包括农药、抗生素、激素、酞酸酯、病原微生物5 大类物质,主要来源于农药、农膜等大量不合理使用、畜禽废弃物排放与还田利用以及污水灌溉等,对生态系统健康与农产品质量安全构成威胁[2-3]。由于各类污染物在输入途径、环境特性、环境风险等方面存在差异,有必要探明污染及防控机制并开展多种修复技术的集成应用。

“十三五”国家重点研发计划“农业面源和重金属污染农田综合防治与修复技术研发”重点专项(简称“农业面源专项”)对农田有毒有害化学/生物污染的基础研究和技术研发进行了资助,立项实施了“农田有毒有害化学/生物污染与防控机制研究”项目和“农田有毒有害化学/生物污染防控技术与产品研发”项目,分别由浙江大学和中国农业科学院植物保护研究所牵头承担。本文回顾了项目申报受理、评审、立项实施、综合绩效评价等情况,分析了项目成果产出、实施成效并对标志性成果进行概述,以期为未来我国农田有毒有害化学/生物污染研究与防治工作提供参考。

1 项目申报受理、立项评审与资助情况

1.1 项目申报受理与评审情况

2016 年3 月,“十三五”农业面源专项2016 年度申报通知和指南面向社会发布,涉及“农田有毒有害化学/生物污染与防控机制研究”在内的12 个任务方向[4]。“农田有毒有害化学/生物污染与防控机制研究”任务方向共有3 份项目预申报书在国家科技管理信息系统上提交。3 份预申报书均通过形式审查,进入正式申报环节。经过视频答辩评审,浙江大学牵头申报的项目团队获得立项资助,实施周期为2016 年至2020 年。

2016 年10 月,“十三五”农业面源专项2017 年度申报通知和指南面向社会发布,涉及“农田有毒有害化学/生物污染防控技术与产品研发”在内的15 个任务方向[4]。“农田有毒有害化学/生物污染防控技术与产品研发”共有5 份项目预申报书在国家科技管理信息系统上提交。专业机构按规定组织开展了预申报形式审查、首轮网络评审、正式申报形式审查等工作。经过视频答辩评审,中国农业科学院植物保护研究所牵头申报团队获得立项资助,实施周期为2017 年至2020 年。

1.2 项目任务部署及经费资助情况

在完成合规性审核、立项公示、立项通知发布等环节后,专业机构与项目牵头单位签署了项目任务书,项目牵头单位与课题承担单位签订课题任务书,明确了项目目标及考核指标、主要研究内容、研究方法及技术路线、项目任务(课题)分解及承担单位(表1)、项目各任务(课题)内容、项目年度计划、项目参加人员等方面内容。2 个项目之间形成了“基础研究-技术产品研发”之间的有效衔接。

表1 项目任务(课题)分解及承担单位Table 1 Breakdown of research missions and leading institutions

1.2.1 农田有毒有害化学/生物污染与防控机制研究

该基础研究类项目以阻控污染和重建健康土壤为核心,以解析高强度利用和人为干预下农田有毒有害化学/生物污染的形成过程和影响因素为突破口,以我国东北、黄淮海、长江中下游、南方等农业主产区水稻(Oryza sativa)、小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、大豆(Glycine max)、蔬菜等种植制度下黑土、潮土、水稻土、红壤等典型农田系统为主要研究对象,围绕污染“源解析-过程-机制-效应-调控”的研究主线,研究农田系统中典型农药、抗生素、酞酸酯、激素、病原微生物等污染特征、环境因子及影响机制,解析农业投入品中有毒有害化学/生物污染来源;研究农田土壤有毒有害化学污染物的结合残留机理与迁移转化规律;研究土壤病原微生物存活、生物膜形成特征与传播途径,抗性基因增殖与扩散机理;研究有毒有害化学/生物污染物对农田系统影响途径、效应及机制;提出农田有毒有害化学/生物污染的防控措施。项目下设7 个课题,共16 个单位参与,参加人数114 人,中央财政经费2717.00 万元。

1.2.2 农田有毒有害化学/生物污染防控技术与产品研发

该技术研发类项目聚焦我国主要农业区域典型农药、抗生素、酞酸酯、激素等化学污染和产毒病原菌等生物污染,以“源头控制-农田过程调控-污染削减”为主线,重点开展我国农田有毒有害化学品的优先控制名录及风险表征研究,提出典型农田有毒有害化学污染物分类、分区、分级的源头管控策略;突破高密度降解菌发酵及产品制剂化等核心技术限制,解决菌剂田间施用效果的关键控制因素;研发农业废弃物无害化热解技术及其环境友好的功能炭化产品;开发污染物有效传递、催化降解活性中心等关键过程化学调控技术;研发农田生物污染绿色防控技术及产品;通过单项技术的优化组合及安全性评价,形成东北、黄淮海、长三角、珠三角等不同污染地区、不同土壤类型的农药污染综合调控防治技术体系,构建污染源头有效管控、污染农田过程治理和综合防控的全过程调控修复模式。项目下设5 个课题,共23 个单位参与,参加人数62 人,中央财政经费1727 万元,配套经费250 万元。

1.3 研究队伍分析

农田有毒有害化学/生物污染研究方向具有鲜明的多学科交叉性,需要集中各学科优势研究力量。国家重点研发计划组团申报的模式,有利于项目团队打破原有的小圈子,实现跨部门、跨地域优势互补。

1.3.1 项目承担单位分析

来自农业农村部、教育部、生态保护部、中国科学院等系统以及各地方的科研单位、高校、企业积极牵头或参与项目申报。立项项目团队中,共汇聚了国内农田有毒有害化学/生物污染研究应用领域的32 家优势单位,项目牵头单位和参与单位来自12个省市,涵盖东北、黄淮海、长三角、珠三角等典型生态区,其中,北京所在单位最多(10 家),其次为江苏、辽宁(均为5 家),还涉及广东、湖南、天津、山东、上海、四川、浙江、湖北、黑龙江等地。从不同单位类型占比来看,中央级科研院所(34.38%)＞教育部直属高校(25.00%)＞地方科研单位、地方高校(均为15.63%)＞企业及其他(9.38%)。

1.3.2 基础条件分析

各单位曾承担公益行业科研专项、863 计划、973 计划、国家自然科学基金等相关领域项目(课题),在土壤有机和生物污染物的环境行为与毒理效应、区域典型污染修复与控制等方面积累了较为丰富的研究经验,并与国外科研机构和学术组织具有长期合作关系。各单位拥有国家农业生物安全科学中心、土壤与农业可持续发展国家重点实验室、农田土壤污染防控与修复技术国家工程实验室、农业部产地环境质量重点实验室,以及国家野外科学观测研究站、农业部野外长期定位试验站等相关领域国家级、省部级科研平台,为项目顺利实施奠定了坚实的平台基础和研究条件。

1.3.3 人员构成分析

研究团队主要成员是活跃在科研第一线、富于创新的中青年学者,团队成员的研究方向优势互补、强强联合,涉及土壤学、应用化学、环境工程、环境科学、农药学、微生物学、生态学等10 余个专业领域。项目负责人、课题负责人、项目骨干、其他研究人员4 大类人员共计176 人,其中高级职称占比38.07%,具有博士学位的占比42.61%。人员年龄结构呈现年轻化、梯度化的特点,来自浙江大学、中国农业科学院植物保护研究所的2 位项目主持人立项当年分别为37 岁、39 岁,是“十三五”农业面源专项35 个项目最年轻的项目主持人;课题负责人平均年龄42.7 岁,项目骨干平均年龄38.8 岁。

2 项目成果产出情况

经过近5 年的实施,项目团队完成了指南和任务书中规定的目标与研究任务,2 个项目于2022 年均通过了综合绩效评价,其中1 个项目为优秀等次。项目团队突破了污染特征、环境因子及影响机制等关键理论,研发了污染防控技术产品并开展示范应用,取得了一系列论文、专利、标准等成果产出,为我国农田有毒有害化学/生物污染防控提供了理论依据和技术支撑。

2.1 论文、专利、标准等产出情况

实施周期内,项目团队在Nature Microbiology、The ISME Journal、Soil Biology &Biochemistry、Environmental Science &Technology、Journal of Hazardous Materials、《环境科学》等土壤学、生态学、环境科学等专业领域国内外知名期刊发表论文239 篇,其中SCI 论文185 篇、核心期刊论文54 篇;出版《土壤有机/生物污染与防控》等专著4 部;申请国家发明专利48 项,获得授权专利32 项;制定发布国家标准5 项,行业或地方标准14 项。部分代表性论文专著、专利、标准见表2-4。取得新理论、新原理13 项,新技术、新工艺、新方法23 项,新产品、新装置25 项,软件著作权18 项,转让成果10 项,获得省部级科技奖励7 项,培养研究生159 人,技术产品的示范推广面积1047 hm2。

表2 代表性论文/专著10 篇(部)Table 2 List of 10 representative articles or books

2.2 项目实施成效及贡献

通过项目实施,系统建立了农药等五大类农田典型污染物的检测与评估方法,阐明了土壤有毒有害化学/生物污染的形成与削减机制,形成了一系列污染阻控及强化修复产品和关键技术,显著提升了我国农田有毒有害化学/生物污染方向的研发水平和国际影响力。

表3 代表性专利10 项Table 3 List of 10 representative patents

表4 代表性标准10 项Table 4 List of 10 representative standards

在基础研究方面,开创了农田化学/生物污染源解析-过程-机制-效应-调控的全链条研究模式,形成了适用于分类指导不同农业主产区重点种植制度的化学/生物污染因子监测与评估指标体系,构建了人为干预、强化结合、农艺调控的区域农田有机污染强化削减与生物污染风险综合防控理论、方法体系,全面摸清了典型、新型化学/生物污染风险与防控重点,推动了区域尺度上生态效应与农田持续生产力的协同增进,为“十四五”全面推进农田化学/生物污染调查及风险防控的工作提供了科学理论基础。推动了我国有机污染研究水平从“跟跑者”向“并行者”、生物污染研究水平从“并行者”向“领跑者”的转变。

在技术研发方面,重点突破了农田有毒有害化学/生物污染防控的技术瓶颈,使源头防控更有针对性,污染过程控制更精准和易行;发展的生物、物理、化学防控方法推动了农药与环境交叉学科建设;研发的污染防控技术与产品在项目实施区和验证区内,污染物残留率降低30%以上,生产农产品质量符合食品安全国家标准。通过项目立项实施,将有毒有害化学/生物污染正式列为面源污染防控领域的重要研究资助方向,显著提升了我国农田有毒有害污染防控的研究与应用水平。部分技术产品在农业面源专项示范类项目中推广应用,为农业面源专项“十三五”总体目标实现以及我国农业面源污染防控工作提供了有力的技术支撑。

3 标志性成果概述

3.1 农田有毒有害化学/生物污染形成与削减机制

瞄准现有农田有毒有害生物/化学污染形成机制不清、污染削减策略不足的问题,突破了有机污染溯源、抗性基因扩散、病原微生物传播、生源要素耦合的农药还原转化等关键科学问题。针对农田土壤中农药结合残留污染,提出了基于14C 溯源结合残留的残药危害原理,阐明农药降解菌降低且促进结合残留削减的机制;针对有机氯农药污染,围绕外源电子供体/受体/穿梭体对土壤生源要素及有机氯农药还原转化过程中电子传递的调控作用,明确了有机氯农药对稻田微生物种群及关键功能菌定向演变的诱导效应,揭示了多过程关联的有机氯削减胞外电子传递耦合机制,提出了耦合生源要素循环的稻田有机氯农药污染强化削减的调控技术;针对抗性基因污染,厘清了土壤细菌与噬菌体间抗生素抗性基因的水平转移机制,量化了抗性基因的扩散潜力;针对病原菌污染,揭示了土壤颗粒表面病原菌生物膜代谢规律及调控机制,提出了利用土壤生物膜技术阻控病原菌传播的新策略,提升了我国农田化学/生物污染防控研究的国际竞争力。相关研究成果发表在Environmental Science &Technology、Soil Biology &Biochemistry、The ISME Journal 等学术期刊上,出版专著《土壤有机/生物污染与防控》。

3.2 农田有毒有害化学/生物污染物检测方法和评估指标体系

针对我国农田有毒有害化学/生物污染种类复杂、来源不明确的现状,以农药、抗生素、酞酸酯、激素、病原微生物等五大类污染物为研究对象,在标准物自主合成、抗性基因高通量检测、土壤酞酸酯检测及风险管控、植物病原菌原位监测等方面取得了重要进展。突破了高比活度同位素标记化合物合成中的技术瓶颈,自主合成了高比活度14C-毒死蜱和14C-吡虫啉,解决了原药依赖进口的“卡脖子”问题;开发了针对69 个人类病原菌和24 个动物粪便Marker 基因的高通量同步定量检测技术与粪便污染溯源方法,建成了粪肥施用农田生态系统抗生素抗性基因数据库,首次定义粪肥施用农田抗性基因丰度基线值[1.62×109拷贝数·g-1(土壤)];开发了土壤中残留酞酸酯、肥料中残留抗生素检测国家标准方法;构建了病原微生物观测系统与表征技术,开发了微流控芯片-质谱联用技术,实现原位实时可视化监测;初步建立典型种植制度农田化学/生物污染因子监测与评估指标体系,为开展我国农田有毒有害化学/生物污染监控提供了方法和标准支撑。相关研究成果发表在Nature Microbiology、Environmental Science &Technology、Science of the Total Environment 等学术期刊上,制定发布国家标准5 项,获得授权国家发明专利6 项。

3.3 农田有毒有害化学污染源头防控技术

针对农田有毒有害化学污染源头甄别及防控技术缺乏的现状,重点开展我国农田有毒有害化学品的优先控制名录及风险表征研究,提出农田有毒有害物质优先控制名录,显著提升了农田化学污染源头防控的针对性和可行性。以我国不同区域、不同农业主产区为调查对象,以危害属性为筛查指标,结合污染物特征、种植区域、种植模式等情况确定暴露指标,采用“直通车”法和多种风险筛选手段,构建了农田有毒有害物质优先控制名录筛选技术,建立了涕灭威、马拉硫磷、西玛津等19 种农田有毒有害化学污染物优先控制名录,制定了农田酞酸酯及农药类污染物环境限制值(PNEC 值),综合提出典型农田有毒有害化学污染物分类、分区、分级的源头管控策略。相关研究成果发表在Food Chemistry、Journal of Agricultural &Food Chemistry、《环境化学》《生态毒理学报》等学术期刊上。该成果提出的需要优先控制的邻苯二甲酸二丁酯等3 种酞酸酯类污染物被纳入《优先控制化学品名录(第二批)(征求意见稿)》。

3.4 农田有毒有害化学污染生物降解技术及产品

基于农田化学污染生物降解原理,在污染物代谢模型构建、农药降/抗生物解菌筛选及菌剂制备、微生物电化学降解技术与装备研发等方面取得突破。构建了阿特拉津降解多菌株代谢模型,提出人工设计与合成农药污染最佳降解菌群新思路;筛选获得了一批磺酰脲类、取代脲类等典型农药及四环素、土霉素等抗生素高效降解菌(酶),攻克了生物炭固定化复合污染降解菌颗粒产品化技术,创新高效降解菌高密度发酵技术及生产工艺,研发了典型农药/抗生素污染降解菌(酶)制剂8 种,建成炭基复合微生物肥料生产线1 条;开发了土壤微生物自产电流的原位刺激降解抗生素装置,构建了抗生素厌氧降解同步资源化技术,显著提升了土壤农药、抗生素等化学污染的生物降解效果,为保障农产品安全、提高农田生态环境质量提供技术和产品支撑。相关研究成果发表在The ISME Journal、Journal of Hazardous Materials、《中国环境科学》等学术期刊上,获得授权国家发明专利6 项。

3.5 农田有毒有害生物污染定向控阻和强化修复技术

着眼于病原菌等农田生物污染控阻和修复的技术瓶颈,在病原菌拮抗产品研发、农田病原菌源头防控、粪肥绿色施用技术等方面进展显著。研制了病原镰刀菌属尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)、禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)等多种专属型菌株的拮抗菌剂10 个,其中“姜兀忧” “茄果兀忧”等产毒素病原菌拮抗菌剂产品实现规模化生产;建立了基于新型植物源土壤熏蒸剂异硫氰酸烯丙酯的农田病原菌源头防控产品及配套施用技术,形成以“微生物群落调控-土壤生态调理”为核心技术的绿色生态综合防控策略;明确了长期粪肥施用土壤中病原微生物污染风险总体可控,科学指导了“有机肥代替化肥”需求下的禽畜粪便资源化利用;构建了人为干预、强化结合、农艺调控的区域农田病原微生物综合防控措施体系,形成了区域尺度上生态效应与农田持续生产力协同增进的绿色、多赢和可持续的农田生物污染综合防控理论和措施。相关研究结果发表在Journal of Agricultural &Food Chemistry、Soil Biology &Biochemistry、《土壤学报》等学术期刊上,提出的“农林废弃物炭化及其资源化高效利用关键技术与应用”成果获得2020 年度上海市科技进步二等奖。

4 思考与建议

“十三五”国家重点研发计划农业面源专项中对农田有毒有害化学/生物污染研究方向予以资助,较为系统地部署开展了研究任务,大大推动了我国农田有毒有害化学/生物污染的基础理论研究与技术研发水平。下一步,建议进一步加强成果落地应用,并对该领域及优势团队进行稳定支持。

1)推动成果应用。针对我国农田土壤化学/生物污染,进一步凝练整合“十三五”相关研究成果,完善多过程协同消减与污染调控的综合技术方案,在主产区和典型生态区推广应用有机污染强化削减调控、生物污染风险阻控等行之有效的技术方法。开展技术生态评估、市场准入、第三方修复治理与效果评估等标准研究,推动污染防治修复技术的产业化应用。

2)深化重点方向。我国典型农业主产区农田有毒有害化学/生物污染的时空变异较大,“十三五”农业面源专项虽然对相关研究进行了系统部署,但涉及的污染物种类过多,在有限的经费资助强度及实施周期内难以深入聚焦。建议结合“十三五”有关研究结论,重点围绕有机氯农药、阿特拉津等长残效除草剂,酞酸酯、抗生素抗性基因等输入农田系统后具有较大生态环境与人体健康风险的典型污染物开展任务部署[2],面向重点区域和典型种植模式进行针对性研究。

3)持续稳定支持。建议通过国家自然科学基金、国家重点研发计划等渠道对这一领域及优势团队进行持续稳定支持,面向农业绿色发展技术需求,重点对农田有毒有害污染物高通量识别和防控污染物筛选,典型农业面源污染物钝化降解,农药使用风险监测、评价、控制等关键技术持续开展研发,同时强化对典型有机污染化学修复、微生物化学降解、农田有机污染植物-微生物联合修复、农田有机污染物绿色生物及物理联合修复等技术的集成示范与推广应用[5],支撑构建农业绿色发展技术体系。