促生的增强降解除草剂在土壤中

文摘

清除herbicide-contaminated土壤一直是一个严重的环境问题的出现,工业时代以来。虽然微生物良好的土壤中除草剂化合物的下降,一些赔偿可能需要带来,为了刺激他们降低除草剂以更快的速度在一定的时间内。“促生”,通过适当的利用有机修正案和营养可以加速土壤中除草剂的降解。然而,有效利用生物刺激素需要彻底理解全球氧化还原循环的微生物降解土壤中除草剂的分子。在本文中,我们目前使用的前景是一个强大的促生补救策略的快速清理herbicide-polluted土壤。

1。介绍

“促生”一词常被用来描述添加电子受体,电子给体或营养刺激天然微生物种群(1]。全面,可以被视为包括促生的引入适量的水,营养,和氧气进入土壤,为了加强土著微生物的活性,降能器(2促进cometabolism]或[3]。通常是成对在“促生强化生物修复”技术和“生物强化”,仅仅是引入特定的微生物(土著或nonindigenous)旨在提高目标化合物的生物降解或作为捐赠者的分解代谢的基因。促生的概念是提高内在退化的潜在污染矩阵通过修正案的积累,营养,或其他限制因素和已被用于各种各样的外源性物质(4]。尽管自然微生物种群的多样性明显显示潜在的污染物治理污染的网站,等因素缺乏电子受体和捐赠者,低氮或磷可用性,或缺乏负责降解的代谢途径的刺激可以抑制或延迟补救。在这些情况下,外源营养物质的积累可以提高降解的有毒物质5]。

除草剂是一组化合物,尽管他们的好处,可能产生各种有毒副作用,对环境构成潜在威胁。除草剂的广泛使用带来了一些影响深远的后果,因为这些化合物的潜在的径流和淋溶土导致地表和地下水的污染6]。除此之外,文献显示数组可能持续除草剂的毒性影响的生态系统(7]。因此,大量的研究已经发表在发生,命运,影响人类健康和环境免受除草剂的使用在除草8,9]。许多过程导致除草剂的命运,那些由微生物(尤其是生物降解)往往是最难预测的。等问题herbicidal功能功效,遗留物损害未来作物,地下水浸出,需要清理泄漏网站仍然需要了解是什么决定了除草剂降解率原位。大多数环境命运过程,包括吸附、水解、挥发,运输,和积累的残留,加上在环境中降解[10]。这些过程可能对环境条件的反应不同;因此,为了有效地使用生物刺激提高除草剂降解,重要的是要考虑修复目标过程耦合的影响。通过考虑系统作为一个整体,它有可能开发出有效的清理策略消除除草剂及其有毒污染环境中的降解产物。在这里,我们描述的相关研究成果,确定促生的务实的态度加强土壤中除草剂残留的降解。本文的目的是消除歧义的拥抱促生作为一个可行的补救策略对除草剂的清理受污染的土壤。

2。微生物:土壤中除草剂下降的关键

微生物在蓬勃发展的非常好对土壤中除草剂化合物利用的营养和能量供应。许多除草剂作为良好的土壤微生物碳和/或氮源(11]。证据的显著降解能力范围中可以看到回收而不是积累大量的生物材料已经生产在整个地球上生命的历史(12]。微生物降能器工作在自然环境中,和一些改变是必须鼓励生物降解除草剂以更快的速度在一个有限的时间框架。因此,要实现成功的除草剂污染的生物修复,它需要建设一个独特的利基所需的微生物,所以他们可以有效利用13]。促生起了重要作用,简单的底物或营养微生物栖息地”只需要“基础上严格因此振兴目标除草剂化合物的生物降解。

3所示。:促生相关的补救方法

虽然生物强化被证明是一个有效的解毒技术的快速清理除草剂,有报道称其失败的全面的现场修复(14]。除此之外,成本无效和不确定长期充满异国情调的文化增加了关注的生态后果。这一事实确定herbicide-degrading微生物的刺激天然财团herbicide-contaminated土壤修复的更友好的解决方案(4]。然而,从这两个方法的选择正确的选择随不同从业者的知觉在该地区(15]。适应滞后阶段已经报道了许多除草剂的降解土壤中可归因于需要期间选择和扩散的小土著人口趋向下降的微生物发生。基因突变、基因重组和收购的遗传物质水平基因转移是一些解释迟滞期矿化的除草剂(16]。延长适应阶段发病前矿化可能环境意义和创建一个“浸出窗口”中除草剂可以很容易地到达地下水。因此,尽管土壤内在潜力除草剂降解,长期适应环境原位生物修复一个没有吸引力的选择(17]。这种情况下使一个至关重要的战略来减少促生适应滞后阶段和触发矿化,从而影响快速去除多余的除草剂从受污染的土壤。

促生技术已经扩展到广泛的环境污染物的去除除了除草剂和发展取得了巨大的成功。例如,氯化溶剂氯苯等优先考虑环境污染物由美国环境保护署和列出主要用作杀虫剂和其他化学品的合成中间体。这些化合物的广泛使用导致痕迹检测到土壤和地下水污染。在最近的过去,同时实验室和半工业规模的研究进行调查的可能性,刺激本地与营养和微生物群落不同层次的有机修正案增强降解氯苯(哥伦比亚广播公司)和1,2-dichloro苯(dcb)在土壤中。半工业规模试验的结果证实,促生与无机营养和低水平的有机材料(薄膜),是有效去除土壤堆肥的DCB和CB [18]。

4所示。生物利用度:生物降解的不可或缺的因素

除草剂的降解可以通过生物利用度是有限的,随着化合物可能,这些土壤固体,身体禁锢在微孔隙内,或者只是通过一个更大的部分孔隙体积比下降,从而导致扩散限制降解动力学(19,20.]。一般来说,生物利用度的增加溶质(由于水的更大的连续性电影)当毛孔含有大量的水(21]。生物利用度的污染物也可能增强了各种表面活性剂的引入,包括由微生物合成生物表面活性剂。Kosaric [22)进行了观察增加metolachlor退化和2,4-dichlorophenol(2,现在也是酸代谢物)后添加生物表面活性剂“sophorose脂质”包含土壤泥浆反应器悬浮。Mata-Sandoval和同事评价鼠李糖脂的效果,产生的生物表面活性剂铜绿假单胞菌溶解(23和降解24)农药阿特拉津、氟乐灵、蝇毒磷。作者得出结论,污染物的生物利用度可能增加(生物)表面活性剂的存在,尽管他们增强降解不能保证通过添加表面活性剂。

固定土壤中的污染物可能会导致相当大的减少污染物的生物利用度和可能限制他们渗入地下水,因此管理生物利用度造成重大环境影响的因素。土壤有机质的可能大大减少除草剂的生物利用度(固定),以阻止敏感生物吸收,使其更少的有毒。异型生物质固定是一个扩展的“残留”形成的自然过程,其中有机化合物添加到土壤变得不那么可以随着时间的推移,部分由于共价键的形成与有机物过程类似于腐殖质的形成。腐殖质物质产生的有机物质分解与配体结合的主要参与公司通过稳定的化学污染物进入土壤基质的联系(25,26]。所示的除草剂苯是接受与腐殖质氧化耦合单体(儿茶酚,咖啡酸、原儿茶酸和syringaldehyde)在真菌漆酶的存在27]。土壤净化潜力通过这样的固定流程最近被Bollag审查(28]。相反,这种方法可能不会导致污染物的破坏,因此引发担忧未来的版本,和大量研究评估了这种可能性。

5。有机修正案:难以置信的微生物增能器

除草剂在土壤退化的促生的概念可以追溯到早期的努力,实现了通过“土地农业技术,包括稀释污染土壤的未被污染的土壤。这种稀释污染土壤的刺激生物降解,由于土壤脱氢酶活性的增加(29日]。后来各种有机修正案和bioprocessed材料研究了穿越时间的课程作为刺激潜在代理本地增强降解微生物区系的除草剂(表1)。

最近的研究兴趣集中在“外源有机物应用”的结果对土壤中除草剂的命运。土壤生物质量的改善后续的有机物被明确承认(30.]。主要是这些有机修正案和bioprocessed材料组成的肽,氨基酸,碳水化合物,脂类,等等。在土壤,他们声称工作通过不同的机制,包括激活土壤微生物活动和促销或增大临界土壤酶的活动,这将最终增加微生物种群。随后,这些修改可以提高除草剂降解和矿化,作为一个实验为自清洗污染区域利用土著微生物降解的活动(31日]。矿化是视为完整的需氧或厌氧降解除草剂化合物形成二氧化碳和水。

缺乏足够的可分解的有机质在土壤基质不足了刺激微生物除草剂的分解(32),从而使土壤中除草剂顽固的多年没有退化。例如,西玛津,剩余非选择性除草剂,留在土壤后大约4年的应用程序(33]。添加有机物质,bioprocessed材料或自然堆肥发起土壤中的微生物活动和可以用来治疗受污染的土壤34]。新鲜bioprocessed材料作为富含氮、碳和其他营养物质和繁荣的微生物增长成为优秀的候选人4]。一般结论的研究涉及有机修正案在土壤是土壤中除草剂浓度显著降低到较低水平相比短的时间跨度内也许治疗。出于这个原因,作者勉强证实了有机物的应用作为一个可能的兴奋剂除草剂在土壤的退化。

6。营养补充:“营养限制”的解药

大多数情况下,土壤中的养分低于最优浓度对微生物的活动。与必要的营养补充这样的土壤教唆污染物的生物降解,是一种很有前途的技术,提高生物修复被污染的网站。营养物质如碳、氮和磷刺激微生物创造必要的酶来分解污染物。碳氮比的营养要求在10:1,和碳磷比为30:1 (35]。

在最早的报道成功的除草剂降解的生物刺激,拱腰(36]演示的结果无机养分添加土壤中莠去津的崩溃。无机盐的加入硝酸铵、硝酸钾、磷酸铵盐明显降低土壤中除草剂的半衰期。之后,补充营养的概念对于增强降解污染物被带到了聚光灯下的各种研究,并通过操纵微生物促生的前景的有机和无机养分土壤中的地位已经被调查(表2)。在某些情况下,无机氮饥饿可能更有效地促进退化和已经报道了阿特拉津和其他杂环化合物37,38]。这可以通过供应过剩的碳氮限制。

最近,邱et al。11)证实,P是一个限制营养在敌草腈共存和阿特拉津的降解土壤中细菌降能器。敌草腈在60小时完全退化P-supplemented土壤提取物,相比没有P补充下降不到40%。值得注意的是增强阿特拉津降解的程度更大,因为它是完全退化P-supplemented提取在40小时,而没有P补充下降不到10%。

额外的证据的成功促生除草剂降解被报道Lipthay et al。51]。作者表明,矿化率更大的除草剂浓度显著增加刺激的营养素。基本培养基(Cl的修正案⁻,,,Na⁺K⁺,在北半球^{4 +}、镁^{2 +}、锰^{2 +}、铁^{2 +},锌^{2 +})和酪蛋白水解物对土壤沉积物导致减少大约30天的矿化滞后阶段2、4滴(2,4 - d)和45天在更大的除草剂丙酸浓度。此外,添加磷酸葡萄糖和显著增强矿化的程度为2,4 - d和丙酸除草剂浓度较低。所示的异养细菌密度增加由于这些营养的修正案。作者认为增强降解除草剂的无机磷酸盐和氮等营养物质。相反,缺乏这样的土壤中营养物质可能抑制除草剂的矿化时用作微生物碳源生长。

矿化和降解除草剂丙酸的选择假单胞菌物种是传说中的改进的营养丰富的媒介。研究的结果清楚地表明,除草剂下降的代谢活动增强营养的修正案和证实土壤养分含量之间的正相关和除草剂降解52]。硝酸的成功刺激到静止铁缩影的厌氧生物降解(R)丙酸在滞后时间的约20天,导致代谢物的生产,4-chloro 2-methylphenol [53]。应用时,氮和磷的降解影响isoproturon除草剂在土壤转换到复杂的降解产物,4,4’-diisopropylazobenzene [54]。

“有机营养”的来源也可以帮助清理受污染的土壤的除草剂。Dicloflop postemergent除草剂,被细菌容易矿化降能器时提供额外的碳源形式的大豆胰蛋白酶的肉汤(55]。艾瑟夫巴德和阿尔及利亚士兵56发现添加甘露醇(碳源)增加了土壤后140天(¹⁴C]二氧化碳进化的结果增强了阿特拉津的矿化。更好的适应土壤中莠去津脱烷基化作用被发现的大量的葡萄糖(57]。同样,有报道称阿特拉津的增强矿化后的葡萄糖(58,59]。添加碳对阿特拉津降解的影响可能使氮限制的间接结果,从而提高访问阿特拉津作为氮源。提高生物降解的污染物的nonchlorinated有机化合物(60),容易获得碳源如谷氨酸、天冬氨酸、琥珀酸、醋酸、葡萄糖和纤维二糖61年在早期研究中)也被占据。

促生的概念也被扩展到其他车厢的环境和发展取得了巨大的成功。营养作用的除草剂的生物转化在水生环境也一直在进行充分的探索。草不绿(62年,63年),西玛津(64年),2甲4氯(64年),2,4 - d (65年)是几个例子的除草剂对相关性增强生物降解和高架水生系统的营养状态。

7所示。热力学干预:使用电子给体和受体

溶质在非饱和土,如除草剂,具有有限的可用性部分是由于扩散的要求通过曲折的孔隙空间和薄或不连续水电影。在饱和条件下,水扩散是溶质的最大化,然而,通过气相运动停止。这种转变最深远的影响是10000倍减少扩散的氧气供应。土壤被水浸后,生物和化学需氧量将导致快速损耗的O₂,这是只有可溶性约8毫克/公斤。结果是一系列微生物异养社区适应利用各种潜在的电子受体条件成为适合他们的活动。图1描绘了一个假想的数据集获得当关键电子受体(或减少产品)监测土壤淹水后。数据从研究Tor et al。66年)是按照顺序减少类似的模式,作者指出铁(II)的积累后硝酸的损耗。由此可见,生物降解,在某些情况下,被补充与特定的电子受体刺激。

另硝酸盐作为电子受体的使用氧气真细菌都是相当普遍的,和一些生物已经被证明能降低反硝化条件下各种除草剂。例如,Ralstoniasp.应变M91-3 [67年),假单胞菌sp.应变ADP (68年]似乎降解阿特拉津利用硝酸盐作为电子受体。实施反硝化条件可能不,然而,是一个充分的治疗利用缺氧条件下,作为除草剂的降解丙酸只发生在低利率在沉积物反硝化或产甲烷,而很少或没有证据阿特拉津的降解,isoproturon或metsulfuron-methyl缺氧媒体(69年]。在某些情况下,可能需要添加一个培养液,阿特拉津的降解假单胞菌sp.应变ADP当接种到缺氧沉积物硝酸处理(70年]。

通常,完整的硝酸消耗后,土壤和沉积物进行铁条件(66年),其中包括在社区组成一个巨大的改变71年,72年]。几个除草剂已报告发生加速转化土壤铁条件下,尽管在大多数情况下,它还不是很清楚,铁细菌直接参与除草剂降解。使用的文化Comamonas koreensis吴CY01, et al。73年]证明了铁还原耦合除草剂的降解,2,现在也是酸(2,4 - d)。几位dinitroaniline除草剂66年,74年),以及草不绿和阿特拉津75年),似乎被微生物转化而不是还原铁矿物质。这种生物介导的非生物转换可能是一个有前途的方法去活化这些化合物虽然很明显,大量的原始土壤中除草剂可能仍无法绑定残留。

在有氧条件下许多除草剂含有卤素,倾向于接受较慢的降解动力学对homocyclic [76年)和杂环化合物(77年]。然而,在厌氧条件下,还原脱卤作用可能非常有效地排毒除草剂和可能发起一个更完整的退化过程。除草剂的例子已经证明,还原脱氯作用包括草不绿,metolachlor,扑草胺(78年]。溴和碘原子也被证明是远离某些除草剂(如溴苯腈和碘苯腈)由已知氯细菌、呼吸等Desulfitobacterium chlororespirans(79年]。

8。促生:愤世嫉俗的后果

增强矿化营养添加污染物在自然栖息地的需要适当的知识自然微生物群落及其增长需求(55]。与所有的成功故事、文学提到可能抑制有机修正案和养分添加对除草剂在土壤矿化。减少微生物降解农药除草剂通常被解释为减少可用性在增加他们的吸附80年]。除草剂在土壤退化与有机材料可以修改修改,根据有机修正案和除草剂的属性。除草剂通常吸附有机物容易。因此,有机修正案有利于吸附除草剂可以减少微生物的生物利用度和压制他们的生物降解81年]。例如,有机修正案增加了土壤减少阿特拉津矿化由于增加除草剂对土壤的吸附(82年]。

高浓度的矿质N显著减少土壤中莠去津矿化(83年]。条目等。84年]阐明阿特拉津的抑制和2,4 - d土壤矿化后的矿物N硝酸铵的形式。Triazine-ring成矿有关的特定微生物群落时抑制大浓度的葡萄糖和矿质N被添加到土壤里去的。作者观察到显著增加在总微生物生物量浓度升高的血糖和土壤中无机氮(57]。减少除草剂的矿化在这种情况下可以归因于herbicide-degrading微生物之间的空间竞争和营养(83年]。尽管展示潜力的有效使用,促生上面发现收购更多的工作在该地区为了考虑方法作为完全可靠的候选人除草剂在土壤生物修复。

9。实验室领域的困境

到目前为止,大部分的土壤生物刺激实验在实验室里进行(控制条件),而稀疏的田间试验的结果。实现的矛盾一样好或更好的结果在实验室中面临的最大挑战是在实现生物修复策略85年]。促生技术的适用性在实际的网站需要的知识自然过程污染现场细致的信息一起在实验室开发的微生物降解(13]。降解微生物面临与其他生物的竞争领域的营养和物理资源,从而为预期的生物转化(创建一个主要障碍86年]。因此,必须测试的可行性的技术状况与实际的干预,如mesocosm或试点研究实验(在最初的缩影15]。

10。促生:油田规模的可行性

油田规模生物修复设计的有效性受到尺度变量,如大众运输的局限性和空间异质性(87年]。利马et al。88年]成功转移之前检查“小规模的促生战略”的阿特拉津更大的开放有商业配方剂量的土壤条件时,模仿过度使用或浓度不均匀的可能出现的“热点”应用程序和泄漏场景。在另一个领域评价实验中,强大的et al。89年)评估一系列促生补充优化营养添加剂和应用这些信息来现场测试系统的能力不同的生物修复方法来治理土壤污染的严重阿特拉津的意外泄漏。

不幸的是,小信息的努力促生的田间试验原位修复农业除草剂污染的土地。然而,文献支持的促生的概念广告原地和非原位生物修复技术,如泥浆生物反应器是一种更合适的选择。例如,矿产农业土壤污染的修复与2,现在也是酸(2,4 - d)评估使用有氧和硫酸还原泥浆生物反应器。的影响蔗糖修正案对2,4 - d去除也被评估。结果表明,有氧删除不影响蔗糖补充,而去除硫酸还原浆除草剂的生物反应器与蔗糖显著提高90年]。

虽然利用不同土壤氧化还原电位可以被认为是广义的促生下,土壤通气原位主要是由于物流和成本都不切实际。陆地土壤环境可以被视为由有氧条件下,但有些情况下,乏氧生活占了上风。氧气供应率取决于含水量和土壤的物理特性,特别是孔隙度影响的结构和纹理。改变的耗氧率或供应会导致乏氧生活,例如,一个大型应用程序的肥料或土壤的压实。大多数土壤乏氧生活是由过度造成的土壤水分高水位或暴雨。土壤发生厌氧的微型网站可以帮助清理除草剂污染的农业土壤的微生物降解主要通过厌氧途径发生。

添加无机肥料的前景为刺激农业土壤微生物降解污染物的土壤调查了几个工人。最近,Tortella et al。91年)演示了使用杀虫剂毒死蜱降解的增加农业biobed系统biostimulated无机肥料(氮磷钾)。在另一个研究中,McGhee和燃烧92年]报道的显著增加降解除草剂2,4 - d和4-chloro-2-methylphenoxyacetic酸(2甲4氯)后的氮磷钾肥料相结合。

即使添加硝酸盐或其他无机肥料贫瘠土壤是一个现实的选择促生油田规模herbicide-contaminated土壤修复,任何可能的建立克服土壤养分限制必须极度小心。麦克贝恩et al。93年]试图试点领域MCPA-contaminated土壤的生物修复研究硝酸补充土壤没有多少成功。作者中,硝酸不适合作为替代电子受体2甲4氯退化和,在某些情况下,抑制需氧分解代谢除草剂在土壤中。同时,过度应用无机营养物质进入农业土壤的借口可能受径流,促生水污染导致不可接受的水平(94年]。这种溶解无机氮和磷,以及流行的天气,触发初级生产以及有害的富营养化(hypertrophication)过程在地表水(95年]。

11。未来前景

除草剂列出那些功能性化合物较少通过微生物降解回收网络的良好前景。大量的化合物所产生的大量的行业可能没有机会通过微生物的新陈代谢完全退化。从今以后,生物降解预测系统是迫切需要作为筛查工具提供的洞察力将理论知识付诸实践3]。一个中心和一个数据库(http://umbbd.msi.umn.edu起因)已经建立了异型生物质化合物包括除草剂的生物降解12]。退化预测模型的除草剂分子可能结合的战略操纵微生物热力学赤字和可以被用作框架的成功促生微生物降解。

“生物强化和促生”的组合可能是另一个前景看好的行动计划,加速顽固的除草剂化合物的生物降解。的能源或电子受体可能受益土著和外源性降能器(15]。席尔瓦et al。17)开发了一种联合生物强化和生物刺激方法清理高浓度的阿特拉津污染的土壤。生物强化与假单胞菌sp。ADP单独导致有限的改善阿特拉津矿化。相反,生物强化一起添加柠檬酸、琥珀酸生物刺激素显然增加了细菌降能器细胞生存,因此除草剂矿化。在本质上,加上先进的生物技术和利用组学数据在许多土壤降解微生物,持有框架生动的未来可行的促生技术除草剂从环境中污染物的去除。

尽管从文学相互冲突的结果,促生仍然可行的经验原位除草剂的生物修复技术。主管为给定的除草剂微生物污染物的存在,以及合适的生长条件,应该是最初由实验室和田间试验。这些信息将允许开发环境因素可能会限制或阻止污染物的生物降解实际污染场地。基于这些考虑,更好地了解微生物降解能力,连同他们的代谢网络以及细胞抵抗和适应机制,将带来一个很好的清理策略针对特定污染物在一个特定的网站(96年]。

12。结论

除草剂的有机化合物是一群拥有深远的环境后果,当土壤中持久性。微生物能降解土壤中除草剂化合物利用的营养和能量供应。更好的除草剂在土壤微生物生物利用度可以通过表面活性剂的使用和将建立一个优秀的前提下增强降解污染土壤。然而,缺乏土壤中有机质和营养会阻碍微生物活性和诱导滞后阶段除草剂污染物的矿化。“促生”,通过有机改良剂的应用和营养物质进入土壤可以克服这些禁忌,加快清除从土壤中除草剂。成功的除草剂在土壤中降解需要深刻洞察的热力学过程发生在微生物消耗,连续应用信息的合理使用电子给体和受体的有效刺激微生物的活动。虽然它需要广泛的现场评价研究中,结合其他生物修复工具促生无疑是一种很有前途的技术,从土壤中除草剂的消除浪费。

确认

作者感谢Yongsong曹(中国农业大学)和傅Xianhui(伊利诺伊大学厄巴纳香槟)制备过程中对他们有价值的建议。本文提到的贸易名称或商业产品是专为提供科学信息和的目的并不意味着美国农业部推荐或认可。

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