土壤颗粒影响有机磷农药降解菌表面性质与降解活性的机制

自然土壤活性颗粒与有机污染降解菌的相互作用是影响污染生物降解的重要因素。本项目采集并分离恒电荷土壤（棕壤）与可变电荷土壤（红壤）的胶体，制备代表性粘土矿物和氧化物,选用可降解甲基对硫磷和氯螨硫磷的假单胞菌和芽孢杆菌，在表征上述土壤活性颗粒表面化学性质的基础上，运用电子显微镜、等温微量热、液相色谱、圆二色谱等现代分析技术，研究土壤颗粒与降解菌的界面互作对生物降解关键因子：细菌代谢活性、表面性质、胞外聚合物产量与组成，以及有机磷水解酶活性与结构等的影响，进而探讨不同类型土壤活性颗粒体系中细菌降解效率发生变化的原因，以期揭示土壤活性颗粒影响下有机磷农药降解菌代谢行为及其与降解性能的关系，阐明土壤活性颗粒影响有机磷农药生物降解效率的机制，为评价和提高农药污染土壤的生物修复效果，合理制定农药污染土壤修复措施提供科学依据。

土壤微生物对有机磷农药的降解是消除其污染的主要途径。有机磷农药进入土壤环境后，会在土壤固相组分表面发生吸附，影响其微生物有效性。同时土壤固相表面也可改变其生理活性。因此查明有机污染物、微生物与土壤固相表面互作对污染物微生物降解的影响，对理解污染物在环境中的迁移和归趋至关重要。本项目以分离得到的Pseudomonas sp. Z1有机磷农药降解菌和多种土壤活性颗粒、矿物为材料，以农药、细菌与固相颗粒的界面作用为核心内容，采用降解动力学与化学平衡吸附实验，结合高效液相-质谱联用、微量热、衰减全反射红外光谱和电镜等技术考察了不同环境条件和土壤矿物类型对农药微生物降解的影响，揭示了表面吸附和细菌代谢活性对农药的微生物降解的影响规律，阐明了细菌对甲基对硫磷、毒死蜱的降解机制，发现Pseudomonas sp. Z1通过1,2,4-苯三酚途径降解甲基对硫磷。降解菌与高岭石的接触可提高甲基对硫磷的生物降解速率。低浓度针铁矿促进农药降解，但细菌与高浓度针铁矿的强烈相互作用阻碍了甲基对硫磷向细菌胞内扩散，明显抑制甲基对硫磷的生物降解。这是由于高浓度针铁矿在细菌表面大量覆盖，形成了一层致密的矿物膜。半透膜降解实验证实了在低浓度的针铁矿体系中，细菌-矿物吸附有利于甲基对硫磷的降解。而高浓度的针铁矿在细胞表面的大量覆盖减少了细胞表层有效面积，限制了底物向细菌内部扩散，从而抑制了微生物降解。不同浓度蒙脱石均促进了细菌对甲基对硫磷的降解，且蒙脱石浓度越高，微生物降解速度越快。降解过程中微量热和细菌数量监测结果表明细菌活性随着蒙脱石浓度的增加而增加，且细菌能够直接降解被蒙脱石表面吸附的甲基对硫磷。红外光谱监测和单位时间降解率比较分析说明：随着时间的增加，更多细菌在蒙脱石表面吸附，吸附态甲基对硫磷开始被吸附态细菌利用。经腐殖酸修饰后的针铁矿对农药的吸附量显著增加，对细菌的吸附亲和力则明显下降。降解动力学和微量热结果表明腐殖酸修饰针铁矿前后均抑制了细菌对甲基对硫磷降解速率与代谢活性。