碳、氮稳定同位素解析除草剂阿特拉津的微生物降解途径与在水环境中的归趋

Stable isotope tracer is significant for understanding the environmental behavior on pesticide pollution prevention and environmental health of the water environment. The herbicide atrazine is used to study the biodegradation pathways and environmental behavior with CAIS (compound isotope analysis) in water environment. The methods is established for the organic stable isotope carbon (δ13C), nitrogen (δ15N) sample preparation and analytical testing using GC-IRMS. The kinetic fractionation effects of δ13C and δ15N of atrazine is studied in process of biodegradation with Pseudomonas sp and Arthrobacter. sp . The fractionation characteristics and impact factors of δ13C and δ15N in atrazine will be studied in new developed Water Environment Simulation Reactor (WESR) by controlling the environmental factors in the WESR. Then The fractional mechanism of atrazine δ13C δ15N will be studied and the fractionation dynamics model will be established in the aquatic environment. The result is helpful for us to understand environmental behavior of atrazine in the water environment and will provide a theoretical foundation and technical methods for studying the transport, transformation and degradation of organic pollutants in the water environment,

利用稳定同位素技术深入解析农药生物降解途径以及在水环境中的归趋，在农药污染的防治及环境健康领域具有巨大优势。以除草剂阿特拉津为研究对象，建立基于GC-IRMS的有机物碳（δ13C）、氮（δ15N）稳定同位素样品前处理和分析测试手段，利用CAIS（Compound-specific stable-isotope analysis ）碳、氮稳定同位素技术，研究阿特拉津在假单胞菌、节杆菌等不同微生物作用下的生物降解途径以及过程中δ13C、δ15N动力学分馏效应；结合传统的分析技术，利用自主研发的水环境模拟反应器（WESR）控制环境因子的变化，模拟农药在自然地表水环境中环境行为，利用碳、氮同位素对阿特拉津的在水环境中的迁移、转化过程中分馏效应，同时探讨其分馏特征和影响因子。在此基础上，研究阿特拉津在水环境中的δ13C、δ15N分馏机制，建立起阿特拉津分馏动力学模型，并对在其水环境中的归趋进行研究.

研究建立了以CAIS技术的为核心的有机物稳定同位素的测试技术，获得农药阿特拉津的δ13C，δ15N的特征，结果表明，不同品牌特拉津各自互不相同的C、N稳定同位素组成，但是其组成在一定的范围内，可以作为一种化合物稳定同位素的指纹特征进行识别。通过对实验，筛选出的4株阿特拉津降解菌，通过对其生理生化特征及16S rRNA基因序列分析，根据系统发育树将阿特拉津降解菌CX-T、K归属为根瘤菌科，H、W归属于链霉菌属，能在96h内将培养基中100mg/L的阿特拉津全部降解。研究表明通过基因分析可初步推断解在特定微生物作用下的阿特拉津降解途径；通过比较发现阿特拉津被两菌株CX-T和K 降解过程中均表现出显著的稳定同位素分馏过程，在菌株CX-T降解下碳同位素比值从-18.1‰变为-9.5‰，而对菌株K碳同位素则从-18.3‰变化到-10.3‰；而对于菌株CX-T氮同位素比值变化为-1.6‰到-6.6‰，对菌株K，氮稳定同位素变化范围为-2.2‰到-7.4‰。对于菌株CX-T和菌株K,碳、氮的表观动力学同位素效应(AKIE)值分别为0.994和0.988(氮)，1.014和1.020（氮）。可以证明阿特拉津在菌株Ensifer sp.CX-T 和菌株Sinorihizobium sp.K降解过程中，阿特拉津三嗪环上氮原子结和路易斯酸，出现了新的化学键,激活了三嗪环，促进了亲核取代脱氯反应的进行。通过瑞利方程进行线性回归分析，清楚地表明了在两种菌株降解下，碳和氮稳定同位素具有不同分馏程度。这些成果的取得，为进一步了解农药在环境中的环境行为，这将会为利用碳、氮稳定同位素示踪技术解析阿特拉津在水环境迁移、转化和降解过程提供理论基础，同时也为水体中农药污染源解析和农药环境风险的评估提新供技术方法。