土壤有机/生物污染与防控

导   读

全书系统介绍了包括农药、酞酸酯、激素、抗生素及抗性基因、病原微生物在内的六大类典型/新型有机和生物污染物在代表性农田系统土壤中的定性定量检测方法、污染特征与来源解析、污染过程与机制，并在此基础上提出了土壤有机和生物污染强化削减原理与防控措施，为构建我国特色的农田污染过程研究体系提供了理论与方法借鉴，并为保障国家粮食安全和人体健康提供了重大科技支撑。

来源：赛杰奥公号（2021年1月11日），本文摘编自《土壤有机/生物污染与防控》（何   艳  徐建明 等 著. 北京：科学出版社）一书。

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我国农业农村发展进入新的历史阶段，土壤和产地环境管理在农业绿色和高质量发展中的作用更加凸显。围绕土壤功能的研究已从聚焦土壤肥力、追求作物产量，发展到关注土壤安全和土壤健康、保证农产品质量安全，以及更加突出土壤质量、支撑农业高质量发展。高强度、高投入的农业耕作模式造成各类污染物在农田系统中不断累积，加剧了农田土壤环境质量退化及农田生态系统稳定性降低。

我国农田系统中有机和生物污染物种类繁多，污染特征不明，污染过程与机制不详，相关地方、行业和国家标准缺失，开展研究难度很大，导致现阶段我国生态环境与人体健康实际遭受农田有机和生物污染的程度一直不明晰。打好污染防治攻坚战，迫切需要开展全国区域尺度系统性调研，获得针对中国农田的第一手资料，以保障国家农业产业健康发展、公众“舌尖上的安全”和维护农田生态系统平衡健康。

“十三五”期间，在土壤污染与防治领域，科学技术部针对农业土壤有机和生物污染做了前沿探索性的任务部署，于第一批启动了国家重点研发计划专项“农业面源和重金属污染农田综合防治与修复技术研发”。该专项在基础研究领域部署了一个有机和生物污染相关的项目“农田有毒有害化学/生物污染与防控机制研究”。

本书内容是在总结国际土壤有机/生物污染与防控研究领域的研究进展基础上，结合该项目团队在“十三五”期间研究所得的最新成果撰写而成的。

本书着重围绕不同农业主产区（东北、黄淮海、长江中下游、南方等）、不同类型土壤（黑土、潮土、水稻土、红壤等）、不同种植制度（水稻、小麦、玉米、大豆、蔬菜等）的农田系统差异，基于污染影响量大面广、存在农产品安全风险或地下生态环境风险等原则，以我国农业土壤中的典型/新型有机、生物污染物为重点进行介绍，特别突出了不同类型污染物在代表性农田系统中土壤水—矿物—有机质—微生物—作物根系互作界面上污染演变规律和关键界面行为的差异性。

编委会

（以姓氏笔画为序）

参编单位

本书编写人员主要来自16 家高等院校和科研机构，包括浙江大学、中国科学院南京土壤研究所、中国科学院城市环境研究所、农业农村部环境保护科研监测所、南京农业大学、华中农业大学、南京大学、上海交通大学、北京师范大学、山东农业大学、东北农业大学、中国环境科学研究院、中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所、中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所、湖南省农业科学院和北京农业生物技术研究中心。

精彩内容

典型设施菜地土壤酞酸酯污染特征

酞酸酯（PAEs）作为一类常见塑化剂会随着塑料大棚的施用、废弃进入设施菜地土壤中，成为威胁土壤健康的新型有机污染物。对东北三省主要设施农业9 个代表性黑土地区的不同深度土壤中15种PAEs含量分析，发现所有深度的土壤均含有PAEs，其中，DEHP、DBP、DEP、DMP的检出率为100%。该四种化合物占PAEs总量的68.8%～90.5%，其余11 种PAEs 的平均浓度均小于0.1 mg/kg，污染水平相对较低。15 种PAEs在黑土区的分布结果表明：设施农业黑土PAEs 污染情况要高于非设施农业黑土。ΣPAEs含量在表层土壤（0～20cm）中最高，随着土层深度的增加显著降低。DBP 和DEHP在表层土壤中浓度较高，浓度随土壤深度增加而下降的现象明显，然而DMP和DEP等短链PAEs化合物的水溶性较高、Koc较小，易随灌溉迁移到土壤深层，呈现出浓度随土层深度增加而增加的规律。

东北地区设施菜地不同土壤剖面中15 种PAEs 的百分比组成

（A，0～20cm；B，20～40cm；C，40～60cm）

土壤中有机污染物结合态残留形成

进入土壤中的污染物除了发生降解、转化、矿化、挥发等环境归趋过程之外，在土壤中的一个重要归趋是形成结合态残留，亦称为不可提取态残留。结合态残留形成的机制分为锁定（包括物理包埋、污染物及其代谢物以离子键、氢键、范德华力、电荷转移、疏水作用、配体交换等相互作用在土壤基质上形成的吸附）、共价结合和生物同化三种。采用C-14同位素示踪研究发现，抗生素、农药和酸酸酯等污染物在有氧和无氧土壤中均可形成大量的结合态残留（20%～90%），其中以磺胺类抗生素最为显著（结合态残留量可达50%～90%）。研究发现，土壤中微生物活性是促进磺胺等污染物结合态残留形成的重要因素，而土壤氧化还原状态对结合态残留形成具有显著影响。锁定态残留是一种可逆态残留，在土壤环境条件发生变化时，可从结合态中释放变成生物可利用态，由此对土壤环境构成“迟发性”危害；进入土壤中的磺胺抗生素磺胺嘧啶和磺胺甲恶唑，10天内即有50%以上成为锁定态残留，它们的环境风险需要进一步研究。植物生长可以影响有机污染物在土壤中结合态残留的形成，但不同植物对不同污染物的影响不同。例如，水稻增加土壤中磺胺的结合态残留；但青菜显著地抑制酞酸酯结合态残留的形成，使其残留量由约30%降低至约15%。

磺胺抗生素和酞酸酯在不同土壤环境条件下结合态残留形成过程

耦合生源要素循环的稻田氯代有机物污染强化削减调控

氯代有机物曾被大量运用于工农业，由于持久难降解，虽然已被禁用多年，仍然可在土壤中被普遍检出，持续危害生态环境安全。研究发现，由微生物厌氧呼吸介导的生源要素循环对淹水稻田等厌氧环境中污染物的生物地球化学过程及污染削减具有重要的调节功能。稻田土壤本底条件、电子供/受/穿梭体的种类和数量、参与代谢的微生物及微生物代谢中间产物、以及种植水稻品种等均会影响持久性氯代有机物在稻田中的脱氯降解。因此，基于改变电子供/受/穿梭体的数量和种类等途径来控制微生物厌氧呼吸过程中的电子传递流向，协调好持久性氯代有机物快速削减，及其与稻田还原性物质毒害、温室气体排放的关系，实现多赢的修复目标，在氯代有机物污染土壤的修复应用中具有广泛前景，对准确评估氯代有机物污染土壤的地下生态环境风险也十分必要。本书构建了基于微生物代谢调控耦合生源要素还原高效削减稻田残留氯代有机物的新方法，实现生态效应与农田持续生产力协同增进的污染综合调控目标。

与生源要素循环耦合的氯代有机物污染削减综合调控示意图

生物炭对土壤有机污染的控污增产双向调控

鉴于我国人多地少的基本国情，在实行农田土壤污染控制的同时，维持土壤肥力，增加农田土壤的生产效益，是我国实行土壤污染综合防控的有效途径。研究人员利用生物炭所具有的催化降解和土壤养分滞留功能，提出了生物炭对农田有机污染土壤控污增产双向调控技术，实现了在生物炭原位修复污染土壤的同时，改善提高土壤肥力和农田生产效益，为农田土壤污染修复与综合防控提供了一条新途径。该技术基于改性生物炭活化过氧化尿素（UHP） 产生羟基自由基·OH 降解土壤有机污染物。在农田土壤中，UHP 缓慢水解释放出H2O2 和尿素，生物炭表面含有的持久性自由基（PFRs）将电子传递给UHP 中的H2O2，产生具有强氧化能力的羟基自由基·OH，为生物炭活化H2O2 产生活性氧类物质催化降解有机污染物提供了基本反应条件。同时缓慢释放出的尿素为农作物提供了必需的营养，实现了控污增产的效果。

生物炭对土壤化学污染的控污增产双向调控

土壤抗生素抗性基因污染与扩散增殖

抗生素残留以及抗性微生物随着动物粪便排出体外，作为有机粪肥施用到土壤中，给农田生态系统带来抗生素和抗性基因污染。本书系统研究了有机肥施用土壤抗生素抗性基因污染特征和扩散风险，通过面上调研和长期定位试验数据，初步定义了设施菜地抗生素抗性基因基线值，可用于设施菜地抗生素抗性基因污染监控；探明了外源输入、细菌群落组成变化、重金属残留和水平基因转移是粪肥施用土壤中抗生素抗性基因富集主要原因；揭示了土壤−植物系统是联系环境抗生素抗性与人类健康的重要系统，是人体直接暴露环境抗性基因的主要途径。

粪肥施用农田抗性基因分布特征与水平基因转移机制

土壤微界面病原菌存活机制及生物膜技术阻控病原菌传播新策略

粪肥施用与污水灌溉将大量病原菌带入土壤。基于化学、物理与生物多过程解析，发现在针铁矿体系中，细胞通过力感通道感应到细胞膜压力，从而调控枯草芽孢杆菌形成生物膜的两个主要基因abrB和sinR，使细胞倾向于向气液界面运动并聚集形成生物膜。发现了促进细菌生物膜形成的土壤纳米颗粒浓度效应，低浓度土壤纳米颗粒促使恶臭假单胞菌释放出更多的信号分子，激活群体感应、脂多糖生物合成及生物膜形成相关基因表达。构建了精准识别复杂条件下细菌种间互作类型的模型和方法，揭示了合成微生物群落中细菌初始比例和碳源类型差异对群落结构、代谢活性以及种间互作的影响机制，为构建和调控土壤生物膜体系提供了新思路。基于模拟土壤及多种分析手段，发现高养分输入是土壤生物膜形成的先决条件，证实了土壤生物膜的形成可提高土壤微生物多样性和代谢活性，通过调控土著细菌形成生物膜可有效阻控病原菌传播，为发展微生物修复绿色技术提供了新策略。

针铁矿影响枯草芽孢杆菌生物膜形成的模型

典型种植制度土壤中有机/生物污染因子监测指标体系

农业生产过程中农业投入品的大量使用造成了农田土壤环境中各类有毒有机/生物污染物的残留，给农田土壤的可持续利用、农产品安全和地下水安全造成了潜在威胁。制定科学、完备的监测与评估指标体系是开展土壤环境质量评价、土壤污染风险评估、土壤环境质量变化趋势预测的基础。不同种植制度农田土壤中农业投入品的类型各异，污染物种类和污染程度也各不相同，因此建立不同种植制度农田土壤差异化的监测与评估指标体系，对于开展农田土壤环境质量监测、及时了解农田土壤环境质量和农田土壤环境管理具有重要的意义。研究人员在对小麦、玉米、水稻、大豆和设施菜地几种典型种植制度土壤中的有机/生物污染物进行调查的基础上，结合文献报道对各种植制度土壤的监测指标进行了筛选，并针对所筛选出的监测指标，进一步梳理、总结评估依据与标准，初步建立了典型种植制度土壤中各类有机/生物污染物的监测指标体系（表1、表2）。

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