潘 翔,饒 磊，王沛芳，蔣 濤，顧振鋒

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098; 3.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211100)

化學(xué)農(nóng)藥作為一種重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，對防控作物病蟲草害、提高作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)及保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。大量研究表明，我國在施用農(nóng)藥的過程中，只有平均36.6%的農(nóng)藥被有效利用，超過60%的農(nóng)藥成分進(jìn)入到土壤、水體、沉積物和大氣等介質(zhì)中并產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)安全問題[1]。水體中的農(nóng)藥污染來源是多方面的，其中農(nóng)田流失的農(nóng)藥為水體中農(nóng)藥的主要來源[2]。常見難降解農(nóng)藥有機(jī)物污染物處理方法有化學(xué)法、光催化法[3]、微生物降解法等，其中特別是微生物降解法具有溫和、有效和不產(chǎn)生二次污染等特性，在土壤和水體污染治理中得到廣泛應(yīng)用[4-6]。毒死蜱是一種廣泛應(yīng)用的有機(jī)磷酸酯類農(nóng)藥，我國年施用量高達(dá)1.8萬t[7]。研究表明毒死蜱對魚類、水生無脊椎動物、藻類甚至人類都有很大毒性，對人體的健康影響主要體現(xiàn)在抑制乙酰膽堿酯酶的活性從而影響人體神經(jīng)系統(tǒng)，特別對新生兒還可能造成畸形、癌癥等風(fēng)險(xiǎn)[8-10]。為降低毒死蜱的環(huán)境影響和生物效應(yīng)，許多國內(nèi)外學(xué)者針對毒死蜱的高效降解菌開展了大量鑒別篩選研究[11-13]。實(shí)際應(yīng)用中載體形態(tài)對毒死蜱降解效率也有著直接的影響。有研究者將降解菌固定于海藻酸鈉上進(jìn)行了毒死蜱凈化性能研究，但由于材料強(qiáng)度不夠，不能多次重復(fù)利用，難以應(yīng)用于實(shí)際工程[14]。孫永利等[15]采用包埋的方法，利用6%聚乙烯醇、4%海藻酸鈉固定降解菌降解五氯苯酚。張秀霞等[16]利用表面吸附固定化法將納米多孔氧化硅作為載體，對降解菌進(jìn)行固定化后對喹啉的去除率有很大提高，但是這種材料難制備而且價(jià)格較高，難以應(yīng)用于實(shí)際工程。汪玉等[17]以黏土礦物為載體，采用吸附掛膜法對蒼白桿菌屬阿特拉津降解菌(Ochrobactrumsp.)進(jìn)行固定化后降解土壤中的阿特拉津，發(fā)現(xiàn)降解率相比游離菌具有很大提高，但是黏土難以回收，而且降解菌可能會對土壤中的原生微生物生態(tài)系統(tǒng)造成影響。苗令占等[18]分析了金屬納米材料對污水處理系統(tǒng)(活性污泥和生物膜)和自然水生態(tài)系統(tǒng)(自然生物膜)中微生物聚集體的毒性作用研究現(xiàn)狀，提出應(yīng)開展金屬納米材料對自然生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)和功能特性影響的研究。

本文針對土壤殘留農(nóng)藥面源污染的遷移擴(kuò)散問題，選取農(nóng)藥毒死蜱作為研究對象，制備了具有透水微孔結(jié)構(gòu)的微孔滲水型混凝土材料，并將降解菌和微孔滲水型混凝土載體進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，探討其對毒死蜱的凈化效率提升機(jī)理和方法，以期對農(nóng)藥面源控制及水體和土壤中的生態(tài)安全問題提供參考，為生態(tài)復(fù)合材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

a. 試驗(yàn)土壤：花泥營養(yǎng)土，pH值為6.45，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%。

b. 菌株：選用專用毒死蜱降解菌株(Dsp-2)作為微孔滲水材料的負(fù)載菌株，該菌株從長期受毒死蜱污染的污泥中分離得到，為鞘胺醇單胞菌屬(Sphingomonassp.)細(xì)菌。

c. 毒死蜱：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，產(chǎn)自湖北仙隆化工股份有限公司。

d. LB培養(yǎng)基：酵母提取物5 g，胰蛋白胨10 g，氯化鈉10 g，加去離子水溶解后調(diào)pH值至7.0，定容至1 L。該培養(yǎng)基用于菌株分離。

e. 以毒死蜱為唯一碳源的富集培養(yǎng)液：氯化鈉1 g，磷酸氫二鉀1.5 g，磷酸二氫鉀0.5 g，硫酸鎂 0.2 g，氯化銨0.7 g，硝酸鈉1.1 g，毒死蜱10 mg，去離子水1 L，設(shè)置pH值為7.0。該培養(yǎng)液用于毒死蜱降解菌富集培養(yǎng)及后續(xù)負(fù)載過程中為毒死蜱降解菌的生長繁殖提供營養(yǎng)源。

f. 微孔滲水型混凝土：水泥、砂漿、碳酸氫鈉、減水劑、玻璃纖維膠砂采用特殊工藝制備而成，選取3種典型孔隙率的混凝土作為毒死蜱降解菌載體。

1.2 微孔滲水型混凝土的制備與性能

1.2.1材料制備方法

a. 制漿。稱量一定量的水泥、砂、碳酸氫鈉、減水劑和玻璃纖維膠砂用攪拌機(jī)干拌，然后加水?dāng)嚢?，混合制得水泥砂漿。

b. 發(fā)泡。將發(fā)泡劑稀釋60倍后加入發(fā)泡機(jī)的儲液罐中，然后將空氣壓縮機(jī)加壓并同時(shí)打開液閥使發(fā)泡液和空氣在發(fā)泡槍中混合制得氣泡高度穩(wěn)定、泡沫細(xì)小且均勻的泡沫。

c. 混合。將已制備好的泡沫加入漿體中混合攪拌，最后將混合好的料漿澆筑到模具中，刮平表面并靜置2 h后，將模具放到旋轉(zhuǎn)凝固裝置上間歇緩慢轉(zhuǎn)動，防止?jié){料分層，使得泡沫在漿體中分布均勻。

d. 凝固。在轉(zhuǎn)動凝固過程中，水泥水化產(chǎn)生的熱量會使碳酸氫鈉熱分解產(chǎn)生CO2，將部分泡沫沖破，從而增加開孔率。旋轉(zhuǎn)凝固后將試樣筒取下靜置后脫模，制得微孔滲水型混凝土。

e. 養(yǎng)護(hù)。每天定時(shí)噴水養(yǎng)護(hù)并用塑料薄膜覆蓋保濕。所制得微孔滲水混凝土具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的透水性和水力滯留性能[19]。

1.2.2微生物負(fù)載方法

利用毒死蜱降解菌劑對浸泡去堿后的不同孔隙率的微孔混凝土進(jìn)行掛膜培養(yǎng)10 d(菌液體積比為 80 mL/L，負(fù)載流量為0.714 mL/s，即蠕動泵滴漏連續(xù)培養(yǎng))。根據(jù)掛膜情況選取孔隙率為38.2%、48.1%和51.2%的微孔混凝土進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)(孔隙率過小則易閉孔不具有透水性，孔隙率過大則通孔過多，材質(zhì)難以成型，經(jīng)對比分析上述3種孔隙率負(fù)載效果較好，混凝土成型孔徑分布較為均勻，更利于研究)。試驗(yàn)初期還做過浸泡負(fù)載與潛水泵大流量負(fù)載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)二者都不如蠕動泵負(fù)載效果好。

1.2.3性能測試

a. 孔隙率。采用排水法檢測，根據(jù)阿基米德的水中置換法原理利用陶瓷密度測試儀測定材料的孔隙率。

b. 透水系數(shù)。采用常水頭法檢測，采用直徑為8 cm、高度為10 cm的微孔滲水型混凝土圓柱體進(jìn)行透水系數(shù)的測定。所測的透水系數(shù)可按下式計(jì)算：

(1)

式中：KT為材料的透水系數(shù)；H為水頭高度，cm；Q為Δt時(shí)間內(nèi)透過微孔滲水型混凝土的水量，cm3；h為微孔滲水型混凝土試樣高度，cm；A為微孔滲水型混凝土試樣的過水?dāng)嗝婷娣e，cm2；Δt為時(shí)間間隔，s。

c. 生物量。采用可揮發(fā)灰分重量法檢測，用無菌水將附著有毒死蜱降解菌株的微孔滲水型混凝土試樣沖洗三四次后，放置到恒溫干燥箱中105 ℃干燥并稱重；然后將微孔滲水型混凝土試樣放入烘箱干燥，最后放于550 ℃的馬弗爐中加熱90 min，兩者差值即為微孔滲水型混凝土試樣上所附著的毒死蜱降解菌量的近似值。

d. 生物活性。采用耗氧速率法檢測，將附著有毒死蜱降解菌株的微孔滲水型混凝土試樣和已充氧的培養(yǎng)液放入燒杯中，然后迅速將溶解氧儀插入并用膠帶將溶解氧儀尾部與燒杯口接觸處密封，防止空氣進(jìn)入對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，所測得的溶解氧變化值為培養(yǎng)液中毒死蜱降解菌及微孔滲水型試樣上菌株的耗氧速率；同時(shí)將另一份充氧量相同的培養(yǎng)液放入另一個(gè)燒杯中，作為空白試驗(yàn)，所測得的溶解氧的變化值為培養(yǎng)液中毒死蜱降解菌的耗氧速率，兩者差值即為微孔滲水型混凝土試樣上所附著的毒死蜱降解菌株的耗氧速率。

1.3 試驗(yàn)裝置及分組

如圖1所示，有機(jī)玻璃管高35 cm、直徑為8 cm，管的底部用開孔的有機(jī)玻璃板密封，用硅膠管與其相連，共分為3層，底部加入粒徑為2～3 cm的石子，高5 cm；然后將已負(fù)載的混凝土試樣放入礫石層上方，高10 cm；最后將含有農(nóng)田污水的土壤層放到試樣層上方，高10 cm。土壤層制作方法如下：使用電子秤稱量8份500 g的土壤，使用40%毒死蜱配制毒死蜱質(zhì)量濃度為20 mg/L的模擬農(nóng)藥污水，分別將配制的200 mL農(nóng)田污水均勻拌入8份土壤中，并向土壤中加水至飽和，靜置平衡。試驗(yàn)通過脈動泵將去離子水分別以10.6 mL/(min·m2)和 2.75 mL/(min·m2)的降雨強(qiáng)度滴進(jìn)有機(jī)玻璃管中，并在下方用錐形瓶接引出水。

試驗(yàn)共設(shè)置兩大組(L組、S組)8小組，分別標(biāo)記為AL、BL、CL、KL和AS、BS、CS、KS，其中A、B、C表示不同孔隙率負(fù)載后的微孔滲水型混凝土試樣，L、S分別表示降雨強(qiáng)度為10.6 mL/(min·m2)和 2.75 mL/(min·m2)的組。KL、KS為空白對照組，管中只含有土壤層與礫石層，不含有試樣層。試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為25.6 ℃，pH值為7.32。

(a) 對照組

如圖1所示，每組有機(jī)玻璃管上方設(shè)置脈動泵，保證不同試驗(yàn)組與對照組能同時(shí)進(jìn)行降雨試驗(yàn)，防止試驗(yàn)過程中室內(nèi)溫度及其他條件對試驗(yàn)造成影響。每個(gè)蠕動泵設(shè)置多條管道，保證每個(gè)試驗(yàn)組與對照組都有多條進(jìn)水管，減少不均勻降雨對試驗(yàn)造成的偶然誤差。設(shè)置礫石層的原因是防止對照組中土壤由于強(qiáng)降雨造成水土流失嚴(yán)重而導(dǎo)致下口硅膠管堵塞。

1.4 實(shí)驗(yàn)采樣及分析測定方法

a. 采樣方法。L組每隔30 min采樣，共采5次并且每次采集250 mL水樣。S組每隔2 h采樣，共采5次并且每次采集250 mL水樣。測得各水樣的毒死蜱質(zhì)量濃度并根據(jù)水樣體積計(jì)算每個(gè)時(shí)間段的毒死蜱質(zhì)量濃度。

b. 毒死蜱質(zhì)量濃度采用高效液相色譜法測定。色譜條件：試驗(yàn)儀器為高效液相色譜儀(HPLC Waters e2695 USA)，分離柱為SunFireTu C18柱(5 μm，4.6 mm×150 mm)，柱溫為25 ℃，可變紫外檢測器的檢測波長為300 nm，流動相為甲醇和水(二者體積比為85∶15)[20]。

c. 毒死蜱去除率η的計(jì)算公式為

(2)

式中：ρck為反應(yīng)器中加入的初始毒死蜱質(zhì)量濃度，mg/L；ρx為1 d后反應(yīng)器中的毒死蜱質(zhì)量濃度，mg/L。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 孔隙率對負(fù)載效果的影響

相同負(fù)載流量、相同培養(yǎng)液濃度的條件下，不同孔隙率的微孔滲水型混凝土的透水系數(shù)、孔徑大小、閉孔數(shù)目、比表面積不同，導(dǎo)致樣品上負(fù)載的微生物數(shù)量和生物活性不同。表1為微孔滲水混凝土參數(shù)及負(fù)載情況。

表1 微孔滲水混凝土參數(shù)及負(fù)載情況

從表1可以看出，孔隙率越大，試樣中通孔越多，試樣的透水系數(shù)越大。但是試樣中負(fù)載的生物量和生物活性不隨試樣的透水系數(shù)的增大而增大，而是均為B組最大，C組次之，A組最小。分析原因，可能是透水系數(shù)為1.320 cm/s的微孔滲水型混凝土內(nèi)部孔洞分布均勻且孔徑較小，開孔和閉孔并存，孔結(jié)構(gòu)較為完整，具有良好的吸水性和水力滯留性能，一方面在接種時(shí)可以吸附大量毒死蜱降解菌株，另一方面可以使培養(yǎng)液在試樣表面及內(nèi)部保持較長時(shí)間，進(jìn)而菌株生長繁殖較快，相應(yīng)的生物量和生物活性較大；而透水系數(shù)為1.552 cm/s的微孔滲水型混凝土雖然孔隙率大通孔較多，但由于孔徑過大導(dǎo)致不能長時(shí)間保留住培養(yǎng)液，培養(yǎng)液在砌塊上的滯留時(shí)間較短，菌株不能完全吸收培養(yǎng)液，因而菌株生長較為緩慢，生物量和生物活性較低。A組微孔滲水型混凝土則是由于其中透水系數(shù)太低，閉孔較多而且孔洞較小導(dǎo)致比表面積較小，進(jìn)而負(fù)載生物量較小，生物活性較差。

2.2 降雨時(shí)間和孔隙率對毒死蜱去除的影響

相同降雨強(qiáng)度下，隨著降雨過程的持續(xù)，土壤中毒死蜱的析出速率不同，由此造成不同階段的毒死蜱析出質(zhì)量濃度不同；再加上不同孔隙率的影響造成試樣透水性能不同，最終導(dǎo)致試樣吸附凈化效能不同，所以對出水中毒死蜱質(zhì)量濃度產(chǎn)生綜合影響。

從圖2(a)可知，降雨強(qiáng)度為10.6 mL/(min·m2)時(shí)，隨著降雨過程的持續(xù)，4組試驗(yàn)出水中毒死蜱質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；分析在大降水量下，雨水沖刷力度大，土壤中的毒死蜱會隨著雨水沖刷析出，即整個(gè)過程是被吸附的毒死蜱從上層土壤被沖刷到下層土壤，然后再沖刷試樣的過程，導(dǎo)致出現(xiàn)毒死蜱質(zhì)量濃度先上升后下降的過程。KL和AL組在1.5 h時(shí)達(dá)到峰值，BL和CL組在0.5 h時(shí)達(dá)到峰值。猜想是由于BL和CL組試樣孔隙率大，試樣吸附和凈化效果好，這兩組的峰值受凈化效果影響，隨著時(shí)間的持續(xù)降解菌已經(jīng)吸附降解了部分毒死蜱，所以這兩組峰值提前到達(dá)。

(a) L組

由圖2(a)可以看出整個(gè)降雨過程中，對照組KL的出水中毒死蜱質(zhì)量濃度始終大于AL、BL、CL組，說明微孔滲水型混凝土對土壤中滲流的毒死蜱具有一定的截留凈化效果。由各試驗(yàn)組與對照組差值可得每個(gè)時(shí)間間隔各個(gè)試樣層對毒死蜱的去除量，由此可知各組毒死蜱總?cè)コ浚珺L組的去除效果最好，為0.189 mg，CL組次之，為0.181 mg，AL組最差，為0.049 mg。當(dāng)試樣透水系數(shù)較小時(shí)，試樣的孔隙率較小，負(fù)載的毒死蜱降解菌落較少，與反應(yīng)液的接觸效果差，傳質(zhì)效果差，所以毒死蜱降解率低。當(dāng)透水系數(shù)過大時(shí)，試樣內(nèi)部孔徑過大，反而不利于毒死蜱降解菌生長負(fù)載，另外，若透水性過大，使得反應(yīng)液和試樣的反應(yīng)接觸時(shí)間較小，所以毒死蜱降解率會變小。

從圖2(b)可知，降雨強(qiáng)度為2.75 mL/(min·m2)時(shí)，隨著降雨過程的持續(xù)，KS、AS組的出水毒死蜱質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，而且總體趨勢平穩(wěn)，在4 h時(shí)達(dá)到峰值。BS、CS組中出水毒死蜱質(zhì)量濃度逐漸降低。分析兩種不同變化原因，可能是由于小降水量下雨水的沖刷力度小，土壤中析出的毒死蜱質(zhì)量濃度較低，而且相同降水量降雨時(shí)間較長，所以毒死蜱降解菌對析出毒死蜱的降解較完全，所以在第二次取水時(shí)就達(dá)到峰值。而BS、CS組的試樣孔隙率較大，且吸水性以及生物量較大，對土壤中析出的毒死蜱具有較好的吸附凈化作用，所以沒有達(dá)到峰值?？赡苁窃? h之前提前達(dá)到了峰值，也可能是滲流過程中對下滲毒死蜱的凈化效果較好，整個(gè)過程中毒死蜱質(zhì)量濃度逐漸降低。

同理，整個(gè)降雨過程中，對照組KS的出水中毒死蜱質(zhì)量濃度始終大于AS、BS、CS組，可見在小降水量下，試樣對土壤中的滲流毒死蜱依舊具有較好的截留凈化作用。同理得到每個(gè)時(shí)間間隔毒死蜱去除量，可計(jì)算整個(gè)過程每個(gè)試驗(yàn)組的毒死蜱去除總量，AS、BS、CS組分別為0.999 5 mg、0.273 97 mg和 0.224 37 mg。小降水量下對毒死蜱的去除效率也是BS組最大、CS組次之、AS組最小。原因與降雨強(qiáng)度為10.6 mL/(min·m2)的L組相同。

2.3 降雨強(qiáng)度對毒死蜱去除率的影響

由于不同降雨強(qiáng)度下相同降雨時(shí)間的降水量不同，而且整個(gè)降雨過程中毒死蜱質(zhì)量濃度始終在變化，所以通過分析整個(gè)過程中不同降雨強(qiáng)度不同試樣的總毒死蜱去除效率來分析降雨強(qiáng)度對毒死蜱析出及去除的影響。KS、KL、AS、AL、BS、BL、CS和CL組總毒死蜱去除率分別為39.26%、10.38%、49.26%、15.31%、66.66%、29.29%、61.70%和28.49%。由此可知，相同降水量的條件下，毒死蜱去除率都為弱降雨組大于強(qiáng)降雨組，所以對于相同降水量，弱降雨對土壤下滲的毒死蜱的去除效果更好。而且土壤對毒死蜱的截留效率受降雨強(qiáng)度的影響較大，強(qiáng)降雨下對照組對毒死蜱的截留效率只有10.38%，弱降雨組為39.26%，二者相差近4倍，而試樣對毒死蜱的去除率受降雨強(qiáng)度的影響較小。從總的截留降解效率來看，弱降雨下B、C兩組毒死蜱的去除率能達(dá)到60%以上，而強(qiáng)降雨下B、C兩組毒死蜱的去除率只有30%以下。由于強(qiáng)降雨下沖刷效應(yīng)強(qiáng)，土壤中的毒死蜱下滲更快，而且強(qiáng)降雨下水流流速較快，導(dǎo)致試樣與下滲水中毒死蜱的接觸時(shí)間較短，所以造成強(qiáng)降雨組毒死蜱的去除率較低。對比A、B、C 3組試樣對毒死蜱的去除率，亦為B組最大，C組次之，A組最小，與前面分析結(jié)果相同。

3 結(jié) 論

a. 在相同負(fù)載條件下，并非透水系數(shù)越大微孔滲水型混凝土負(fù)載的生物量和生物活性最好，而是隨著透水系數(shù)的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

b. 不同降雨強(qiáng)度下，降雨強(qiáng)度小時(shí)微孔滲水型混凝土對毒死蜱去除率更高，所以在實(shí)際應(yīng)用中對雨量較大的地區(qū)可以通過設(shè)置多級混凝土護(hù)岸以及滲水集水槽來減緩降雨流速、增強(qiáng)毒死蜱降解效率。

c. 在模擬降雨過程中，降雨強(qiáng)度大的反應(yīng)裝置中的出水毒死蜱質(zhì)量濃度較大。

d. 在兩種降雨強(qiáng)度下，對毒死蜱去除量最佳的試樣都是負(fù)載生物量和生物活性最好的B組(孔隙率為48.1%)。