我國農田有機和生物污染研究工作展望

台中自助搬家 摘要: 農田生態健康問題關乎國計民生,開展農田污染的驅動機制及防控修復研究,獲得針對中國農田的第一手資料,是保障國傢農產品安全與人體健康的重大需求。本文將基於國傢重點研發計劃項目“農田有毒有害化學生物污染與防控機制研究”的工作進展,談一些後續研究中需要重點關註的研究工作思考,以為我國十四五期間的重點科技規劃提供科學支撐。農田系統是保障國傢糧食安全和農產品供應的重要基石,提高農田系統持續生產力、滿足人類生產生活需要是國傢經濟發展的重大需求。近年來,隨著農業化學品的大量投入,農藥、酞酸酯、激素、抗生素及抗性基因、病原微生物等外源有機和生物污染物在農田系統中不斷累積,造成瞭一系列的資源環境問題。由於我國農田系統中這兩大類污染物種類繁多,污染特征不明,污染過程與機制不祥,相關行業、地方和國傢標準缺失,開展研究難度很大,導致現階段對我國不同農田系統實際遭受有機和生物污染的狀況一直不明晰,迫切需要開展全國區域尺度系統性的調研,獲得針對中國農田的第一手資料,以保障國傢農產品生產安全與品質,維護農田生態系統平衡健康。在農田污染與防治領域,十三五的國傢重點研發計劃專項針對有機和生物污染做瞭前沿探索性的任務部署。目前,已啟動的“農業面源和重金屬污染農田綜合防治與修復技術研發”重點專項中,兩個項目涉及有機和生物污染。其一為“農田有毒有害化學/生物污染與防控機制研究”,於2016年第一批啟動,性質為第一層次的基礎研究;其二為“農田有毒有害化學/生物污染防控技術與產品研發”,於2017年第二批啟動,性質為第二層次關鍵共性技術攻關研究。本文將基於第一批項目啟動以來的研究工作成效,談一些後續研究中需要重點關註的研究工作思考,以為我國十四五期間的重點科技規劃提供科學支撐。1 項目實施成效自項目啟動以來,我們以阻控污染和重建健康土壤為核心,以解析高強度利用和人為幹預下農田有機和生物污染的形成過程和影響因素為突破口,突出瞭從農田污染的源頭甄別、過程解析、定向阻控與強化修復的全鏈條追蹤的思路,以我國東北、黃淮海、長江中下遊、南方四大洗地機出租農業主產區稻、麥、玉米、大豆、蔬菜五種種植制度下黑土、潮土、水稻土、紅壤等典型農田系統為主要研究對象,從源頭削減效應、過程控制與效應、區域調控與措施三個層次逐級推進,圍繞農田有毒有害化學/生物污染特征與源解析,農田污染演變規律及其主控因素,污染物的農田系統影響途徑、效應與機制,農業主產區有毒有害化學/生物污染農田自凈功能重建原理、關鍵途徑和技術對策四大任務有序推進瞭研究工作。目前,階段性研究已初顯成效,特別在針對殘留標記化合物自主合成、新型污染物檢測標準方法的開發與建立等方面取得瞭突破性進展。1.1 自主建立瞭有機污染物的同位素標記合成方法,開發瞭典型生物污染物的分析檢測技術高比活度放射性同位素標記化合物匱乏是我國農田有機污染防控機制研究中的關鍵技術制約。項目實施攻克瞭高比活度同位素標記農藥合成中的技術瓶頸,於國際上首次建立瞭安全高效的放射性標記毒死蜱非氯氣取代微量合成方法,在國內首次自主合成瞭高比活度14C-毒死蜱;同時,優化瞭14C-磺胺嘧啶微量合成方法,使高比活度14C-磺胺嘧啶的總產率比現有合成方法提高瞭13%。這為從質量平衡角度溯源追蹤有機污染物在環境介質中的遷移轉化、殘留代謝,尤其是結合殘留定量表征和削減等相關研究奠定瞭基礎,為解決我國農業生產長期受制於殘效農藥影響的重大產業問題提供瞭必要物質保障。制定瞭有機肥料中土黴素、四環素、金黴素、強力黴素四種抗生素的含量測定國傢標準(GB/T 32951— 2016),該標準已於2017年3月1日正式實施;開發瞭土壤中酞酸酯的測定方法,已申請國傢標準,目前處在提交國傢標準化管理委員會報批階段。構建的基於高通量基因芯片技術的抗性基因同步檢測與糞便污染溯源方法,可同步檢測200種以上抗性基因,並可區分抗性基因的人、豬、牛、雞、鴨等9種糞便污染源,達到國際先進水平,相關成果發表於Nature系列新子刊(Nature Microbiology)上,並獲得國傢授權發明專利。完善瞭土壤病原菌的檢測方法,構建瞭基於毒力基因檢測大腸桿菌、沙門氏菌的特異性專用引物探針和反應條件,建立瞭同步測定土壤中人畜共患病原菌的qPCR方法體系;發展洗地機瞭利用PMA-qPCR檢測大腸桿菌O157:H7等活菌數的方法,此方法與qPCR、平板計數法聯合使用可測定胞外DNA(死菌)數量、活的非可培養(VBNC)態數量,實現瞭對土壤中不可培養狀態的病原菌活菌的表征。1.2 開展瞭代表性農業主產區典型有機與生物污染物的農田污染特征調研針對我國典型農業主產區的污染特征、主要土壤及農作物類型等,在東北黑土區、黃淮海潮土區、南方長江中下遊和珠三角地區的水稻、設施蔬菜、小麥、玉米等農作物區域共36個縣區、百餘個位點完成瞭采樣點佈設、樣品采集和污染物提取測定工作。已有的調研結果顯示:旱地和稻田土壤中有機氯農藥DDTs、六六六、含氯的有機磷農藥毒死蜱以及吡蟲啉等農藥同時存在較高的檢出率,其中,有機氯農藥的殘留稻田普遍低於旱地;阿特拉津等除草劑類農藥在東北地區有殘留檢出,可能與近年來東北地區在玉米轉大豆的種植結構調整中突顯的生產問題有關;酞酸酯在設施農田土壤中普遍檢出,蔬菜中100%檢出,濃度達到mg·kg-1級;抗生素中四環素類普遍檢出。1.3 針對典型農田有機/生物污染機制的研究初見成效圍繞不同農田-污染物研究體系,已展開典型有機/生物污染物的土壤多界面遷移轉化機制與驅動效應的研究工作,揭示瞭旱地、稻田生態系統毒死蜱、γ-六六六(γ-HCH)的界面遷移與代謝過程;明確瞭類固醇雌激素在典型農田土壤的吸附遷移特征;闡明瞭典型土壤和蔬菜中酞酸酯吸附作用及生物富集動力學過程與代謝轉化機制;研究瞭抗生素抗性菌在土壤中的存留及其攜帶的抗性基因水平轉移的頻率及抗生素和抗性基因在土-植界面的遷移規律;在基因水平上揭示瞭病原菌通過與土壤礦物的相互作用形成生物膜從而提高其在土壤中存活能力的分子機制。1.4 結合多種環境友好修復材料開展瞭農田有機/生物污染調控研究在農田有機/生物污染區域調控與措施方面,結合納米材料、生物炭、微生物代謝調控物等多種環境友好修復材料開展瞭污染削減調控研究並取得瞭卓越成效。揭示瞭納米零價鐵活化過二硫酸鹽體系、微波活化過一硫酸氫鹽體系、亞硫酸鈉活化過二硫酸鹽體系加速降解典型有機污染物的作用效果與原理;提出瞭熱解溫度誘導生物炭產生環境自由洗地毯機基加速降解化學污染物的催化機理,闡明瞭改性生物炭截留磷減少養分流失、同時阻控抗生素從土壤向生菜系統遷移的控污增產雙效調控方法原理;明確瞭不同電子受體和電子穿梭體調控影響有機氯農藥還原轉化的作用與機制,初步形成瞭基於電子受體和電子穿梭體途徑耦合生源要素還原的污染削減調控方法原理。2 存在的主要問題及後續工作建議如前所述,已啟動的十三五第一批國傢重點研發計劃專項“農業面源和重金屬污染農田綜合防治與修復技術研發”項目中已部署瞭兩個有機和生物污染相關的項目,但因項目指南中包含的污染物種類過多,包括農藥、酞酸酯、抗生素、激素四大類有機污染物,以及抗生素抗性基因和病原菌兩大類生物污染物,研究體系龐大,工作難以聚焦。雖然我國典型農業主產區農田系統中污染時空變異性大,但從項目實施到截止目前所掌握的信息看,抗生素、激素、抗生素抗性基因和病原菌這幾類污染物的農田輸入主要來源於畜禽糞肥的施用,部分環境友好的農藥半衰期短,輸入農田後風險小,這些污染物重在源頭防控;典型有機污染物被釋放輸入到農田後引發的最突出問題主要包括三個方面:其一,含氯有機農藥污染(包括已禁用的傳統有機氯農藥和部分尚未禁用的含氯有機磷農藥如毒死蜱等),主要涉及稻、麥等重點種植制度典型旱地/稻田系統中的地下生態風險問題;其二,我國東北農業主產區阿特拉津等除草劑污染,主要涉及玉米轉大豆的種植結構調整的農業生產產業問題;其三,酞酸酯污染,主要涉及設施農業的農產品安全風險問題。因此,建議對後續農田有機和生物污染與防控領域的任務部署進行聚焦,突出重點,圍繞輸入農田系統後存在較大環境和人體健康風險問題,以及限制農業生產的產業問題的典型污染物進行重點設計和任務部署,在十四五期間進行滾動立項支持。後續工作建議側重涉及“卡脖子”核心技術自主研發的研究,重點圍繞典型有機污染農田生態功能重建和優化的綜合調控原理與技術研發來整體推進。支撐上述核心技術研發的關鍵科學任務包括以下方面:(1)耦合生源要素循環的有機氯污染強化削減原理與技術;(2)基於同位素示蹤的污染溯源與削減原理與技術;(3)酞酸酯的多界面控源-阻隔-削減高效防控原理與技術等。(編輯:We煙霧機ndy)

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