烤煙二氯喹啉酸藥害及其治理的研究進(jìn)展

周挺，張炳輝，黃光輝，顧鋼

福建省煙草公司，煙草科學(xué)研究所，福州 350003

二氯喹啉酸是德國巴斯夫公司在1984 年研發(fā)的一種激素型喹啉酸類除草劑。其作用機(jī)制是通過植物根部吸收進(jìn)入植株體內(nèi)，誘導(dǎo)1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（ACC）大量形成，隨后在ACC 氧化酶的作用下生成大量的乙烯，同時(shí)產(chǎn)生等量的氰化物，氰化物阻斷葉綠體及線粒體中電子傳遞，最終導(dǎo)致活性氧在植物體內(nèi)大量積累，使植物中毒死亡[1]。而二氯喹啉酸可誘導(dǎo)水稻體內(nèi)具有藥物解毒功能相關(guān)基因家族的基因表達(dá)增強(qiáng)[2]，使水稻免受二氯喹啉酸的傷害。因此，二氯喹啉酸多用于防除稻田內(nèi)稗草、馬唐等單子葉雜草和部分雙子葉雜草[1]。

雖然王一茹[3]在天津、吉林，苑學(xué)霞[4]在杭州、濟(jì)南、鐵力等地的研究表明，于水稻種植期在田間施用二氯喹啉酸，收獲期土壤中殘留的二氯喹啉酸均低于最低檢測(cè)限。但陳澤鵬[5]在廣東的研究表明，將50%二氯喹啉酸分別按照推薦劑量和一半劑量添加到pH值為5.84的煙田土壤中，其半衰期為22.04～23.30 d，180 d 后仍然能檢測(cè)到0.069～0.085 mg/kg 的殘留量，李欣[6]研究發(fā)現(xiàn)，二氯喹啉酸在長(zhǎng)沙地區(qū)土壤中降解緩慢，其降解半衰期為43.12 d。這主要是由于南方地區(qū)土壤偏酸性導(dǎo)致二氯喹啉酸不易降解所致。因此，在我國南方水旱輪作區(qū)域，稻田使用的二氯喹啉酸較易對(duì)后茬作物產(chǎn)生藥害。

本文從二氯喹啉酸對(duì)烤煙的危害、二氯喹啉酸在環(huán)境中的消解、藥害的治理等方面進(jìn)行綜述，以期為烤煙二氯喹啉酸藥害治理研究提供思路。

1 二氯喹啉酸對(duì)烤煙的危害

煙草對(duì)二氯喹啉酸較敏感，在土壤含量達(dá)到0.01 mg/kg 時(shí)，即可出現(xiàn)明顯的藥害癥狀[7]。廣東煙區(qū)就曾出現(xiàn)過由于前茬水稻過量施用二氯喹啉酸，導(dǎo)致烤煙大面積畸形生長(zhǎng)的現(xiàn)象[8]。李儒海[9]研究表明，在武漢煙稻輪作區(qū)的水稻田施用50%二氯喹啉酸 WP，有效成分超過225 g/hm2時(shí)，后茬烤煙發(fā)生輕度藥害。王誠浩[10]在郴州煙稻輪作區(qū)，于水稻季施用50%二氯喹啉酸WP，有效成分為1500 g/hm2時(shí)，后茬烤煙發(fā)生中度藥害。研究表明，烤煙種子經(jīng)二氯喹啉酸處理后，發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)顯著降低[11]，煙苗經(jīng)二氯喹啉酸處理后，葉片活性氧含量迅速上升，而SOD、POD 等保護(hù)酶活性明顯下降，膜質(zhì)過氧化作用加劇[12]，受害煙株的莖尖和葉片超微結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，其中莖尖和上部葉受害程度大于中下部葉，煙葉成熟時(shí)，總糖，還原糖，淀粉和鉀含量顯著降低[13]，葉片細(xì)胞內(nèi)葉綠素含量、凈光合速率、葉片蒸騰速度、氣孔導(dǎo)度和氣孔限制值下降，胞間CO2濃度升高[14]。二氯喹啉酸除對(duì)植株產(chǎn)生直接危害作用外，還通過破壞土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[15]，抑制土壤酶活性，降低土壤養(yǎng)分有效性[16]等間接作用，影響后茬作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和干物質(zhì)的積累。煙株受二氯喹啉酸危害時(shí)，葉片出現(xiàn)畸形、變窄變厚，不能伸展，葉寬受抑制，邊緣向葉背翻轉(zhuǎn)皺縮，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)線狀或鼠尾狀葉型[17]，嚴(yán)重影響煙葉的品質(zhì)和后續(xù)的加工利用。

2 二氯喹啉酸在環(huán)境中的歸宿

2.1 二氯喹啉酸在水中的消解

王一茹[18]研究發(fā)現(xiàn)二氯喹啉酸在水田環(huán)境中的主要消解途徑是光解，H2O2的存在可加速光解速度。車軍[19]認(rèn)為pH 是影響二氯喹啉酸在水體中光解速率的重要因素，二氯喹啉酸在緩沖液中的光解半衰期隨pH 升高而縮短，不同水體類型對(duì)二氯喹啉酸的光解半衰期也有一定影響。Lucia[20]研究發(fā)現(xiàn)以TiO2作為催化劑可加速水體中二氯喹啉酸的光解，稻田水中存在的有機(jī)溶質(zhì)與二氯喹啉酸對(duì) OH·的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致二氯喹啉酸在稻田水中的光解速率較純水中慢，在沒有催化劑的情況下，二氯喹啉酸在稻田水中的光解率非常低。在H2O2或者TiO2存在的情況下，水體中二氯喹啉酸的光降解產(chǎn)物較多，以有機(jī)物為主[18,20]。楊一思[21]構(gòu)建了Z 型Ag 光催化劑，在太陽光照射下，可將水體中的二氯喹啉酸氧化為CO2、H2O 和HNO3，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二氯喹啉酸的礦化。

2.2 二氯喹啉酸在土壤中的消解

土壤對(duì)二氯喹啉酸的吸附可影響其生物活性，是影響二氯喹啉酸在土壤中歸宿的一個(gè)重要因素[22]。歐陽彬[23]研究了二氯喹啉酸及其代謝體BAS514H（3-氯-8-喹啉酸）在湖南省3 種類型土壤中的吸附行為，結(jié)果表明，二氯喹啉酸及其代謝體在紅壤、河潮土、紫泥土中的吸附屬于物理吸附，二氯喹啉酸在這幾種土壤中的移動(dòng)性強(qiáng)，其代謝體移動(dòng)性中等。楊麗華[24]研究了湖南省四種母質(zhì)發(fā)育的土壤對(duì)二氯喹啉酸的吸附行為，結(jié)果表明二氯喹琳酸在供試土壤中吸附屬物理吸附，在紫泥田、紫色土、黃泥田、麻沙泥、花崗巖紅壤和紅黃泥中移動(dòng)性中等，在第四紀(jì)紅壤中具有低移動(dòng)性。上述不同的結(jié)果可能是由于土壤理化性狀不同而造成，因?yàn)橥寥缹?duì)二氯喹啉酸的吸附能力與土壤的有機(jī)質(zhì)和pH 值有很大相關(guān)性[6]，且不同礦物對(duì)二氯喹啉酸吸附的特性和機(jī)理也不同[25]。植物根系分泌物中的低分子量有機(jī)酸可參與土壤礦物風(fēng)化和形成，改變礦物表面的化學(xué)性質(zhì)，破壞土壤結(jié)構(gòu)[26-27]，影響根際土壤中持久性有機(jī)污染物的吸附、解吸和生物可利用性[28-29]。低分子量有機(jī)酸的存在可能通過改變有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)，空間阻礙，改變土壤pH 等來影響二氯喹啉酸的吸附與解吸，進(jìn)而影響土壤中二氯喹啉酸的活動(dòng)性和可利用性[30]。此外，降雨對(duì)二氯喹啉酸在土壤中的移動(dòng)也有較大影響，隨著降雨量的增加，土壤內(nèi)二氯喹啉酸被洗出，殘留量降低[31]。

張倩[32]研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤pH、溫度和含水量在一定范圍內(nèi)升高，二氯喹啉酸的降解速率逐漸加快。pH 可能是通過影響土壤中二氯喹啉酸的存在形態(tài)、吸附和解吸來影響其降解[30]。溫度和含水量可以影響農(nóng)藥的降解速率常數(shù)，Walker[33]研究發(fā)現(xiàn)，甲草胺在土壤中的降解速率常數(shù)隨著溫度和含水量的升高而增大，半衰期縮短。苗輝[34]認(rèn)為，中性條件和適宜的溫度有利于土壤中二氯喹啉酸的降解，土壤濕度對(duì)二氯喹啉酸的降解無明顯作用。

2.3 二氯喹啉酸的微生物降解

Walker[33]研究發(fā)現(xiàn)，甲草胺在土壤中的降解率跟微生物量及微生物呼吸成正相關(guān)，Hill[31]認(rèn)為溫度和濕度可通過影響土壤微生物和酶的活性，進(jìn)而影響微生物分解化合物的速度。鑒于在稻田水中的光解率很低，Lucia[20]認(rèn)為，生物因素可能是影響二氯喹啉酸在田間降解的主要因素。目前，研究人員已從不同環(huán)境中分離獲得了大量可降解二氯喹啉酸的菌株，例如洋蔥伯克霍爾德菌[35]（Burkholderia cepacia），人蒼白桿菌[36]（Ochrobactrum anthropi），彼得雷氏桿菌[37]（Bordetella petrii），成團(tuán)泛菌[38]（Pantoea agglomerans），糞產(chǎn)堿菌（Alcaligenes faecalis）[39]， 噬 麥 芽 寡 養(yǎng) 單 胞 菌（Stenotrophomonas maltophilia）[40]，巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）[41]，節(jié)桿菌屬菌株[42]（Arthrobactersp.），分枝桿菌屬菌株[43]（Mycobacteriumsp.），鏈霉菌屬菌株[44]（Streptomycessp.）等，這些菌株在適宜的溫濕度以及pH 條件下可快速降解二氯喹啉酸。不同的菌株降解二氯喹啉酸的途徑不同，降解產(chǎn)物也不同。Lü[35]鑒定到2 種洋蔥伯克霍爾德菌WZ1對(duì)二氯喹啉酸的降解產(chǎn)物，分別為3, 7-二氯8 喹啉和2-氯-1, 4-苯二甲酸。劉敏[41]研究發(fā)現(xiàn)巨大芽孢桿菌Q3 對(duì)二氯喹啉酸的降解是通過羧基還原作用和脫氯作用進(jìn)行的，產(chǎn)物主要有3, 7-二氯-8 甲基喹啉、3-氯-8-羧酸喹啉和8-羧酸喹啉 3 種。LANG[44]分析了鏈霉菌菌株AH-B 對(duì)二氯喹啉酸的降解產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)主要有3-氯-7-甲氧基-8-喹啉羧酸、3-氯-7-甲基-8-喹啉羧酸、3-氯-7-氧乙基-8-喹啉羧酸和3, 7-二氯-6-甲基-8-喹啉羧酸。LI[43]研究表明分支桿菌菌株F4 對(duì)二氯喹啉酸的降解是通過甲基化和脫氯進(jìn)行的，產(chǎn)物分別為二氯喹啉酸甲酯和3-氯-7-羥基喹啉-8-羧酸（或7-氯-3-羥基喹啉-8-羧酸），且降解產(chǎn)物對(duì)煙草無毒。

3 烤煙二氯喹啉酸藥害的修復(fù)

3.1 烤煙二氯喹啉酸藥害的物理修復(fù)

物理修復(fù)是通過物理方法降低土壤中二氯喹啉酸的濃度、減輕烤煙藥害的方法。目前采用的主要措施是施用吸附劑吸附二氯喹啉酸，使烤煙免受危害。已有研究表明，施用活性炭可以修復(fù)烤煙二氯喹啉酸藥害，施用量達(dá)到一定劑量時(shí)，畸形癥狀基本緩解，煙草可正常生長(zhǎng)，繼續(xù)增大用量對(duì)煙草無不良影響[45-47]?；钚蕴侩m然可緩解二氯喹啉酸藥害，卻使土壤中二氯喹啉酸消解速率變慢，而吸附劑改性蒙脫石不僅可以緩解烤煙二氯喹啉酸藥害，還可以加快土壤中二氯喹啉酸的消解[5]。

3.2 烤煙二氯喹啉酸藥害的化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)是用化學(xué)的手段降低土壤中殘留二氯喹啉酸的濃度或者提高煙株自身的抵抗力來緩解烤煙藥害。施用生石灰可以提升土壤pH，加速二氯喹啉酸的降解。研究表明施用生石灰可減輕二氯喹啉酸引起的煙草畸形癥狀，但不能使其恢復(fù)正常，且隨著使用量的增加，修復(fù)效果反而下降[45-47]。劉華山[12,48]向二氯喹啉酸脅迫煙株噴施硝普納（SNP）和氯化鈣溶液，可降低煙葉中O2-、·OH-、MDA 及H2O2的含量，提高煙葉中SOD、CAT、POD、APX 等保護(hù)酶的活性，減緩膜質(zhì)過氧化作用。

3.3 烤煙二氯喹啉酸藥害的生物修復(fù)

利用微生物進(jìn)行生物修復(fù)，是減少土壤化學(xué)污染的有效方法[49]，具有效率高、成本低的特點(diǎn)。已有研究表明，部分二氯喹啉酸降解菌或微生物制劑，可在修復(fù)土壤污染的同時(shí)修復(fù)烤煙二氯喹啉酸藥害。易建華[50]，劉華山[13]等向二氯喹啉酸處理的土壤中添加博德特氏菌HN36，土壤中二氯喹啉酸降解率顯著提高，煙株葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)、株高、葉長(zhǎng)、葉寬、干鮮重等指標(biāo)顯著修復(fù)，化學(xué)成分與對(duì)照趨于一致。董俊宇[39]從長(zhǎng)期施用二氯喹啉酸的土壤中分離得到1 株產(chǎn)堿菌屬細(xì)菌，可使受二氯喹啉酸（25%田間推薦劑量）危害的盆栽煙草的回復(fù)率達(dá)到68%。周挺[40]等從福建植煙土壤中分離獲得1 株具有降解二氯喹啉酸能力的寡養(yǎng)單胞菌，盆栽條件下對(duì)二氯喹啉酸脅迫烤煙葉片生長(zhǎng)的修復(fù)效果為33.46%；小區(qū)試驗(yàn)中對(duì)烤煙二氯喹啉酸田間藥害的防治效果為36.92%。郭盤盤[14]選用復(fù)合微生物菌肥，修復(fù)二氯喹啉酸脅迫煙株的光合作用，取得一定效果。楊森[51]選用富必來微生物酶制劑500 倍液進(jìn)行灌根處理，可有效提高二氯喹啉酸致害煙株的干鮮重，增強(qiáng)SOD，CAT，GSH 酶活性，增加可溶性蛋白含量，降低MDA 含量，改善煙葉化學(xué)成分。周小會(huì)[52]以0.135%赤霉酸+0.0031%云苔素內(nèi)酯葉面噴施+格芙微生物菌劑200 倍液灌根處理二氯喹啉酸致害煙株，可增加二氯喹啉酸致害煙株根際土壤的微生物數(shù)量，提高土壤酶活性，對(duì)二氯喹啉酸致害煙株有較好的修復(fù)效果。

3.4 其他方法

董紅麗[53]測(cè)定了8 種水稻常用除草劑對(duì)煙草生長(zhǎng)的影響，篩選出了適宜作為稻煙輪作區(qū)中二氯喹啉酸的替代除草劑品種，使用這些除草劑替代二氯喹啉酸可消除或降低烤煙二氯喹啉酸藥害的風(fēng)險(xiǎn)。

4 現(xiàn)有藥害治理技術(shù)的評(píng)價(jià)

物理吸附修復(fù)方法見效快，可在短時(shí)間內(nèi)收到明顯的效果。但有研究表明活性炭與土壤混合后對(duì)二氯喹啉酸的吸附效果降低[54]，因此要得到較好的修復(fù)效果，往往需要施用大量的吸附劑，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且活性炭還會(huì)降低二氯喹啉酸的消解速率，隨著二氯喹啉酸的不斷積累和活性炭吸附量的飽和，此方法必然會(huì)失效。改性蒙脫石不僅可以吸附二氯喹啉酸，還可以加速土壤中二氯喹啉酸的消解，但有的材料可能會(huì)對(duì)煙草產(chǎn)生毒害作用[7]，使用前必須進(jìn)行必要的試驗(yàn)。

我國南方煙區(qū)土壤普遍呈酸性，施用生石灰可提高土壤pH 值，加速二氯喹啉酸降解。為了達(dá)到較好的調(diào)節(jié)效果，需要長(zhǎng)期且大量的施用，這會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)加速分解，腐殖質(zhì)積累減少，從而破壞土壤結(jié)構(gòu)，對(duì)烤煙生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。噴施一些外援的解毒劑或修復(fù)劑雖然對(duì)藥害癥狀有所緩解，但并未從根本上解決二氯喹啉酸在土壤中的殘留問題。

篩選二氯喹啉酸的替代物看似可以從根本上解決危害問題，但若施用量過大，仍然會(huì)出現(xiàn)殘留超過臨界濃度，產(chǎn)生新的藥害現(xiàn)象。

利用微生物進(jìn)行環(huán)境修復(fù)是實(shí)現(xiàn)污染農(nóng)田可持續(xù)利用的有效措施，具有環(huán)境友好、無污染、效率高、成本低等特點(diǎn)，是目前的研究熱點(diǎn)、也是未來發(fā)展的方向。但土壤中微生物的活性受環(huán)境因素影響較大，溫濕度、pH 等條件都會(huì)影響微生物的降解效果，而且微生物的定殖、對(duì)環(huán)境及生態(tài)的安全性問題也會(huì)影響其應(yīng)用推廣。目前的研究大多是降解菌的分離和影響降解效率因素的探索等基礎(chǔ)性研究，涉及到田間使用的應(yīng)用研究相對(duì)較少。

5 展望

目前，在烤煙二氯喹啉酸藥害的治理方面已開展了大量研究，并取得進(jìn)展，但研究熱點(diǎn)以及未來的研究方向均聚焦于微生物修復(fù)，如何選擇更為有效的方法開展二氯喹啉酸藥害的治理，有些問題仍需進(jìn)一步考慮：

（1）微生物修復(fù)方法的選擇。微生物修復(fù)方法包括生物強(qiáng)化技術(shù)和生物刺激技術(shù)。生物強(qiáng)化是在土著降解菌數(shù)量不足或者土著菌不具備降解功能的區(qū)域，接入具有降解功能的細(xì)菌、真菌或基因工程菌等微生物，以此清除環(huán)境中的有機(jī)污染物[55]。目前已報(bào)道的針對(duì)二氯喹啉酸藥害的生物修復(fù)技術(shù)大多是屬于生物強(qiáng)化技術(shù)。生物強(qiáng)化技術(shù)可選擇優(yōu)勢(shì)微生物種群，局部維持高濃度生物量，提升降解效率和修復(fù)效果，但篩選菌株需要花費(fèi)大量的人力和物力，應(yīng)用時(shí)還需要考慮生物安全性的問題。生物刺激是通過添加一些營養(yǎng)元素或者諸如土壤改良劑的其他因子來刺激土著微生物的活性[56]，達(dá)到修復(fù)污染的目的。目前在二氯喹啉酸藥害治理方面尚未見報(bào)道。該方法可通過添加微生物的營養(yǎng)源或通過農(nóng)業(yè)手段改善土壤環(huán)境，促進(jìn)土著微生物的繁殖，提高種群數(shù)量，增強(qiáng)生命活動(dòng)，加速土壤污染物的降解，但該方法受環(huán)境因素影響較大，修復(fù)效果變異較大。因此，合理的選擇修復(fù)方法或兩種修復(fù)方法的有機(jī)結(jié)合有待進(jìn)一步探究。

（2）生物修復(fù)菌株的綜合利用。目前已有的報(bào)道中，都是采用單一的菌株進(jìn)行修復(fù)，但土壤中存在著大量的拮抗菌，單菌株的施用可能出現(xiàn)菌株被土壤中其他微生物所抑制或拮抗，導(dǎo)致修復(fù)失效的現(xiàn)象。因此，有必要開展多菌株混合生物修復(fù)劑的研究，以抵消土壤中潛在的拮抗因素，增強(qiáng)修復(fù)效果。

（3）生物修復(fù)菌株的田間固定。生物修復(fù)菌株在田間的定殖直接影響到其對(duì)土壤污染的修復(fù)效果。微生物固定化技術(shù)是通過物理或化學(xué)的方法將游離的微生物與特定的載體相結(jié)合，為微生物提供相對(duì)穩(wěn)定的生存環(huán)境，減少土著微生物的競(jìng)爭(zhēng)，緩沖外界環(huán)境的影響，達(dá)到強(qiáng)化修復(fù)的目的[57]。目前，采用生物炭作為載體搭載微生物技術(shù)在水體污染[58-59]、土壤污染[57,60]治理以及作物病害防治方面[61]已有應(yīng)用。利用載體固定二氯喹啉酸降解菌，清除農(nóng)業(yè)廢水中的二氯喹啉酸污染也有報(bào)道[62]，通過載體固定，菌株對(duì)溫度及酸堿的耐受強(qiáng)度顯著提高，對(duì)污水中二氯喹啉酸的去除率也顯著高于游離菌株。因此，篩選合適的載體固定降解菌株以提高菌株在土壤中的定殖率和存活時(shí)間，持續(xù)降解土壤二氯喹啉酸殘留污染，在藥害治理方面具有較大的實(shí)用價(jià)值。

（4）降解產(chǎn)物的毒性研究尚需深入。采用Ag 基光催化劑可以實(shí)現(xiàn)水體中二氯喹啉酸的礦化[21]，但是土壤中的二氯喹啉酸無法采用光催化降解技術(shù)實(shí)現(xiàn)污染修復(fù)。同時(shí)二氯喹啉酸在土壤中的代謝體3-氯-8-喹啉酸是有毒的[23]。雖然LI[43]分離獲得的分支桿菌菌株F4 降解二氯喹啉酸的產(chǎn)物對(duì)煙草無毒，但關(guān)于二氯喹啉酸生物降解的研究很多并未涉及降解產(chǎn)物的毒性分析，甚至未涉及降解產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)分析。因此，有必要開展二氯喹啉酸降解產(chǎn)物對(duì)烤煙或者其他作物以及對(duì)環(huán)境毒性的研究。