我國農(nóng)田有機和生物污染研究工作展望：基于“農(nóng)田有毒有害化學/生物污染與防控機制研究”國家重點研發(fā)計劃項目工作的思考

何 艷，馮佳胤，徐建明

（1.浙江大學土水資源與環(huán)境研究所，杭州 310058；2.浙江省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點實驗室，杭州 310058）

農(nóng)田系統(tǒng)是保障國家糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品供應的重要基石，提高農(nóng)田系統(tǒng)持續(xù)生產(chǎn)力、滿足人類生產(chǎn)生活需要是國家經(jīng)濟發(fā)展的重大需求。近年來，隨著農(nóng)業(yè)化學品的大量投入，農(nóng)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(nóng)田系統(tǒng)中不斷累積，造成了一系列的資源環(huán)境問題。由于我國農(nóng)田系統(tǒng)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(guān)行業(yè)、地方和國家標準缺失，開展研究難度很大，導致現(xiàn)階段對我國不同農(nóng)田系統(tǒng)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(qū)域尺度系統(tǒng)性的調(diào)研，獲得針對中國農(nóng)田的第一手資料，以保障國家農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)安全與品質(zhì)，維護農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)平衡健康。

在農(nóng)田污染與防治領(lǐng)域，十三五的國家重點研發(fā)計劃專項針對有機和生物污染做了前沿探索性的任務部署。目前，已啟動的“農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染農(nóng)田綜合防治與修復技術(shù)研發(fā)”重點專項中，兩個項目涉及有機和生物污染。其一為“農(nóng)田有毒有害化學/生物污染與防控機制研究”，于2016年第一批啟動，性質(zhì)為第一層次的基礎(chǔ)研究；其二為“農(nóng)田有毒有害化學/生物污染防控技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)”，于2017年第二批啟動，性質(zhì)為第二層次關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān)研究。本文將基于第一批項目啟動以來的研究工作成效，談一些后續(xù)研究中需要重點關(guān)注的研究工作思考，以為我國十四五期間的重點科技規(guī)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干預下農(nóng)田有機和生物污染的形成過程和影響因素為突破口，突出了從農(nóng)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、長江中下游、南方四大農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)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(nóng)田系統(tǒng)為主要研究對象，從源頭削減效應、過程控制與效應、區(qū)域調(diào)控與措施三個層次逐級推進，圍繞農(nóng)田有毒有害化學/生物污染特征與源解析，農(nóng)田污染演變規(guī)律及其主控因素，污染物的農(nóng)田系統(tǒng)影響途徑、效應與機制，農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)有毒有害化學/生物污染農(nóng)田自凈功能重建原理、關(guān)鍵途徑和技術(shù)對策四大任務有序推進了研究工作。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(fā)與建立等方面取得了突破性進展。

1.1 自主建立了有機污染物的同位素標記合成方法，開發(fā)了典型生物污染物的分析檢測技術(shù)

高比活度放射性同位素標記化合物匱乏是我國農(nóng)田有機污染防控機制研究中的關(guān)鍵技術(shù)制約。項目實施攻克了高比活度同位素標記農(nóng)藥合成中的技術(shù)瓶頸，于國際上首次建立了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(nèi)首次自主合成了高比活度14C-毒死蜱；同時，優(yōu)化了14C-磺胺嘧啶微量合成方法，使高比活度14C-磺胺嘧啶的總產(chǎn)率比現(xiàn)有合成方法提高了13%[1]。這為從質(zhì)量平衡角度溯源追蹤有機污染物在環(huán)境介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化、殘留代謝，尤其是結(jié)合殘留定量表征和削減等相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)，為解決我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期受制于殘效農(nóng)藥影響的重大產(chǎn)業(yè)問題提供了必要物質(zhì)保障。

制定了有機肥料中土霉素、四環(huán)素、金霉素、強力霉素四種抗生素的含量測定國家標準（GB/T 32951—2016），該標準已于2017年3月1日正式實施；開發(fā)了土壤中酞酸酯的測定方法，已申請國家標準，目前處在提交國家標準化管理委員會報批階段[2]。

構(gòu)建的基于高通量基因芯片技術(shù)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，并可區(qū)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(guān)成果發(fā)表于Nature系列新子刊（Nature Microbiology）上，并獲得國家授權(quán)發(fā)明專利[3-4]。

完善了土壤病原菌的檢測方法，構(gòu)建了基于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，建立了同步測定土壤中人畜共患病原菌的qPCR方法體系[5]；發(fā)展了利用PMA-qPCR檢測大腸桿菌O157：H7等活菌數(shù)的方法，此方法與qP?CR、平板計數(shù)法聯(lián)合使用可測定胞外DNA（死菌）數(shù)量、活的非可培養(yǎng)（VBNC）態(tài)數(shù)量，實現(xiàn)了對土壤中不可培養(yǎng)狀態(tài)的病原菌活菌的表征。

1.2 開展了代表性農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)典型有機與生物污染物的農(nóng)田污染特征調(diào)研

針對我國典型農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)的污染特征、主要土壤及農(nóng)作物類型等，在東北黑土區(qū)、黃淮海潮土區(qū)、南方長江中下游和珠三角地區(qū)的水稻、設(shè)施蔬菜、小麥、玉米等農(nóng)作物區(qū)域共36個縣區(qū)、百余個位點完成了采樣點布設(shè)、樣品采集和污染物提取測定工作。已有的調(diào)研結(jié)果顯示：旱地和稻田土壤中有機氯農(nóng)藥DDTs、六六六、含氯的有機磷農(nóng)藥毒死蜱以及吡蟲啉等農(nóng)藥同時存在較高的檢出率，其中，有機氯農(nóng)藥的殘留稻田普遍低于旱地；阿特拉津等除草劑類農(nóng)藥在東北地區(qū)有殘留檢出，可能與近年來東北地區(qū)在玉米轉(zhuǎn)大豆的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中突顯的生產(chǎn)問題有關(guān)；酞酸酯在設(shè)施農(nóng)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(huán)素類普遍檢出。

1.3 針對典型農(nóng)田有機/生物污染機制的研究初見成效

圍繞不同農(nóng)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(zhuǎn)化機制與驅(qū)動效應的研究工作，揭示了旱地、稻田生態(tài)系統(tǒng)毒死蜱、γ-六六六（γ-HCH）的界面遷移與代謝過程；明確了類固醇雌激素在典型農(nóng)田土壤的吸附遷移特征[6-7]；闡明了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(zhuǎn)化機制[8-10]；研究了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(zhuǎn)移的頻率及抗生素和抗性基因在土-植界面的遷移規(guī)律；在基因水平上揭示了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[11-12]。

1.4 結(jié)合多種環(huán)境友好修復材料開展了農(nóng)田有機/生物污染調(diào)控研究

在農(nóng)田有機/生物污染區(qū)域調(diào)控與措施方面，結(jié)合納米材料、生物炭、微生物代謝調(diào)控物等多種環(huán)境友好修復材料開展了污染削減調(diào)控研究并取得了卓越成效。揭示了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[13-16]；提出了熱解溫度誘導生物炭產(chǎn)生環(huán)境自由基加速降解化學污染物的催化機理，闡明了改性生物炭截留磷減少養(yǎng)分流失、同時阻控抗生素從土壤向生菜系統(tǒng)遷移的控污增產(chǎn)雙效調(diào)控方法原理[17-18]；明確了不同電子受體和電子穿梭體調(diào)控影響有機氯農(nóng)藥還原轉(zhuǎn)化的作用與機制，初步形成了基于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(diào)控方法原理[19-22]。

2 存在的主要問題及后續(xù)工作建議

如前所述，已啟動的十三五第一批國家重點研發(fā)計劃專項“農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染農(nóng)田綜合防治與修復技術(shù)研發(fā)”項目中已部署了兩個有機和生物污染相關(guān)的項目，但因項目指南中包含的污染物種類過多，包括農(nóng)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(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)農(nóng)田系統(tǒng)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(nóng)田輸入主要來源于畜禽糞肥的施用，部分環(huán)境友好的農(nóng)藥半衰期短，輸入農(nóng)田后風險小，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(nóng)田后引發(fā)的最突出問題主要包括三個方面：其一，含氯有機農(nóng)藥污染（包括已禁用的傳統(tǒng)有機氯農(nóng)藥和部分尚未禁用的含氯有機磷農(nóng)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(tǒng)中的地下生態(tài)風險問題；其二，我國東北農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)阿特拉津等除草劑污染，主要涉及玉米轉(zhuǎn)大豆的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)問題；其三，酞酸酯污染，主要涉及設(shè)施農(nóng)業(yè)的農(nóng)產(chǎn)品安全風險問題。

因此，建議對后續(xù)農(nóng)田有機和生物污染與防控領(lǐng)域的任務部署進行聚焦，突出重點，圍繞輸入農(nóng)田系統(tǒng)后存在較大環(huán)境和人體健康風險問題，以及限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)問題的典型污染物進行重點設(shè)計和任務部署，在十四五期間進行滾動立項支持。

后續(xù)工作建議側(cè)重涉及“卡脖子”核心技術(shù)自主研發(fā)的研究，重點圍繞典型有機污染農(nóng)田生態(tài)功能重建和優(yōu)化的綜合調(diào)控原理與技術(shù)研發(fā)來整體推進。支撐上述核心技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵科學任務包括以下方面：（1）耦合生源要素循環(huán)的有機氯污染強化削減原理與技術(shù)；（2）基于同位素示蹤的污染溯源與削減原理與技術(shù)；（3）酞酸酯的多界面控源-阻隔-削減高效防控原理與技術(shù)等。