王 新,姚夢(mèng)琴,祝虹鈺,曹 宇,鮑 佳*,張惠文
(1.沈陽工業(yè)大學(xué),遼寧沈陽 110870;2.中國(guó)科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,遼寧沈陽 110016)
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土壤農(nóng)藥污染原位生物修復(fù)技術(shù)及其研究進(jìn)展
王 新1,姚夢(mèng)琴1,祝虹鈺1,曹 宇1,鮑 佳1*,張惠文2
(1.沈陽工業(yè)大學(xué),遼寧沈陽 110870;2.中國(guó)科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,遼寧沈陽 110016)
介紹了農(nóng)藥污染土壤的生物修復(fù)和原位生物修復(fù)技術(shù)及其研究現(xiàn)狀,分析了其研究方向與發(fā)展趨勢(shì),以期為農(nóng)藥污染土壤原位生物修復(fù)技術(shù)的理論研究和應(yīng)用提供參考。
生物修復(fù);農(nóng)藥;污染土壤
現(xiàn)代化種植模式、農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,化肥和農(nóng)藥的使用,雖然大幅度提高了農(nóng)作物產(chǎn)量,但隨之而來的是一系列環(huán)境問題。人們?cè)谑褂棉r(nóng)藥防治病蟲草害的同時(shí),也導(dǎo)致了糧食、蔬菜、瓜果等農(nóng)產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留超標(biāo),給非靶生物帶來傷害,每年造成的農(nóng)藥中毒事件及職業(yè)性中毒病例不斷增加[1-4]。當(dāng)農(nóng)藥中的有機(jī)磷進(jìn)入人體后,其磷?;鶗?huì)與酶的活性部分結(jié)合,形成磷酰膽堿酯酶,從而喪失了分解乙酰膽堿的能力,致使乙酰膽堿大量積蓄,并抑制乙酰膽堿酯酶的活力,使中樞神經(jīng)系統(tǒng)及膽堿能神經(jīng)過度興奮,最后轉(zhuǎn)入抑制和衰竭,導(dǎo)致神經(jīng)死亡[3]。同時(shí)因大量使用化肥、農(nóng)藥導(dǎo)致土壤污染日趨嚴(yán)重,已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人們的健康及生活環(huán)境[6-7]。
目前,用于土壤農(nóng)藥污染治理的方法包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)。雖然物理、化學(xué)的方法可以達(dá)到一定的效果,但其存在能耗大、環(huán)境不友好等問題。生物修復(fù)利用生物的生命代謝活動(dòng)減少土壤環(huán)境中有毒有害物質(zhì)的濃度或使其完全無害化,從而使被污染的土壤環(huán)境能夠部分或完全恢復(fù)到初始狀態(tài)[8],具有操作簡(jiǎn)單、處理費(fèi)用低、效果好、可以就地進(jìn)行處理等優(yōu)點(diǎn)。筆者介紹了土壤農(nóng)藥生物修復(fù)的類型及其降解機(jī)理、相關(guān)修復(fù)技術(shù)的原理與特點(diǎn),綜述了這些技術(shù)在修復(fù)農(nóng)藥污染土壤方面的研究進(jìn)展,以期為該領(lǐng)域的相關(guān)研究提供參考。
1.1 微生物修復(fù) 微生物修復(fù)是利用篩選、馴化的專性微生物或基因工程菌去除或降解土壤有機(jī)污染物,實(shí)現(xiàn)修復(fù)的目的。由于微生物對(duì)環(huán)境有極強(qiáng)的適應(yīng)性,可以在各種條件下進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖,并具有較強(qiáng)的變異性,因此在生存過程中分化出多種多樣的代謝類型,并能較強(qiáng)地適應(yīng)生存環(huán)境。在有機(jī)物污染土壤中,經(jīng)過自然馴化,存在大量能降解污染物的微生物,對(duì)污染物的去除起著重要作用[9-11]。土壤中微生物類群、數(shù)量分布,由于土質(zhì)、肥力、季節(jié)、種植作物、土壤深度和層次不同有很大差異。肥沃土壤中含有微生物107~109個(gè)/kg,而貧瘠土壤中僅有微生物103~106個(gè)/kg,甚至更低。其中,以細(xì)菌數(shù)量最多(70%~90%)、分布最廣、作用強(qiáng)度和影響最大;放線菌和真菌次之(5%~30%);藻類原生動(dòng)物等較少,影響較小。土壤中生物種類見表1。
在微生物對(duì)農(nóng)藥降解的過程中酶促反應(yīng)起到了直接作用。許多微生物具有強(qiáng)大的酶降解體系,農(nóng)藥降解的每個(gè)過程均由酶催化完成。參加反應(yīng)的酶一種是微生物本身含有可降解該農(nóng)藥的酶系,可以直接降解進(jìn)入土壤中的農(nóng)藥;另一種是微生物本身無酶系,當(dāng)農(nóng)藥進(jìn)入環(huán)境后,經(jīng)誘導(dǎo)或環(huán)境存在選擇壓力,基因發(fā)生重組產(chǎn)生新的降解酶系。研究發(fā)現(xiàn),真菌中的白腐真菌,可以在次生代謝階段釋放錳過氧化物酶、木質(zhì)素過氧化物酶、漆酶等降解酶至細(xì)胞外,形成胞外酶降解系統(tǒng)[12],促使一些難降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成其他無毒或易降解的物質(zhì)[13]。除酶促反應(yīng)外,微生物還通過自身的活動(dòng)改變土壤的理化性質(zhì),而間接作用于農(nóng)藥。常見的作用方式有3種:①礦化作用。指在土壤微生物作用下,土壤中有機(jī)態(tài)化合物(農(nóng)藥)轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)化合物(CO2和H2O等)的過程。解秀平等[14]分離到1株能以甲基對(duì)硫磷及其降解中間產(chǎn)物對(duì)硝基苯酚為唯一生長(zhǎng)碳源,且能夠?qū)⑵鋸氐捉到鉃镃O2和H2O的細(xì)菌X4。②共代謝作用。共代謝微生物不能從非生長(zhǎng)基質(zhì)的轉(zhuǎn)化作用獲得能量、碳源或其他營(yíng)養(yǎng),但在可利用生長(zhǎng)基質(zhì)存在時(shí),對(duì)非生長(zhǎng)基質(zhì)也伴隨發(fā)生氧化或其他反應(yīng)。微生物共代謝反應(yīng)的關(guān)鍵是能產(chǎn)生非專一性酶,這些酶在共代謝反應(yīng)中不但能代謝轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)基質(zhì),還能催化氧化目標(biāo)污染物。Ali等[15]從含有有機(jī)磷農(nóng)藥污染土壤中分離出1株細(xì)菌菌株,經(jīng)鑒定為短小芽孢桿菌W1,對(duì)其生化特性研究發(fā)現(xiàn),其能夠在甲基對(duì)硫磷(250 mg/L)中生長(zhǎng)。將
表1 土壤中微生物種類
其用于降解對(duì)硝基苯酚,發(fā)現(xiàn)在有氧條件且葡萄糖存在下,24 h內(nèi)超過70%的對(duì)硝基苯酚被降解。③種間協(xié)同代謝。有時(shí)單一的微生物不足以降解農(nóng)藥,需要環(huán)境中其他菌種將其代謝產(chǎn)物進(jìn)一步降解。培養(yǎng)混合菌是解決該問題的可行方法。劉蛟等[16]混合培養(yǎng)惡臭假單胞菌和熱帶假絲酵母,可同時(shí)降解苯酚、間甲酚和4-氯酚。微生物對(duì)部分農(nóng)藥的降解情況見表2。
表2 微生物對(duì)農(nóng)藥的降解情況
1.2 植物修復(fù) 植物修復(fù)以植物積累、代謝、轉(zhuǎn)化某些有機(jī)物的理論為基礎(chǔ),通過有目的地優(yōu)選種植植物,利用植物并與根際微生物協(xié)同作用,去除、轉(zhuǎn)移或降解土壤有機(jī)污染物,以恢復(fù)土壤系統(tǒng)正常功能的污染環(huán)境治理措施[27-29]。植物修復(fù)的類型和過程見圖1。實(shí)際上對(duì)于農(nóng)藥的修復(fù),植物往往與微生物共同完成。在整個(gè)植物修復(fù)系統(tǒng),由于存在植物、微生物、多樣性的酶類物質(zhì)、土壤膠體等,系統(tǒng)活性很高,可通過一系列的物理、化學(xué)和生物過程去除污染物。
農(nóng)藥被植物根部吸收后[30],有多條轉(zhuǎn)化途徑:可轉(zhuǎn)化為植物體的組成部分,無毒的中間產(chǎn)物如木質(zhì)素等在植物細(xì)胞中儲(chǔ)存,或者通過揮發(fā)、代謝或礦化作用使其轉(zhuǎn)化成CO2和H2O,達(dá)到去除環(huán)境中有機(jī)污染物的目的[31]。同時(shí)植物根部可以分泌低分子有機(jī)物(氨基酸等)來刺激微生物的大量繁殖,使微生物活性得以提高,同時(shí)也為微生物生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境,間接促進(jìn)了有機(jī)污染物的根際微生物降解,更利于其對(duì)農(nóng)藥污染物質(zhì)的降解[32-33]。另外,植物的存在使土壤變得疏松,提高了土壤中酶的活性從而大大提高了土壤肥力,根系的輸水性能也為微生物生長(zhǎng)提供更為適宜的濕度環(huán)境。一些農(nóng)藥植物修復(fù)情況見表3。
1.3 動(dòng)物修復(fù) 在實(shí)際土壤修復(fù)時(shí),土壤的生物修復(fù)除常見的微生物修復(fù)及植物修復(fù)外,土壤中還存在一定數(shù)量的動(dòng)物類群,如蚯蚓、線蟲、昆蟲、螞蟻和蝸牛等[43]。這些動(dòng)物以植物、其他動(dòng)物的排泄物和無生命的物質(zhì)為食料,在土壤中打洞挖巢,搬運(yùn)大量的土壤物質(zhì),從而改善土壤的通氣、排水和土壤結(jié)構(gòu)形狀。同時(shí),還將作物殘?jiān)涂葜β淙~浸軟、嚼碎,并以一種較易為土壤微生物利用的形態(tài)排出體外。動(dòng)物對(duì)某種毒物的積累及代謝符合一級(jí)動(dòng)力學(xué),某種農(nóng)藥經(jīng)某種動(dòng)物體內(nèi)的代謝,有一定的半衰期,一般經(jīng)過5~6個(gè)半衰期后,動(dòng)物積累農(nóng)藥達(dá)到極限值,意味著動(dòng)物對(duì)土壤中污染農(nóng)藥的去除作用已完成[44]。
土壤是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境系統(tǒng),其中,各種礦物質(zhì)及有機(jī)物質(zhì)顆粒并不是單獨(dú)存在的,一般通過多種途徑相互結(jié)合形成各種團(tuán)聚體。土壤的結(jié)構(gòu)組成、溫度、pH均影響各種生物的種類和數(shù)量及與生物間的相互作用。隨著人們對(duì)土壤的認(rèn)知與了解的不斷深入,探索農(nóng)藥在進(jìn)入土壤介質(zhì)后發(fā)生的多種復(fù)雜轉(zhuǎn)變、生物群落組成的轉(zhuǎn)變,對(duì)土壤生物修復(fù)的關(guān)注不再局限于表觀的現(xiàn)象,而是更深入地研究機(jī)理,在理論研究的基礎(chǔ)上開發(fā)多樣化的生物修復(fù)形式則是今后研究的熱點(diǎn)。
圖1 植物修復(fù)的類型和過程Fig.1 Types and processes of phytoremediation
農(nóng)藥種類PesticideSpecies代表產(chǎn)品Plantuptake植物種類Plantspecies文獻(xiàn)Reference有機(jī)氯Organochlorines艾氏劑(Aldrin)甘薯(Ipomoeabatatas)、芋頭(Colocasiaesculenta)[34]滴滴涕(DDT)豇豆(Vignaunguiculata)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、水稻(Oryzasativa)[35-36]有機(jī)磷Organophos-phates毒死蜱(Chlorpyrifos)番茄(Lycopersiconesculentum)[37]三唑磷(Triazophos)美人蕉(Cannaindica)[38]敵百蟲(Trichlorfon)鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes(Mart.)Solms)[39]氨基甲酸酯Carbamates甲萘威(Carbaryl)狹葉羽扇豆(Lupinusangustifolius)[40]沙蠶毒素類殺螟腈車前草(PlantagomajorL.)[41]酰胺Amides丁草胺(Butachlor)棉花(Gossypiumspp)、水稻(Oryzasativa)、小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)[42]
由于生物修復(fù)具有其獨(dú)有的特點(diǎn),近20多年來發(fā)展尤為迅速,給農(nóng)藥污染土壤的修復(fù)技術(shù)帶來了豐富的研究?jī)?nèi)容和發(fā)展前景。從修復(fù)場(chǎng)地分,土壤生物修復(fù)技術(shù)主要分為2類,即原位修復(fù)(in-situ )和異位修復(fù)(ex-situ)。異位修復(fù)技術(shù)處理污染土壤時(shí),需要對(duì)污染的土壤進(jìn)行大范圍的擾動(dòng),主要技術(shù)包括預(yù)制床技術(shù)、生物反應(yīng)器技術(shù)、厭氧處理和常規(guī)的堆肥法。其特點(diǎn)在于修復(fù)效率較快、污染物降解徹底、處理時(shí)間短,但其操作復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)困難、修復(fù)費(fèi)用高,會(huì)破壞土壤的原始形態(tài)結(jié)構(gòu),限制其在修復(fù)技術(shù)上的應(yīng)用。而原位修復(fù)技術(shù)無須將土壤挖走而直接向污染土壤中接入生物體,并投加氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和供氧,該方法不僅操作簡(jiǎn)單、成本低,而且不破壞植物生長(zhǎng)所需要的土壤環(huán)境,污染物氧化安全、無二次污染,處理效果好,是一種高效、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)可承受的清潔技術(shù),是未來農(nóng)藥污染土壤修復(fù)的趨勢(shì)。
2.1 生物通風(fēng) 該項(xiàng)技術(shù)源于20世紀(jì)90年代的美國(guó),是一種加壓氧化的生物降解方法。主要操作是將空氣強(qiáng)行排入土壤中,然后抽出,土壤中的揮發(fā)性有機(jī)物也隨之去除。其結(jié)合了土壤通風(fēng)的物理過程和增強(qiáng)的生物降解過程,成為一種應(yīng)用廣泛的革新性原位修復(fù)技術(shù)[45-46]。美國(guó)艾斯特技術(shù)工程公司運(yùn)用生物通風(fēng)工藝,實(shí)踐證明該工藝是行之有效的石油類污染土壤修復(fù)技術(shù)。但處理期一般較長(zhǎng),通常180 d后,TPHs濃度降低60%~70%,2~3 a后降低80%以上。目前該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外發(fā)展較為成熟,國(guó)內(nèi)對(duì)該工藝的研究還是以實(shí)驗(yàn)室和中小試驗(yàn)居多。隋紅等[47]運(yùn)用生物通風(fēng)技術(shù)去除土壤中甲苯,結(jié)果顯示,通風(fēng)流量為20 mL/min時(shí),揮發(fā)去除的甲苯與生物降解去除比例約為1.5∶1.0。在土柱通風(fēng)操作的226 h 期間,共有96.68%的甲苯被去除,同時(shí)產(chǎn)生了128.13 mg CO2,生物降解去除的甲苯為初始加入甲苯的42%~49%。
2.2 生物噴淋 將微生物(細(xì)菌、真菌)和植物提取物噴灑在土壤中,這些提取物實(shí)際上是一些表面活性劑,在促進(jìn)污染物生物降解的同時(shí),自身也能被生物降解。與傳統(tǒng)的人工化學(xué)合成類表面活性劑相比,生物表面活性劑[48-50]的生物相容性好、可降解性好、不產(chǎn)生二次污染,有利于土壤的后續(xù)復(fù)墾和利用[51]。
2.3 生物投菌法 該工藝直接向受污染的土壤中接入農(nóng)藥污染物降解菌,同時(shí)投加微生物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),通過微生物對(duì)污染物的降解和代謝達(dá)到去除污染物的目的。直接投加的方法操作簡(jiǎn)單易行,成本較低,但多數(shù)生物對(duì)環(huán)境較敏感,其對(duì)于污染物的降解需要在一定的環(huán)境條件下進(jìn)行,直接將生物菌體投加到受污染環(huán)境中往往受溫度和土壤類型的影響而具有一定的局限性,因此生物投菌法常聯(lián)合其他工藝對(duì)土壤農(nóng)藥進(jìn)行修復(fù)。尹盤基等[52]提出了一種表面活性劑淋洗與投菌法相結(jié)合的土壤修復(fù)方法。該方法采用表面活性劑淋洗污染土壤,使高濃度氯酚得到部分去除后再加入微生物降解菌,從而實(shí)現(xiàn)低濃度氯酚的持續(xù)降解。25 d內(nèi)土壤中的2,4,6-三氯苯酚從190.4 mg/kg降至3.1 mg/kg,去除率達(dá)98.4%。
異位修復(fù)是土壤修復(fù)早期常用的方法,由于其涉及挖土和運(yùn)土,處理成本高,很難治理深度污染特別是污染物滲入至飽和層土壤及地下水的場(chǎng)合,不能處理建筑物下面的土壤污染,破壞原土壤結(jié)構(gòu)及生態(tài)環(huán)境等[53],因而存在明顯的不足。針對(duì)異位修復(fù)的這些問題,原位修復(fù)成為國(guó)內(nèi)外十幾年來發(fā)展的重點(diǎn),也是未來發(fā)展的方向。但其處理效率相對(duì)較低、對(duì)環(huán)境條件要求較高、修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)等問題是未來研究中需要解決的。作為一種生物處理技術(shù),原位生物修復(fù)能否取得成功,由多種相關(guān)因素共同決定。因此,要達(dá)到較好的污染去除效果,必須因地制宜,設(shè)計(jì)有針對(duì)性的原位生物修復(fù)方案。
土壤原位生物修復(fù)技術(shù)是一種綠色、節(jié)能、環(huán)保的修復(fù)手段,具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。但也存在一些問題,如植物、微生物是活的生物體,需要有合適的生存條件;生物修復(fù)過程通常比物理、化學(xué)修復(fù)過程緩慢;不同區(qū)域修復(fù)差異較大等。因此,原位生物修復(fù)還存在許多局限性及有待完善之處,今后應(yīng)從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究和應(yīng)用。
(1)高效生物的選育。應(yīng)有針對(duì)性地選育修復(fù)不同種類和不同濃度農(nóng)藥污染物的生物。應(yīng)用分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)[54]加強(qiáng)具有高效修復(fù)能力的微生物的研究,培養(yǎng)出有高效轉(zhuǎn)化和吸附農(nóng)藥能力的功能菌,尤其是微生物細(xì)胞表面技術(shù)以及胞外酶的研究的不斷成熟與完善將會(huì)極大地提高微生物對(duì)有機(jī)農(nóng)藥的吸附能力。篩選對(duì)污染物耐受性強(qiáng)、去除率高、生物量大的植物,研究環(huán)境因素對(duì)其修復(fù)效果的影響。從基因水平上篩選出能同時(shí)耐受并降解多種污染物的“超級(jí)植物”也將是未來科學(xué)研究的一個(gè)方向。
(2)生物的循環(huán)利用。無論是微生物還是植物,用以修復(fù)時(shí),往往受到環(huán)境高負(fù)荷的沖擊使得活性下降甚至死亡,從而導(dǎo)致修復(fù)效果不理想。如果增加生物的降解時(shí)間和周期,不僅提高處理效果也將改善其應(yīng)用問題。系統(tǒng)地研究污染物在生物體內(nèi)的代謝轉(zhuǎn)化機(jī)理是關(guān)鍵。土壤基質(zhì)中有害物質(zhì)通過吸收與代謝從土壤轉(zhuǎn)移到微生物細(xì)胞及植物組織中,在生物體內(nèi)遷移、轉(zhuǎn)化和代謝的動(dòng)力學(xué),確定控速步驟,建立研究模型[55]以及分析測(cè)定方法,也是很有意義的課題。
(3)強(qiáng)化生物修復(fù)技術(shù)。除選育功能性植物外,也有許多的強(qiáng)化生物技術(shù)。其中固定化是目前研究較多且較為有效的一種技術(shù)[56-57]。固定化技術(shù)的出現(xiàn)不僅提高了微生物的活性,而且還實(shí)現(xiàn)了微生物的可重復(fù)使用性,克服了微生物顆粒小、機(jī)械強(qiáng)度低的缺點(diǎn),它使微生物的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大。固定化的方式、固定化載體將推進(jìn)材料、化學(xué)、環(huán)境等跨學(xué)科的合作。
(4)多種修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合。植物的分泌物和酶有助于微生物的生命活動(dòng)[58],而微生物的活動(dòng)為植物提供各種營(yíng)養(yǎng)成分,這兩者能互助共進(jìn),對(duì)污染物的降解和去毒化有很大的潛力,土壤中的一些大型土生動(dòng)物也能吸收或富集土壤中的殘留農(nóng)藥,因此,研究生物在生態(tài)系統(tǒng)組成中相互關(guān)系,加強(qiáng)各修復(fù)技術(shù)有效的集成,充分發(fā)揮技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì),會(huì)大大提高土壤中污染物的清除效率。此外,研究土壤環(huán)境條件變化對(duì)農(nóng)藥轉(zhuǎn)化的影響,通過應(yīng)用化學(xué)試劑(絡(luò)合劑、螯合劑)或土壤改良劑、酸堿調(diào)節(jié)劑等加速生物修復(fù)作用。
除在技術(shù)上進(jìn)行研究外,農(nóng)藥的結(jié)構(gòu)、不同地理區(qū)位土壤的環(huán)境條件也不可忽略。雖然農(nóng)藥污染土壤的原位微生物修復(fù)技術(shù)還存在一定問題,目前的應(yīng)用和市場(chǎng)還很有限,但因其具有高效、安全、成本低、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)而具有巨大潛力和發(fā)展前景,無論從經(jīng)濟(jì)上和生態(tài)上都是物理和化學(xué)方法所不及的。隨著研究的深入,土壤農(nóng)藥污染原位生物修復(fù)將在農(nóng)藥環(huán)境污染治理中發(fā)揮更大的作用,成為一種環(huán)境友好和經(jīng)濟(jì)有效的農(nóng)藥污染土壤修復(fù)方法。
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In-situ Bioremediation Technology for Soil Pesticide Pollution and Its Research Progress
WANG Xin,YAO Meng-qin,ZHU Hong-yu,BAO Jia*et al
(School of Science, ShenyangUniversity of Technology, Shenyang, Liaoning 110870)
Based upon a review on the pesticide contaminated soil bioremediation and in situ bioremediation technology research progress, the research direction and development trend could be demonstrated, in order to provide a reference for theory research and application of pesticide-contaminated soil and in situ bioremediation technology.
Bioremediation; Pesticides; Contaminated soil
國(guó)家自然科學(xué)面上基金項(xiàng)目(31670515);國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(21507092)。
王新(1973- ),女,遼寧沈陽人,副教授,博士,從事環(huán)境生物治理技術(shù)及污染土壤修復(fù)研究。*通訊作者,副教授,博士,碩士生導(dǎo)師,從事環(huán)境污染化學(xué)及污染控制化學(xué)研究。
2016-08-17
S 181
A
0517-6611(2016)31-0067-05