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微生物资源与生态—农药的微生物降解

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植物营养学号：

摘要:

农药在人类防止农作物病虫草害中起着重要作用，但是因农药残留对环境和人类健康造成严重威胁等问题值得关注，本文综述了农药残留的危害、微生物降解农药的机理、农药降解菌的种类、影响农药降解的因素及其微生物降解农药的新应用。

关键词：

农药污染；微生物；降解机理；生物降解；新技术

Abstract:

Pesticidesinhumanstopreventcroppestsplaysanimportantrole,butduetopesticideresiduesontheenvironmentandposeaseriousthreattohumanhealthandotherissuesofconcern,pesticideresiduesharmreviewedinthispaper,themechanismofmicrobialdegradationofpesticidesandpesticide-degradingbacteriaspecies,pesticidedegradationfactorsandmicrobialdegradationofpesticidesnewapplications.

Keywords:

pesticidecontamination;microorganisms;degradationmechanism;biodegradation;newtechnology

一、农药残留及其危害

20世纪60年代末的第一次“绿色革命”为人类的粮食安全生产做出了重大贡献[1,2]农药的应用保障了粮食的增产。

农药作为目前农业增产的主要依靠，在农业中具有广泛的应用。

目前我国农药的施用方法仍以药液喷洒和粉剂喷洒为主，研究表明[1]：

施用农药后，仅有1%~2%的药作用于防治对象本体，有10%~20%附着在作物本体上，其他80~90%的农药主要散落在农作物的周边环境，如农田、土壤或漂浮于大气，与尘埃吸附形成气溶胶。

试用后的农药经过一段时间的降解、代谢等作用后，其含量会降低到一定的水平，通常，我们把残存在环境中和生物体内的微量农药称作残留农药，它包括农药原体残留量及其具有比原体毒性更高或相当毒性的降解物的残留量。

农药污染是我国影响范围最大的一种有机污染，直接威胁到人类的生存环境和身体健康，也是造成我国农副产品遭受贸易壁垒的主要原因之一[3]。

自泰勒等人发现DDT的高效杀虫能力以来，不同种类的农药相继得到了开发和应用。

仅杀虫剂类目前就有4类：

有机氯类、有机磷类、拟除虫菊酯类和氨基甲酸酯类。

有机氯类农药是高残留、生物富集性很强的一类农药，目前已被禁止生产，但由于已被广泛大量地使用了多年，因此在环境仍有残留，对环境和人的威胁还很大。

有机磷类、拟除虫菊酯类和氨基甲酸酯类农药尽管残留期较短，但仍有一定时间的残留期，加之被广泛使用，仍对土壤、大气和水源等造成了不同程度的污染。

戈峰[4]把农药杀虫剂的危害大致归结为4个方面：

（1）有益生物被杀伤，控制作用减弱。

（2）害虫抗药性增加，防治成本提高，对环境污染加重。

（3）农副产品中农药残留量增加，危害人体健康。

（4）污染土壤、大气和水源，严重破坏了我们的生存环境。

根据第一次全国污染普查结果显示，农业污染已成为中国的第一大污染源，而农药污染成为农业污染的重要因素[5]。

由于水果、蔬菜等农药残留超标的普遍存在，农药中毒事件时有发生，严重影响人体健康。

农药残留的危害已引起人们的普遍关注。

寻找有效的农药降解方式，解决农药残留问题是科学家需要面对、亟待解决的重要课题。

二、农药降解的影响因素

农药在环境中主要有吸附和降解两种去向，其中农药的降解又可分为生物降解和非生物降解两种方式。

在光、热及化学因子作用下发生的降解现象为非生物降解；而在动植物体内或微生物体内外的降解作用属生物降解。

生物降解主要是微生物降解在农药降解中占据了主导地位。

（1）环境因子：

农药进入环境后，会受到一些环境因子的作用，如：

温度、湿度、pH值、含水量、有机质含量、粘度及气候等。

一般来说在高温湿润、有机质含量丰富、pH偏碱性的情况下，农药易于被降解残留低。

ThomasB和JenniferK等对土壤中莠去净、乐果、氟乐灵的降解情况进行了研究，发现当土壤中加入堆肥、茎秆、木屑等以提高有机质含量时土壤中农药的降解效率明显提高。

（2）农药本身的因素：

农药的分子结构、农药的使用浓度及农药的用药历史等也影响农药的降解性能。

农药因其在分子结构及理化性质方面不同，对生物降解的敏感性差别很大。

如：

2，4-D与2，4-T，由于在第5位C原子上增加了1个氯原子，就会使降解所需的时间从14d增至200d，2，4，5-T相当难被微生物降解。

（3）微生物的影响：

由于农药降解的主要方式是在微生物的作用下进行，因此微生物对于农药的降解具有重大的影响。

微生物的种类多样、数量繁多，有利于农药的降解。

王倩如等从活性污泥中分离出一株蜡样芽孢杆菌和一株嗜中温假单胞菌，混合菌比单一菌降解率高，对甲胺磷的去除率可达95.15%~97.14%。

三、微生物降解

生物降解的研究始于20世纪40年代，起初人们认为，生物降解是指土壤、水体和废水生物处理系统中的需氧微生物对天然和合成有机物的破坏或矿化作用。

随着对有机污染物降解过程研究的深入，生物降解的内涵也在不断深化和拓展。

由于在各种生物降解中微生物所起的作用最大，所以一般提到生物降解主要是指微生物降解[6]。

就目前的技术水平来看，化学农药在今后很长一段时间内还是不可替代的产品。

因此，解决环境中存在的农药残留问题已经成为世界各国的研究热点。

其中，微生物修复则是学术界普遍认可的一种安全有效的污染土壤的修复方法[7]。

3.1、微生物降解农药的机理

微生物对农药的作用方式可分为两大类[8]，一类是微生物直接作用于农药，通过酶促反应降解农药，常说的农药微生物降解多属于此类；一类是通过微生物的活动改变了化学和物理的环境而间接作用于农药。

常见的作用方式有矿化作用、共代谢作用、生物浓缩或累积作用和微生物对农药的间接作用。

微生物通过酶促反应降解农药的方式主要有氧化、脱氢、还原、水解、合成等几种反应类型.

当微生物农药的降解作用是由其胞内酶引起时[9]，整个降解过程通过3个步骤：

（1）将农药吸附于微生物细胞表面，这一过程是一种动态平衡，也是导致降解初期出现迟缓期的关键阶段。

（2）农药穿透细胞膜进人膜内，在菌量一定时，农药对细胞膜的穿透率决定了其穿透细胞膜的量，农药对细胞膜的穿透是降解的限速步骤。

农药的这种穿透率与农药分子结构参数（主要是亲脂性参数和空间位阻参数）密切相关。

（3）农药在细胞膜内通过与降解酶结合发生酶促反应，这是一个快速过程。

3.1.1矿化作用

有许多化学农药是天然化合物的类似物，可以作为微生物的营养源而被微生物分解利用，生成无机物、二氧化碳和水。

矿化作用是最理想的降解方式。

这是因为农药被完全降解成无毒的无机物。

石利利等[10]研究了假单胞菌DLL-1在水溶液介质中降解甲基对硫磷的性能及降解机理后指出，DLL-1菌可以将甲基对硫磷完全降解为NO2-和NO3-。

3.1.2共代谢作用

有些合成的化合物不能被微生物降解，但若有另一种可供碳源和能源的辅助基质存在时，它们则可被部分降解，这个作用称为共代谢作用[11]。

门多萨假单胞菌DR-8菌株降解甲单脒产物为2，4-二甲基苯胺和NH3，而DR-8菌株不能以甲单脒为碳源、能源而生长，只能在添加其他有机营养基质作为碳源的条件下才能降解甲单脒，且降解产物未完全矿化，属于共代谢作用类型[12]。

利用微生物修复环境农药污染的主要原理是微生物利用有机农药作为碳源、氮源，将复杂的农药化合物分解成简单化合物，或者彻底分解为CO2、H2O、NH3，从而降低农药在环境中的残留量及毒性[13]。

林淦等以氯氰菊酯为目标污染物,通过富集培养好氧处理池的污泥,获得了对该污染物降解效果较好的混合培养微生物,用该微生物作为降解菌源,对氯氰菊酯的生物降解特性进行了实验研究。

实验结果表明，混合培养物能利用氯氰菊酯作为生长的唯一碳源、氮源和能源,适量的外加碳源可以提高氯氰菊酯的降解速率[14]。

3.1.3其它微生物降解途径

3.1.3.1水解作用

在微生物作用下，酯键和酞胺键水解，使得农药脱毒，如马拉硫磷、敌稗等的降解。

3.1.3.2脱卤作用

菌代烃类杀虫剂，在脱菌酶的作用下，其取代基上的卤被H原子或羧基等取代，从而失去毒性，如DDT降解变为DDE即属此类反应。

3.1.3.3氧化作用

微生物通过合成氧化酶，使分子氧进入有机分子，尤其是带有芳香环的有机分子中，插入1个羟基或形成1个环氧化物，如多菌灵和2，4-D等的降解。

3.1.3.4硝基还原

农药中的-NO2转变为NH2，如2，4-二硝基酚，其降解产物为2-氨基-4-硝基酚和4-氨基-2硝基酚；对硫磷转为氨基对硫磷。

3.1.3.5甲基化

有毒酚类加入甲基使其钝化，如五氯酚、四氯酚等的降解。

3.1.3.6去甲基化

含有甲基或其他烃基，与N、O、S等相连，脱去这些基团转为无毒物质，如敌草隆的降解即脱去两个N-甲基。

3.2、常用农药降解的微生物

微生物在各种生物降解中所起的作用最大，到目前为止，已经分离出多种可降解农药的微生物，包括细菌、真菌、放线菌和藻类[15]。

细菌具有多种生化能力、易诱变，在生物修复中占主要地位，其中以假单胞菌类菌株最为活跃，对多种杀虫剂\杀菌剂和除草剂[16]起到高效降解作用。

目前对细菌研究较为广泛。

表一是常见农药的降解为生物[17]。

　表一 常见农药的降解微生物

农 药

降 解 微 生 物

甲胺磷

芽孢杆菌、曲霉、青霉、假单胞杆菌、瓶型酵母

阿特拉津（AT）

烟曲霉、焦曲霉、葡枝根霉、串珠镰刀菌、粉红色镰刀菌、尖孢镰刀菌、斜卧镰刀菌、微紫青霉、皱褶青霉、平滑青霉、白腐真菌、菌根真菌、假单胞菌、红球菌、诺卡氏菌

幼脲3号

真菌

敌杀死

产碱杆菌

2，4－D

假单胞菌、无色杆菌、节杆菌、棒状杆菌、黄杆菌、生孢食纤维菌属、链霉菌属、曲霉菌、诺卡氏菌、

DDT

无色杆菌、气杆菌、芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、埃希氏菌、假单胞菌、变形杆菌、链球菌、无色杆菌、黄单胞菌、欧文氏菌、巴斯德梭菌、根癌土壤杆菌、产气气杆菌、镰孢霉菌、诺卡氏菌、绿色木霉等

丙体六六六

白腐真菌、梭状芽孢杆菌、埃希氏菌、大肠杆菌、生孢梭菌等

对硫磷

大肠杆菌、芽孢杆菌

七 氯

芽孢杆菌、镰孢霉菌、小单孢菌、诺卡氏菌、曲霉菌、根霉菌、链球菌

敌百虫

曲霉菌、镰孢霉菌

敌敌畏

假单胞菌

狄氏剂

芽孢杆菌、假单胞菌

艾氏剂

镰孢霉菌、青霉菌

乐 果

假单胞菌

2,4,5-T

无色杆菌、枝动杆菌

3.3、影响微生物降解农药的因素

3.3.1微生物自身的影响

微生物的种类、代谢活性、环境适应性等都直接影响到其对农药的降解,而微生物的空间分布、群体密度以及与其他微生物的相互作用等均决定了微生物的降解效率。

大量实验表明,不同的微生物种类或同一种类的不同菌株对同一有机底物反应都有很大差异[18]。

微生物在较强的适应和被驯化的能力保障下,通过一定的适应过程,经新的化合物诱导或通过基因突变等产生相应的酶系来形成降解能力[19]。

微生物降解本身的功能特性和变化也是影响降解能力与机制的重要因素。

微生物因其自身的生活习性[20]对不同农药的降解有着不同的结果，这也是研究人员普遍关心的问题，随着人们对微生物了解的深入，农药降解的研究也会得到长足的发展。

3.3.2农药结构的影响

　农药化合物的分子量、空间结构、取代基的种类及数量等都影响到微生物对其降解的难易程度[15]。

一般情况下，高分子化合物比低分子量化合物难降解，聚合物、复合物更能抗生物降解[21]；空间结构简单的比结构复杂的容易降解[24]。

陈亚丽等[22]在试验中发现，凡是苯环上有－OH或－NH2的化合物都比较容易被假单胞菌WBC-3所降解，这与苯环的降解通常先羟化再开环的原理一致。

Potter等[22]在小规模堆肥条件下研究了多环芳烃的降解后指出，2－4环的芳烃比5－6环的芳烃容易降解。

现在的环境污染物大多是人工合成的自然界中本身不存在的生物异源有机物质，往往对微生物的降解表现出很强的抗性，其原因可能是这些化合物进入自然界的时间比较短，单一的微生物还未进化出降解此类化合物的代谢机制。

尽管某些危险性化合物在自然界中可能会经自然形成的微生物群体的协同作用而缓慢降解，但这对微生物世界来说仍然是一个新的挑战。

微生物通过改变自身的信息获得降解某一化合物的能力的过程是缓慢的，与目前大量使用的人工合成的生物异源物质相比，依靠微生物的自然进化过程显然不能满足要求，因此，长期以往将会造成整个生态系统的失衡[23]。

因此，研究一些可以使微生物群体在较短的时间内获得最大降解该类型异生物质能力的方法非常重要和迫切。

3.3.3 环境因素的影响

农药污染及其降解微生物所处环境的温度、湿度、pH值、含C和N等有机质的含量、盐度、基质的吸附作用、黏度及通气量等，均可影响微生物对农药污染的降解能力。

大多数微生物有最适生长温度，降解酶也有最适反应温度，温度的改变可以影响微生物的代谢、降解酶的酶活，甚至还能影响农药污染的物理状态，从而影响降解速率。

一般来说，pH偏酸性时，利于真菌繁殖，pH偏碱性或中性时，利于细菌繁殖。

pH偏碱性的情况下，有机磷、有机氯农药本身易于被降解，残留低。

在湿润、有机质含量丰富、通气良好的环境，利于好氧或兼性厌氧微生物的生长。

莫测辉等[24]指出，堆肥中微生物降解多环芳烃的活性与氧的浓度和水分含量密切相关，当堆肥中氧的含量小于18%、水分含量大于75%时，堆肥就从好氧条件转化为厌氧条件，进而影响多环芳烃的降解效果。

Kastner等[25]认为，在堆肥与被多环芳烃污染的土壤混合的情况下，堆肥中有机基质含量对于农药污染降解的作用要大于堆肥中生物的含量对于农药污染降解的作用；营养对于以共代谢作用降解农药污染的微生物更加重要，因为微生物在以共代谢的方式降解农药污染时，并不产生能量，需其他的碳源和能源物质补充能量。

3.4微生物降解农药新技术

3.4.1转基因技术的应用

分子生物学、遗传学等学科迅速发展导致各种生物技术不断涌现，加之生物信息学、蛋白质组学、基因组学等新学科迅速兴起，均为人们创造“超级农药污染降解菌”提供了良好的条件。

对降解农药污染微生物类群及农药污染降解质粒、农药污染降解酶的遗传学进行更深入的研究，力图在DNA水平上阐明降解酶基因的表达调控机理，克隆更多的降解基因，建立高效降解微生物的基因库，利用现代基因工程构建更高效的“农药污染降解工程菌”或“农药污染降解酶表达系统”，拓宽降解谱，提高降解能力[26]。

3.4.2多菌株复合系的构建及应用

以往研究农药污染的生物降解偏重于用单一微生物菌株的纯培养，现在已经证明，单一菌株的纯培养效果不如混合培养。

因为单个微生物不具备生物降解所需的全部酶的遗传合成信息，而且它们在难降解化合物中驯化的时间不足以进化出完整的代谢途径，同时许多纯培养的研究发现，在生物降解过程中会有毒性中间物质积累，因此彻底矿化通常需要一个或一个以上的营养菌群（如发酵-水解菌群、产硫菌群、产乙酸菌群及产甲烷菌群等）。

一种微生物降解一部分，经过数种微生物的接力作用和协同作用，经过多步反应将有毒化合物完全矿化，微生物的群体作用更能抵抗生物降解中产生的有毒物质[27]。

3.4.3固定化微生物技术的应用

固定化微生物技术是20世纪80年代兴起的一种新型生物技术，它通过采用化学或物理的手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内，使其保持活性并可重复利用，具有利于提高生物反应器内的微生物细胞浓度和纯度，并保持高效菌种，二次污染小等特点。

利用固定化技术固定具有降解能力的微生物和酶，然后用来处理对被农药污染的土壤或水体，具有良好的发展前景。

四、微生物在降解农药中存在的问题

虽然农药残留的微生物降解研究已经取得了很大的进展，而且也有了一些应用的实例，但研究大多局限在实验室中，农药降解菌完全走出实验室到实际应用中还有一段路要走。

农药微生物降解的问题主要有以下几方面。

4.1单一菌株的纯培养问题

以往的研究主要集中在单一菌株的纯培养上，在实验室内获得纯培养的菌株，然后研究它的特性、降解机理等。

然而这一方法完全不符合实际情况，自然状态下，是多种微生物共存，通过微生物之间的共同作用把农药降解[28]。

农药残留往往存在于土壤、农副产品、废弃物等复杂环境中[29]，即使在实验室内一株菌的降解活性再大，到了这种复杂条件下可能无法生存或起不到期望的作用。

所以微生物在实际环境中的生存能力和降解活性都还需要进一步研究，同时必须确定所筛选的菌种是否属于常住优势菌种[30]。

4.2环境条件对微生物降解农药的影响

外部环境对微生物生长和对农药的降解影响很大，如环境的温度、水分含量、pH、氧含量等，而自然环境中这些因素变化很大，这直接影响到微生物对农药的降解。

如何克服环境的影响从而充分发挥目标微生物的作用是需要解决的重大问题。

4.3微生物降解目标化合物对降解的影响

目标化合物的浓度是否能使微生物生长，另外农药污染环境的化合物组分很不稳定，波动很大，这给以工程措施微生物降解农药化合物带来困难。

2.4微生物与被降解物接触的难易程度

被农药污染的环境有土壤、空气、水体及蔬菜瓜果等，对于土壤和水体的污染，微生物很容易与污染物接触，从而发挥它们的降解功能。

但是，对于被农药污染的食品来说，利用微生物降解残留的农药很难，因为微生物无法与存在于物体内部的残留农药接触，无法发挥它们的作用，而只能降解残留在物体表面的部分。

这种限制需要人们尽快解决，从而扩大微生物降解农药的应用范围。

2.5微生物的适应性问题

所接种的微生物能否适应污染的环境，这不仅包括上述提到的物理环境，还涉及到生物之间的关系。

接种到环境中的微生物受到抑制物的影响，或者受到包括捕食者在内的土著微生物的影响，甚至受到拮抗作用而不能生长等，这些都可以造成接种的微生物不能成为优势菌从而失去对农药的降解作用。

构建多菌株复合系，具有稳定性和抗污染性强的优点，但即使是多菌混合培养的复合系也同样存在能否成为优势群体的问题。

五、发展趋势与展望

农药的微生物降解目前虽已得到了很大的发展，各种降解农药的微生物菌株也相继被分离和鉴定，但是应用微生物进行生物修复的实际应用却往往由于其较低的降解效率而受到影响。

近年来，伴随着基因工程和分子生物学研究技术的发展，科研工作者开始把重心转移到高效工程菌的构建，采用基因重组技术，将表达高效降解农药的酶的基因构建到载体中，经转化获工程菌，以期提高起降解作用的特定蛋白质或酶的表达水平，从而提高降解效率，既能克服一些酶在环境中不能稳定存在的问题，又保持了酶的高活性。

总之，基因工程技术的利用使人们可按照人类的需要组建具有特殊功能的降解质粒，产生出降解效率高、降解范围广、表达稳定的新的菌株。

随着基因工程进一步发展，微生物在农药降解方面的潜力会得到更充分的体现。

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