微生物降解土壤中农药残留

微生物降解土壤中农药残留摘要：农药在人类防治农作物病虫草害中起到了重要作用，但因由农药残留对环境和人健康造成的威胁与伤害等问题值得关注。本文综述了微生物降解农药的机理、农药降解菌种类及获得途径、影响微生物降解农药的因素、微生物降解农药应用和展望。关键词：农药残留；微生物降解；降解机理；基因工程菌0.前言我国是农业大国,农药尤其是化学农药的使用,依然是目前保证农作物增产、稳产的重要的和有效的手段，很多农药喷施到农田后,只有5%左右的农药到达目标害虫,而95%的农药残留在水体、土壤和农业生态系统中,它会通过食物链的富集,最终进入到生物体内,严重影响了人类的身体健康。因此,对环境修复技术进行研究和开发应用显得尤为重要。微生物降解与传统的物理、化学方法相比,具有投入低、治理效果明显、不易产生副作用、可恢复和建设生态环境的特点,被公认为是一种低成本的环境友好型去除污染物的方法。微生物降解的两大主体是微生物和植物,而微生物以其代谢方式丰富多样、底物范围广的优点成为生物修复技术中的主力军。1.微生物降解农药的机理微生物降解农药机理可大致分为两类:一类是共代谢作用，有些合成的化合物不能被微生物降解，但若有另一种可供给的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；另一类是矿化作用，是指微生物直接以农药作为生长基质，将其完全分解成无机物、CO2和H2O等。矿化作用是最理想的降解方式，因为农药被完全降解成为无毒的无机物。农药的微生物降解途径大致分为两种:酶促途径和非酶促途径。酶促反应即是微生物本身含有可降解该农药的酶系基因，通过氧化、脱氢、还原、水解、合成等作用直接作用于农药。或者，虽然不含降解该农药的酶系，但在农药胁迫下，微生物的基因发生重组或改变，产生新的降解酶系。非酶促反应是指微生物活动使环境的pH发生变化而引起农药降解，或产生某些辅助因子或化学物质参与农药的转化。微生物降解农药时的生化反应有：（1）还原反应，包括了硝基还原、还原性脱卤、醌类还原等。（2）氧化反应，包括了羟化反应，如芳香族羟化、脂肪族羟化、N－羟化；环氧化；N－氧化；P－氧化；S－氧化；氧化性脱烷基、脱卤、脱胺。（3）缩合和共轭形成，缩合包括将有毒分子或一部分与另一有机化合物相结合，从而使农药或其衍生物物失去活性。（4）水解反应，一些酯、酰胺和硫酸酯类农药都可以被微生物水解的酯键，如对硫磷、苯胺类除草剂等。应该指出的是，在微生物降解农药时，其体内并不是只进行单一的反应，多数情况下是多个反应协同作用来完成对农药的降解过程的。2.农药降解菌种类及降解菌获得途径土壤微生物是土壤环境生态系统中的重要成员，包括细菌、放线菌、真菌、藻类等，它们对农药都具有降解作用。细菌由于其生化上的多种适应能力以及容易诱发突变菌株，从而在降解农药的微生物中占主要地位。大多数降解农药的微生物是细菌，但细菌虽然能降低污染物，浓度却不彻底，降解的底物也不专一。白腐真菌在治理污染物上具有细菌不具有的优点，能降解环境中的低浓度污染物，并能将其降到几乎测不出的水平。某种农药往往会同时有多种降解菌，同一种菌也会对多种农药具有降解作用。如表1是常见农药降解微生物：农药降解菌株的获得方法主要有:①从污染物中采样富集。通常是从长期被某种药剂污染的土壤中采样、富集培养、再分离纯化得到所要的菌株。2011年，金鑫等采用形态、生理生化及分子生物学鉴定法，从长期施用有机磷农药的土壤中筛选出1株对毒死蜱降解力为21%的嗜水气单胞菌(Aeromonashydrophila)可作为清除环境中毒死蜱等有机磷农药的候选菌株。②定向培育法。此法是国外近些年来开发出来的一种基于统计技术的优化方法。如从长期生产拟除虫菊酯农药厂的废水处理池中分离获得了1株菊酯农药高效降解菌(Streptomycessp．HP-S-01)，并对影响该菌生长和农药降解率的培养基关键组分含量进行优化。③化学诱导法。从接触氧化乐果的土壤、废水中采样，以CSTR连续培养法，初筛出来1株能高效降解氧化乐果的曲霉(F1菌株)，F1菌株的氧化乐果降解效率同淀粉利用能力相关。再紫外诱变，以淀粉水解能力大小为检测指标，最后得到3d内降解率达70%的高效降解菌株。3.影响微生物降解农药的因素3.1微生物自身的影响微生物的种类、代谢活性、适应性等都直接影响到对农药的降解与转化。很多实验都已经证明,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不同。另外微生物具有较强的适应和被驯化的能力,通过一定的适应过程,新的化合物能诱导微生物产生相应的酶系来降解它,或者通过基因突变等建立新的酶系来降解。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了微生物对其降解的难易程度。一般情况下,高分子化合物比低分子量化合物更难降解,聚合物、复合物更能抗生物降解。陈亚丽等在试验中发现了,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。3.3环境因素的影响环境因素包括温度、酸碱度、营养、氧、底物浓度、表面活性剂等。4.研究现状及应用我国克隆了一系列农药解毒或降解酶基因，利用甲基对硫磷水解酶基因mpd构建了完全矿化甲基对硫的工程菌；将氯代邻苯二酚1,2-双加氧酶基因导入甲胺磷降解菌株中，构建了降解甲胺磷和苯环类化合物的工程菌TP2，将昆虫高抗性酯酶基因转入大肠杆菌中，得到高效表达；构建了能降解有机氯及有机磷和同时降解3种以上有机磷农药的降解菌；构建了能同时高效降解甲基对硫磷和呋喃丹农药工程菌，在实验条件下降解能力明显，此外还实现了甲基对硫磷水解酶基因在芽孢杆菌中的高效表达，表达量提高了20多倍，获得了既有农药降解能力又有生物防治功能的工程菌株。农药残留微生物降解菌剂获得了国家级新产品证书并制订了农药残留微生物降解菌剂的产品质量标准。目前，在我国农药市场上已有一些有机磷农药残留降解菌（酶）制剂研制成功的报道，有的已通过了专家组的技术鉴定，有的已进入了“中试阶段”，建立了试验示范基地，有的已将技术专利交给了生产企业，大批量生产面市并申报了商品名称。如南京农业大学李顺鹏教授研制的“佰绿得”农药残留微生物降解菌剂，目前有四种型号：Ⅰ号可降解有机磷类“农残”，Ⅱ号可降解氯氰菊酯类“农残”，Ⅲ号可降解氰戊菊酯类“农残”，Ⅳ号可降解除草剂类“农残”，已在江西、江苏、福建的水稻、茶叶、小枣、韭菜、蜜橘等作物、果园中使用，取得良好效果。中国农科院生物技术研究所范云六院士、伍宁丰研究员从被有机磷农药污染的土壤中筛选出能够降解多种有机磷农药的细菌，从中克隆出了有机磷降解酶的编码基因，并成功的利用“毕赤酵母”高效表达了有机磷降解酶的表达量为6g/L，酶活性为1.6×104U/mL，该成果已在3t发酵罐的中试水平上确立了基因工程酵母菌生产有机磷降解酶的稳定的发酵工艺，其商品“比亚蔬菜瓜果农药降解酶”生物制剂也已进入市场。5.展望前人研究表明，农药在土壤微生物或分泌的酶系作用下，能分解成低毒或无毒的代谢产物。为了强化对某种特定农药的降解作用，运用遗传学、分子生物学和基因工程等新技术，能够从自然环境中分离或选育出高效降解菌种及酶系。今后，微生物降解农药的主要研究方向可从以下几方面考虑:①开发高效的农药降解菌，并建立其种子库。②菌种混合培养，多种微生物类群的混合，更接近自然生态环境;人工构建的微生物体系在被污染的土壤中更容易成为优势菌群。③降解酶的制备，并且产业化生产，大量应用到生产中去。④充分利用土著微生物，尽量使用原位生物，避免接入新的菌种。⑤建立固定化的农药生物降解模型。这几方面的考虑必将推动农药微生物降解的研究进人更高领域,推动农药残留降解菌剂的广泛应用,解决好环境中的农药污染问题。参考文献：[1]谷月，姜华.农药污染土壤的微生物降解[J].辽宁农业科学,2013(4):52～55[2]王伟东1,2，牛俊玲1，崔宗均1.农药的微生物降解综述[J].黑龙江八一农垦大学学报,第17卷第2期,2005年4月[3]李玉梅1，王根林2，于洪久1，孙彬1，边道林1.土壤农药残留微生物降解研究进展[J].北方园艺,2007(4)：72～74[4]魏敏1,李玉江2.微生物降解土壤残留农药的研究进展[J].山东化工,2007年第36卷[5]陈亚丽,张先恩,刘虹,等.甲基对硫磷降解菌假单胞菌WBC~3的筛选及降解性能的研究[J].微生物学报,2002,42(2):490~497.[6]白红娟1,2杨斌盛1贾万利2肖根林2.微生物降解土壤中农药残留的研究进展*[J].工业安全与环保,2011年第37卷第11期[7]张超1,李冀新2.微生物降解有机磷农药残留机理及菌种筛选研究进展[J].农药科学与管理,2006,27(4)[8]刘建利.有机磷农药残留微生物降解的研究现状[J].广东农业科学,2010年第2期[9]詹冬玲1,林禹欣1，刘洋2.有机磷农药微生物降解技术的研究进展[J].农业发展,（2013）-16-02-1[10]何霞，白红娟.微生物降解有机磷农药残留的研究进展[J].山西化工,(2011)04-0027-03