農藥的微生物降解研究進(jìn)展（1）

摘要：綜述了在環(huán)境中降解農藥的微生物種類(lèi)、微生物降解農藥的機理、在自然條件下影響微生物降解農藥的因素及農藥微生物降解研究方面的新技術(shù)和新方法。文章認為，在農藥的微生物降解研究中，應重視自然狀態(tài)下微生物對農藥的降解過(guò)程，分離構建應由天然的微生物構成的復合系，利用微生物復合系進(jìn)行堆肥或把堆肥應用于被污染的環(huán)境是消除農藥污染的一個(gè)有效方法。 

關(guān)鍵詞：微生物 生物降解 農藥降解 農藥 

　　20世紀60年代出現的第一次“綠色革命”為人類(lèi)的糧食安全做出了重大貢獻，其中作為主要技術(shù)之一的農藥為糧食的增產(chǎn)起到了重要的保障作用。因為農藥具有成本低、見(jiàn)效快、省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)，因而在世界各國的農業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用，但農藥的過(guò)分使用產(chǎn)生了嚴重的負面影響。僅1985年，世界的農藥產(chǎn)量為200多萬(wàn)t^[1]；在我國，僅1990年的農藥產(chǎn)量就為22.66萬(wàn)t^[2]，其中甲胺磷一種農藥的用量就達6萬(wàn)t^[3]�；瘜W(xué)農藥主要是人工合成的生物外源性物質(zhì)，很多農藥本身對人類(lèi)及其他生物是有毒的，而且很多類(lèi)型是不易生物降解的頑固性化合物。農藥殘留很難降解，人們在使用農藥防止病蟲(chóng)草害的同時(shí)，也使糧食、蔬菜、瓜果等農藥殘留超標，污染嚴重，同時(shí)給非靶生物帶來(lái)傷害，每年造成的農藥中毒事件及職業(yè)性中毒病例不斷增加^[3～6]。同時(shí)，農藥廠(chǎng)排出的污水和施入農田的農藥等也對環(huán)境造成嚴重的污染，破壞了生態(tài)平衡，影響了農業(yè)的可持續發(fā)展，威脅著(zhù)人類(lèi)的身心健康。農藥不合理的大量使用給人類(lèi)及生態(tài)環(huán)境造成了越來(lái)越嚴重的不良后果，農藥的污染問(wèn)題已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。因此，加強農藥的生物降解研究、解決農藥對環(huán)境及食物的污染問(wèn)題，是人類(lèi)當前迫切需要解決的課題之一。

　　這些農藥殘留廣泛分布于土壤、水體、大氣及農產(chǎn)品中，難以利用大規模的工程措施消除污染。實(shí)際上，在自然界主要依靠微生物緩慢地進(jìn)行降解，這是依靠自然力量、不產(chǎn)生二次污染的理想途徑。但自然環(huán)境復雜多變，影響著(zhù)農藥生物降解的可否和效率。近年隨著(zhù)對農藥殘留污染問(wèn)題的重視，科學(xué)家們對農藥生物降解進(jìn)行了大量的研究，但許多問(wèn)題需要進(jìn)一步探明。本文整理出了近年來(lái)對農藥生物降解的研究進(jìn)展，提出存在的問(wèn)題，建議有效的研究途徑，旨在為加強農藥的生物降解研究、解決農藥對環(huán)境及食物的污染問(wèn)題提供依據。

　　1  農藥的微生物降解研究進(jìn)展

　　1.1 農業(yè)生產(chǎn)上主要使用的農藥類(lèi)型

　　當前農業(yè)上使用的主要有機化合物農藥如表1所示。其中，有些已經(jīng)禁止使用，如六六六、滴滴涕等有機氯農藥，還有一些正在逐步停止使用，如有機磷類(lèi)中的甲胺磷等。

　　表1 農業(yè)生產(chǎn)中常用農藥種類(lèi)簡(jiǎn)表^[7]

　　人們發(fā)現，在自然生態(tài)系統中存在著(zhù)大量的、代謝類(lèi)型各異的、具有很強適應能力的和能利用各種人工合成有機農藥為碳源、氮源和能源生長(cháng)的微生物，它們可以通過(guò)各種謝途徑把有機農藥完全礦化或降解成無(wú)毒的其他成分，為人類(lèi)去除農藥污染和凈化生態(tài)環(huán)境提供必要的條件。

　　1.2 降解農藥的微生物類(lèi)群

　　土壤中的微生物，包括細菌、真菌、放線(xiàn)菌和藻類(lèi)等^[8，9]，它們中有一些具有農藥降解功能的種類(lèi)。細菌由于其生化上的多種適應能力和容易誘發(fā)突變菌株，從而在農藥降解中占有主要地位^[8]。一在土壤、污水及高溫堆肥體系中，對農藥分解起主要作用的是細菌類(lèi)，這與農藥類(lèi)型、微生物降解農藥的能力和環(huán)境條件等有關(guān)，如在高溫堆肥體系當中，由于高溫階段體系內部溫度較高（大于50 ℃），存活的主要是耐高溫細菌，而此階段也是農藥降解最快的時(shí)期。通過(guò)微生物的作用，把環(huán)境中的有機污染物轉化為CO₂和H₂O等無(wú)毒無(wú)害或毒性較小的其他物質(zhì)^{[10，11]}。通過(guò)許多科研工作者的努力，已經(jīng)分離得到了大量的可降解農藥的微生物（見(jiàn)表2）。不同的微生物類(lèi)群降解農藥的機理、途徑和過(guò)程可能不同，下面簡(jiǎn)要介紹一下農藥的微生物降解機理。

　　1.3 微生物降解農藥的機理

　　目前，對于微生物降解農藥的研究主要集中于細菌上，因此對于細菌代謝農藥的機理研究得比較清楚。

　　表2  常見(jiàn)農藥的降解微生物^[11，12]

　　細菌降解農藥的本質(zhì)是酶促反應^[13～15]，即化合物通過(guò)一定的方式進(jìn)入細菌體內，然后在各種酶的作用下，經(jīng)過(guò)一系列的生理生化反應，最終將農藥完全降解或分解成分子量較小的無(wú)毒或毒性較小的化合物的過(guò)程。如莠去津作為假單胞菌ADP菌株的唯一碳源，有3種酶參與了降解莠去津的前幾步反應。第一種酶是A tzA，催化莠去津水解脫氯的反應，得到無(wú)毒的羥基莠去津，此酶是莠去津生物降解的關(guān)鍵酶；第二種酶是A tzB，催化羥基莠去津脫氯氨基反應，產(chǎn)生N－異丙基氰尿酰胺；第三種酶是A tzC，催化N－異丙基氰尿酰胺生成氰尿酸和異丙胺。最終莠去津被降解為CO₂和NH₃^[16]。微生物所產(chǎn)生的酶系，有的是組成酶系，如門(mén)多薩假單胞菌DR－8對甲單脒農藥的降解代謝，產(chǎn)生的酶主要分布于細胞壁和細胞膜組分^[5]；有的是誘導酶系，如王永杰等 ^[17]得到的有機磷農藥廣譜活性降解菌所產(chǎn)生的降解酶等。由于降解酶往往比產(chǎn)生該類(lèi)酶的微生物菌體更能忍受異常環(huán)境條件，酶的降解效率遠高于微生物本身，特別是對低濃度的農藥，人們想利用降解酶作為凈化農藥污染的有效手段。但是，降解酶在土壤中容易受非生物變性、土壤吸附等作用而失活，難以長(cháng)時(shí)間保持降解活性，而且酶在土壤中的移動(dòng)性差^[8]，這都限制了降解酶在實(shí)際中的應用�，F在許多試驗已經(jīng)證明，編碼合成這些酶系的基因多數在質(zhì)粒上，如2，4－D的生物降解，即由質(zhì)粒攜帶的基因所控制^[18]。通過(guò)質(zhì)粒上的基因與染色體上的基因的共同作用，在微生物體內把農藥降解。因此，利用分子生物學(xué)技術(shù)，可以人工構建“工程菌”來(lái)更好地實(shí)現人類(lèi)利用微生物降解農藥的愿望。

　　1.3.1 微生物在農藥轉化中的作用

　　 （1）礦化作用  有許多化學(xué)農藥是天然化合物的類(lèi)似物，某些微生物具有降解它們的酶系。它們可以作為微生物的營(yíng)養源而被微生物分解利用，生成無(wú)機物、二氧化碳和水。礦化作用是最理想的降解方式，因為農藥被完全降解成無(wú)毒的無(wú)機物，如石利利等 ^[19]研究了假單胞菌DLL－1在水溶液介質(zhì)中降解甲基對硫磷的性能及降解機理后指出，DLL-1菌可以將甲基對硫磷完全降解為NO₂^－和NO₃^－。

　　 （2）共代謝作用  有些合成的化合物不能被微生物降解，但若有另一種可供碳源和能源的輔助基質(zhì)存在時(shí)，它們則可被部分降解，這個(gè)作用稱(chēng)為共代謝作用，這一作用最初是由Foster等^[12]提出來(lái)的。如門(mén)多薩假單胞菌DR-8菌株降解甲單脒產(chǎn)物為2,4－二甲基苯胺和NH₃，而DR-8菌株不能以甲單脒作為碳源和能源而生長(cháng)，只能在添加其他有機營(yíng)養基質(zhì)作為碳源的條件下降解甲單脒，且降解產(chǎn)物未完全礦化，屬于共代謝作用類(lèi)型^[5]。關(guān)于共代謝的機理，現在還存在爭論。由于共代謝作用而推動(dòng)的頑固性人工合成化合物的降解一般進(jìn)行的較慢，而且降解程度很有限，參與共代謝作用的微生物不能從中獲得碳源和能源，但是自然界中還是廣泛存在著(zhù)大量的具有共代謝功能的微生物，它們可以降解多種類(lèi)型的化合物。共代謝作用在農藥的微生物降解過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)主要的作用^{[5，17，20]}。

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