微生物降解的研究進(jìn)展

　　這些農(nóng)藥殘留廣泛分布于土壤、水體、大氣及農(nóng)產(chǎn)品中，難以利用大規(guī)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(fù)雜多變，影響著農(nóng)藥生物降解的可否和效率。近年隨著對(duì)農(nóng)藥殘留污染問(wèn)題的重視，科學(xué)家們對(duì)農(nóng)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(duì)農(nóng)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(qiáng)農(nóng)藥的生物降解研究、解決農(nóng)藥對(duì)環(huán)境及食物的污染問(wèn)題提供依據(jù)。

　　1 農(nóng)藥的微生物降解研究進(jìn)展

　　1.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上主要使用的農(nóng)藥類型

　　當(dāng)前農(nóng)業(yè)上使用的主要有機(jī)化合物農(nóng)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(jī)氯農(nóng)藥，還有一些正在逐步停止使用，如有機(jī)磷類中的甲胺磷等。

　　類  型  農(nóng) 藥 品 種  有機(jī)磷：敵百蟲(chóng)、甲胺磷、敵敵畏、乙酰甲胺磷、對(duì)硫磷、雙硫磷、樂(lè)果等  殺蟲(chóng)劑  有機(jī)氮：西維因、速滅威、巴沙、殺蟲(chóng)脒等有機(jī)氯：六六六、滴滴涕、毒殺芬等  殺螨劑  螨凈、殺螨特、三氯殺螨砜、螨卵酯、氯殺、敵螨丹等  除草劑  2，4－D、敵稗、滅草靈、阿特拉津、草甘膦、毒草胺等  殺菌劑  甲基硫化砷、福美雙、滅菌丹、敵克松、克瘟散、稻瘟凈、多菌靈、葉枯凈等生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑  矮壯素、健壯素、增產(chǎn)靈、赤霉素、縮節(jié)胺等

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

　　1.3 微生物降解農(nóng)藥的機(jī)理

　　目前，對(duì)于微生物降解農(nóng)藥的研究主要集中于細(xì)菌上，因此對(duì)于細(xì)菌代謝農(nóng)藥的機(jī)理研究得比較清楚。

　　農(nóng)  藥降  解  微  生  物甲胺磷芽孢桿菌、曲霉、青霉、假單胞桿菌、瓶型酵母阿特拉津（AT）煙曲霉、焦曲霉、葡枝根霉、串珠鐮刀菌、粉紅色鐮刀菌、尖孢鐮刀菌、斜臥鐮刀菌、微紫青霉、皺褶青霉、平滑青霉、白腐真菌、菌根真菌、假單胞菌、紅球菌、諾卡氏菌幼脲3號(hào)真菌敵殺死產(chǎn)堿桿菌2，4－D假單胞菌、無(wú)色桿菌、節(jié)桿菌、棒狀桿菌、黃桿菌、生孢食纖維菌屬、鏈霉菌屬、曲霉菌、諾卡氏菌、DDT無(wú)色桿菌、氣桿菌、芽孢桿菌、梭狀芽孢桿菌、埃希氏菌、假單胞菌、變形桿菌、鏈球菌、無(wú)色桿菌、黃單胞菌、歐文氏菌、巴斯德梭菌、根癌土壤桿菌、產(chǎn)氣氣桿菌、鐮孢霉菌、諾卡氏菌、綠色木霉等丙體六六六白腐真菌、梭狀芽孢桿菌、埃希氏菌、大腸桿菌、生孢梭菌等對(duì)硫磷大腸桿菌、芽孢桿菌七  氯芽孢桿菌、鐮孢霉菌、小單孢菌、諾卡氏菌、曲霉菌、根霉菌、鏈球菌敵百蟲(chóng)曲霉菌、鐮孢霉菌敵敵畏假單胞菌狄氏劑芽孢桿菌、假單胞菌艾氏劑鐮孢霉菌、青霉菌樂(lè)  果假單胞菌2,4,5-T無(wú)色桿菌、枝動(dòng)桿菌

　　1.3.1 微生物在農(nóng)藥轉(zhuǎn)化中的作用

　　氧化反應(yīng)  微生物體內(nèi)的氧化反應(yīng)包括：羥化反應(yīng)（芳香族羥化、脂肪族羥化、N－羥化）；環(huán)氧化；N－氧化；P－氧化；S－氧化；氧化性脫烷基、脫鹵、脫胺。

　　還原反應(yīng)  還原反應(yīng)包括硝基還原、還原性脫鹵、醌類還原等。

　　水解反應(yīng)  一些酯、酰胺和硫酸酯類農(nóng)藥都有可以被微生物水解的酯鍵，如對(duì)硫磷、苯胺類除草劑等。

　　縮合和共軛形成  縮合包括將有毒分子或一部分與另一有機(jī)化合物相結(jié)合，從而使農(nóng)藥或其衍生物物失去活性。

　　應(yīng)該指出，在微生物降解農(nóng)藥時(shí)，其體內(nèi)并不只是進(jìn)行單一的反應(yīng)，多數(shù)情況下是多個(gè)反應(yīng)協(xié)同作用來(lái)完成對(duì)農(nóng)藥的降解過(guò)程，如好氧條件下鹵代芳烴的生物降解，其鹵素取代基的去除主要通過(guò)兩個(gè)途徑發(fā)生：在降解初期通過(guò)還原、水解或氧化去除鹵素；生產(chǎn)芳香結(jié)構(gòu)產(chǎn)物后通過(guò)自發(fā)水解脫鹵或β－消去鹵化烴[6]。

　　1.4 影響微生物降解農(nóng)藥的因素

　　1.4.1 微生物自身的影響

　　自然界中的微生物通�？梢越到馓烊划a(chǎn)生的有機(jī)化合物，如木質(zhì)素、纖維素物質(zhì)等，從而促進(jìn)地球的物質(zhì)循環(huán)和平衡。但目前的環(huán)境污染物大多是人工合成的自然界中本身不存在的生物異源有機(jī)物質(zhì)，其中一些是對(duì)人類具有致畸、致突變和致癌作用，往往對(duì)微生物的降解表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗性，其原因可能是這些化合物進(jìn)入自然界的時(shí)間比較短，單一的微生物還未進(jìn)化出降解此類化合物的代謝機(jī)制。盡管某些危險(xiǎn)性化合物在自然界中可能會(huì)經(jīng)自然形成的微生物群體的協(xié)同作用而緩慢降解，但這對(duì)微生物世界來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。微生物通過(guò)改變自身的信息獲得降解某一化合物的能力的過(guò)程是緩慢的，與目前大量使用的人工合成的生物異源物質(zhì)相比，依靠微生物的自然進(jìn)化過(guò)程顯然不能滿足要求，因此長(zhǎng)期以往將會(huì)造成整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的失衡[6]。因此，研究一些可以使微生物群體在較短的時(shí)間內(nèi)獲得最大降解生物異源物質(zhì)能力的方法非常重要和迫切。

　　1.4.3 環(huán)境因素的影響

　　Ralstonia和Pickettii的降解和礦化情況。在土壤水分適宜的條件下，非離子型表面活性劑吐溫80可增強(qiáng)微生物對(duì)biaryl類化合物的利用率，如聯(lián)苯、4－氯聯(lián)苯。Kastner等 [35]認(rèn)為，在堆肥與被多環(huán)芳烴污染的土壤混合的情況下，堆肥中有機(jī)基質(zhì)含量對(duì)于農(nóng)藥降解的作用要大于堆肥中生物的含量對(duì)于農(nóng)藥降解的作用；營(yíng)養(yǎng)對(duì)于以共代謝作用降解農(nóng)藥的微生物更加重要，因?yàn)槲⑸�物在以共代謝的方式降解農(nóng)藥時(shí)，并不產(chǎn)生能量，須其他的碳源和能源物質(zhì)補(bǔ)充能量[12]。對(duì)于好氧微生物來(lái)說(shuō)，在好氧條件下可以降解農(nóng)藥，而在厭氧條件下降解效果不好；而對(duì)于厭氧微生物來(lái)說(shuō)，情況可能正相反。也有研究指出在好氧條件下，有的厭氧細(xì)菌也可以代謝一些化合物[6]。

　　1.5 農(nóng)藥微生物降解的新技術(shù)和新方法

　　1.5.1 轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用

　　20世紀(jì)后半葉是分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)等學(xué)科迅速發(fā)展的時(shí)期，各種不同的生物學(xué)技術(shù)不斷涌現(xiàn)；同時(shí)在21世紀(jì)初，生物信息學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等新的學(xué)科迅速興起。這一切都為人工創(chuàng)造“超級(jí)農(nóng)藥降解菌”提供了必要的條件。因此，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)進(jìn)行目的性的人工組裝“工程菌”成為有魅力的發(fā)展目標(biāo)。同時(shí)，因?yàn)槲⑸�物降解農(nóng)藥的本質(zhì)是酶促反應(yīng)，所以，有人直接提取微生物合成的酶系來(lái)離體進(jìn)行農(nóng)藥等有機(jī)化合物污染物的降解研究[15]。

　　2  研究中存在的問(wèn)題

　　雖然農(nóng)藥殘留的微生物降解研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，而且也有了一些應(yīng)用的實(shí)例，但研究大多局限在實(shí)驗(yàn)室中，農(nóng)藥降解菌完全走出實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際應(yīng)用中還有一段路要走。農(nóng)藥微生物降解的問(wèn)題主要有以下幾方面。

　　2.1 單一菌株的純培養(yǎng)問(wèn)題

　　以往的研究主要集中在單一菌株的純培養(yǎng)上，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)獲得純培養(yǎng)的菌株，然后研究它的特性、降解機(jī)理等。然而這一方法完全不符合實(shí)際情況，自然狀態(tài)下，是多種微生物共存，通過(guò)微生物之間的共同作用把農(nóng)藥降解。農(nóng)藥殘留往往存在于土壤、農(nóng)副產(chǎn)品、廢棄物等復(fù)雜環(huán)境中，即使在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)一株菌的降解活性再大，到了這種復(fù)雜條件下可能無(wú)法生存或起不到期望的作用。

　　2.2 環(huán)境條件對(duì)微生物降解農(nóng)藥的影響

　　外部環(huán)境對(duì)微生物生長(zhǎng)和對(duì)農(nóng)藥的降解影響很大，如環(huán)境的溫度、水分含量、pH、氧含量等，而自然環(huán)境中這些因素變化很大，這直接影響到微生物對(duì)農(nóng)藥的降解。如何克服環(huán)境的影響從而充分發(fā)揮目標(biāo)微生物的作用是需要解決的重大問(wèn)題。

　　2.3 微生物降解目標(biāo)化合物對(duì)降解的影響

　　目標(biāo)化合物的濃度是否能使微生物生長(zhǎng)，另外，農(nóng)藥污染環(huán)境的化合物組分很不穩(wěn)定，波動(dòng)很大，這給以工程措施微生物降解農(nóng)藥化合物帶來(lái)困難。

　　2.4 微生物與被降解物接觸的難易程度

　　被農(nóng)藥污染的環(huán)境有土壤、空氣、水體及蔬菜瓜果等，對(duì)于土壤和水體的污染，微生物很容易與污染物接觸，從而發(fā)揮它們的降解功能。但是，對(duì)于被農(nóng)藥污染的食品來(lái)說(shuō)，利用微生物降解殘留的農(nóng)藥很難，因?yàn)槲⑸�物無(wú)法與存在于物體內(nèi)部的殘留農(nóng)藥接觸，無(wú)法發(fā)揮它們的作用，而只能降解殘留在物體表面的部分。這種限制需要人們盡快解決，從而擴(kuò)大微生物降解農(nóng)藥的應(yīng)用范圍。

　　2.5 微生物的適應(yīng)性問(wèn)題

　　所接種的微生物能否適應(yīng)污染的環(huán)境，這不僅包括上述提到的物理環(huán)境，還涉及到生物之間的關(guān)系。接種到環(huán)境中的微生物受到抑制物的影響，或者受到包括捕食者在內(nèi)的土著微生物的影響，甚至受到拮抗作用而不能生長(zhǎng)等，這些都可以造成接種的微生物不能成為優(yōu)勢(shì)菌從而失去對(duì)農(nóng)藥的降解作用。構(gòu)建多菌株復(fù)合系，具有穩(wěn)定性和抗污染性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但即使是多菌混合培養(yǎng)的復(fù)合系也同樣存在能否成為優(yōu)勢(shì)群體的問(wèn)題。

　　3  堆肥法消除污染物

　　將人工構(gòu)建微生物的復(fù)合體系，接種到農(nóng)藥污染土壤中，或利用活性的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物堆肥來(lái)改良已經(jīng)被污染的土壤是一個(gè)好辦法，因?yàn)榛钚远逊蕛?nèi)含有復(fù)合的微生物體系，在污染的土壤環(huán)境中更容易成為優(yōu)勢(shì)菌群。這就涉及到復(fù)合系的構(gòu)建，微生物復(fù)合系的構(gòu)建需要傳統(tǒng)的和現(xiàn)代的方法相結(jié)合。從已有的堆肥體系中和已經(jīng)污染了的土壤環(huán)境中分別富集培養(yǎng)微生物，得到土著微生物的復(fù)合系和堆肥菌復(fù)合系，然后進(jìn)行復(fù)合微生物體系內(nèi)部各個(gè)組分的特性、功能和多樣性研究。菌株的抗藥性鑒定，再把各個(gè)有功能的組分重新復(fù)合，組成一個(gè)新的復(fù)合體系，這一復(fù)合系不僅具有強(qiáng)有力的功能，又更能適應(yīng)土著環(huán)境。直接應(yīng)用復(fù)合系治理土壤污染，或者利用復(fù)合系生產(chǎn)農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物堆肥來(lái)改良土壤。

　　4  結(jié)語(yǔ)

　　很多研究已經(jīng)證明，在農(nóng)藥污染的一些環(huán)境中誘導(dǎo)出天然的降解農(nóng)藥的微生物，那么是否可以采取一些條件控制措施，充分調(diào)動(dòng)這些土著微生物的作用，盡量采用原位生物修復(fù)，而不用人為地接種微生物，這值得進(jìn)一步探討和研究。