微生物降解的研究進(jìn)展

微生物降解的研究進(jìn)展

　　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。

　　類(lèi)  型  農 藥 品 種  有機磷：敵百蟲(chóng)、甲胺磷、敵敵畏、乙酰甲胺磷、對硫磷、雙硫磷、樂(lè )果等  殺蟲(chóng)劑  有機氮：西維因、速滅威、巴沙、殺蟲(chóng)脒等有機氯：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(cháng)調節劑  矮壯素、健壯素、增產(chǎn)靈、赤霉素、縮節胺等

　　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。

　　1.3 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。

　　農  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號真菌敵殺死產(chǎn)堿桿菌2，4－D假單胞菌、無(wú)色桿菌、節桿菌、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 微生物在農藥轉化中的作用

　　氧化反應  微生物體內的氧化反應包括：羥化反應（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  還原反應包括硝基還原、還原性脫鹵、醌類(lèi)還原等。

　　水解反應  一些酯、酰胺和硫酸酯類(lèi)農藥都有可以被微生物水解的酯鍵，如對硫磷、苯胺類(lèi)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化合物相結合，從而使農藥或其衍生物物失去活性。

　　應該指出，在微生物降解農藥時(shí)，其體內并不只是進(jìn)行單一的反應，多數情況下是多個(gè)反應協(xié)同作用來(lái)完成對農藥的降解過(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)芳香結構產(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物質(zhì)，其中一些是對人類(lèi)具有致畸、致突變和致癌作用，往往對微生物的降解表現出很強的抗性，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(lèi)化合物的代謝機制。盡管某些危險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，但這對微生物世界來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)新的挑戰。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(mǎn)足要求，因此長(cháng)期以往將會(huì )造成整個(gè)生態(tài)系統的失衡[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可增強微生物對biaryl類(lèi)化合物的利用率，如聯(lián)苯、4－氯聯(lián)苯。Kastner等 [35]認為，在堆肥與被多環(huán)芳烴污染的土壤混合的情況下，堆肥中有機基質(zhì)含量對于農藥降解的作用要大于堆肥中生物的含量對于農藥降解的作用；營(yíng)養對于以共代謝作用降解農藥的微生物更加重要，因為微生物在以共代謝的方式降解農藥時(shí)，并不產(chǎn)生能量，須其他的碳源和能源物質(zhì)補充能量[12]。對于好氧微生物來(lái)說(shuō)，在好氧條件下可以降解農藥，而在厭氧條件下降解效果不好；而對于厭氧微生物來(lái)說(shuō)，情況可能正相反。也有研究指出在好氧條件下，有的厭氧細菌也可以代謝一些化合物[6]。

　　1.5 農藥微生物降解的新技術(shù)和新方法

　　1.5.1 轉基因技術(shù)的應用

　　20世紀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；同時(shí)在21世紀初，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“超級農藥降解菌”提供了必要的條件。因此，利用轉基因技術(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。同時(shí)，因為微生物降解農藥的本質(zhì)是酶促反應，所以，有人直接提取微生物合成的酶系來(lái)離體進(jìn)行農藥等有機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，而且也有了一些應用的實(shí)例，但研究大多局限在實(shí)驗室中，農藥降解菌完全走出實(shí)驗室到實(shí)際應用中還有一段路要走。農藥微生物降解的問(wèn)題主要有以下幾方面。

　　2.1 單一菌株的純培養問(wèn)題

　　以往的研究主要集中在單一菌株的純培養上，在實(shí)驗室內獲得純培養的菌株，然后研究它的特性、降解機理等。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藥降解。農藥殘留往往存在于土壤、農副產(chǎn)品、廢棄物等復雜環(huán)境中，即使在實(shí)驗室內一株菌的降解活性再大，到了這種復雜條件下可能無(wú)法生存或起不到期望的作用。

　　2.2 環(huán)境條件對微生物降解農藥的影響

　　外部環(huán)境對微生物生長(cháng)和對農藥的降解影響很大，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農藥的降解。如何克服環(huán)境的影響從而充分發(fā)揮目標微生物的作用是需要解決的重大問(wèn)題。

　　2.3 微生物降解目標化合物對降解的影響

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

　　2.4 微生物與被降解物接觸的難易程度

　　被農藥污染的環(huán)境有土壤、空氣、水體及蔬菜瓜果等，對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，對于被農藥污染的食品來(lái)說(shuō)，利用微生物降解殘留的農藥很難，因為微生物無(wú)法與存在于物體內部的殘留農藥接觸，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，從而擴大微生物降解農藥的應用范圍。

　　2.5 微生物的適應性問(wèn)題

　　所接種的微生物能否適應污染的環(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的土著(zhù)微生物的影響，甚至受到拮抗作用而不能生長(cháng)等，這些都可以造成接種的微生物不能成為優(yōu)勢菌從而失去對農藥的降解作用。構建多菌株復合系，具有穩定性和抗污染性強的優(yōu)點(diǎn)，但即使是多菌混合培養的復合系也同樣存在能否成為優(yōu)勢群體的問(wèn)題。

　　3  堆肥法消除污染物

　　將人工構建微生物的復合體系，接種到農藥污染土壤中，或利用活性的農業(yè)有機廢棄物堆肥來(lái)改良已經(jīng)被污染的土壤是一個(gè)好辦法，因為活性堆肥內含有復合的微生物體系，在污染的土壤環(huán)境中更容易成為優(yōu)勢菌群。這就涉及到復合系的構建，微生物復合系的構建需要傳統的和現代的方法相結合。從已有的堆肥體系中和已經(jīng)污染了的土壤環(huán)境中分別富集培養微生物，得到土著(zhù)微生物的復合系和堆肥菌復合系，然后進(jìn)行復合微生物體系內部各個(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合，組成一個(gè)新的復合體系，這一復合系不僅具有強有力的功能，又更能適應土著(zhù)環(huán)境。直接應用復合系治理土壤污染，或者利用復合系生產(chǎn)農業(yè)有機廢棄物堆肥來(lái)改良土壤。

　　4  結語(yǔ)

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