农药的微生物降解技术研究.pdf

1、 收 稿 日 期 2006 - 09 - 11第 一 作 者 简 介 习 志 江 (1977 - ) ,男 ,江 西 吉 安 县 人 ,理 学 硕 士 ,助 教 ,主 要 从 事 应 用 微 生 物 研 究 .农 药 的 微 生 物 降 解 技 术 研 究习 志 江 (长 江 大 学 生 命 科 学 学 院 ,湖 北 荆 州 434025)李 秋 果 (长 江 大 学 化 学 与 环 境 工 程 学 院 ,湖 北 荆 州 434023)摘 要 农 药 的 大 量 使 用 已 造 成 严 重 的 全 球 性 环 境 污 染 和 生 态 破 坏 ,因 此 微 生 物 降 解 农 药 技 术 引 起

2、 人 们 的 广泛 关 注 。 对 农 药 降 解 微 生 物 的 分 离 筛 选 ,农 药 微 生 物 降 解 技 术 存 在 的 问 题 、 应 用 及 今 后 的 研 究 方 向 进 行 了综 述 。关 键 词 农 药 ;微 生 物 ;降 解中 图 分 类 号 X172 ;S154139 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1673 - 1409 (2007) 02 - S087 - 0420 世 纪 60 年 代 出 现 的 第 一 次 “ 绿 色 革 命 ” 为 人 类 的 粮 食 安 全 做 出 了 重 大 贡 献 ,其 中 农 药 为 粮 食 的 增产 起 到 了 重 要 的

3、 保 障 作 用 。 由 于 农 药 具 有 成 本 低 、 见 效 快 、 省 时 省 力 等 优 点 ,因 而 在 世 界 各 国 的 农 业 生 产中 被 广 泛 使 用 。 但 很 多 农 药 本 身 对 人 类 及 其 它 生 物 是 有 毒 的 ,而 且 很 多 类 型 的 农 药 性 质 稳 定 ,是 不 容 易 被降 解 的 化 合 物 ,这 使 农 药 产 生 了 严 重 的 负 面 影 响 ,已 造 成 严 重 的 全 球 性 环 境 污 染 和 生 态 破 坏 ,给 非 靶 生 物带 来 伤 害 ,威 胁 着 人 类 的 身 心 健 康 1 。 因 此 ,加 强 农 药

4、的 生 物 降 解 研 究 ,解 决 农 药 对 环 境 及 食 物 的 污 染 问题 ,是 人 类 当 前 迫 切 需 要 解 决 的 课 题 之 一 。农 药 降 解 研 究 领 域 日 趋 活 跃 ,研 究 者 们 相 继 对 除 草 剂 、 杀 虫 剂 、 杀 菌 剂 等 的 微 生 物 降 解 进 行 了 深 入 细致 的 研 究 。 通 过 近 几 十 年 的 研 究 ,已 经 确 定 了 微 生 物 在 土 壤 和 水 环 境 的 农 药 降 解 中 起 主 要 作 用 。 研 究 者分 离 到 一 批 能 降 解 或 转 化 某 种 农 药 的 微 生 物 类 群 ,逐 步 弄

5、 清 了 微 生 物 降 解 农 药 的 主 要 作 用 方 式 及 降 解 机制 ,以 及 各 类 化 学 农 药 的 微 生 物 降 解 途 径 2 5 。1 农 药 降 解 微 生 物 的 分 离 、 筛 选大 量 研 究 表 明 ,自 然 环 境 中 存 在 的 许 多 微 生 物 在 农 药 降 解 方 面 起 着 重 要 作 用 ,已 报 道 的 微 生 物 有 细菌 、 真 菌 、 放 线 菌 、 藻 类 等 6 9 。 细 菌 由 于 其 生 化 上 的 多 种 适 应 能 力 和 容 易 诱 发 突 变 ,从 而 在 农 药 降 解 中 占有 主 要 地 位 ,其 中 假 单

6、 孢 菌 属 是 最 活 跃 的 菌 株 ,对 多 种 农 药 具 有 降 解 作 用 2 ,10 。科 研 工 作 者 通 过 富 集 培 养 、 分 离 筛 选 等 技 术 已 发 现 了 许 多 能 够 降 解 农 药 的 微 生 物 11 。 如 王 银 善 等 12 分 离 到 一 株 黄 杆 菌 Fl avobacteri um sp . P32 ,可 降 解 对 硫 磷 、 杀 螟 松 、 甲 基 对 硫 磷 、 水 胺 硫 磷 ;Cain 等 13 通过 富 集 培 养 从 土 壤 中 分 离 到 一 株 降 解 乙 烯 菌 核 利 的 假 单 孢 菌 ;刘 玉 焕 等 14

7、对 甲 胺 磷 降 解 真 菌 进 行 了 较 全面 的 研 究 ;王 保 军 等 15 系 统 地 研 究 了 门 多 莎 假 单 孢 菌 DR - 8 菌 株 对 甲 单 脒 的 降 解 代 谢 ; Mandelbaum等 16 从 土 壤 中 分 离 出 一 株 Pseu domonas sp . 能 降 解 除 草 剂 阿 特 拉 津 ;程 国 锋 等 17 从 污 泥 中 富 集 培 养 筛 选出 一 株 能 降 解 甲 胺 磷 和 乐 果 的 芽 孢 杆 菌 ,然 后 接 种 于 含 一 定 浓 度 农 药 的 基 础 培 养 基 中 ,好 气 培 养 8 d 后 对甲 胺 磷 的

8、 降 解 率 达 42. 5 % ,对 乐 果 的 降 解 率 达 5012 %。 此 外 ,利 用 白 腐 真 菌 降 解 农 药 的 研 究 也 已 成 为 热点 18 20 。 这 些 农 药 降 解 菌 株 的 分 离 、 筛 选 为 解 决 农 药 降 解 问 题 奠 定 了 一 定 基 础 。2 农 药 微 生 物 降 解 技 术 研 究 中 存 在 的 主 要 问 题微 生 物 降 解 农 药 的 研 究 ,最 早 是 Audus 报 道 了 关 于 土 壤 微 生 物 对 2 ,4 - D 的 分 解 研 究 5 ,目 前 ,其 研究 正 方 兴 未 艾 。 但 是 ,大 部

9、分 的 工 作 还 局 限 于 实 验 室 ,要 使 农 药 降 解 菌 从 实 验 室 应 用 于 实 际 生 产 ,还 存 在78长 江 大 学 学 报 (自 科 版 ) 农 学 卷 2007 年 6 月 第 4 卷 第 2 期Journal of Yangtze University( Nat Sci Edit) Agri Sci V J un12007 ,Vol14 No12一 系 列 问 题 。2. 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 。 通 常 首 先 在 实 验 室 内 获 得 纯 培 养 的 菌

10、株 ,然 后 研 究 它的 特 性 、 降 解 机 理 等 。 然 而 这 一 方 法 与 实 际 情 况 不 太 符 合 ,因 为 在 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 来 降 解 农 药 10 ,并 且 农 药 残 留 往 往 存 在 于 土 壤 、 水 体 、 农 副 产 品 等 复 杂 环 境 中 ,即 使实 验 室 内 一 株 菌 的 降 解 活 性 再 强 ,到 了 这 种 复 杂 环 境 下 有 可 能 无 法 生 存 或 起 不 到 期 望 的 作 用 。2. 2 受 农 药 污 染 的 环 境 及 食 品 不

11、能 进 行 有 效 的 处 理受 农 药 污 染 的 环 境 由 于 比 较 分 散 而 且 面 广 ,很 难 集 中 统 一 起 来 处 理 ,特 别 是 被 农 药 污 染 的 食 品 ,由 于直 接 跟 人 类 的 健 康 有 关 系 ,不 能 随 便 轻 易 采 用 微 生 物 来 处 理 ,既 要 保 证 对 农 药 进 行 降 解 ,又 要 保 证 所 使 用的 微 生 物 对 人 体 健 康 无 害 ,这 在 目 前 是 很 难 做 到 的 ,因 此 对 食 品 更 缺 乏 有 效 的 处 理 方 式 10 。2. 3 环 境 条 件 对 微 生 物 降 解 农 药 的 影 响环

12、 境 条 件 对 微 生 物 的 生 长 和 对 农 药 的 降 解 影 响 很 大 ,如 环 境 中 的 温 度 、 p H、 水 分 含 量 、 有 机 质 含 量 和含 氧 量 等 变 化 会 直 接 影 响 到 微 生 物 对 农 药 的 降 解 。 一 般 来 说 在 高 温 湿 润 、 有 机 质 含 量 丰 富 、 p H 偏 碱 性 的情 况 下 ,农 药 容 易 被 降 解 21 。 如 何 克 服 环 境 的 影 响 从 而 充 分 发 挥 微 生 物 对 农 药 的 降 解 是 需 要 解 决 的 一 个关 键 问 题 。2. 4 降 解 过 程 中 微 生 物 与 农

13、药 接 触 的 难 易 程 度对 于 被 农 药 污 染 的 土 壤 和 水 体 ,微 生 物 很 容 易 与 其 中 的 残 留 农 药 接 触 ,从 而 能 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 其 中 残 留 的 农 药 很 难 ,因 为 微 生 物 无 法 与 存 在 于 食 品内 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 食 品 表 面 的 部 分 22 。 这 种 限 制 需 要 尽 快解 决 ,从 而 扩 大 微 生 物 降 解 农

14、 药 的 应 用 范 围 。2. 5 环 境 对 降 解 菌 的 影 响投 放 到 环 境 中 去 的 降 解 菌 还 会 受 到 抑 制 物 的 影 响 ,或 受 到 该 环 境 中 原 有 菌 群 的 影 响 ,甚 至 受 到 拮 抗 作用 而 不 能 生 长 等 10 ,22 ,这 些 都 可 能 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 。3 农 药 微 生 物 降 解 技 术 的 应 用 及 今 后 的 研 究 方 向3. 1 固 定 化 微 生 物 技 术 在 农 药 降 解 中 的 应 用自 20 世 纪 70 年

15、 代 后 期 以 来 ,固 定 化 微 生 物 的 研 究 迅 速 发 展 ,其 应 用 范 围 很 广 。 其 中 ,应 用 固 定 化 微生 物 技 术 处 理 降 解 污 水 中 的 农 药 ,成 为 一 个 新 的 研 究 领 域 。 陈 敏 等 23 利 用 聚 乙 烯 醇 包 埋 活 性 炭 固 定 微 生物 ,对 水 胺 硫 磷 的 降 解 进 行 试 验 ,取 得 了 满 意 的 结 果 ,其 降 解 能 力 优 于 未 固 定 化 微 生 物 ; Yang 等 24 用 三 醋酸 纤 维 素 包 埋 固 定 经 酚 驯 化 的 污 泥 来 降 解 2 ,4 - D ,当 水

16、中 2 ,4 - D 浓 度 为 250 mg/ L 时 ,出 水 浓 度 可 降 到小 于 15 mg/ L ,去 除 率 达 97 %。由 于 固 定 化 细 胞 对 底 物 和 氧 气 扩 散 有 阻 碍 ,使 细 胞 酶 活 性 降 低 25 ,通 过 基 因 工 程 手 段 制 备 高 效 工 程菌 是 解 决 该 问 题 的 关 键 。 闫 艳 春 等 26 克 隆 抗 性 库 蚊 酯 酶 基 因 并 在 大 肠 杆 菌 中 高 效 表 达 ,用 海 藻 酸 钠 包 埋固 定 此 工 程 菌 ,并 处 理 有 机 氯 农 药 三 氯 杀 虫 酯 和 菊 酯 类 农 药 溴 氰 菊

17、酯 ,结 果 表 明 ,固 定 化 工 程 菌 能 高 效 降解 这 2 种 农 药 。3. 2 农 药 降 解 酶 制 剂 的 研 制 及 应 用如 果 用 微 生 物 产 生 的 酶 来 处 理 农 药 残 留 而 不 是 直 接 使 用 微 生 物 菌 株 ,那 么 对 环 境 造 成 威 胁 或 潜 在 威胁 的 风 险 即 可 降 低 。 研 究 表 明 ,一 些 酶 比 产 生 这 类 酶 的 微 生 物 菌 体 更 能 忍 受 变 异 的 环 境 条 件 。 比 如 ,对 硫磷 水 解 酶 可 耐 受 高 达 10 %的 盐 浓 度 和 50 的 温 度 ,而 产 生 这 种 酶

18、 的 假 单 孢 菌 在 这 种 条 件 下 却 不 能 生长 5 。 Munnecke 将 一 种 由 细 菌 培 养 得 到 的 能 降 解 对 硫 磷 等 9 种 有 机 磷 农 药 的 酶 ,用 共 价 结 合 的 方 法 ,制成 固 定 化 酶 柱 ,对 含 对 硫 磷 10 250 mg/ L 的 废 水 进 行 试 验 ,结 果 能 将 对 硫 磷 去 除 95 %或 更 高 。 可 使 处 理后 水 中 浓 度 低 于 500 g/ L 27 29 。3. 3 降 解 基 因 的 克 隆 、 表 达 调 及 基 因 工 程 菌 的 构 建分 子 生 物 学 的 迅 猛 发 展

19、为 农 药 降 解 菌 从 实 验 室 走 向 实 际 应 用 提 供 了 可 能 。 人 们 寄 希 望 通 过 基 因 工 程88 长 江 大 学 学 报 (自 科 版 )农 学 卷 2007 年 6 月技 术 将 农 药 降 解 酶 基 因 或 降 解 质 粒 克 隆 到 合 适 的 宿 主 菌 中 并 使 其 高 效 表 达 ,构 建 “ 高 效 农 药 降 解 菌 ” ,为 农药 的 微 生 物 降 解 开 辟 一 条 新 途 径 ,这 也 是 今 后 工 作 的 重 点 。 这 一 领 域 已 成 为 当 今 环 境 生 物 技 术 的 研 究 热点 之 一 ,目 前 有 很 大

20、进 展 。 Wilf red Chen 构 建 的 带 有 有 机 磷 水 解 酶 基 因 的 工 程 大 肠 杆 菌 能 够 快 速 降 解 有机 磷 农 药 30 。 沈 标 等 采 用 三 亲 接 合 法 成 功 地 将 带 有 l u x A B 基 因 的 Ptr102 质 粒 转 入 甲 基 1605 降 解 菌DLL - 1 中 ,获 得 的 接 合 子 荧 光 非 常 强 ,而 且 标 记 质 粒 非 常 稳 定 31 。 此 外 ,除 草 剂 2 ,4 - D 降 解 质 粒 2 、 阿拉 特 津 降 解 酶 基 因 33 等 已 成 功 地 克 隆 表 达 。3. 4 实

21、验 室 研 究 与 大 田 应 用 相 结 合目 前 进 行 的 农 药 微 生 物 降 解 研 究 多 停 留 在 实 验 室 水 平 33 ,34 ,与 大 田 的 农 药 应 用 情 况 相 比 较 ,是 在 相当 强 的 选 择 压 下 分 离 降 解 菌 ,且 常 用 纯 培 养 方 法 进 行 试 验 ,得 到 的 降 解 菌 应 用 到 田 间 或 自 然 环 境 条 件 下 其降 解 活 性 容 易 丧 失 。 另 外 ,在 实 验 室 里 得 到 的 微 生 物 在 向 大 田 释 放 和 直 接 应 用 时 对 环 境 的 安 全 性 以 及 对人 和 其 它 生 物 是

22、否 有 害 必 须 认 真 深 入 细 致 地 研 究 。 应 该 指 出 ,如 果 过 分 强 调 或 夸 大 基 因 工 程 菌 的 危 害 ,将会 使 人 们 失 去 一 种 降 解 环 境 污 染 物 的 强 有 力 工 具 10 。 如 何 使 实 验 室 得 到 的 结 果 与 大 田 应 用 相 结 合 ,是 一个 有 待 进 一 步 探 讨 的 复 杂 而 具 有 实 际 意 义 的 课 题 。 随 着 分 子 生 物 学 的 飞 速 发 展 ,随 着 研 究 的 不 断 深 入 ,利用 微 生 物 降 解 农 药 等 环 境 污 染 物 、 保 护 环 境 不 久 将 会 变

23、 成 现 实 。参 考 文 献 1 Wagrowsk D M , Hites P A. Polycycle aromatic hydrocarbon accumulation in urban , suburban and rural vegetationJ . Environ Sci Tech2nol ,1997 ,31 :279 282. 2 虞 云 龙 ,樊 德 芳 . 农 药 微 生 物 降 解 的 研 究 现 状 与 发 展 策 略 J . 环 境 科 学 进 展 ,1996 ,4 (3) :28 35. 3 冯 化 成 (译 ) . 土 壤 细 菌 和 农 药 降 解 J . 农

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31、. 23 陈 敏 ,罗 启 芳 . 聚 乙 烯 纯 包 埋 活 性 炭 与 微 生 物 的 固 定 化 技 术 及 其 对 水 胺 硫 磷 降 解 的 研 究 J . 环 境 科 学 ,1994 ,15 (3) :11 14. 24 刘 淑 娟 ,肖 军 . 农 药 残 留 的 微 生 物 降 解 技 术 J . 泰 山 学 院 学 报 ,2004 ,26 (6) :97 100. 25 张 慰 问 . 固 定 化 微 生 物 技 术 在 废 水 处 理 中 的 应 用 和 研 究 J . 上 海 环 境 科 学 ,1991 , (10) :20 24. 26 闫 艳 春 ,乔 传 令 ,周

32、晓 涛 . 一 种 工 程 菌 的 高 酶 活 性 及 其 固 定 化 细 胞 对 农 药 的 降 解 J . 中 国 环 境 科 学 ,1999 ,19 (5) :461 465. 27 Li2Tse Ou ,Anil Sharma. Degradation of Met hyl Parat hion by a Mixed Bacterial Culture and a B acillus sp. Isolated from Different SoilsJ . Agric Food chem. 1989 ,37 :1514 1518. 28 David L ,Lewis Robert E

33、, Hodson L . Multiphasic Kinetics for Transformation of Met hyl Paration by Flavobacterium SpeciesJ . Appl98第 4 卷 第 2 期 习 志 江 等 :农 药 的 微 生 物 降 解 技 术 研 究 Environ Microbiol ,1985 ,50 :553 557. 29 Chaudhry G R , Ali A N , Wheeler W B. Isolation of a Met hyl Parat hion2Degrading Pseudomonas spJ . Appl E

34、nviron Microbiol ,1988 ,54 :288 293. 30 李 岩 ,蒋 继 志 ,马 平 ,等 . 细 菌 降 解 农 药 研 究 新 进 展 J . 西 北 农 林 科 技 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) ,2005 ,33 (增 刊 ) :250 252. 31 沈 标 ,洪 青 ,李 顺 鹏 . 甲 基 对 硫 磷 降 解 菌 DLL - 1 的 发 光 酶 基 因 标 记 及 在 土 壤 中 的 变 化 J . 农 村 生 态 环 境 ,2002 ,18 (1) :16 21. 32 杨 小 红 ,李 俊 ,葛 诚 ,等 . 微 生 物 降 解 农 药

35、的 研 究 新 进 展 J . 微 生 物 学 通 报 ,2003 ,30 (6) :93 96. 33 仪 美 芹 ,王 开 运 ,姜 兴 印 ,等 . 微 生 物 降 解 农 药 的 研 究 进 展 J . 山 东 农 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) ,2002 ,33 (4) :519 524. 34 王 伟 东 . 农 药 的 微 生 物 降 解 研 究 进 展 J . 环 境 污 染 与 防 治 (网 络 版 ) ,2004 , (3) :1 10.(上 接 第 86 页 )3 小 结荆 州 主 要 地 表 水 体 氮 素 污 染 严 重 ,特 别 是 氨 氮 和 总

36、氮 严 重 超 标 ,分 别 达 类 水 上 限 的 4 倍 和 5 倍 ;氮素 以 氨 氮 和 有 机 氮 为 主 ,分 别 达 到 74. 7 %、 16. 88 %。 生 活 污 水 、 养 殖 废 水 及 工 业 污 水 直 接 排 放 是 造 成 水中 氮 素 超 标 严 重 的 主 要 原 因 。 荆 州 地 区 地 表 水 氮 素 含 量 在 不 同 区 域 或 同 一 区 域 不 同 水 域 差 异 较 大 。 长 江荆 州 段 河 道 宽 阔 ,水 流 较 慢 ,船 舶 往 来 频 繁 ,其 水 质 不 仅 受 当 地 各 种 污 染 源 的 影 响 ,还 受 控 于 上 游

37、 流 域 来 水质 量 。 荆 州 段 长 江 水 质 优 于 邻 近 居 民 区 、 养 殖 场 水 体 水 质 和 受 重 度 污 染 的 护 城 河 水 质 ,但 劣 于 管 理 较 好 、生 态 自 净 功 能 较 强 的 华 清 池 。参 考 文 献 1 何 燧 源 . 环 境 化 学 (第 4 版 ) M . 上 海 :华 东 理 工 大 学 出 版 社 ,2005. 343. 2 国 家 环 境 保 护 总 局 ,国 家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局 . 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 GB3838 2002 (地 表 水 环 境 质 量 标 准 ) M . 北 京 :中 国 环 境科 学 出 版 社 ,2005. 1 2. 3 吕 耀 . 农 业 生 态 系 统 中 氮 素 造 成 的 非 点 源 污 染 J . 农 业 环 境 保 护 ,1998 ,17 (1) :35 39.09 长 江 大 学 学 报 (自 科 版 )农 学 卷 2007 年 6 月