微生物降解农药的研究现状与发展趋势

2014-04-25苏绍辉

宿州教育学院学报 2014年4期

关键词：农药污染研究进展农药

苏绍辉

（宿州职业技术学院动物科学系安徽·宿州234101）

微生物降解农药的研究现状与发展趋势

苏绍辉

（宿州职业技术学院动物科学系安徽·宿州234101）

农药尤其是化学农药中的高毒、高残留、难降解的农药是重要的环境污染源，而利用微生物降解农药来治理所造成的污染是一项很有效的手段。本文从降解农药污染的微生物的概念、种类、降解的机制、新技术研究和应用等方面进行了综述，指出了在微生物降解中存在的问题，并对今后微生物降解农药的应用前景和发展趋势进行了展望。

农药微生物降解研究现状

20世纪60年代末的第一次“绿色革命”为人类的粮食安全生产做出了重大贡献[1,2],农药的应用保障了粮食的增产；化学农药被广泛使用在农业生产中,但大多数农药是有毒的,且易残留,不仅对人类和生物都是有害的,而且其有不易被分解的特性；同时,人们在使用农药的过程中,致使农药在自然环境中大量蓄积,不仅使自然生态平衡遭受了破坏,还威胁着人类的健康[9]。

随着人们对环境保护的重视,农药残留唤起人们的重视,就农药残留如何消除,成为迫切需要解决的问题,由此,生物农药也引起了人们的关注,但就目前的科技水平来看,化学农药在今后很长一段时间内还是市场中主打产品。因此,农药残留问题已经成为世界各国人们研究的热点。其中,引起了更加广泛关注的是微生物的降解作用。尤其是在环境中的化学农药残留污染通过利用微生物的降解处理,以及新型化学农药带来的新污染的治理。近年来,由于分子生物学和基因工程的迅猛发展,克服了农药微生物降解研究中的困难,为农药微生物降解的研究开辟了新的途径[12]。鉴于农药残留的“三性”,即持久性、普遍性和严重性,农药污染的修复成为一项重大课题而被摆上日程,引起世界各国科研工作者的高度关注[8,9]。本文综述了近年来农药生物降解的研究进展,提出存在的问题并就发展趋势作了展望。

一、微生物降解的概念及其降解农药的机制

（一）生物降解的定义

生物降解的研究始于上个世纪40年代,起初他们认为,生物降解是指天然和合成有机物被需氧微生物（比如水体中、土壤中和废水生物处理系统中的）破坏或矿化作用。随着对生物降解过程研究的深入,生物降解的含义也在不断深化和拓展；由于在各种生物降解中起主要作用的是微生物,所以一般提到生物降解主要是指微生物降解[3]。

（二）微生物降解农药的机制

农药代谢主要通过酶促反应与非酶促反应两种主要方式,微生物转化农药主要是通过其自身的酶来完成降解作用的,所以说农药降解本质上是酶促反应[3],其中包括：（1）把农药作为微生物自身代谢结构类似物的偶然代谢；（2）由基质参与的对农药降解不全矿化的共代谢；（3）把农药作为能源适应酶进行的降解代谢。另外,还有通过改变酸碱度、辅酶或化学产物的降解。

1、微生物在农药降解中原理

（1）矿化机理

许多化学农药是人工合成的化合物,它们与天然化合物具有很类似的结构,某些微生物具有合成并降解它们的酶系；微生物把它们作为自身代谢的底物而进行降解后生成无机物、二氧化碳和水[7]；矿化作用因农药被完全分解成无毒的无机物而被认为是最好的农药降解方式,如石利利等研究了,假单胞菌DLL-1在水溶液介质中降解甲基对硫磷的性能及降解机理后指出,DLL-1菌可以将甲基对硫磷完全降解为无机离子NO-2、NO3-[14]。

（2）共代谢机制

有些农药不能被微生物降解,如果有可提供碳源和能源的基质存在时,则可被部分降解,这个作用称为共代谢作用[7,9,13]；此作用在农药的生物降解过程中发挥着主要的作用。这一作用最初是由Foster等提出的[15]。王保军等研究发现,门多萨假单胞菌DR28菌株降解甲单脒产物为2,42二甲基苯胺和NH3,而DR28菌株不能以甲单脒为碳源和能源而生长,只能在添加其他有机营养基质作为碳源的条件下才能降解甲单脒,且降解产物未完全矿化,属于共代谢作用类型[16]。

2、微生物降解农药反应类型

主要有：

表1-1

二、降解农药的微生物类群

表1-2 （主要为细菌类）

三、微生物降解农药的新研究进展

（一）固定化微生物技术的应用

在微生物降解农药的过程中务必保障降解菌或降解酶在此环境中的活性,利用固定化技术可以基本满足要求。固定化微生物技术是上个世纪80年代兴起的一种新型生物技术,它是将游离细胞或酶被固定限定的空间区域内,并使其保持活性和可重复利用性,其特点是保持菌种高效,二次污染小[1,2,5]；所以此技术具有良好的发展前景

（二）基因工程在农药降解菌中的应用

利用基因工程构建高效菌株,通过驯化改造降解菌的各种理化特性使其更加适应环境,进而提高降解效率[12]。

1、农药降解基因工程菌的构建

分析生物对污物降解机制及降解过程中的主要影响因素,来构建相应的高效菌株。其途径有：一是通过使用随机同源基因体外拼接使菌株的代谢途径朝着有利于降解污染物的方向发展；二是两个重组：重组污染物跨膜转运基因及重组表面活性剂编码基因,来优化菌株的降解活性；三是通过重组有利于微生物适应环境的基因编码来有效降解农药[10,12]。

2、基因改组技术的应用

1994年,美国科学家Stemmer等介绍了在试管内模拟达尔文进化的先进技术DNA改组（DNAshuffling）[17]；该技术的特点是：降解酶的活性大大提高,酶的三维结构不需测定,此技术自诞生以来,发展迅速和应用广泛,美国已经开始了应用该技术降解农药[3]。通过加入强启动子来提高降解酶基因的表达,这样更利于农药的降解。

（三）构建多菌株复合体系

单个微生物是很难完成农药的降解的,它要在多种微生物的协同作用下,经过多步反应将农药完全降解。多菌复合体系的构建解决了单个菌株转化不彻底的问题。要求该菌株复合体系能改良污染物并能在该环境中更容易成为优势菌群[11]。

（四）微生物表面展示技术的应用

微生物细胞表面展示技术[12]是由Geore在20世纪80年代中期开发的,是通过外源蛋白质（此蛋白质具有酶的活性）与降解菌株的一种有活性且具有分泌转运功能融合表达,结果是使该外源蛋白嵌在菌株细胞膜表面而发挥外源蛋白的特定功能,此技术优点是创造了降解菌与农药残留之间直接接触,蛋白质纯化过程的繁琐步骤被避免了,也提高了降解酶的降解效果。

四、微生物降解农药污染的应用

见表1-3

五、研究中存在的问题

由于大部分的研究工作还在实验室进行,要使农药降解菌从实验室应用于复杂的实际环境中,还存在一系列需要解决的问题。

（一）单纯一菌株的纯培养问题

农药污染往往存在于复杂环境中,比如土壤、农副产品、废弃物等等,自然状态下的微生物降解都是微生物之间的通过协同作用来完成的[4],在实验室研发阶段被纯化的单一菌株很可能降解活性很强,当被放入实际环境条件下,此菌可能无法存活或看不到所期望的结果,所以,微生物在实际降解环境中的生存能力和降解活性都需要进一步研究,同时必须确定所筛选的菌种是否属于常驻优势菌种[2]。

（二）农药降解产物对环境的影响

农药被降解后出现三种结果：一是剧毒农药被彻底降解后失去毒性；二是农药自身的毒性不大,但分解产物毒性很大；三是农药本身和代谢产物都有较大的毒性。故需对农药污染微生物降解机制、代谢途径[2]作进一步深入研究。

（三）环境条件对微生物降解农药的影响

自然条件直接影响微生物生长及代谢,比如温度、水分含量、pH值、氧含量等等,由于自然环境变化很大,直接影响微生物对农药的降解作用。如何克服这些影响因素,从而充分发挥目标微生物的降解作用是急切要解决的重大问题[1,5]。

（四）降解微生物与农药接触的程度难易

土壤、空气、水体及蔬菜瓜果等都有可能被农药污染,而土壤和水体容易与微生物接触,来发挥微生物的降解功能。但是,对于食品被农药污染后,因为存在于物体内部的残留农药无法与微生物直接接触,对它们的降解作用就无法发挥,而只能降解残留在物体表面的部分[13]。这种障碍急需要人们想办法克服,以此来扩大此降解的应用范围。

（五）微生物对环境的适应性问题

微生物被接种到污染的环境（不仅包括物理环境,还涉及到生物之间共生关系）中去,可能对此环境不适应,或者受到该环境中优势微生物的影响,发生拮抗作用而抑制其生长；很多原因都可导致接种微生物不能成为优势菌而失去对农药的降解作用[4]；所以,构建多菌株复合体系,具有抗污染性强和稳定性的优点,但即便是复合菌系培养的群落也同样存在能否成为优势群体的问题[13]。

六、发展趋势与展望

随着现代生物技术发展,农药微生物降解的研究也越来越深入,其研究方向有下几个方面：降解菌的固定化技术,复合菌体系的培养,高效降解工程菌的开发,农药生物降解的模型定量化研究等[3,5]；当然,有待进一步研究探讨的还有很多问题,具体到多功能微生物资源如何在自然界中筛选,进而微生物降解在实验室条件下如何与实际环境条件更接近,各种限制因子是如何克服影响微生物降解效果的,构建的工程菌其农药降解质粒的稳定性及菌种的安全管理等等[11]。解决了这些问题,必将推动农药微生物降解的研究进入更高的领域,推动农药残留降解菌剂的广泛应用,更好地解决环境中的农药污染问题[9]。

[1]习志江，李秋果.农药的微生物降解技术研究[J].长江大学学报（自科版）农学卷，2007（2）.

[2]刘建利.利用微生物降解农药污染[J].生物学教学，2010（4）.

[3]李岩，蒋继志，刘翠芳.微生物降解农药研究的新进展[J].生物学杂志，2007（2）.

[4]郑金来，李君文，晁福寰.常见农药降解微生物研究进展及展望[J].环境科学研究，2001（02）.

[5]杨明伟，叶非.微生物降解农药的研究进展[J].植物保护，2010（3）.

[6]仪美芹，王开运，姜兴印，王怀训.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（04）.

[7]王乃亮，杜斌.微生物对环境中农药的降解作用[J].甘肃科技，2010（21）.

[8]李顺鹏，蒋建东.农药污染土壤的微生物修复研究进展[J].土壤，2004（06）.

[9]刘建亲，花日茂.微生物降解农药的研究进展[J].安徽农业科学，2008（24）.

[10]卢桂宁，陶雪琴，党志，易筱筠.农药降解菌及其基因工程研究进展[J].矿物岩石地球化学通报，2005（3）.

[11]魏敏，李玉江.微生物降解土壤残留农药的研究进展[J].山东化工，2007（3）.

[12]杨柳，陈少华，赵川，钟国华.新技术在农药微生物降解中的应用[J].生物技术通报，2010（3）.