有机磷农药的降解与代谢研究进展*

滕瑞菊，王雪梅，王　欢，鲁沐心，冯丽娟（1.兰州工业研究院甘肃兰州70050；2.甘肃省化学试剂农药监督检验站甘肃兰州70050；.西北师范大学化学化工学院，甘肃兰州70070；4.甘肃省生物电化学与环境分析重点实验室，甘肃　兰州70070）



有机磷农药的降解与代谢研究进展*

滕瑞菊1,2，王雪梅3△，王欢3，鲁沐心3，冯丽娟1,2
（1.兰州工业研究院甘肃兰州730050；2.甘肃省化学试剂农药监督检验站甘肃兰州730050；3.西北师范大学化学化工学院，甘肃兰州730070；4.甘肃省生物电化学与环境分析重点实验室，甘肃兰州730070）

摘要：有机磷农药是一类含有磷原子的有机酯类化合物，在体内与胆碱酯酶形成磷酸化胆碱酯酶，使胆碱酯酶活性受抑制而产生毒性作用的一类农药的总称，被广泛使用于农业生产中，但是其残留会引发各种环境污染和食物链累积问题，对生态环境造成严重的污染，给人类健康带来威胁。因此，快速有效地降解有机磷农药显得非常迫切，降解与代谢技术近几年也得到了较大发展。本文介绍了有机磷农药的种类、毒性、降解与代谢的机理和方法，主要综述了物理降解、化学降解和生物降解与代谢技术的国内外研究现状及最新进展。

关键词：有机磷农药；降解；代谢

1　概述

有机磷农药（Organophosphorus pesticide）是一类含有磷原子的有机酯类化合物，在体内与胆碱酯酶形成磷酸化胆碱酯酶，使胆碱酯酶活性受抑制，而产生毒性作用的一类农药的总称。它们具有高效能，低成本，低残留等特点，是目前农业生产中使用最广泛的一类杀虫剂。但其对生物体具有诱变性和致畸形，对哺乳动物的神经系统和免疫系统的伤害尤为突出[1]，所以预防和控制有机磷农药长期大规模生产和使用导致的各种环境污染及食品污染就显得非常关键。妥善地解决有机磷农药生产使用过程中造成的环境污染和食物链累积问题，研究经济实用、安全有效的净化措施，快速有效去除农药残留，使之向毒性更小甚至无毒的方向转化成为国内外学者们广泛关注和研究的方向。本文将介绍有机磷农药的分类与毒性，降解机理及降解与代谢方法的研究进展。

2　有机磷农药的分类与毒性

世界上有机磷农药商品已达150多种，我国常用的有30多种。大部分有机磷农药不溶于水（乐果、敌百虫除外），易溶于有机溶剂，在中性和酸性条件下稳定，在碱性条件下易水解而失效。其品种在结构上具有许多共性，主要有五种结构类型：磷酸酯型（如敌敌畏、久效磷）；硫代和二硫代磷酸酯型（如对硫磷、乐果）；磷酰胺和硫代磷酰胺型（如甲胺磷、棉安磷）；焦磷酸酯型（如治螟磷）；膦酸酯和硫代膦酸酯（如敌百虫、苯硫磷）。

根据其毒性强弱可分为四类：剧毒类：LD50＜10mg/kg（如甲拌磷、对硫磷、内吸磷）；高毒类：LD50＜10～100mg/kg（如甲基对硫磷、甲胺磷氧乐果、敌敌畏）；中毒类：LD50＜100～1000mg/kg（如乐果、乙硫磷、敌百虫、毒死蜱）；低毒类：LD50＜1000～5000mg/kg（如马拉硫磷）。部分有机磷农药不易氧化、分解，也难被微生物降解，能长期在环境中滞留，有的还可能发生化学变化，转化成为毒性更强、危害性更大的二次污染物，同时，残存于植物体内的成分可以通过食物链的富集作用，使食物中农药残存量超过卫生标准。近年来，我国陆续出台有关措施禁止了甲胺磷、对硫磷、甲基对硫磷、久效磷、磷胺、草甘膦等有机磷农药的生产与销售；禁止甲拌磷，甲基异柳磷，内吸磷，灭线磷，硫环磷等在蔬菜、果树、茶叶和中草药材上使用；禁止氧乐果在甘蓝和柑橘树上使用；从2016年12月31日起，禁止毒死蜱和三唑磷在蔬菜上使用[2]。同时，高效低毒的新型农药发展很快，逐步取代了一些剧、高毒品种，使有机磷农药的使用更安全有效。

3　有机磷农药的降解与代谢的机理及方法

3.1降解与代谢机理

有机磷农药的降解与代谢是指有机磷农药在光源、浓度、温度、氧化剂、微生物、pH值等环境因素作用下，通过破坏磷脂键使其结构从对环境有害的有机磷大分子逐步转化成对环境无害的CO2、PO43-、H2O等小分子的过程。其降解与代谢的过程一般分为三步[3]进行：第一步，通过初步降解使有机磷农药的母体结构消失，特性发生变化；第二步，通过次级降解使得到的产物不再污染环境；第三步，通过最终降解使上级降解产物完全转化为CO2、PO43-、H2O等无机物。其降解方式主要有三类：以吸附、超声波、洗涤和电离辐射等为基础的物理降解；以水解，氧化分解和光降解为基础的化学降解；以微生物、降解酶和工程菌等为基础的生物降解与代谢[4]。

3.2物理降解

3.2.1吸附降解

土壤及水体中颗粒物的吸附作用是减少有机磷农药对环境危害的一个重要途径。欧仕益[5]等通过对甲胺磷和敌敌畏的吸附试验研究，结果表明：麦麸水中不溶性膳食纤维—木质素对农药的吸附能力较强，能将农药剂量吸附至安全水平，降低农药引起的家蝇死亡率。木质素在木本植物中占25%，因此，大量的木本植物都可以用作天然吸附剂去除污染土壤中的有机磷农药残留。

3.2.2洗涤和电离辐射降解

洗涤和电离辐射降解主要用来降低果蔬中的农药残留，是保证果蔬食用安全的最后一道防线。刘伟森等[6]采用气相色谱（GC）对经过不同洗涤方法处理的娃娃菜中敌敌畏和乐果的残留量进行分析，结果表明：超声波水泡、清水、食用碱、洗洁精等均能不同程度的去除娃娃菜中的农药残留，其中洗洁精对敌敌畏和乐果残留的去除效果最佳，去除率分别为84.38%和76.11%。这与洗洁精既有亲水基团也有亲油基团，既能溶解脂溶性有机磷农药，也能溶解水溶性有机磷农药的性质符合。电离辐射降解有机磷农药残留快速、高效，同时兼具灭菌保鲜作用，对不同化学成分的农药的降解效率不同。电离辐射量与降解率的关系没有规律可循，有些农药随辐照量增加而增加，有些则相反。

3.2.3超声波降解

超声波降解技术是近十年发展起来的降解技术。有机磷农药的超声降解机理可理解为热机制、机械作用和超声空化致氧化还原反应三种作用的综合。处于超声场中的液体空化气泡在超声作用下在极短时间内崩溃，空化泡崩溃的瞬间，会在其周围极小空间范围内产生出1900～5000K高温和超过5.065×109Pa的高压，温度变化率高达109K/s，并伴有强烈的冲击波和时速高达400km/h的射流，这些极端环境足以将泡内气体和液体交界面的有机磷农药加热分解，并打断难以断裂的化学键，从而促进有机物进行类似燃烧的化学反应[7]。钟爱国[8]用超声波诱导降解模拟水溶液中低浓度的乙酰甲胺磷，探讨了声频、声强、辐照时间、初始浓度、溶液温度、pH和外加亚铁盐或H2O2等助剂对降解效果的影响。研究结果表明：用频率为22kHz、声强80W/ cm2的超声波辐照120min初始浓度为1.0×104mol/ L，t=30℃，pH=2.5,Fe2＋＞50mg/L,充O2至饱和条件下的乙酰甲胺磷，乙酰甲胺磷降解率达到99.3%。Golash等[9]研究了用低频超声降解废水溶液中的敌敌畏的可行性试验，探讨了声强、pH、温度、助剂等因素对降解效果的影响。试验结果表明：敌敌畏的降解率随着声强的增加而增大，反应器的类型不同，降解效果影也不一样；酸性环境下有利于降解，pH=3时降解效果最佳；温度对敌敌畏降解效果影响不大；超声波与Fenton试剂对于敌敌畏的降解具有协同效应。用频率为20kHz、声强为0.34～0.68 W/mL的超声波辐照120min浓度为20ppm、t=25℃、pH=3、FeSO4与H2O2之比为3:1的条件下的敌敌畏废水溶液，溶液中敌敌畏的降解率可达100%。孙红杰[10]等研究了甲胺磷农药废水在超声作用下的降解反应动力学、功率、影响降解速率的因素等问题。结果表明，甲胺磷的降解率与超声反应时间基本呈线性关系，具有一级反应动力学特征；低频范围内改变超声波频率对甲胺磷降解的影响很小；增大超声波功率、声强和变幅杆直径，甲胺磷降解率明显提高，变幅杆直径为25mm时降解率可达61.7%；溶液pH值对甲胺磷的降解影响显著，酸性条件有利于其降解；充入不同空化气体对甲胺磷降解率的影响大小排列顺序如下：空气＞Ar＞O2＞N2。

3.3化学降解

3.3.1水解

水解反应主要用来治理从农药厂排放出的含有硫代磷酸酯和磷酸酯的农药废水。根据催化剂的不同分为碱性水解法和酸性水解法。水解反应作为降解环境化学物质的最主要反应之一，曾经被环境监测仪器部门应用。由于有机磷农药的水解发生在磷原子与有机基团连接的单键结构上，而OH-取代有机基团的能力比H＋强，所以，有机磷农药的碱催化水解要比酸催化水解容易得多。

3.3.2高级氧化降解

高级氧化法（Advanced Oxidation processible,简称AOPs），适合处理浓度高、毒性大、成分复杂、降解难的有机磷农药废水。它克服了普通氧化法存在的问题，并以其独特的优点越来越引起人们重视。AOPs最显著的特点是以羟基自由基为主要氧化剂与有机物发生反应，反应中生成的有机自由基可以继续参加OH的链式反应，或者通过生成有机过氧化自由基后，进一步发生氧化分解反应直至降解为最终产物CO2和H2O，从而达到氧化分解有机物的目的。典型的均相AOPs过程有近几年发展起来的湿式氧化法、Fenton试剂氧化法、臭氧氧化法、超临界水氧化等，在高pH值情况下的臭氧处理和某些光催化氧化也属于AOPs过程。

胡克源[11]报道了用湿式氧化结合生物氧化两步法处理有机磷农药生产废水的研究结果。结果表明：在较缓和条件下，湿式氧化一步可去除有机磷80%～90%，有机硫90%，较大幅度降低了废水的COD值。侯纪蓉[12]用湿式氧化法处理氧乐果废水，有机磷除去率超过95%，有机硫除去率达到82%。Fenton试剂氧化法相对于其他高级氧化法而言，具有操作简单，费用便宜，对环境友好等优点。陈胜斌[13]等探讨了Fenton试剂（包括标准Fenton试剂、改性Fenton试剂、光-Fenton试剂，电-Fenton试剂及配体-Fenton试剂）降解有机物的作用机理，得出结论：Fenton试剂氧化法对一些难降解的有机物有较好的降解效果，但反应效果受到H2O2与Fe2＋浓度、pH值、温度等反应条件的影响。李洪斌等[14]以草酸铁／过氧化氢为光氧化剂，利用自制的平板型光反应装置对有机磷农药乐果进行降解试验研究，结果表明有机磷农药乐果能被有效地降解。H2O2以其反应活性强，反应产物为无污染的H2O和O2、不产生二次污染、不引起废水的盐碱化、过量使用也不会引发污染问题等优良性能被作为“最清洁”的化学品在高级氧化技术方面得到长足发展。方剑锋[15]等研究了H2O2对甲胺磷、毒死蜱、久效磷的降解性能及影响因素，得到用H2O2处理的有机磷农药比不加时的降解率提高5～13倍的结论。

目前仍有很多学者致力于H2O2催化降解法的改进研究。以H2O2光催化降解为依托，通过综合各种途径来提高H2O2的降解能力，扩大其可降解有机污染物的范围。O3的分解产物为O2，对蔬菜品质无影响且对环境不会造成污染，是理想的蔬菜清洁物质。其对有机磷农药的作用形式有两种：一种是O3与有机磷农药的双键直接发生反应，这种反应具有较强的选择性；另一种是O3分解产生羟基自由基· OH，通过OH与有机磷农药进行氧化反应，这种方式不具有选择性。张翼[16]等通过臭氧氧化法降解模拟废水中的有机磷农药发现，只用臭氧的去除率为78.03%；在催化剂A存在下，去除率可达到93.85%；在催化剂B存在下，去除率可达到88.35%。试验结果表明：在催化剂存在下，臭氧氧化法处理效果更好。国外通过将H2O2与O3或紫外光（Ultraviolet light，简称UV-light）组合，促进羟基自由基·OH的产生这一技术，治理地下水污染、净化城市饮用水。超临界水氧化（Supercritical Water Oxidation，简称SCWO）技术的原理是以超临界水为反应介质，经过均相的氧化反应，将有机物快速转化为CO2、H2O、N2和其他无害小分子。林春绵[17,18]等研究了甲胺磷、氧乐果在超临界水中的氧化降解。结果表明：超临界水氧化技术能有效地降解甲胺磷，COD去除率最高可达97%以上。随着反应温度的升高、压力的增大、停留时间的延长和初始废水浓度的增大，COD去除率也随之提高。超临界水氧化技术在处理各种废水和剩余污泥方面已取得了较大的成功，其缺点是反应条件苛刻和对金属有很强的腐蚀性，目前许多研究者正在尝试将催化剂引入超临界水氧化工艺过程中。

3.4微生物降解与代谢

相对于物理、化学降解技术，以微生物降解为主的生物降解与代谢更具优势。在生物降解与代谢活动中，动物、植物和微生物都可以降解有机磷农药，但动植物代谢周期长，局限性较大。而微生物降解法以其强大的代谢多样性，降解产物对环境没有二次污染等优点成为有效去除农药残留的绿色生产技术。目前研究比较多的是降解菌的分离、酶促代谢及其基因工程菌。

3.4.1降解菌的分离与获取

降解有机磷农药的菌群主要包括细菌和真菌。目前，获取降解有机磷农药菌株的途径主要三种：（1）直接从污染源中获取能降解有机磷农药的菌群。沈雨佳[19]等从农药厂污泥中分离到一株能以辛硫磷为唯一碳源生长的戴尔福特菌属（Delftiasp）的细菌XSP-1；（2）通过向土壤中人为多次喷洒有机磷农药进行定向培育，筛选出优良的能降解有机磷的菌株。王永杰[20]等通过对有机磷农药降解菌地衣芽孢杆菌进行紫外诱变育种，筛选出突变菌株P12，降解率比出发菌提高了10%。降解菌的成功分离可为寻找并通过基因克隆高效表达有机磷降解酶以及进一步研究降解菌的协同作用对有机磷农药的降解效果提供依据。

3.4.2有机磷的酶促降解代谢

研究表明，一些降解代谢酶往往比产酶微生物自身更能耐受异常的环境条件。此外，由于酶的代谢不受碳源影响，所以降解与代谢效果也远胜于微生物本身。无论是单一还是共生的微生物对有机磷农药的降解代谢都是在酶的参与下进行的，微生物体内存在的各种酶都有降解代谢特定农药的酶系基因。降解代谢酶能够作用于磷酯键部位使磷酯键断裂，生成羧酸和醇，再进一步氧化、脱氢，从而使其脱毒。因此，可以认为微生物对有机磷农药的降解代谢主要是酶促降解。已知的有机磷农药降解酶有水解酶、氧化酶、还原酶、裂解酶、磷酸变位酶等，它们单独或协同作用于有机磷农药的不同位点，促使其键断裂，实现脱毒[21]。其中有机磷水解酶是迄今发现的广泛存在于生物体内的唯一一种可以断裂S-P键的酶，并以分解底物宽、分解条件温和、无须辅酶等而成为最具应用前景的一种酶[22]。艾涛[23]等从常年施用有机磷农药乐果的土壤中，通过富集培养和平板稀释法，分离得到一株具有一定的广谱性、较强降解乐果能力的真菌菌株L3。实验结果表明：L3在查氏培养基中最高能耐受6000mg/L的乐果，在28℃、pH6.0的条件下生长较好，120h对乐果、乙酰甲胺磷、辛硫磷的的降解率分别达到29.2%、65.9%和95.3%。利用一种微生物可同时产生多种农药降解酶这一特点，可将各种有机磷农药降解酶基因克隆到同一菌体内，制成基因工程菌，使降解酶得到高效表达。

3.4.3基因工程菌构建

工程菌就是采用生物工程技术将多种微生物的降解性基因从细菌中取出，然后组装到一个细胞中，使这个菌株集多种微生物的降解性功能于一身，从而可以降解多种化合物的新型微生物。工程菌具有功能多、效率高和适应性强、对环境友好等特点，同时克服了混合微生物之间的相互制约。构建高效的基因工程菌主要是通过对有机磷水解酶进行遗传改造，大幅提高有机磷农药的降解效率。目前较为广泛的方法有两种：一种是将几种有机磷降解酶的基因同时转入到同一个表达载体，使该工程菌能够同时编码几种有机磷降解酶，扩大其对有机磷农药的降解谱。戴青华等[24]通过多聚酶链式反应技术在有机磷降解菌株苍自杆菌属细菌的总DNA上扩增了能降解多种有机磷农药的有机磷水解酶基因tpd，构建重组质粒ptpd，在辅助质粒的帮助下将tpd转移到具有强大代谢能力的恶臭假单胞菌中。获得的工程菌能降解多种有机磷农药及芳香烃化合物，其有机磷水解酶活性较出发母体菌株提高了1倍左右，且遗传性状稳定。另一种可以通过蛋白质工程手段对活性蛋白的一个或多个氨基酸的编码基因进行定点突变，使降解酶的结构发生变化，进而提高酶的降解能力。Schofield[25]等将OPH基因的特定密码子突变，筛选出高效有机磷降解突变体，结果表明载有突变OPH基因的大肠杆菌对内吸磷的降解活性提高了177倍，对马拉硫磷的降解活性提高了1800倍。

3.5其他农药降解代谢方式

除了上述各种人类积极主动探索的降解代谢方式外，光降解对分布在大气、水体及土壤表面的有机磷农药起着重要的降解作用。喷洒到农作物表面的有机农药除少量被植物吸收代谢外，大部分被光解。光降解的实质是农药分子化学键的断裂，有直接降解和间接降解两种方式。哺乳动物、鱼类、植物和昆虫的体内代谢，也会降解部分有机磷农药。

4　结语

除物理降解外，化学降解和生物降解代谢有机磷农药的降解机理均为酯键的断裂。目前超声降解有机磷农药污染废水大多属于实验室研究阶段，实际应用中还需要考虑其合理性、经济性以及化学反应器设计等，与其他降解技术联用，实现多种技术的优化组合联用是超声降解技术的发展方向。AOPs虽然降解有机磷农药效果明显，但其成本高且容易造成二次污染，主要作为目前比较广泛应用降解技术的补充而采用。基因工程菌在降解有机磷农药及生物修复中受到人们的高度重视并具广阔的发展前景。降解菌的分离与筛选及其降解效果的研究是目前的研究热点，但多种降解菌协同作用于降解目标物的研究较少。

展望未来，充分利用细胞工程中原生质融合技术、基因工程中基因重组技术等方法提高微生物筛选技术，获得高效降解酶基因，建立高效降解基因库，从遗传学角度上对降解有机磷农药的微生物菌群及降解酶进行更深入的研究，从基因水平上阐明降解酶基因的表达调控机理，构建出更高效的工程菌，提高降解菌株的降解能力，拓宽降解谱具有重要意义。对降解有机磷农药的微生物的降解机理以及其代谢途径，代谢产物的类型等进行深入研究将为寻找快速简捷、廉价有效的去残修复方法提供理论依据。

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通讯作者：△王雪梅，Tel:0931-7971035，E-mail:wxm98@163.com

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.21467028)；甘肃省科技支撑计划项目（1304GKCA042）；2014年陇原青年创新人才扶持计划。

中图分类号：S482.3+3