二甲戊灵微生物降解研究进展

邱 露，李昆太，程 新，彭帅英*

二甲戊灵微生物降解研究进展

邱 露1，李昆太2，程 新1，彭帅英1*

（1. 江西农业大学 生物科学与工程学院，江西 南昌 330045；2. 广东海洋大学 食品科技学院，广东 湛江 524088）

二甲戊灵是一种广谱、高效的二硝基苯胺类除草剂。由于人们对其大量的生产和使用，该农药残留已经成为重要的环境问题。传统物理化学方法降解农药残留成本高、效率低、易造成二次污染等问题，生物法因具有高效、安全、无污染等优势在农残降解方面有巨大的发展前景。为推动二甲戊灵生物降解的研究，文中综述了二甲戊灵微生物降解菌株、降解代谢途径、降解相关基因的研究进展，并对现阶段二甲戊灵微生物降解研究存在的问题及未来研究方向进行了讨论，以期为微生物降解二甲戊灵残留的深入研究提供参考。

二甲戊灵；二硝基苯胺类除草剂；微生物降解；代谢途径；降解基因

二甲戊灵是一种二硝基苯胺类的选择性除草剂，具有除草谱广、稳定性好、除草效率高等特点，在世界范围内运用广泛[1]。然而，二甲戊灵的大量使用也使其作为污染物在土壤、空气、水等环境中被检测出来，且残留于环境的二甲戊灵极易被动植物吸收，进入食物链与食物网，并通过生物累积效应对其他生物造成危害[2-5]。此外，有研究表明长期接触二甲戊灵将增加人类心血管疾病、慢性肾脏病、癌症等疾病的发生概率[6-8]。因此，解决二甲戊灵残留问题迫在眉睫。农药残留的降解方法主要有物理法、化学法与生物法。物理法是通过萃取、吸附、膜分离等手段去除农药的方法，其本质是将农药吸收转移，无法根除农药，并且具有成本高，处理效率低下等问题[9]。化学法是通过投入化学试剂（如臭氧），使农药发生化学反应，进而发生分解的方法[10]。此法能彻底去除农药，并具有反应速率快，处理效率高等优点；但化学试剂的使用将导致处理成本提高、二次污染等问题。基于物理法与化学法的种种缺点，人们将目光转向了生物法。生物法又名生物修复法，是指利用各种生物体（如微生物、植物）的作用降解农药为无毒小分子物质的方法[11]。相较于物理与化学方法，生物法具有降解效率高、成本低、绿色无污染、对环境友好等优点，而微生物因其体积小、繁殖快、适用性强等优点在生物降解方面具有独特的优势。因此，目前对于各类农药微生物降解的研究越来越多[12-16]。本文综述了目前国内外关于二甲戊灵微生物降解菌株、降解代谢途径、降解相关基因的研究进展，并指出了现阶段二甲戊灵微生物降解研究可能存在的问题及未来发展方向，旨在为后续微生物降解二甲戊灵残留的研究提供参考。

1 二甲戊灵的微生物降解菌株

二甲戊灵上市超过40年，在这期间，国内外研究者从环境中分离得到了大量的二甲戊灵降解微生物菌株，主要分为细菌、真菌、放线菌三大类[17-18]。菌株类型丰富多样，种属分布非常广泛，具体分类见表1。

表1 二甲戊灵降解菌株及其降解效率

续表1 二甲戊灵降解菌株及其降解效率

由表1可知，二甲戊灵降解细菌主要来源于芽孢杆菌属与假单胞菌属，降解真菌主要集中在青霉菌属、曲霉菌属与镰孢菌属，而降解放线菌极少，目前仅有sp.42、及Isolate A。此外，不同种属菌株对二甲戊灵的降解能力也有差异。例如，Ni等[41]从活性污泥中分离出了一株能以二甲戊灵为唯一碳源生长的芽孢杆菌Y3（Y3），该菌在培养2.5 d后几乎能完全降解100 mg/L的二甲戊灵。Han等[39]从连续施用二甲戊灵的土壤中筛选出了热带假丝酵母XSP6（XSP6），该菌5 d内对300 mg/L二甲戊灵降解率达到66.2%。综上，虽然目前获得了大量的二甲戊灵降解菌株，但高效降解菌株资源仍然稀缺，因此，发掘高效的二甲戊灵降解菌仍是当前二甲戊灵微生物降解研究的重要方向[18,42]。

2 二甲戊灵的微生物降解途径

农药的微生物降解是指微生物改变农药分子结构使其失活，最终转变为其它无害物质的过程，具体降解途径非常复杂。目前国内外研究人员主要通过色谱、红外光谱、质谱和核磁共振等技术鉴定微生物降解二甲戊灵过程中产生的代谢物，进而分析其降解二甲戊灵的具体方式，以此推测微生物内部二甲戊灵降解的完整过程。研究表明，微生物降解二甲戊灵的方式包括硝基还原、氧化N端脱烷基、环化、芳甲基氧化等[35,43]，且不同类型菌株降解二甲戊灵的方式不尽相同。图1展示了部分菌株代谢二甲戊灵的过程。

在图1中，Kole等[43]发现褐球固氮菌（）降解二甲戊灵的途径包含以下3种：一是通过硝基还原反应将二甲戊灵转化为6-氨基二甲戊灵；二是通过氧化N端脱烷基反应先将二甲戊灵转化为2，6-二硝基-3，4-二甲基苯胺，再经硝基去除反应或乙酰化作用转化为3，4-二甲基-6-硝基苯胺或N（2，6-二硝基-3，4-二甲基）苯乙酰胺；三是先通过芳甲基基团氧化的方式将二甲戊灵转化为2-甲基-4，6-二硝基-5-[(1-乙基丙基)氨基]苯甲醇，再经部分硝基还原、N端脱烷基及环化反应将前者进一步转化为2-甲基-4-硝基-5-N-（1-环丙基）-6-亚硝基苯甲醇。除硝基还原与氧化N端脱烷基反应外，环化产生苯并咪唑也是微生物代谢二甲戊灵的常见方式，有研究探索了这类化合物的形成机理。例如：岳纹龙[26]推断在芽孢杆菌WL-6（sp. WL-6）降解二甲戊灵过程中5种咪唑类的化合物的形成过程如下：在芽孢杆菌WL-6中，二甲戊灵经硝基还原反应生成6-氨基二甲戊灵，之后与细菌内部的甲酸结合，在N-烷基化酶作用下反应生成酰胺，由于酰胺苯环上与异丙烷相连的氨基易发生环羟化，因此进一步转化为苯并咪唑类物质（图1）。

此外，研究发现，新型降解菌株中还存在着新型的二甲戊灵代谢途径。例如，Ni等[41]发现芽孢杆菌Y3（Y3）先通过硝基还原作用将二甲戊灵转化为6-氨基二甲戊灵，再通过硝基还原和羧化作用进一步代谢为5-氨基-2-甲基-3-亚硝基-4-(戊烷基-3-氨基)-苯甲酸，最后通过环化与羟基化作用生成8-氨基-2-乙基-5-(羟甲基)-1,2-二氢喹喔啉-6-羧酸，展示出不同于其它微生物的代谢途径。

综上，微生物代谢二甲戊灵的方式非常多样，较常见的是硝基还原反应与氧化N端脱烷基化反应，有研究表明这两种反应是微生物解除二甲戊灵毒性的关键步骤，许多微生物如腐皮镰孢菌（）、列城芽孢杆菌XJU（XJU）、环状芽孢杆菌（）等降解二甲戊灵的过程均涉及这两种反应，产生6-氨基二甲戊灵、2，6-二硝基-3，4-二甲基苯胺等代谢物[24]。此外，随着新型降解菌株的发掘，二甲戊灵的微生物降解代谢途径也在不断丰富。然而，大部分研究仍停留于二甲戊灵降解的前三步反应，对二甲戊灵完整矿化途径的研究亟待解决。

3 二甲戊灵降解相关基因的研究

随着二甲戊灵降解菌株资源的不断丰富，二甲戊灵微生物降解的分子机制研究也有了一定进展，但目前关于二甲戊灵降解基因的报道仍较少。

朱鲁生等[20]通过碱裂解法提取出了芽孢杆菌HB-7中的质粒，该质粒能够产生降解二甲戊灵的酶系。2005年，More等[44]首次从环状芽孢杆菌（）中分离纯化出二甲戊灵硝基还原酶，该酶以NADPH为辅因子，能够催化还原多种硝基苯胺类除草剂。Ni等[25]从芽孢杆菌Y3中分离得到2种二甲戊灵硝基还原酶，分别为PNR与LNR，并且克隆得到了相应的基因与。研究表明，LNR与PNR均能将二甲戊灵还原为6-氨基二甲戊灵，基因缺陷株会丧失30%硝基还原活性，基因缺陷株则会损失60%。表明PNR蛋白与LNR蛋白均参与芽孢杆菌Y3的硝基还原反应，且LNR蛋白起主要作用。此外，当两种基因同时被敲除时，菌株仍可保留10 %的硝基还原反应活性，说明菌株内部仍存在其他类型的硝基还原酶基因，但目前未被发现，还有待进一步探究。

综上，二甲戊灵降解基因与酶主要来源于其高效降解菌株中，开发相关降解基因与酶能够为高效农药降解工程菌的构建提供直接可利用的资源，对于生物法降解农药残留的研究发展有一定帮助。然而目前微生物降解二甲戊灵分子机制的研究尚在起始阶段，相关基因与酶的报道较少。

4 总结与讨论

作为世界第三大常用除草剂，二甲戊灵在世界范围内运用广泛。与此同时，大量未被利用的二甲戊灵残留于环境中，对环境及各种生物都产生了不利影响[3,45]。在农药残留治理领域中，微生物降解法因其绿色、安全、环保、无污染的特点展现出了独特的优势，具有巨大的发展潜力。目前，国内外已经获得了大量的二甲戊灵降解菌株，阐明了部分菌株的降解代谢途径，降解分子机制的研究也有了一定进展，但现阶段二甲戊灵微生物降解研究仍然存在一定问题，具体有以下几点：（1）现有高效降解菌株资源少[19,42]；（2）未完全探明微生物体内降解二甲戊灵的完整途径[34,38]；（3）未评估二甲戊灵降解过程中部分中间代谢物的生态毒性[26,46]；（4）二甲戊灵降解基因研究进展缓慢[25]。针对这些问题，未来可以从以下几个方向进行二甲戊灵微生物降解的研究：①深入挖掘二甲戊灵高效降解菌株资源；②对菌株降解二甲戊灵的代谢过程进行深入研究，阐明完整的降解途径；③对二甲戊灵降解过程产生的代谢产物进行生态毒性评估；④对微生物降解二甲戊灵涉及的基因进行进一步研究，揭示微生物降解二甲戊灵残留的分子机制。此外，除草剂降解酶或脱毒酶资源不仅可以用于农残生物降解领域，在我国抗除草剂转基因作物研究方面也有一定价值[47-48]。目前发展较为成熟的是抗草甘膦转基因作物，但其大量种植及长期使用却带来了严重的杂草抗性问题，新型的除草剂降解酶基因的开发迫在眉睫[49-51]。而二甲戊灵作为一种使用范围广，性能优良的除草剂，可作为转基因工程领域的靶标农药，与之相关的降解酶或脱毒酶基因在抗除草剂转基因作物研究领域有着良好的发展前景[18]。因此，目前有关二甲戊灵微生物降解的完整矿化途径摸索，降解分子机制解析，降解相关基因与酶开发等研究还需进一步深入，以期用于实际的农残生物降解或抗除草剂转基因作物研发领域。

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Progress of Microbial Degradation of Pendimethalin

QIU Lu1，LI Kuntai2，CHENG Xin1，PENG Shuaiying1*

(1. School of Bioscience and Bioengineering, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China; 2. College of Food Science and Technology, Guangdong Ocean University, Zhanjiang, Guangdong 524088, China)

Pendimethalin is a broad-spectrum, highly effective aniline herbicide. Due to its widespread production and use, pendimethalin pollution has become a critical environmental problem. The traditional physical and chemical methods to degrade pesticide residues exhibit disadvantages such as high cost, low efficiency, and secondary pollution. However, biological method has great development prospects in pesticide residue degradation due to its high efficiency, safety and pollution-free advantages. In order to promote the study of pendimethalin biodegradation, the research progress of pendimethalin microbial degradation strains, degradation metabolic pathways, and degradation-related genes were summarized. Moreover, the possible problems and future research directions on pendimethalin microbial degradation researches were also discussed. All of this aimed to provide a reference for the further research on the microbial degradation of pendimethalin residues.

pendimethalin;; microbial degradation; metabolic pathway; degradation gene

X592

A

2095-3704（2021）04-0397-07

邱露, 李昆太, 程新, 等. 二甲戊灵微生物降解研究进展[J]. 生物灾害科学, 2021, 44(4): 397-403.

2021-09-27

2021-10-20

邱露（1998—），女，硕士生，主要从事微生物资源开发与利用研究，1518213411@qq.com；

通信作者：彭帅英，讲师，博士，psyinjxnd@jxau.edu.cn。