有机磷类农药微生物修复研究进展

魏语宁，刘春光，付海燕,4，吴 桐，宋福强，马玉堃，杨峰山

（1黑龙江大学农业微生物技术教育部工程研究中心，哈尔滨 150500；2黑龙江大学生命科学学院，黑龙江省寒地生态修复与资源利用重点实验室，哈尔滨 150080；3黑龙江大学生命科学学院，黑龙江省普通高校分子生物学重点实验室，哈尔滨 150080；4东北林业大学，哈尔滨 150040）

0 引言

中国农业有害生物防控目前仍以化学农药应用为主，常用种类为有机磷类、氨基甲酸酯类、有机氯类、拟除虫菊酯类、酰胺类等[1]，其中有机磷类农药1950年由美国氰胺化学公司研发低毒杀虫剂马拉硫磷并被使用以来，有机磷类农药的使用量已经占全部农药用量的一半以上，随着其使用量的增加，带来的残留污染也日益得到关注，目前研究有机磷类农药污染环境修复主要途径有氧化降解、生物降解和光催化降解[2-3]，微生物降解由于所需要的能耗低，不易造成二次污染，成为科研人员关注热点方向[4]。本文系统归纳总结了有机磷类农药降解微生物种类、降解机制、存在问题，并提出微生物修复未来发展趋势，以期为该方向同类研究提供依据。

1 现状

1.1 农药土壤污染现状

农药的应用可以有效防治病、虫、草害，促进农作物增产，目前中国常规生产和应用的各种农药品种有150多种[5]，年产量大于20万t，其中杀虫剂占比为40%，除草剂占比为36.45%，杀菌剂和其他类农药分别约占22.13%和1.42%。但农药的超范围以及过量施用，也很容易对环境造成影响，其中最为严重的就是土壤污染。目前研究结果表明农药在喷洒使用过程中只有10%～20%可以吸附在植物体表面，有80%～90%将最终进入土壤，其中在土壤0～20 cm的表土层残留的农药达到80%以上，目前已经造成农药污染土壤达1600万hm2[6]，随着农业的迅速发展，各类农药使用量和使用时间不断累积，导致农药残留愈加严重，呈现点-线-面的立体式空间污染态势，而且农药对于土壤污染也存在较强的隐蔽性和滞后性，所以农药污染土壤的问题也越来越受到重视。如何解决农药污染成为目前政府和科研工作者关注的问题[7]。

1.2 有机磷类农药的使用现状

马拉硫磷最先研制应用以来，国内外农药公司随后又相继研发出敌百虫、乐果、久效磷、氧化乐果、马拉硫磷、毒死蜱等种类，据统计，中国有机磷类农药的年应用量达到10万t，使用的有机磷类农药品种约为30种，而全世界使用有机磷类农药品种已超过百种[8]。所以不管在产量、品种的数量还是在市场占有率方面有机磷类农药都位居各类农药的前列[9]。由于有机磷类农药的大量使用和持续性污染，使其污染情况更受关注[10]。

1.3 有机磷类农药微生物修复研究进展

1.3.1 有机磷类农药微生物降解机制 目前各类农药的生物修复主要包括微生物修复、植物修复和菌根修复等[11]，微生物修复是通过其自身的代谢活动对周围有毒有害物质进行降解和转化，修复受破坏的生态环境，达到治理环境的目的。微生物修复方式分为原（异）位修复和原-异位联合修复，用于修复的微生物分为土著微生物和外源微生物2种。微生物降解农药的作用方式可以分为两大类，一是微生物直接作用于农药，通过酶促反应降解农药，即微生物通过依靠氧化还原酶类、水解酶类、裂解酶类和转移酶类直接作用于有机磷农药，使有机磷农药中的P-O键、P-S键、P-N键断裂，达到降解有机磷农药的目标，其降解形式主要有水解、合成、氧化、还原、脱氢、脱羧、脱卤、缩合、异构化等几种类型[12-14]；二是非酶促反应，它是通过微生物代谢活动改变周围的物理和化学环境从而间接作用于农药。降解机制研究分为3个阶段，从初级降解使有机磷农药的母体结构消失、特性发生变化，到次级降解使降解得到的产物不再导致环境污染。再到最终降解使有机磷类农药完全转化为CO2、H2O等无机物[14]。

1.3.2 有机磷类农药降解微生物研究概况 国内外对环境污染中残留农药微生物降解研究始于20世纪40年代末[2]，随后大量试验研究发现能降解有机磷类农药的有细菌、真菌、藻类等[15]，这些微生物是从有机磷类农药污染的场地提取土壤样品后直接筛选或者在实验室模拟外界存在有机磷污染的情况进行富集培养、平板划线等方式获得[16-17]，之后对其进行分离鉴定。本文系统总结近年有机磷类农药降解功能微生物种类及降解特性（表1），降解细菌菌属种数最多，涉及20类，占比约为79%，假单胞菌属和芽孢杆菌属筛选鉴定菌种更为丰富，分别约占总细菌种类的26%和16%；部分真菌和藻类对有机磷类农药有降解作用。细菌能降解常用有机磷类农药种类有15种，而真菌和藻类能降解常用有机磷类农药的种类分别为9种和3种，许多菌属表现对有机磷农药光谱降解特性。

表1 有机磷类农药降解功能微生物汇总表

2 存在的问题

随着政府、科研人员对生态环境日益关注，农药污染产生土壤退化、微生物群落结构失衡、农产品安全等问题亟需解决，科技人员针对农药产生生态环境污染的修复提出许多新的解决思路和治理方法[52-56]。尤其有机磷类农药污染带来的系列问题，现有报道各种有机磷类农药污染的修复方法相比较而言，微生物修复技术可以完全降解该类农药，对环境造成二次污染影响小，而且目前筛选出的降解微生物种类也很丰富，有利于提高修复效率，该技术研究和应用成为热点方向之一。但是这些功能微生物由实验室研究到农业环境应用还有许多问题需要深入探讨，首先需要考虑环境因素影响，微生物融入土著微生物群落需要适宜环境条件，不同作物种类、不同耕作区域的温度、湿度、pH、光源等因素均会对外源微生物定殖产生影响[56-58]；其次如何确保功能微生物优先选择有机磷类农药作为主要能量来源，微生物适应性进化产生优先利用单糖繁殖特性，在其生存环境中由于由单糖、寡糖和多糖供应条件下会屏蔽不易降解的农药，这也是很多在实验室降解特性高、降解农药谱广的菌种资源在实践应用差的主要原因；第三功能微生物自身安全性评价以及对农药降解产物的毒性研究也需要长期的监测与分析，农药降解功能微生物种类需要是致病菌近源种，是否具有致病属性和安全隐患需要系统研究，而且在增殖过程中产生的次生代谢物种类也很复杂，农药逐级降解产物种类和毒性都需要在未来的研究中予以解决。最后就是功能微生物如何在土壤环境的定殖以及与土著微生物共生问题，任何特殊环境微生物群落结构由于长期的适应性进化而产生动态平衡都具有一定的稳定性，外源功能微生物进入需要打破现有平衡，构建新的群落结构涉及复杂的微生物生态内容，需要长期系统的观测和验证才能得到答案，而且土著微生物对施用外源微生物的降解功也会产生抑制作用[59]，未来功能微生物在农业生产实践应用还需要深入研究。

续表1

3 展望

在今后的研究中，有机磷类农药污染的微生物修复应从以下几个方面加强：首先菌株资源是农药生物修复的基础，要不断创新，通过多途径、多方法分离和筛选具有高效降解有机磷类农药的新菌株，加速构建高效有机磷类农药修复降解菌的种子库。其次降解机制研究是农药修复技术应用的前提，要深入研究降解菌对有机磷类农药的降解分子机制，明确代谢中间产物及其对环境潜在影响，进而利用功能菌株降解机制优化降解效能，以达到更高的降解率。另外复合菌剂研发与应用是促进有机磷类农药降解的方向，通过不同具有协同效应的菌系复配，综合利用不同降解机制菌株，促进对有机磷类农药的完全无害化高效降解。最后微生物固定技术是保障，通过微生物包埋和固定化，营造降解功能微生物独立的生存空间，同时包埋材料能够将土壤残留农药吸附到功能菌株周围，促使功能微生物最大化利用农药作为能量来源，增加微生物持续降解效率。在不同的环境条件下也要将微生物修复技术与其他环境污染修复技术有效的联合应用，使其达到事半功倍的效果[60]。建立科学合理的微生物修复评价指标体系也是非常重要的。通过这些方面深入研究，将会推动有机磷类农药微生物降解的研究进入更高层次，同时也能为解决环境中有机磷类农药污染土壤的问题奠定坚实基础。