粘质沙雷氏菌在环境修复与农业虫害生物防治的研究概述

李 晴,吴建凯,林志艺*

(1． 福建农林大学林学院/ 生态公益林重大有害生物防控福建省高校重点实验室, 福州 350002;2.福建省林业科技推广中心,福州 350000)

重金属污染、化学药剂污染和植物病虫害在世界范围内对现代农业均造成了数以亿计的重大经济损失。由于矿产资源的大规模开发利用与快速的工业生产的发展,大量含有重金属的污染物以各种途径进入了自然环境中,导致环境中产生了严重的重金属污染[1]。化学农药在杂草控制虽然有很多优势,然而杂草对农药的免疫力增和环境药物残留的问题不容忽视。我国已建立起以化学与物理手段进行生物修复与病虫害防治的主要控制措施,但化学与物理方式带来的二次环境污染加重,害虫抗药性的增加和经济上的高成本,因此,急需寻找一种更为绿色清洁高效的防控措施。粘质沙雷氏菌(Serratiamarcescens)是沙雷氏菌科中一种典型的昆虫共生菌,广泛存在于自然界与昆虫肠道体内,是良好的生物防治工程菌株,同时有研究发现沙雷氏菌也可用于修复土壤和去除水体中的重金属。文章针对近年为对沙雷氏菌在环境生物修复与农业病虫害生物防治方面的研究进行了总结论述。

1 沙雷氏菌的生物修复作用

1.1 重金属生物修复

1.1.1 重金属耐性 重金属污染是当今环境保护时的重点探讨对象之一,我国常见且危害严重的重金属有镉、铬、铜、锌等,各种种类的重金属拥有着相似却又不相同的污染机制,传统的化学治理程序既昂贵又容易产生二次污染。所以,安全绿色的微生物修复技术成为了如今研究的热点之一,其包括使用土壤原生微生物或使用能够吸收或降解外界污染的外源微生物,将其投入土壤环境中来修复被污染的环境水体和土壤[2]。但由于重金属对生物的高毒力,重金属生物吸附的难点和关键点在于如何寻找到能够对土壤重金属拥有高耐受力的工程菌株且明确菌株对重金属进行生物吸附的内在机制。

在近期的研究中为了寻找到有高耐受性的工程菌株,最常见的方法是从重金属污染的土壤或水体中大范围进行分离,以寻找出通过特异性变异产生高耐受性的土壤原生微生物。为了寻找到重金属耐受性的功能微生物并研究重金属微生物的吸附机制,陈亚奎等[3]从重金属严重污染的土壤中寻到一株对Cd2+有高耐受力的粘质沙雷氏菌HB-4,同时对菌株的重金属吸附机制进行了探究,结果表明该菌株主要以胞外吸附进行重金属吸附,同时少量的胞内吸附加强了菌株的吸附能力,HB-4对重金属高而稳定的吸附,使其在废水及土壤处理具有潜在的应用前景。但环境的污染并不像实验室中都为单一重金属污染,因此伍迪等[4]探索粘质沙雷氏菌对土壤中3种危害严重重金属U (Ⅵ)、Co (Ⅱ)、Cr (Ⅵ)混合后耐受性的变化。结果表明在U (Ⅵ)-Co (Ⅱ)-Cr (Ⅵ)3种混合的重金属中,相较于粘质沙雷氏菌对于Cr (Ⅵ)金属的极低的耐受性,粘质沙雷氏菌在重金属混合后的可承受浓度提高到了30mg/L,证明了土壤中3种重金属的混合反而能够降低了Cr (Ⅵ)对粘质沙雷氏菌的毒性。上述研究通过对沙雷氏菌株对于各种重金属的耐药性的分析,为后续沙雷氏菌吸附土壤与水体中的重金属污染奠定了理论基础。

1.1.2 重金属清除 菌株对重金属的清除作用可分为细胞吸附和重金属还原成危害更小的还原态离子。为了研究粘质沙雷氏菌对重金属的吸附能力,何元等[5]为了研究微生物修复铬的重要菌株,从Cr污染环境中分离出来一株粘质沙雷氏菌S2。研究发现该菌株可耐受高达1000mg/L的Cr (Ⅵ),对 Cr (Ⅵ)的还原能力达到20mg/L,是电镀污染物排放标准(GB 21900-2008)的40倍,同时该菌株在还原Cr (Ⅵ)的同时易形成Cr (OH)3沉淀,利于Cr的除去,可有效应用于环境中的Cr (Ⅵ)污染的生物治理。何元[6]后续的研究探讨了金属元素对高耐铬性的粘质沙雷氏菌S1吸附铬元素效率的影响,结果表明S1在空白对照组中的除Cr(Ⅵ)能力仅为31.92%,而在含有实验金属的Cu2+、Zn2+、Co2+的含Cr(Ⅵ)金属LB中共同培养48 h发现S1的除Cr(Ⅵ)能力均有促进作用,其中Cu2+促进作用高达90.91%。刘媛等[7]从高铬环境中分离出了另一只粘质沙雷氏菌CM01,通过研究发现CM01与其他沙雷氏菌[8-9]相比有较强的Cr(Ⅵ)还原能力,除铬量最高可达40.8mg/L,是其他菌株除Cr(Ⅵ)量的两倍。针对重金属镉的微生物吸附研究中,王孟杰[10]分离到一株高镉抗性的Serratia sp. X10,研究发现在水稻室内与田间实验中,处理组的植株各部分镉含量均显著地下降(P<0.05),为了更明确的显示出镉毒害作用的降低,结果表明在水稻重要发育时期灌浆期,处理组中水稻的MDA含量和CAT酶活均显著地下降(P<0.05),表明处理组的胁迫环境更小。特殊的是,在本研究中王孟杰对重金属污染的土壤也进行了研究,发现与空白处理相比,Serratia sp. X10处理后的土壤中可利用形态镉下降了40%,难利用形态镉上升了72%,极大程度降低了重金属对土壤的污染。

1.2 微生物源除草剂

1.2.1 单菌株除草剂 现代化学技术的高速发展,使得高效便捷的化学除草剂成为了我国的重要除草途径,同时我国也建立起了以化学防治为中心的杂草防除技术体系[11]。然而,长期使用化学除草剂造成的环境污染问题也不容忽视[12],因此,许多研究人员开始关注对环境安全、绿色清洁的微生物除草剂。粘质沙雷氏菌Ha1菌株在近期的研究中被发现具有良好的除草活性,李鑫等[13]发现运用Ha1菌株发酵液对玉米田6种常见杂草反枝苋、马唐、苘麻、牵牛、稗草、虎尾草进行茎叶喷雾处理,发现6种植株在3～5d后均出现一些不良症状,如萎蔫失绿和干枯。同时针对上述玉米田中常见6种常见杂草的平均防效为47%以上。杨娟[14]采用Ha1菌株粗提物对马唐种子进行室内测试,发现Ha1对发芽过程中的马唐种子的根和芽均有抑制作用,对马唐根长和芽长的IC50值分别为2.828mg/mL和3.332mg/mL, 为马唐成苗前封闭除草剂的研发奠定了基础。

1.2.2 复合菌株除草剂 但Ha1颗粒剂如同大多数微生物除草剂一样,相比化学除草剂的除草效果相对较低,对杂草严重发生情况或者恶性难除杂草的防治效果不理想。在此基础上,李鑫等[15]进行了进一步的研究,发现常用的3种化学除草剂扑草净、精异丙甲草胺和莠去津与Ha1菌株的相容性均较好,实验结果表明70%推荐剂量的化学除草剂与Ha1颗粒剂复配使用,对马唐、稗草和苘麻的防除效果远远高于Ha1颗粒剂个体和化学除草剂个体的防除效果,且增效均高于50%。但与Ha1混用的化学除草剂仍会对环境土壤造成少量污染,因此田赐等[16]选择利用黏质沙雷氏菌Ha1菌株与死谷芽孢杆菌07-1菌株进行复合菌剂制作,以减少化学除草剂的添加量。实验结果表明Ha1菌株复合菌剂与2种化学除草剂推荐剂量复配后室内除草活性测定中,所有处理组杂草全部死亡,抑制率达100%,同时发现Ha1符合菌剂对玉米的鲜质量无抑制作用。田间实验发现对减量30%的化学除草剂26%烟莠分散油悬浮剂与Ha1复合颗粒剂复配的处理对田间杂草28d的株数与鲜质量防效分别是85.16%和99.59%,较对照区的玉米产量提高了17.93%,增产作用明显。

2 农业虫害生物防治

2.1 农业虫害防治

我国的现代农业呈现出科技全面发展,经济稳定增长趋势,农业的持续蓬勃发展促使人们逐渐加强对无公害农产品的需求,促进了研究者对农业虫害生物防治的重视。农业害虫的不断扩散,导致了农产品的收益的大幅度下降,我国急需一种高效快捷的防治措施。目前我国以化学防治为主,但由于高频率且大量使用化学农药,已有报道称发现多种害虫种群均对常见化学农药产生不同程度的抗药性,同时带来了环境污染、农药残留的问题。大量的研究表明沙雷氏菌作为常见的昆虫共生菌,对如草地贪夜蛾、大蜡螟、小菜蛾,桔小实蝇等重大全球性农业害虫均有着良好的生物防治效果。

2.1.1 幼虫防治 不同类型的农业害虫在不同时期对农产品造成的危害不同,有些完全变态发育的昆虫往往在幼虫期对农作物造成最大的危害或由于某些害虫成虫期难以防治,因此对幼虫期的生物防治是近期研究的热点之一。吴正伟等[17]运用粘质沙雷氏菌ZJ9处理草地贪夜蛾幼虫,结果表明相交于常用的高效杀虫菌株苏云金芽孢杆菌,ZJ9处理1d的幼虫出现了显著提高的致死率。且在ZJ9感染后部分幼虫出现身体变软,体色显红,体壁易破裂,流出体液的现象。生测结果证明该菌对草地贪夜蛾3龄幼虫校正死亡率能达到80.21%。针对马铃薯重点危害昆虫马铃薯块茎蛾,研究也发现了粘质沙雷氏菌的优秀防治潜能,苏造堂等[18]分离到1株对马铃薯块茎蛾幼虫有强致病作用的菌株ML-1,分别菌悬液、发酵液及发酵上清液喂养3日龄幼虫发现其死亡率约50%,其中发酵液的幼虫死亡率达到了80.70%,运用发酵液进行进一步研究,得出处理后第3天的LC50值为9.784×1010cfu/mL。综上所述,对马铃薯块茎蛾幼虫有较强的毒力的粘质沙雷氏菌ML-1菌株具有一定的研发潜力,为马铃薯块茎蛾绿色防控提供了一条新的途径。甜菜夜蛾作为农业生产上重点危害昆虫,由于其杂食性的特点,甜菜夜蛾被发现可危害玉米、棉花、甜菜等170多种植物。赵晓峰等[19]对粘质沙雷氏菌的杀虫机制进行研究,结果表明杀虫机理可能是首先削弱幼虫中肠蛋白酶和淀粉酶的活性,通过幼虫取食能力的下降,降低肠道内消化酶的活性,最终甜菜夜蛾幼虫丧失了对食物的高消化吸收能力。同时由于幼虫的饥饿而使得虫体生理状况的虚弱,使得其更容易受病原微生物的入侵而感病。因此PS-1菌株导致的虫体败血症死亡的作用机理大致为,PS-1破坏幼虫肠道细胞从而进入肠腔并快速增殖使得虫体最终成为了PS-1发育的温床。

2.1.2 成虫防治 不完全变态的害虫在成虫时期对农产品造成毁灭性危害,如蝗虫过境,寸草不生,为农业的发展带来了巨大的阻碍,针对农业害虫成虫的防治迫在眉睫。金虹[20]在研究蝗虫的生物防治菌株的研究中发现了一株蝗虫有着极高的杀伤作用的粘质沙雷氏菌HR_3,在浓度为109cfu/mL的培养液感染蝗虫后,48h内致死率达85%以上,使得HR_3成为了蝗虫生物防治的良好潜在微生物农药选品。作为寡食性的十字花科害虫,小菜蛾成为了农业蔬菜类最严重的害虫之一,导致蔬菜农产品数以万计的经济损失。王俊峰等[21]通过对4株沙雷氏菌进行对小菜蛾化学杀虫剂氟苯虫酰胺的降解能力试验,发现粘质沙雷氏菌(NH6-2)能够在48 h内降解一半以上的氟苯虫酰胺,这个结果表明NH6-2可能是小菜蛾对杀虫剂产生抗性的重要原因之一。进而对敏感品系小菜蛾进行NH6-2的饲喂处理,发现在F1代中表现出了较高的抗氟苯虫酰胺的能力,解释了小菜蛾在自然环境中对氟苯虫酰胺产生抗药性的原因,为后续降低小菜蛾抗药性的研究奠定了基础。桔小实蝇是世界性检疫害虫,繁殖能力强,寄主范围广,危害热带和亚热带国家果蔬产业。曹甜等[22]通过给桔小实蝇成虫饲喂粘质沙雷氏菌 PS-1发现,桔小实蝇感染该细菌一周后死亡率高达100%。通过透射电镜观察了PS-1破坏桔小实蝇中肠上皮细胞的过程发现感染6 h后,中肠黏液层变薄,肠道上皮细胞出现异常空泡;感染12 h后,肠绒毛异常脱落,肠道上皮细胞大范围受损;感染24 h后,围食膜消失,细胞结构瓦解,明确了粘质沙雷氏菌PS-1对桔小实蝇的高毒力与其作为农业生物工程菌的潜力。近期的研究发现粘质沙雷氏菌对甜菜夜蛾的高致病性与致死机制,牛洪涛[23]等人通过粘质沙雷氏菌S-JS1菌感染甜菜夜蛾与斜纹夜蛾发现,粘质沙雷氏菌S-JS1对上述2种重要农业害虫的最小LT50值都在5.5～7.4d之间,处理9d后的校正死亡率在60%以上,对甜菜夜蛾和斜纹夜蛾均具有较高的致病力。

3 总结与展望

粘质沙雷氏菌作为优秀的生物菌株,在微生物修复重金属污染、微生物除草剂与农业害虫生物防治上均有着突出且极具潜力的表现。如今使用微生物源进行绿色无害防控已经成为当前研究的一大热点,近期的各类研究从菌株耐性、粘质沙雷氏菌的防控机制进行了多层次、多类型的深入研究,发现并分离得出了多种拥有良好重金属耐性与吸附性的菌株HB-4、S1、S2、CM01等,可分泌除草毒素拥有除草活性的菌株Ha-1等和在良好的害虫肠道共生菌ZJ9,HR_3,PS-1等。粘质沙雷氏菌在不同的需求场合大发异彩,可根据需要选择不同的种类。目前粘质沙雷氏菌在微生物防控上的问题主要在于2个方面,其一在于现在对于粘质沙雷氏菌主要防控机制的研究尚不明确,这对于后期进行粘质沙雷氏菌工程菌株的构建造成了不确定性。未来的研究可以朝着更基础、机理性的研究发展,为工程菌株的构建奠定理论基础。其二在于粘质沙雷氏菌是沙雷氏属在生物防治中应用最为广泛的昆虫病原菌,有研究表明粘质沙雷氏菌的致病机理可能是在昆虫的肠道内增殖,并在细菌侵入昆虫后引起昆虫败血症而导致昆虫死亡[24],但有发现称一些类型的粘质沙雷菌同时可以定殖于人体中, 是一种条件致病菌[25], 临床试验表明它能够侵入人体机体并引起肺部感染、脑膜炎、败血症等[26-27]。因此,在运用粘质沙雷氏菌进行环境修复于农业害虫生物防治的大量广泛使用前的早期阶段,粘质沙雷氏菌株必须对人类等脊椎动物的生物安全性与施用后环境生态安全性进行科学评估,以便对菌株的安全性及应用前景作出科学评价,望能早日研发出一种更高效绿色安全的粘质沙雷氏菌微生物制剂。