除草劑微生物降解的研究進(jìn)展

盧美名 尹雯悅 劉傳龍

摘要：除草劑施入土壤后會(huì)有一部分殘留在土壤中，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，關(guān)于后茬作物的安全性問(wèn)題一直受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。降解土壤中除草劑的主要途徑是微生物降解。主要綜述了4類常見(jiàn)除草劑（磺酰脲類、咪唑啉酮類、惡啉酮類、三唑并嘧啶磺酰胺類）的殘留危害和研究現(xiàn)狀，分析了微生物的降解途徑以及微生物在降解過(guò)程中所面臨的問(wèn)題和解決方案。

關(guān)鍵詞：除草劑；殘留；微生物降解

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）03-0005-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.03.001 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： After the herbicide is applied to the soil，a part of the herbicide remains in the soil，causing serious environmental pollution. The issue of the safety of the post-cultivated crop has been widely concerned by the society. The main way to degrade herbicides in soil is microbial degradation. This article reviews the residual hazards，current research status，degradation pathways，and the degradation of microorganisms in four common pesticides （sulfonylureas，imidazolinones，oxazolinones，triazolopyrimidinesulfonamides），problems and solutions.

Key words： herbicide； residual； microbial degradation

隨著農(nóng)藥的大量使用，土壤中殘留農(nóng)藥造成的環(huán)境污染已經(jīng)不容小覷，嚴(yán)重時(shí)不但影響土壤肥力和降低農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，甚至可能造成水污染，危害人體健康。大量研究表明，在自然環(huán)境中有大量的微生物能夠有效地降解土壤中殘留的農(nóng)藥，此外，生物降解的特點(diǎn)是無(wú)毒、無(wú)二次污染、價(jià)格低廉，是理想的降解途徑。微生物具有各種各樣的化學(xué)功能，如氧化還原、穿梭、脫氨和水解，其能量利用率極高，在降解領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛。

1 4類除草劑殘留危害及研究現(xiàn)狀

1.1 咪唑啉酮類除草劑

1.1.1 殘留危害 咪唑啉酮類除草劑在土壤中既不容易揮發(fā)也不容易發(fā)生光解，并且殘留時(shí)間長(zhǎng)， 施用除草劑金普施特2年之后，甘藍(lán)、甜菜和亞麻等作物仍不能生長(zhǎng)[1]。應(yīng)用甲氧咪草煙1年后，對(duì)油菜、甜菜、卷心菜、亞麻和馬鈴薯仍有不同程度的毒性，導(dǎo)致這些作物無(wú)法正常生長(zhǎng)；低劑量對(duì)白瓜種子無(wú)明顯傷害，高劑量對(duì)白瓜種子有明顯藥害[2]。

1.1.2 研究現(xiàn)狀 咪唑啉酮類化合物是一類ALS抑制劑類除草劑[3]。該類除草劑主要在有氧條件下被降解，其結(jié)構(gòu)通式見(jiàn)圖1。目前，能夠降解咪唑啉酮類除草劑的微生物主要為土壤中的細(xì)菌，包括酸單胞桿菌屬、產(chǎn)堿菌屬、芽孢桿菌屬、海球菌屬、節(jié)細(xì)菌屬、丙酸桿菌屬、無(wú)色桿菌等細(xì)菌，還有黑曲霉和放線菌。陳玉潔等[4]分離出了能夠降解咪唑乙煙酸的哈夫尼希瓦氏菌（Shewanellahafniensis）。后來(lái)又有人從土壤中分離出14株能夠降解甲氧咪草煙的菌種，包括8株細(xì)菌和6株真菌，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的降解效率明顯高于真菌。

1.2 磺酰脲類除草劑

1.2.1 殘留危害 磺酰脲類除草劑揮發(fā)性低，難以光解，只能通過(guò)水解和微生物降解的方式消除[5]?；酋ｋ孱惓輨┙到饴适苡袡C(jī)質(zhì)含量、溫度、土壤含水量、施用時(shí)間和化學(xué)結(jié)構(gòu)等條件的影響。由于此類除草劑為超高效除草劑，所以微量殘留就能藥害到當(dāng)茬和后茬作物[6]。通過(guò)一系列的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)該類除草劑敏感的作物包括白菜、小麥、大豆、紫蘇、甘蔗等。這類除草劑在土壤中具有相對(duì)較長(zhǎng)的剩余時(shí)間，并且在施用后兩年內(nèi)仍對(duì)敏感作物產(chǎn)生毒性傷害[7]。

1.2.2 研究現(xiàn)狀 磺酰脲類除草劑在全球范圍應(yīng)用很廣泛。然而，由于長(zhǎng)期不科學(xué)地施用農(nóng)藥，磺酰脲類除草劑在土壤中的殘留問(wèn)題引起高度關(guān)注。目前發(fā)現(xiàn)的可降解磺酰脲類除草劑的微生物類型包括真菌、細(xì)菌及放線菌（表1）。

1.3 惡啉酮類除草劑

1.3.1 殘留危害 惡啉酮類除草劑在土壤中具有持久的作用，在大豆田中每公頃使用超過(guò)1.66 L商業(yè)產(chǎn)品，對(duì)后期種植的玉米、高粱和稻谷的出苗沒(méi)有不利影響，但對(duì)小麥有嚴(yán)重的植物毒性，出苗率降低約20%，出苗白化率30%～40%。

1.3.2 研究現(xiàn)狀 微生物主要通過(guò)除草劑的礦化和共代謝來(lái)對(duì)農(nóng)藥進(jìn)行降解，農(nóng)藥被分解成無(wú)機(jī)物質(zhì)，不會(huì)對(duì)環(huán)境有危害作用。更復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)的降解過(guò)程需要各種微生物群落來(lái)協(xié)同完成。在各種微生物的交替、協(xié)同或連續(xù)生物轉(zhuǎn)化下完全礦化，可完全消除對(duì)環(huán)境的毒害作用。目前研究發(fā)現(xiàn)可降解的廣滅菌微生物包括曲霉屬、芽孢桿菌屬、甲基球菌和假絲酵母屬。異惡草酮分子式和其在工業(yè)上最廣泛應(yīng)用的合成路線見(jiàn)圖2。

異惡草酮的分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通過(guò)分離和富集兩種互利、相互依賴的同類細(xì)菌，通過(guò)協(xié)同作用增加了它們礦化的可能性。研究表明，真菌對(duì)底物具有特異性，并且還可以產(chǎn)生更多的胞外酶。這些研究為廣滅靈的降解提供了有效的理論依據(jù)。

1.4 三唑并嘧啶磺酰胺類除草劑

1.4.1 殘留危害 這類除草劑主要是通過(guò)防止支鏈氨基酸合成從而阻止蛋白質(zhì)的合成并最終阻止植物的生長(zhǎng)。大豆、玉米、小麥和馬鈴薯對(duì)它們具有高度抗性，而甜菜、油菜、向日葵、高粱和棉花對(duì)它們更敏感。大豆在剛出現(xiàn)時(shí)噴灑，藥害癥狀不明顯。大豆三葉期使用有輕微的植物毒性，但2～3周后植物毒性癥狀消失，大豆正常生長(zhǎng)。

1.4.2 研究現(xiàn)狀 迄今為止，關(guān)于降解三唑并嘧啶磺酰胺類農(nóng)藥的菌種相關(guān)研究較少，并未找到對(duì)該類農(nóng)藥有高效降解能力的菌種。

2 微生物降解原理、途徑和影響因素

2.1 土壤中微生物的降解原理

2.1.1 礦化原理 礦化作用可以是最理想的降解方式，微生物利用自身的酶降解農(nóng)藥，將農(nóng)藥降解為無(wú)毒水、無(wú)機(jī)物質(zhì)、二氧化碳等[17，18]。

2.1.2 共代謝原理[19] 可供碳源和能源的輔助因子可以幫助不能被微生物降解的新構(gòu)成的化合物部分降解。在自然條件下微生物不能通過(guò)共代謝的作用直接把獲取碳源和能源作為降解過(guò)程中的生長(zhǎng)基質(zhì)時(shí)，就會(huì)經(jīng)過(guò)進(jìn)化演變過(guò)程成為具有共代謝能力的微生物。其中共代謝作用在實(shí)際降解過(guò)程中因輔助因子等因素進(jìn)程會(huì)緩慢，并且降解程度也是有限的。

2.2 土壤中微生物的降解途徑

對(duì)于不同種類不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的農(nóng)藥，因其受環(huán)境因素以及微生物種類的影響，被降解的途徑有很多。因此由于農(nóng)藥種類多樣性及降解復(fù)雜性，往往是多種反應(yīng)協(xié)同進(jìn)行。

2.2.1 酶促作用[20，21] 利用本身對(duì)農(nóng)藥有降解作用的酶系基因，微生物會(huì)將農(nóng)藥直接作為惟一碳源和能源，分解成諸多分子量小的化合物，如果不產(chǎn)生這樣的酶系，則微生物可能經(jīng)歷基因突變或重組來(lái)尋求新的酶系。一般情況下，農(nóng)藥的微生物降解首先發(fā)生在農(nóng)藥原有結(jié)構(gòu)受到微生物作用于有機(jī)污染物的部分影響時(shí)，污染物完整度被破壞；接下來(lái)在環(huán)境允許的條件下微生物將有毒性的農(nóng)藥進(jìn)行降解，其他化合物同時(shí)被微生物同化，同時(shí)產(chǎn)生無(wú)毒或毒性較小的物質(zhì)。

1）氧化作用。在微生物降解農(nóng)藥時(shí)酶促作用方式中的氧化反應(yīng)起到很重要的作用。有羥基化、氧化偶聯(lián)、脫烴基等多種形式。如微生物通過(guò)酶系將氧加到苯環(huán)結(jié)構(gòu)上，然后插入一個(gè)羥基或形成一個(gè)環(huán)氧化物，形成易溶于水且極性很強(qiáng)的化合物即為羥基化。因此某種程度上苯環(huán)的羥基化是苯環(huán)開(kāi)裂和進(jìn)一步分解的先決條件。

2）水解作用。多為廣譜性酶的水解酶如酯酶、磷酸酶或酰胺酶等參與反應(yīng)，水解酶條件穩(wěn)定，無(wú)需輔助因子。水解反應(yīng)常用于含有醚類、酯類或酰胺鍵類結(jié)構(gòu)的農(nóng)藥降解中，水解產(chǎn)生的物質(zhì)毒性降低但穩(wěn)定性較差。

2.2.2 非酶促作用 非酶促作用方式指微生物自身不能夠直接使農(nóng)藥降解，而是通過(guò)借助某些輔助因子來(lái)參與農(nóng)藥的轉(zhuǎn)化并改變環(huán)境的酸堿條件或是通過(guò)促進(jìn)光化學(xué)反應(yīng)來(lái)促進(jìn)農(nóng)藥的降解。影響異惡草酮降解的因素主要有土壤的物理化學(xué)性質(zhì)、溫度、濕度和pH，研究表明其降解主要取決于微生物的作用。

1）還原作用。帶硝基的農(nóng)藥經(jīng)微生物作用還原成氨基酸衍生物，如在某些帶方環(huán)的有機(jī)磷農(nóng)藥代謝中硝基苯還原成苯胺類。另外還包括醌類在微生物的硫醇類化合物作用下成酚類物質(zhì)。

2）合成作用。有毒分子或其一部分與另一種有機(jī)化合物通過(guò)縮合或共軛的相互作用最終使除草劑或其衍生物失活。

2.3 土壤中微生物降解的影響因素

2.3.1 微生物自身的影響 農(nóng)藥的降解與轉(zhuǎn)化直接受微生物種類影響，不同的微生物生存過(guò)程中的適應(yīng)能力也明顯不同，因此有不同的代謝活性。在面對(duì)同一有機(jī)底物或帶毒性的金屬時(shí)，種類不同的微生物或種類相同的異種菌株有不同的反應(yīng)效果。同時(shí)，微生物易于馴化，并且還可以通過(guò)基于他們自身的基因定向突變創(chuàng)建新的酶系而降解。

2.3.2 環(huán)境因素的影響 溫度、pH、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、氧含量、底物濃度等都是其影響因素[22，23]。研究表明溫度過(guò)高微生物會(huì)失活而無(wú)法生存，溫度過(guò)低則微生物活性會(huì)受到抑制，酸堿度也會(huì)隨之改變。同時(shí)，隨著農(nóng)藥濃度的增加，微生物的毒性也會(huì)增加。

2.3.3 農(nóng)藥結(jié)構(gòu)的影響 微生物降解具有一定的專一性，因此在一定程度上農(nóng)藥的結(jié)構(gòu)影響與降解農(nóng)藥的微生物種類相對(duì)應(yīng)，農(nóng)藥化合物的空間結(jié)構(gòu)、化學(xué)分子量、被取代的基團(tuán)的數(shù)量及種類等均是一定的影響因素[24]。

3 研究中存在的問(wèn)題及解決方案

3.1 存在的問(wèn)題

農(nóng)藥的降解研究具有一定的局限性，從理論到實(shí)際應(yīng)用還有一定的差距。試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)面臨許多問(wèn)題，主要有以下幾方面。

1）實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中微生物特性的變化。微生物降解殘留農(nóng)藥的試驗(yàn)地點(diǎn)主要是實(shí)驗(yàn)室，培養(yǎng)出純菌株，研究其特性和降解機(jī)理等，和自然界中實(shí)際應(yīng)用有一定區(qū)別[25]。自然狀態(tài)下，多種微生物共同將土壤中殘留的農(nóng)藥降解，從實(shí)驗(yàn)室到自然環(huán)境可能出現(xiàn)菌種降解活性大大降低的現(xiàn)象，因此需要重新研究各種微生物在自然條件下的降解活性。

2）微生物的降解受農(nóng)藥濃度的影響。微生物的生長(zhǎng)狀況與農(nóng)藥濃度有關(guān)；農(nóng)藥的組成較復(fù)雜，其可對(duì)環(huán)境造成污染的化合物有很多，并且會(huì)隨著環(huán)境變化而波動(dòng)，確定過(guò)程比較困難。

3）環(huán)境對(duì)微生物降解過(guò)程的影響。微生物所處的物理環(huán)境如溫度、pH、濕度等，環(huán)境中所含的抑制物、環(huán)境與微生物之間可能存在的拮抗作用以及環(huán)境中可能存在的捕食者等，都會(huì)對(duì)可降解殘留農(nóng)藥的微生物產(chǎn)生重要影響。

4）單一菌種降解農(nóng)藥可能會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)。

3.2 解決方案

3.2.1 轉(zhuǎn)基因技術(shù)[26] 隨著遺傳學(xué)以及分子生物學(xué)等學(xué)科迅速發(fā)展，大量的生物技術(shù)不斷涌現(xiàn)，蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)迅速興起，使人類迎來(lái)了“超級(jí)農(nóng)藥降解菌”的時(shí)代，對(duì)降解除草劑的微生物群以及農(nóng)藥的降解機(jī)理進(jìn)行更深入的研究，用DNA技術(shù)克隆更多的降解基因，并建立能有效降解微生物的基因庫(kù)，從而進(jìn)行大量的推廣與使用。

3.2.2 構(gòu)建多株復(fù)合系菌株 以前研究的降解農(nóng)藥的微生物主要為單一的純種生物，現(xiàn)階段的科學(xué)技術(shù)已證實(shí)多株菌株混合效果比單一菌株的效果更好。研究表明，純種微生物降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生具有毒性的中間物質(zhì)，而多種微生物的協(xié)同作用可使產(chǎn)生毒害物質(zhì)的幾率大大降低。

4 小結(jié)與展望

微生物降解除草劑、修復(fù)污染土壤這一技術(shù)具有高效安全、成本較低、綠色無(wú)二次污染的特色與優(yōu)勢(shì)，是農(nóng)田除草劑污染問(wèn)題的重要解決方法，具有很好的發(fā)展前景[28]。本研究簡(jiǎn)要介紹了幾種使用比較廣泛的除草劑的特性及其在土壤中的殘留情況以及國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。結(jié)合目前該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究的進(jìn)展及技術(shù)研究探索，總結(jié)出幾條未來(lái)主要的發(fā)展方向：構(gòu)建具有遺傳穩(wěn)定性和生態(tài)適應(yīng)性的高效農(nóng)藥降解工程菌[29]；研究引入微生物除草劑降解基因，應(yīng)用科學(xué)技術(shù)構(gòu)建轉(zhuǎn)基因作物，提高作物對(duì)除草劑的抗性等。

由于現(xiàn)階段還缺乏對(duì)農(nóng)藥微生物降解更深層的研究，這一領(lǐng)域存在的問(wèn)題以及局限性很多，怎樣在自然界篩選多功能微生物資源，減少影響微生物降解的限制性因素并尋找歸納出微生物降解的最適條件，為微生物降解產(chǎn)品的評(píng)估以及進(jìn)入市場(chǎng)的安全管理制定完善的法律法規(guī)等，都是需要解決的問(wèn)題。為此，未來(lái)對(duì)本領(lǐng)域的研究可以在以下幾個(gè)方面開(kāi)展：①加強(qiáng)菌種資源和遺傳資源的整合與開(kāi)發(fā)，努力構(gòu)建性能更穩(wěn)定、降解效率更高的菌種；②致力于新農(nóng)藥的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)工作，合成出更易降解，對(duì)環(huán)境傷害小的新農(nóng)藥產(chǎn)品，從源頭防治污染；③加強(qiáng)對(duì)農(nóng)藥降解菌降解特性和降解機(jī)制的研究，開(kāi)發(fā)出更高效的降解酶資源[30]。解決這些問(wèn)題將使農(nóng)藥微生物降解的研究提高到一個(gè)新的水平，由此會(huì)出現(xiàn)更先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)更多更好的處理土壤農(nóng)藥污染問(wèn)題的方法，為未來(lái)本領(lǐng)域技術(shù)深層研發(fā)打下基礎(chǔ)。

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