粘質(zhì)沙雷氏菌在環(huán)境修復(fù)與農(nóng)業(yè)蟲害生物防治的研究概述

李 晴,吳建凱,林志藝*

(1． 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院/ 生態(tài)公益林重大有害生物防控福建省高校重點(diǎn)實驗室, 福州 350002;2.福建省林業(yè)科技推廣中心,福州 350000)

重金屬污染、化學(xué)藥劑污染和植物病蟲害在世界范圍內(nèi)對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)均造成了數(shù)以億計的重大經(jīng)濟(jì)損失。由于礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開發(fā)利用與快速的工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,大量含有重金屬的污染物以各種途徑進(jìn)入了自然環(huán)境中,導(dǎo)致環(huán)境中產(chǎn)生了嚴(yán)重的重金屬污染[1]?；瘜W(xué)農(nóng)藥在雜草控制雖然有很多優(yōu)勢,然而雜草對農(nóng)藥的免疫力增和環(huán)境藥物殘留的問題不容忽視。我國已建立起以化學(xué)與物理手段進(jìn)行生物修復(fù)與病蟲害防治的主要控制措施,但化學(xué)與物理方式帶來的二次環(huán)境污染加重,害蟲抗藥性的增加和經(jīng)濟(jì)上的高成本,因此,急需尋找一種更為綠色清潔高效的防控措施。粘質(zhì)沙雷氏菌(Serratiamarcescens)是沙雷氏菌科中一種典型的昆蟲共生菌,廣泛存在于自然界與昆蟲腸道體內(nèi),是良好的生物防治工程菌株,同時有研究發(fā)現(xiàn)沙雷氏菌也可用于修復(fù)土壤和去除水體中的重金屬。文章針對近年為對沙雷氏菌在環(huán)境生物修復(fù)與農(nóng)業(yè)病蟲害生物防治方面的研究進(jìn)行了總結(jié)論述。

1 沙雷氏菌的生物修復(fù)作用

1.1 重金屬生物修復(fù)

1.1.1 重金屬耐性 重金屬污染是當(dāng)今環(huán)境保護(hù)時的重點(diǎn)探討對象之一,我國常見且危害嚴(yán)重的重金屬有鎘、鉻、銅、鋅等,各種種類的重金屬擁有著相似卻又不相同的污染機(jī)制,傳統(tǒng)的化學(xué)治理程序既昂貴又容易產(chǎn)生二次污染。所以,安全綠色的微生物修復(fù)技術(shù)成為了如今研究的熱點(diǎn)之一,其包括使用土壤原生微生物或使用能夠吸收或降解外界污染的外源微生物,將其投入土壤環(huán)境中來修復(fù)被污染的環(huán)境水體和土壤[2]。但由于重金屬對生物的高毒力,重金屬生物吸附的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)在于如何尋找到能夠?qū)ν寥乐亟饘贀碛懈吣褪芰Φ墓こ叹昵颐鞔_菌株對重金屬進(jìn)行生物吸附的內(nèi)在機(jī)制。

在近期的研究中為了尋找到有高耐受性的工程菌株,最常見的方法是從重金屬污染的土壤或水體中大范圍進(jìn)行分離,以尋找出通過特異性變異產(chǎn)生高耐受性的土壤原生微生物。為了尋找到重金屬耐受性的功能微生物并研究重金屬微生物的吸附機(jī)制,陳亞奎等[3]從重金屬嚴(yán)重污染的土壤中尋到一株對Cd2+有高耐受力的粘質(zhì)沙雷氏菌HB-4,同時對菌株的重金屬吸附機(jī)制進(jìn)行了探究,結(jié)果表明該菌株主要以胞外吸附進(jìn)行重金屬吸附,同時少量的胞內(nèi)吸附加強(qiáng)了菌株的吸附能力,HB-4對重金屬高而穩(wěn)定的吸附,使其在廢水及土壤處理具有潛在的應(yīng)用前景。但環(huán)境的污染并不像實驗室中都為單一重金屬污染,因此伍迪等[4]探索粘質(zhì)沙雷氏菌對土壤中3種危害嚴(yán)重重金屬U (Ⅵ)、Co (Ⅱ)、Cr (Ⅵ)混合后耐受性的變化。結(jié)果表明在U (Ⅵ)-Co (Ⅱ)-Cr (Ⅵ)3種混合的重金屬中,相較于粘質(zhì)沙雷氏菌對于Cr (Ⅵ)金屬的極低的耐受性,粘質(zhì)沙雷氏菌在重金屬混合后的可承受濃度提高到了30mg/L,證明了土壤中3種重金屬的混合反而能夠降低了Cr (Ⅵ)對粘質(zhì)沙雷氏菌的毒性。上述研究通過對沙雷氏菌株對于各種重金屬的耐藥性的分析,為后續(xù)沙雷氏菌吸附土壤與水體中的重金屬污染奠定了理論基礎(chǔ)。

1.1.2 重金屬清除 菌株對重金屬的清除作用可分為細(xì)胞吸附和重金屬還原成危害更小的還原態(tài)離子。為了研究粘質(zhì)沙雷氏菌對重金屬的吸附能力,何元等[5]為了研究微生物修復(fù)鉻的重要菌株,從Cr污染環(huán)境中分離出來一株粘質(zhì)沙雷氏菌S2。研究發(fā)現(xiàn)該菌株可耐受高達(dá)1000mg/L的Cr (Ⅵ),對 Cr (Ⅵ)的還原能力達(dá)到20mg/L,是電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 21900-2008)的40倍,同時該菌株在還原Cr (Ⅵ)的同時易形成Cr (OH)3沉淀,利于Cr的除去,可有效應(yīng)用于環(huán)境中的Cr (Ⅵ)污染的生物治理。何元[6]后續(xù)的研究探討了金屬元素對高耐鉻性的粘質(zhì)沙雷氏菌S1吸附鉻元素效率的影響,結(jié)果表明S1在空白對照組中的除Cr(Ⅵ)能力僅為31.92%,而在含有實驗金屬的Cu2+、Zn2+、Co2+的含Cr(Ⅵ)金屬LB中共同培養(yǎng)48 h發(fā)現(xiàn)S1的除Cr(Ⅵ)能力均有促進(jìn)作用,其中Cu2+促進(jìn)作用高達(dá)90.91%。劉媛等[7]從高鉻環(huán)境中分離出了另一只粘質(zhì)沙雷氏菌CM01,通過研究發(fā)現(xiàn)CM01與其他沙雷氏菌[8-9]相比有較強(qiáng)的Cr(Ⅵ)還原能力,除鉻量最高可達(dá)40.8mg/L,是其他菌株除Cr(Ⅵ)量的兩倍。針對重金屬鎘的微生物吸附研究中,王孟杰[10]分離到一株高鎘抗性的Serratia sp. X10,研究發(fā)現(xiàn)在水稻室內(nèi)與田間實驗中,處理組的植株各部分鎘含量均顯著地下降(P<0.05),為了更明確的顯示出鎘毒害作用的降低,結(jié)果表明在水稻重要發(fā)育時期灌漿期,處理組中水稻的MDA含量和CAT酶活均顯著地下降(P<0.05),表明處理組的脅迫環(huán)境更小。特殊的是,在本研究中王孟杰對重金屬污染的土壤也進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)與空白處理相比,Serratia sp. X10處理后的土壤中可利用形態(tài)鎘下降了40%,難利用形態(tài)鎘上升了72%,極大程度降低了重金屬對土壤的污染。

1.2 微生物源除草劑

1.2.1 單菌株除草劑 現(xiàn)代化學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,使得高效便捷的化學(xué)除草劑成為了我國的重要除草途徑,同時我國也建立起了以化學(xué)防治為中心的雜草防除技術(shù)體系[11]。然而,長期使用化學(xué)除草劑造成的環(huán)境污染問題也不容忽視[12],因此,許多研究人員開始關(guān)注對環(huán)境安全、綠色清潔的微生物除草劑。粘質(zhì)沙雷氏菌Ha1菌株在近期的研究中被發(fā)現(xiàn)具有良好的除草活性,李鑫等[13]發(fā)現(xiàn)運(yùn)用Ha1菌株發(fā)酵液對玉米田6種常見雜草反枝莧、馬唐、苘麻、牽牛、稗草、虎尾草進(jìn)行莖葉噴霧處理,發(fā)現(xiàn)6種植株在3～5d后均出現(xiàn)一些不良癥狀,如萎蔫失綠和干枯。同時針對上述玉米田中常見6種常見雜草的平均防效為47%以上。楊娟[14]采用Ha1菌株粗提物對馬唐種子進(jìn)行室內(nèi)測試,發(fā)現(xiàn)Ha1對發(fā)芽過程中的馬唐種子的根和芽均有抑制作用,對馬唐根長和芽長的IC50值分別為2.828mg/mL和3.332mg/mL, 為馬唐成苗前封閉除草劑的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1.2.2 復(fù)合菌株除草劑 但Ha1顆粒劑如同大多數(shù)微生物除草劑一樣,相比化學(xué)除草劑的除草效果相對較低,對雜草嚴(yán)重發(fā)生情況或者惡性難除雜草的防治效果不理想。在此基礎(chǔ)上,李鑫等[15]進(jìn)行了進(jìn)一步的研究,發(fā)現(xiàn)常用的3種化學(xué)除草劑撲草凈、精異丙甲草胺和莠去津與Ha1菌株的相容性均較好,實驗結(jié)果表明70%推薦劑量的化學(xué)除草劑與Ha1顆粒劑復(fù)配使用,對馬唐、稗草和苘麻的防除效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Ha1顆粒劑個體和化學(xué)除草劑個體的防除效果,且增效均高于50%。但與Ha1混用的化學(xué)除草劑仍會對環(huán)境土壤造成少量污染,因此田賜等[16]選擇利用黏質(zhì)沙雷氏菌Ha1菌株與死谷芽孢桿菌07-1菌株進(jìn)行復(fù)合菌劑制作,以減少化學(xué)除草劑的添加量。實驗結(jié)果表明Ha1菌株復(fù)合菌劑與2種化學(xué)除草劑推薦劑量復(fù)配后室內(nèi)除草活性測定中,所有處理組雜草全部死亡,抑制率達(dá)100%,同時發(fā)現(xiàn)Ha1符合菌劑對玉米的鮮質(zhì)量無抑制作用。田間實驗發(fā)現(xiàn)對減量30%的化學(xué)除草劑26%煙莠分散油懸浮劑與Ha1復(fù)合顆粒劑復(fù)配的處理對田間雜草28d的株數(shù)與鮮質(zhì)量防效分別是85.16%和99.59%,較對照區(qū)的玉米產(chǎn)量提高了17.93%,增產(chǎn)作用明顯。

2 農(nóng)業(yè)蟲害生物防治

2.1 農(nóng)業(yè)蟲害防治

我國的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)呈現(xiàn)出科技全面發(fā)展,經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長趨勢,農(nóng)業(yè)的持續(xù)蓬勃發(fā)展促使人們逐漸加強(qiáng)對無公害農(nóng)產(chǎn)品的需求,促進(jìn)了研究者對農(nóng)業(yè)蟲害生物防治的重視。農(nóng)業(yè)害蟲的不斷擴(kuò)散,導(dǎo)致了農(nóng)產(chǎn)品的收益的大幅度下降,我國急需一種高效快捷的防治措施。目前我國以化學(xué)防治為主,但由于高頻率且大量使用化學(xué)農(nóng)藥,已有報道稱發(fā)現(xiàn)多種害蟲種群均對常見化學(xué)農(nóng)藥產(chǎn)生不同程度的抗藥性,同時帶來了環(huán)境污染、農(nóng)藥殘留的問題。大量的研究表明沙雷氏菌作為常見的昆蟲共生菌,對如草地貪夜蛾、大蠟螟、小菜蛾,桔小實蠅等重大全球性農(nóng)業(yè)害蟲均有著良好的生物防治效果。

2.1.1 幼蟲防治 不同類型的農(nóng)業(yè)害蟲在不同時期對農(nóng)產(chǎn)品造成的危害不同,有些完全變態(tài)發(fā)育的昆蟲往往在幼蟲期對農(nóng)作物造成最大的危害或由于某些害蟲成蟲期難以防治,因此對幼蟲期的生物防治是近期研究的熱點(diǎn)之一。吳正偉等[17]運(yùn)用粘質(zhì)沙雷氏菌ZJ9處理草地貪夜蛾幼蟲,結(jié)果表明相交于常用的高效殺蟲菌株蘇云金芽孢桿菌,ZJ9處理1d的幼蟲出現(xiàn)了顯著提高的致死率。且在ZJ9感染后部分幼蟲出現(xiàn)身體變軟,體色顯紅,體壁易破裂,流出體液的現(xiàn)象。生測結(jié)果證明該菌對草地貪夜蛾3齡幼蟲校正死亡率能達(dá)到80.21%。針對馬鈴薯重點(diǎn)危害昆蟲馬鈴薯塊莖蛾,研究也發(fā)現(xiàn)了粘質(zhì)沙雷氏菌的優(yōu)秀防治潛能,蘇造堂等[18]分離到1株對馬鈴薯塊莖蛾幼蟲有強(qiáng)致病作用的菌株ML-1,分別菌懸液、發(fā)酵液及發(fā)酵上清液喂養(yǎng)3日齡幼蟲發(fā)現(xiàn)其死亡率約50%,其中發(fā)酵液的幼蟲死亡率達(dá)到了80.70%,運(yùn)用發(fā)酵液進(jìn)行進(jìn)一步研究,得出處理后第3天的LC50值為9.784×1010cfu/mL。綜上所述,對馬鈴薯塊莖蛾幼蟲有較強(qiáng)的毒力的粘質(zhì)沙雷氏菌ML-1菌株具有一定的研發(fā)潛力,為馬鈴薯塊莖蛾綠色防控提供了一條新的途徑。甜菜夜蛾作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上重點(diǎn)危害昆蟲,由于其雜食性的特點(diǎn),甜菜夜蛾被發(fā)現(xiàn)可危害玉米、棉花、甜菜等170多種植物。趙曉峰等[19]對粘質(zhì)沙雷氏菌的殺蟲機(jī)制進(jìn)行研究,結(jié)果表明殺蟲機(jī)理可能是首先削弱幼蟲中腸蛋白酶和淀粉酶的活性,通過幼蟲取食能力的下降,降低腸道內(nèi)消化酶的活性,最終甜菜夜蛾幼蟲喪失了對食物的高消化吸收能力。同時由于幼蟲的饑餓而使得蟲體生理狀況的虛弱,使得其更容易受病原微生物的入侵而感病。因此PS-1菌株導(dǎo)致的蟲體敗血癥死亡的作用機(jī)理大致為,PS-1破壞幼蟲腸道細(xì)胞從而進(jìn)入腸腔并快速增殖使得蟲體最終成為了PS-1發(fā)育的溫床。

2.1.2 成蟲防治 不完全變態(tài)的害蟲在成蟲時期對農(nóng)產(chǎn)品造成毀滅性危害,如蝗蟲過境,寸草不生,為農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的阻礙,針對農(nóng)業(yè)害蟲成蟲的防治迫在眉睫。金虹[20]在研究蝗蟲的生物防治菌株的研究中發(fā)現(xiàn)了一株蝗蟲有著極高的殺傷作用的粘質(zhì)沙雷氏菌HR_3,在濃度為109cfu/mL的培養(yǎng)液感染蝗蟲后,48h內(nèi)致死率達(dá)85%以上,使得HR_3成為了蝗蟲生物防治的良好潛在微生物農(nóng)藥選品。作為寡食性的十字花科害蟲,小菜蛾成為了農(nóng)業(yè)蔬菜類最嚴(yán)重的害蟲之一,導(dǎo)致蔬菜農(nóng)產(chǎn)品數(shù)以萬計的經(jīng)濟(jì)損失。王俊峰等[21]通過對4株沙雷氏菌進(jìn)行對小菜蛾化學(xué)殺蟲劑氟苯蟲酰胺的降解能力試驗,發(fā)現(xiàn)粘質(zhì)沙雷氏菌(NH6-2)能夠在48 h內(nèi)降解一半以上的氟苯蟲酰胺,這個結(jié)果表明NH6-2可能是小菜蛾對殺蟲劑產(chǎn)生抗性的重要原因之一。進(jìn)而對敏感品系小菜蛾進(jìn)行NH6-2的飼喂處理,發(fā)現(xiàn)在F1代中表現(xiàn)出了較高的抗氟苯蟲酰胺的能力,解釋了小菜蛾在自然環(huán)境中對氟苯蟲酰胺產(chǎn)生抗藥性的原因,為后續(xù)降低小菜蛾抗藥性的研究奠定了基礎(chǔ)。桔小實蠅是世界性檢疫害蟲,繁殖能力強(qiáng),寄主范圍廣,危害熱帶和亞熱帶國家果蔬產(chǎn)業(yè)。曹甜等[22]通過給桔小實蠅成蟲飼喂粘質(zhì)沙雷氏菌 PS-1發(fā)現(xiàn),桔小實蠅感染該細(xì)菌一周后死亡率高達(dá)100%。通過透射電鏡觀察了PS-1破壞桔小實蠅中腸上皮細(xì)胞的過程發(fā)現(xiàn)感染6 h后,中腸黏液層變薄,腸道上皮細(xì)胞出現(xiàn)異?？张?感染12 h后,腸絨毛異常脫落,腸道上皮細(xì)胞大范圍受損;感染24 h后,圍食膜消失,細(xì)胞結(jié)構(gòu)瓦解,明確了粘質(zhì)沙雷氏菌PS-1對桔小實蠅的高毒力與其作為農(nóng)業(yè)生物工程菌的潛力。近期的研究發(fā)現(xiàn)粘質(zhì)沙雷氏菌對甜菜夜蛾的高致病性與致死機(jī)制,牛洪濤[23]等人通過粘質(zhì)沙雷氏菌S-JS1菌感染甜菜夜蛾與斜紋夜蛾發(fā)現(xiàn),粘質(zhì)沙雷氏菌S-JS1對上述2種重要農(nóng)業(yè)害蟲的最小LT50值都在5.5～7.4d之間,處理9d后的校正死亡率在60%以上,對甜菜夜蛾和斜紋夜蛾均具有較高的致病力。

3 總結(jié)與展望

粘質(zhì)沙雷氏菌作為優(yōu)秀的生物菌株,在微生物修復(fù)重金屬污染、微生物除草劑與農(nóng)業(yè)害蟲生物防治上均有著突出且極具潛力的表現(xiàn)。如今使用微生物源進(jìn)行綠色無害防控已經(jīng)成為當(dāng)前研究的一大熱點(diǎn),近期的各類研究從菌株耐性、粘質(zhì)沙雷氏菌的防控機(jī)制進(jìn)行了多層次、多類型的深入研究,發(fā)現(xiàn)并分離得出了多種擁有良好重金屬耐性與吸附性的菌株HB-4、S1、S2、CM01等,可分泌除草毒素?fù)碛谐莼钚缘木闔a-1等和在良好的害蟲腸道共生菌ZJ9,HR_3,PS-1等。粘質(zhì)沙雷氏菌在不同的需求場合大發(fā)異彩,可根據(jù)需要選擇不同的種類。目前粘質(zhì)沙雷氏菌在微生物防控上的問題主要在于2個方面,其一在于現(xiàn)在對于粘質(zhì)沙雷氏菌主要防控機(jī)制的研究尚不明確,這對于后期進(jìn)行粘質(zhì)沙雷氏菌工程菌株的構(gòu)建造成了不確定性。未來的研究可以朝著更基礎(chǔ)、機(jī)理性的研究發(fā)展,為工程菌株的構(gòu)建奠定理論基礎(chǔ)。其二在于粘質(zhì)沙雷氏菌是沙雷氏屬在生物防治中應(yīng)用最為廣泛的昆蟲病原菌,有研究表明粘質(zhì)沙雷氏菌的致病機(jī)理可能是在昆蟲的腸道內(nèi)增殖,并在細(xì)菌侵入昆蟲后引起昆蟲敗血癥而導(dǎo)致昆蟲死亡[24],但有發(fā)現(xiàn)稱一些類型的粘質(zhì)沙雷菌同時可以定殖于人體中, 是一種條件致病菌[25], 臨床試驗表明它能夠侵入人體機(jī)體并引起肺部感染、腦膜炎、敗血癥等[26-27]。因此,在運(yùn)用粘質(zhì)沙雷氏菌進(jìn)行環(huán)境修復(fù)于農(nóng)業(yè)害蟲生物防治的大量廣泛使用前的早期階段,粘質(zhì)沙雷氏菌株必須對人類等脊椎動物的生物安全性與施用后環(huán)境生態(tài)安全性進(jìn)行科學(xué)評估,以便對菌株的安全性及應(yīng)用前景作出科學(xué)評價,望能早日研發(fā)出一種更高效綠色安全的粘質(zhì)沙雷氏菌微生物制劑。