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污染土壤中农药的微生物降解研究进展

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第l9卷 第6期 黑龙江八一农垦大学学报 l9(6):34~37 2007焦 l2月 Journal of Heilongjiang August First Land Reclamation University Dec.20o7 文章编号:1 002—2090(2007)06.0034.04 污染土壤中农药的微生物降解研究进展 郑树生 ,孙海燕 ,李桂霞 2 马汇泉 2 (1.黑龙江八一农垦大学植物科技学院, 大庆163319;2.山东理工大学生命科学学院) 摘 要:农药,尤其是高毒、高残留、难降解的化学农药是重要的环境污染物,而用微生物治理农药污染是一项 有效手段,几十年来,在这方面已进行了大量研究。有机磷农药、拟除虫菊酯类农药、均三氮苯类农药是三种最常 见的农药,本文综述了降解这三种农药的常见微生物种类和国内外研究进展,简要介绍了微生物降解农药的降解机 理,并在高效农药降解工程菌的构建、混合菌的培养、降解酶或降解基因的改良、降解菌的固定化等方面展望了微 生物降解农药的研究方向,最后指出了农药微生物降解研究领域的发展趋势和有待进一步解决的问题。 关键词:农药;微生物降解;工程菌 中图分类号:X53 文献标识码:A Process in Microbial Degradation of Pesticides in Polluted Soil ZHENG Shu—sheng,SUN Hai—yan,LI Gui—xia,MA Hui—quan Abstract:Farm chemicals,especially those highly toxic,highly residual and hard to degrade chemical pesticide,are severe environment pollutants.Pesticide degradation by microorganisms is one of the powerful means to treat pesticide pollution.Many researchers have conducted lots of studies on it. Organic—phosphorous pesticides pyrethroids pesticides triazine pesticides are the three most common pesticides.In the article,the microorganisms with the capability of degrading the three common pesticides and its advances were reviewed,the mechanisms of pesticides degrading by microorganism were briefly introduced,further more,the research on development of genetic engineered bacteria, cultivation of mixed bacteria,improvement of degrading enzyme and genes,fixation of degraded bacteria were prospected.Finally,the research trends in pesticides degradation by microorganism and the problems to be solved were pointed out. Key words:Pesticides;M icrobial Degradation;engineered bacteria 0 .^刖舌 』.—J 我国是个农业大国,农药,尤其是化学农药的使用,依然是目前保证粮食作物增产的有效手段。 然而,农药不仅污染土壤环境和农作物,而且还进一步污染到地面水体和地下水以及海洋环境,直 接威胁着人类的生存环境和身体健康。为了解决这个矛盾,一方面需要开发高效、低毒、低残留的 化学农药或生物农药,另一方面则是要找到能够高效、快速降解农药残留的制剂。 大量研究证明,自然环境中存在的多种微生物在农药降解方面起着重要的作用,科研工作者通 过富集培养、分离筛选等技术已发现了许多能够降解农药的微生物。近年来,随着有机磷类农药的 大量使用和拟除虫菊酯类、除草剂类农药的兴起,围绕这类农药的降解微生物的筛选与研究工作取 得了一定的进展。 收稿日期:2007—1卜21 项目来源:省科技厅项目“寒地条件下土壤生物活化剂菌种筛选与复配技术研究”(9551054);省国际合作项目“环保型生 物降解增效剂的研制与开发”(wc02208)。 作者简介:郑树生(1966一),男,实验师,黑龙江八一农垦犬学毕业,现主要从事农业仪器分析的科研工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 郑树生等:污染土壤中农药的微生物降解研究进展 35 1 降解农药的主要微生物 有机磷农药是目前使用量最大的农药之一,属高毒农药,有一定的残留期,对硫磷(Parathion) 为其代表品种。有机磷易被微生物体内有机磷水解酶水解,因而可用微生物法进行去毒。目前,已 发现降解有机磷类农药的微生物有假单胞菌属中的施氏假单胞菌(Pseudomonas Stutzeri)、嗜中温 假单胞菌( mesophi]ica)、 铜绿假单胞菌( aeruginosa)和类产碱假单胞菌 ( Psend-oaJcaJiges);芽胞杆菌属中的地衣芽胞杆菌(Bacillus]icheniformis)和蜡样芽胞杆菌 ( COCOHS);真菌中有华丽曲霉(Aspergillus orsntus)和鲁氏酵母菌(saccharomyces rouxii); 此外,在不动杆菌属(Acinetobocte,)、黄杆菌属( avobacterium)、邻单胞菌属(P]esiomona5)也 分离到降解此类农药的微生物。中山大学李荷、梁卫驱等发现了一株新耐冷菌SA一8可以降解有机 磷农药,此菌属于邻单胞菌属,菌株sA一8能够利用甲基对硫磷或对硝基苯酚在20℃快速生长,在 生长过程中唯一碳源甲基对硫磷的浓度明显降低,与此同时伴随着降解产物对硝基苯酚浓度的增 加;经过一段时间的诱导或耐受过程,菌株会利用二次底物对硝基苯酚为碳源和能源继续生长…。 南京信息工程大学周军英等发现一株巨大芽胞杆菌LY一4对土壤中杀虫单农药有降解作用,没有外 加菌时,杀虫单农药在土壤中的降解是缓慢的,加入降解菌后可使杀虫单农药的降解大大加快 。 国家环境保护总局石利利、林玉锁等发现假单胞菌(DLL一1)在水溶液介质中降解甲基对硫磷的性能 与影响因素及其降解机理 。中山大学生命科学学院刘玉焕等对华丽曲霉Z58有机磷农药降解酶进 行纯化,发现此酶对许多有机磷农药都有很好的降解作用 。王银善等分离到一株黄杆菌 vobacterium sp P3—2,该菌有广泛的底物适应能力,可降解对硫磷、杀螟松、水胺硫磷、甲基 对硫磷,性能稳定,其又分离到一株Pseudomanas Ws一5对甲胺磷有很强的降解能力,能利用甲胺 磷为唯一碳源进行生长 。海洋微生物对有机磷农药也有一定的降解作用,厦门大学郑天凌从沿岸 海域分离到有机磷农药耐药菌,对有机磷农药有良好的分解作用…。有机磷农药降解菌的分离对于 应用到环境中以消除化学农药污染具有广阔前景,但由于降解菌株生长大都非常缓慢,了实际 作用。国外己开始了构建高效降解菌株的工作。wilfred Chen构建的带有有机磷水解酶基因的工程 大肠杆菌,能够快速降解有机磷农药 。山东农业大学闫艳春、姚良同等用抗性库蚊酯酶基因,引 入原核表达载体pRL439 ,转化大肠杆菌HB101细胞,获得表达,通过酶切、Southern杂交鉴定重组 质粒,研究了重组酯酶的活性,重组质粒pRL—B1表达的酯酶具有高酶活并能高效降解酯酶的特异性 底物。一乙酸萘酯(o—NA)和13一乙酸萘酯(13一NA),经对重组菌进行细胞固定化后降解有机磷农 药对硫磷,反应时间短,降解效率高 “ 。Seder&gibson从 vobacterium中克隆了有机磷降解基因 opd,并在外源宿主中表达;Steicrt&coworkers开展了opd基因在G+菌中表达的工作,他们将得 到的opd基因转化到Stretomyces l,vidans中,发现对硫磷降解酶分泌到了培养基中,这为制备 对硫磷水解酶用于农药降解提供了降低成本的希望。 拟除虫菊酯类农药降解菌主要有产碱菌属(Alcaligenes)。浙江农业大学虞云龙等从浙江农业 大学蚕沙坑污泥中分离到能以部分拟除虫菊酯和一硫代磷酸酯类杀虫剂为唯一碳源和能源生长的 降解菌Y F 05,经鉴定,降解菌为假单胞菌属的种(Pseudomonas sp),分离株Y F 05可以以氰戊菊 酯、甲氰菊酯、氯氰菊酯、对硫磷、甲基对硫磷、杀螟松为唯一碳源和能源生长… ;后又从杭州农 药厂废水排放口污泥中分离到1株能降解部分拟除虫菊酯和一硫代磷酸酯类杀虫剂的广谱性降解菌 YF11 ,分离菌株被鉴定为产碱菌属(Alcaligenes)的一个未知种,该分离菌株可降解氰戊菊酯、 溴氰菊酯、三氟氯氰菊酯、甲氰菊酯、氯氰菊酯、氯菊酯、对硫磷、甲基对硫磷、杀螟松等农药。 福建农林大学王兆守等将阴沟肠杆菌wl0j15菌株经紫外线诱变后,筛选出几株突变株对拟除虫菊 酯类农药有很好的降解作用 。 均三氮苯类农药广泛地用于对作物杂草的控制,阿特拉津是其代表品种。这类化合物残留期较 长,在土壤中降解缓慢,在寒冷地带可残留一季,其残留对苜蓿、大豆等作物有药害。西吗嗪是均 三氮苯类农药中被研究较多的农药,其降解菌的研究报道相对较多,有农杆菌属(Agrobacterium)、 维普资讯 http://www.cqvip.com 36 黑龙江八一农垦大学学报 第l9卷 假单胞菌属、芽胞杆菌属、真菌中的某些属等。国外报导了3株假单胞菌(A、D和E)和2株肺炎克 雷伯氏菌(Klebsiella Pneumoniea)(90和99)可以均三氮苯类农药为唯一碳源进行生长,这些假 单胞菌和克雷伯氏菌具有氨基水解酶(EC3.4.5)特性。Cook和Hunter分离到一株珊瑚红球菌 (Rhodococcus corallinus)具有水解Deethyl simaz ine的能力,他们初步纯化了其水解酶;Wal ter 从尼corallinus NRRLB-15444R中纯化并鉴定了可诱导的均三氮苯降解酶:Bharat Bhushan、Sudip K.Smanta等从被农药污染的样本中分离了一株有活力的Ralstonia sp.SJ98,它能利用3-Methyl一 4-Nitrophenol作为唯一的碳源和能源“ 。Ram Behki等研究了不同红球菌菌株对阿特拉津的降解, 他们测定了TEl、TE3、TE7等13个红球菌菌株,发现有几个菌株具有降解阿特拉津的能力,其中 TEI、B30去除率达90%。 上述降解菌中的曲霉菌、酵母菌及不动杆菌微生物均是近几年新发现的种,此外,利用白腐真 菌(white-rot fungus)降解农药的研究也已成为热点。常见农药降解微生物,见表1“ 。 表1常见农药的降解微生物 农药 降解菌 甲胺磷 芽孢杆菌、曲霉、青霉、假单胞菌、瓶型酵母 阿特拉津 假单胞菌、烟曲霉、焦曲霉、葡枝根霉、串珠镰刀霉、粉红色镰刀霉、尖孢镰刀霉、斜卧镰刀霉、 微紫青霉、自腐真菌、诺卡氏菌、红球菌 敌杀死 产碱杆菌 2.4一D 无色杆菌、节杆菌、曲霉菌、棒状杆菌、黄杆菌、诺卡氏菌、假单胞菌 DDT 无色杆菌、气杆菌、芽胞杆菌、梭状芽胞杆菌、埃希氏菌、镰孢霉菌、诺卡氏菌、变形杆菌、链 球菌、曲霉菌、黄单胞杆菌属、节细菌 丙体六六六 自腐真菌、梭状芽胞杆菌、埃希氏菌 对硫磷 大肠杆菌、芽胞杆菌、短杆菌属、固氮极毛杆菌属 甲拌磷 硫杆菌、假单胞菌 、 敌百虫 曲霉菌、镰孢霉菌、青霉菌 敌敌畏 假单胞菌、木霉属 七氯 芽胞杆菌、镰孢霉菌、小单孢菌、诺卡氏菌、曲霉菌、根霉菌、链球菌、木霉菌、节细菌 2,4,5一T 无色杆菌、枝动杆菌 狄氏剂 芽胞杆菌、假单胞菌、微球菌属、气杆菌属、青霉菌、诺卡氏菌属 艾氏剂 镰孢霉菌、青霉菌、芽胞杆菌属、微球菌属、诺卡氏菌属、链霉属 乐果 假单孢菌 灭草隆 八叠球菌属、曲霉菌 2微生物降解农药的机理 微生物对农药的作用方式可分为两大类:一类是微生物直接作用于农药,通过酶促反应降解农 药,常说的农药微生物降解多属于此类,微生物通过酶促反应降解农药的方式主要有氧化、脱氢、 还原、水解、合成等几种反应类型;另一类是通过微生物的活动改变了化学和物理的环境而间接作 用于农药。常见的作用方式有矿化作用、共代谢作用、生物浓缩或累积作用和微生物对农药的间接 作用【l7】。 3 展望 目前,对于农药降解微生物的研究还存在很多问题,大部分的工作还只局限于实验室,还不能 完全使农药降解菌从实验室走向实际应用。这是因为,农药污染环境的化合物组成很不稳定,经常 波动,对于农药降解菌的生长很不利,温度、pH及湿度波动也较大,有可能抑制降解菌的生长;直 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 郑树生等:污染土壤中农药的微生物降解研究进展 37 接从环境中筛选获得的农药降解菌降解速度慢,不能满足实际需要或经常发生变异导致降解能力的 丧失,不能够继续降解农药等。 今后的微生物降解农药的研究方向主要有以下几方面: (1)高效农业降解工程菌的构建 通过基因重组技术将不同降解农药质粒或降解农药基因转化到降解菌内或组建到同一菌株内, 构建降解谱广,降解彻底的“超级细菌”,从而就扩大降解菌对农药的降解范围,提高其治理效果, 增强其净化环境的作用。 (2)混合菌的培养 如果两种微生物在共同存在时才能降解某种农药,单独存在时不能降解该农药,这时,可以采 用原生质体融合技术融合这两种微生物,融合子就会具备两个亲本的基因与优点“ ” 。 (3)降解酶或降解基因的改良 通常,人们直接从自然界筛选的降解菌的降解酶活性较低,不能满足实际需要。可以通过定向 诱变、随机突变或DNA重组等分子生物学技术来提高其活性,以增强降解菌对污染物的降解能力。 (4)降解菌的固定化 投放到环境中去的降解菌还会受到该环境原有菌群的影响,甚至受到拮抗而不能在该环境中长 期生存,农药降解菌在受污染环境中不能成为优势菌,可以通过生物学技术改善降解菌的定殖能力、 稳定性。 (5)多种方法综合利用 另外,白腐真菌降解农药的研究和农药生物降解的模型定量化研究也是目前的主要研究方向, 有待进一步研究的问题还有许多。具体有:如何在自然界中筛选多功能微生物资源;如何克服影响 微生物降解效果的各种因子;构建的工程菌及其农药降解质粒的稳定性及菌种的安全管理;对 于农药微生物降解制剂产品,其降解农药能力的评价及产品进人市场的管理应及相应的配套法制法 规等等n 。这些问题的解决,必将推动农药微生物降解的研究进入更高领域,推动农药残留降解菌 剂的广泛应用,解决好环境中的农药污染问题。 参考文献: [I]李荷,梁卫驱,吴小映,等.一株新耐冷菌SA一8降解有机磷农药的研究[J].中山大学学报,2004,43(3): l3 l—l32. 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