有機(jī)磷農(nóng)藥降解酶的研究進(jìn)展

孫嘉 郎朗

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究中心 黑龍江哈爾濱 150076）

在我國(guó)，有機(jī)磷農(nóng)藥占所有使用農(nóng)藥的80%以上[1]，由于有機(jī)磷農(nóng)藥的不合理使用，近年來(lái)有機(jī)磷農(nóng)藥殘留問(wèn)題和中毒事件日益增加。因此，研究有機(jī)磷農(nóng)藥降解方法成為當(dāng)前熱點(diǎn)問(wèn)題之一。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，微生物對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥的降解作用得到了人們的充分肯定，酶促反應(yīng)是微生物降解法的主要形式之一。

1.1 氧化降解法

化學(xué)氧化降解法是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將有機(jī)磷農(nóng)藥中的有毒物質(zhì)的毒性降低或消除，從而達(dá)到處理的目的。常用的氧化劑有過(guò)氧化氫、過(guò)碳酸鈉、鈰配合物等。H2O2降解農(nóng)藥時(shí)常與Fe3+或Fe2+組成Fenton，通過(guò)氧化還反應(yīng)處理農(nóng)藥污染物。H2O2在反應(yīng)過(guò)程中生成無(wú)污染的水和氧氣，且不改變廢水的pH，投入過(guò)量時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生二次污染。但Fenton的降解率隨pH的升高而降低，易受pH條件影響。過(guò)碳酸鈉作為一種新型氧化劑，溶于水之后pH增加，可促進(jìn)降解進(jìn)行，處理過(guò)程中通過(guò)水解產(chǎn)生溶解氧達(dá)到降解有機(jī)磷農(nóng)藥的目的。但由于過(guò)碳酸鈉溶于水后易分解，所以增加其用量與延長(zhǎng)降解時(shí)間不能有效提升降解率。利用鈰配合物能切斷有機(jī)磷農(nóng)藥中的磷脂鍵原理，從而達(dá)到有機(jī)磷農(nóng)藥降解作用。但鈰配合物對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥的降解有一定的選擇性，且體內(nèi)的理化反應(yīng)體系復(fù)雜，并受諸多環(huán)境因子影響，所以鈰配合物降解法并不能廣泛適用。

1.2 光催化降解法

光催化法常與催化劑TiO2結(jié)合對(duì)污染物進(jìn)行作用，但TiO2光催化降解有機(jī)磷農(nóng)藥只有在光照、光催化劑和氧氣同時(shí)存在的條件下才能產(chǎn)生作用，降解率隨三種影響因素的用量的增加而增大，達(dá)到最佳效果后，降解率隨用量的繼續(xù)增大反而降低。為延長(zhǎng)電子與空穴的復(fù)合時(shí)間，常將少量的特定金屬離子與TiO2混合，從而提高光催化性，此時(shí)金屬離子又會(huì)產(chǎn)生二次污染。因此TiO2光催化法受環(huán)境因素制約較大，而且易產(chǎn)生二次污染，并不適宜廣泛應(yīng)用。

1.3 生物降解法

隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，微生物降解有機(jī)磷農(nóng)藥技術(shù)得到充分肯定。許多有機(jī)磷農(nóng)藥的降解菌已被分離出來(lái)，其中一些微生物的有機(jī)磷降解酶的生化性質(zhì)已得到鑒定，少數(shù)有機(jī)磷農(nóng)藥降解基因已得到分離、鑒定、改造。降解酶往往比生產(chǎn)這類(lèi)酶的原菌體微生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。如對(duì)硫磷水解酶，在22℃時(shí)該酶的降解效率比化學(xué)降解快1000～2450倍，且比產(chǎn)生該酶的微生物菌體對(duì)環(huán)境條件的忍受范圍更大，在較高溫度下亦能保持較高的活性，而該酶的生產(chǎn)菌在相同條件下卻不能生長(zhǎng)[2]。用微生物或其降解酶制品來(lái)消減農(nóng)藥污染的生物降解法顯出廣闊的應(yīng)用前景。

2 有機(jī)磷農(nóng)藥降解酶的研究進(jìn)展

2.1 有機(jī)磷農(nóng)藥降解酶的作用機(jī)理

有機(jī)磷農(nóng)藥降解酶主要是水解酶類(lèi)。有機(jī)磷降解酶通過(guò)切斷有毒物質(zhì)中表達(dá)毒性的、不溶于水的大分子的分子鍵（例如：P-O鍵、P-F鍵、P-S鍵、P-CN鍵），使之成為無(wú)毒的、溶于水的小分子。由于不同有機(jī)磷農(nóng)藥的取代基不同，因此一種有機(jī)磷降解酶往往能降解多種有機(jī)磷農(nóng)藥。

2.2 有機(jī)磷農(nóng)藥降解酶的研究進(jìn)展

早在70年代人類(lèi)就發(fā)現(xiàn)有些土壤中的某些微生物對(duì)農(nóng)藥具有降解作用。Munneck等[2]從假單胞桿菌中檢測(cè)出磷酸酯酶的活性，發(fā)現(xiàn)其對(duì)對(duì)硫磷等7中有機(jī)磷農(nóng)藥均具有降解作用。Defrank等[3]等從一株嗜鹽細(xì)菌中提取出一種有機(jī)磷農(nóng)藥降解酶，可被Mg2+和Co2+激活。Cheng等[4]從單胞菌中純化得到一種有機(jī)磷農(nóng)藥降解酶，最佳pH為8.0，最適溫度為55℃，對(duì)含P-F鍵和P-C鍵的有機(jī)磷化合物作用較好。

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)有機(jī)磷降解酶也做了多方面研究。劉玉煥等[5]從曲霉菌中分離純化出有機(jī)磷農(nóng)藥降解酶，此酶對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥樂(lè)果具有較好降解作用，酶活性范圍在pH6～10之間；重金屬、Cu2+對(duì)該酶具有促進(jìn)作用，而SDS對(duì)其有抑制作用。金彬明等[6]從海洋微生物M-1中分離純化出有機(jī)磷降解酶，最適反應(yīng)溫度30℃，最適 pH7.5，K+、Na+、Ca2+、Mn2+等離子對(duì)酶活性有促進(jìn)作用；Hg2+、Zn2+、Cu2+等離子對(duì)酶活性有抑制作用。

有機(jī)磷降解酶在天然菌株中的含量太低，要將其普遍應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，解決有機(jī)磷降解酶廉價(jià)、大量生產(chǎn)成為推廣有機(jī)磷降解酶制劑的首要難題。隨著分子生物技術(shù)和基因技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)噲D通過(guò)構(gòu)建高效反應(yīng)器來(lái)提高酶的表達(dá)量，為其大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

2.3 有機(jī)磷農(nóng)藥降解酶基因工程的研究

多種有機(jī)磷降解酶不斷從各種微生物中提取出來(lái)，人們對(duì)有機(jī)磷降解酶的基因表達(dá)和克隆研究也取得了新的進(jìn)展。Serdar等[7]首次在大腸桿菌中表達(dá)有機(jī)磷降解酶，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)物具有生物活性，但表達(dá)量未見(jiàn)提高，而后又改變此酶的基因序列及信號(hào)肽編碼序列后在大腸桿菌中表達(dá)，使之表達(dá)量有所提高。

經(jīng)過(guò)多年的科學(xué)研究，有機(jī)磷降解酶的基因表達(dá)和克隆得到顯著成效。鄧敏捷等將有機(jī)磷水解酶基因與載體pET-31a重組，在E.coliBL21中得到成功表達(dá)，經(jīng)誘導(dǎo)4小時(shí)后，重組蛋白的酶活性是原菌的10倍[8]。劉智等[9]通過(guò)鳥(niǎo)槍法克隆甲基對(duì)硫磷水解酶基因在大腸桿菌中表達(dá)，及構(gòu)建能同時(shí)降解多種有機(jī)農(nóng)藥的降解菌，使其降解酶在實(shí)驗(yàn)室條件下活性提高6倍。

可見(jiàn)，有機(jī)磷降解酶的基因表達(dá)和克隆可有效增強(qiáng)有機(jī)磷降解酶的生物活性，有研究表明將酶定位在細(xì)胞表面，更能提高反應(yīng)效率。這表明在此后的研究中，有機(jī)磷降解酶的基因水平研究將會(huì)成為有機(jī)磷農(nóng)藥降解領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一。

3 有機(jī)磷農(nóng)藥降解酶的應(yīng)用

3.1 固定化酶用于有機(jī)磷污染物脫毒

固定化有機(jī)磷酶制劑制成酶反應(yīng)器現(xiàn)已用于污水處理中，有機(jī)磷酶制劑不僅可以重復(fù)利用，在惡劣條件下保持其生物活性，還不易造成二次污染，在土壤修復(fù)中可避免土壤吸附、失活。因此有機(jī)磷降解酶在環(huán)境科學(xué)與生物傳感技術(shù)上能得到廣泛應(yīng)用。

3.2 生物傳感器用于檢測(cè)有機(jī)磷化合物

有機(jī)磷降解酶可水解出多種有機(jī)磷化合物，可釋放出容易檢測(cè)的硝基酚、氟化物或氫離子，國(guó)外基于此種特性已研制出光學(xué)、電勢(shì)計(jì)和安培計(jì)生物傳感器，可快速準(zhǔn)確的檢測(cè)出有

3.3 醫(yī)療中用于制備有機(jī)磷中毒的解毒劑和抑制劑

有機(jī)磷神經(jīng)毒劑中含有磷酸三酯鍵，磷酸三酯鍵斷裂后，其毒性會(huì)大大降低。有機(jī)磷降解酶可切斷含磷鍵，所以利用其作用機(jī)理也可研制有機(jī)磷解毒劑與預(yù)防劑，從而應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

4 展望

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)有機(jī)磷降解微生物及其純化的降解酶已有廣泛研究，將有機(jī)磷降解酶有效的應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中將成為首要問(wèn)題。未來(lái)的研究方向從多個(gè)角度出發(fā)：進(jìn)一步從微生物中純化出可實(shí)際應(yīng)用的有機(jī)磷降解酶、根據(jù)分子生物學(xué)進(jìn)行鑒定從而建立菌種庫(kù)、加強(qiáng)有機(jī)磷降解酶的活化性質(zhì)研究，從而真正將有機(jī)磷降解酶應(yīng)用于生產(chǎn)生活中、體用細(xì)胞工程，基因工程等技術(shù)提高酶的活性、從酶的適應(yīng)性強(qiáng)等多優(yōu)勢(shì)出發(fā)，有效的將有機(jī)磷降解酶應(yīng)用于更多領(lǐng)域。

[1].張嬋，廖曉蘭.有機(jī)磷農(nóng)藥的微生物降解技術(shù)研究進(jìn)展[J].廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，41(10)：1079-108210.

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[5].劉玉煥,鐘英長(zhǎng).華麗曲霉Z58有機(jī)磷農(nóng)藥降解酶的純化和性質(zhì)[J].微生物學(xué)報(bào)，2000,40(4):430-434.

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