氯代乙酰類除草劑的微生物降解研究進(jìn)展

田小四 劉遠(yuǎn)

摘 要：氯代乙酰類除草劑是一類具有高效性、高選擇性的芽前除草劑，它們?cè)谌蚍秶鷥?nèi)被廣泛使用。由于其具有水溶性高、土壤殘留期長(zhǎng)的特點(diǎn)，很容易在地表水和土壤中殘留，不僅影響后茬作物生長(zhǎng)，還容易造成了生態(tài)污染，利用微生物降解這類農(nóng)藥已成為近年來的研究熱點(diǎn)。該文綜述了微生物降解氯代乙酰類除草劑的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：氯代乙酰類除草劑；降解途徑；鞘酯菌；N-脫烷基酶

中圖分類號(hào) Q93-42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2016）11-0036-03

Progress of Biodegradation of Chloroacetamide Herbicides by Microorganism

Tian Xiaosi1 et al.

（1Centre Testing International Pinbiao （Shanghai） Co.，Ltd，Shanghai 201206，China）

Abstract：Chloroacetamide herbicides are a class of pre-emergence herbicide with high efficiency and high selectivity，which are used worldwide to control broadleaf weeds and annual grasses.Because of their high water solubility and long persistence in the soil，the residues of chloroacetamide herbicides not only injure the subsequent rotation crops，but also contaminate the ecological environment. Microbial degradation of chloroacetamide has received increasing attention in recent years.This research process on the microbial degradation of Chloroacetamide herbicides was reviewed in this paper.

Key words：Chloroacetamide herbicides；Degradating-pathway；Sphingomonad；N-dealkylation

氯代乙酰類除草劑是一類觸殺型除草劑，因此類除草劑分子結(jié)構(gòu)中含有氯乙?；鶊F(tuán)而得名。氯代乙酰類除草劑具有高效性、高選擇性，在世界范圍內(nèi)應(yīng)用越來越廣泛。氯代乙酰類除草劑年產(chǎn)量與使用面積居世界第三位，僅次于草甘膦和磺酰脲類除草劑[1]。由于氯代乙酰類除草劑易溶于水，其大量使用很容易造成在土壤和地表水中的殘留，從而帶來了一系列的環(huán)境問題[2]。雖然氯乙酰類除草劑對(duì)人畜毒性較低，但是對(duì)水生動(dòng)物有很強(qiáng)的毒性，例如，研究表明，乙草胺對(duì)稀有鮈鯽幼蟲和成蟲中甲狀腺激素相關(guān)基因的表達(dá)產(chǎn)生明顯影響，其中幼蟲的甲狀腺受體蛋白α、脫碘酶、蘋果酸酶和鈉碘轉(zhuǎn)運(yùn)體表達(dá)水平明顯降低，而成蟲中編碼甲狀腺激素合成的基因表達(dá)量明顯上升[3]?；ū丑蛤茯蝌浇佑|乙草胺后，其細(xì)胞中單鏈DNA斷裂現(xiàn)象顯著增加[4]。Lasheidani等研究表明丁草胺不僅降低魚精子的數(shù)量，還降低了精子的質(zhì)量[5]。Zafeiridou等使用乙草胺、2，4，5-三氯苯氧乙酸和2，4-二氯苯氧乙酸3種除草劑處理青蛙坐骨神經(jīng)，發(fā)現(xiàn)乙草胺處理后，青蛙坐骨神經(jīng)復(fù)合動(dòng)作受到了嚴(yán)重的影響[6]。

氯代乙酰類除草劑對(duì)哺乳動(dòng)物的危害也同樣不容忽視，2008年美國(guó)環(huán)保局將甲草胺和乙草胺定為B-2致癌物質(zhì)，丁草胺和異丙甲草胺定為L(zhǎng)2和C類致癌物，并且把飲水中甲草胺的最大殘留限量定為<2μg·L-1[7]。因此，世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織已對(duì)它們?cè)趬木澈娃r(nóng)產(chǎn)品中的殘留作出嚴(yán)格的限量。利用微生物降解農(nóng)藥具有成本低、效率高、無二次污染、生態(tài)恢復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是環(huán)境污染治理最有效、最可行和最可靠的方法，已成為當(dāng)前環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)[8-9]。本文綜述了國(guó)內(nèi)外在氯代乙酰類農(nóng)藥殘留的微生物降解方面取得的研究成果，并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行了展望，對(duì)加強(qiáng)該類農(nóng)藥環(huán)境行為研究具有重要警示作用。

1 降解微生物的種類

光解、水解和植物動(dòng)物降解是農(nóng)藥在環(huán)境中非常重要的降解方式，但是氯代乙酰類除草劑通過光解、水解、植物動(dòng)物降解所占比例很少，研究發(fā)現(xiàn)微生物在氯代乙酰類除草劑的生物降解過程中起著最主要的作用。由于氯代乙酰類除草劑在20世紀(jì)50年代就開始使用，很多報(bào)道很早就有關(guān)于從土壤和水體中分離到降解該類農(nóng)藥的微生物。綜述相關(guān)文獻(xiàn)可以看出已分離篩選到的降解微生物分布多個(gè)種屬，細(xì)菌的種類和數(shù)量最多，其次是真菌，放線菌只有很少的菌株。

2 降解途徑的研究

降解氯代乙酰類除草劑的微生物種類繁多，這也導(dǎo)致了其代謝途徑的多樣性。農(nóng)藥微生物代謝途徑的研究主要是通過液相和質(zhì)譜等方法來鑒定降解的中間產(chǎn)物，并以此為依據(jù)分析代謝途徑，但是由于產(chǎn)物的不穩(wěn)定性、復(fù)雜性及菌體產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物的影響，導(dǎo)致了中間產(chǎn)物的鑒定困難。因此，微生物代謝氯代乙酰類除草劑的完整途徑到目前為止尚不清楚?，F(xiàn)在報(bào)道的微生物降解氯代乙酰類除草劑的途徑主要有3種：谷胱甘肽介導(dǎo)脫氯、側(cè)鏈脫烷基途徑和混合降解途徑。

2.1 谷胱甘肽介導(dǎo)脫氯 氯代乙酰類除草劑通過谷胱甘肽轉(zhuǎn)化，最初被認(rèn)識(shí)是因?yàn)樵趧?dòng)物和植物中發(fā)現(xiàn)的較多，而在原核生物中發(fā)現(xiàn)的較少，直到二氯甲烷脫氯酶的發(fā)現(xiàn)，才使細(xì)菌中的谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶研究得到重視。Feng研究發(fā)現(xiàn)乙草胺在土壤中首先與谷胱甘肽形成乙草胺-谷胱甘肽結(jié)合物，再轉(zhuǎn)化成乙草胺S-半胱氨酸結(jié)合物，最終在土壤中形成酸性代謝物[10]。甲草胺的微生物初始代謝步驟是通過谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶與谷胱甘肽取代氯原子形成甲草胺-谷胱甘肽復(fù)合物，該復(fù)合物通過γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶、羧肽酶類、半胱氨酸-β-裂解酶最后通過氧化酶氧化成含硫和不包含硫的代謝物[11]。Stamper等在研究氯乙酰類除草劑降解時(shí)發(fā)現(xiàn)，微生物體內(nèi)的谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶能夠親核攻擊甲草胺、異丙甲草胺和毒草胺的2-氯基團(tuán)并形成谷胱甘肽-乙酰胺中間態(tài)，然后進(jìn)一步形成無除草活性的乙烷磺酸ESA[12]。

2.2 側(cè)鏈的脫烷基途徑 側(cè)鏈上脫烷基途徑是氯代乙酰類除草劑微生物降解的主要方式之一，氯代乙酰苯類農(nóng)藥的完全降解需要多個(gè)菌株共同作用，而單獨(dú)礦化該類農(nóng)藥的降解菌很少見報(bào)道。Li等通過分離篩選到菌株Sphingobium sp.DC-2和Sphingobium sp.DE-13，這2個(gè)菌株聯(lián)合作用后可以礦化乙草胺，首先Sphingobium sp.DC-2將乙草胺降解為2-甲基-6-乙基-苯胺 （MEA），然后Sphingobium sp.DE-13通過對(duì)位的羥基化將MEA轉(zhuǎn)化成2-甲基-6-乙基-氨基苯酚（MEAOH），MEAOH羥基氧化生成2-甲基-6-乙基對(duì)苯醌亞胺（MEBQI），MEBQI最后被完全降解[13]。Hou等分離到T3-1、T3-6和MEA3-1等3個(gè)菌株通過共同作用可完全降解乙草胺：菌株T3-1從乙草胺分子的側(cè)鏈N上脫烷基，形成中間產(chǎn)物CMEPA；然后菌株T3-6作用于CMEPA，切斷酰胺鍵形成MEA和氯乙酸；最后菌株MEA3-1將MEA完全降解[14]。Zhang等研究了Paracoccus sp.FLY-8降解丁草胺的代謝途徑，發(fā)現(xiàn)丁草胺首先被降解成甲草胺，甲草胺從N上脫烷基形成CDEPA，水解CDEPA形成DEA，以苯胺為中間產(chǎn)物，降解生成鄰苯二酚，繼而開環(huán)直至完全礦化[15]。

2.3 混合降解途徑 部分菌株對(duì)氯代乙酰類除草劑的降解機(jī)制是非常復(fù)雜的，其中夾雜著多種反應(yīng)，例如脫氯、羥基化、N-脫烷基、O-脫烷基、C-脫烷基、環(huán)化、羧化和脫羧等。其中，最為典型的是Pseudomonsa oleovorans sp.L Ca2、Fusarium solani 和 Catellibacterium caeni sp.DCA-1降解氯代酰胺類除草劑的代謝途徑。研究發(fā)現(xiàn)Pseudomonsa oleovorans sp.LCa2 降解乙草胺的途徑涉及的反應(yīng)有脫氯作用、脫氫作用、羥基化、N-脫烷基和C-脫烷基[16]。Fusarium solani 在降解丁草胺過程中檢測(cè)出的中間產(chǎn)物超過30種。Zheng等研究發(fā)現(xiàn)Catellibacterium caeni sp. DCA-1降解丁草胺的代謝途徑：首先丁草胺在相關(guān)酶的作用下脫去丁氧甲基支鏈中的丁基，然后脫去氯原子，最后產(chǎn)物進(jìn)一步脫掉甲基，因此，DCA-1 降解丁草胺涉及的反應(yīng)有脫氯作用、N-脫烷基、O-脫烷基、C-脫烷基作用。

3 微生物降解的機(jī)制研究

脫烷基反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是C-N鍵的斷裂，大量的研究結(jié)果表明，斷開C-N鍵的酶主要是酰酶、脫甲基酶和脫烷基酶，目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道的關(guān)于氯代乙酰類除草劑代謝的功能基因論文很少。Li等利用鳥槍-顯色法（苯胺類物質(zhì)顯色劑氨基比林和鐵氰化鉀反應(yīng)顯紅褐色為篩選標(biāo)記），從乙草胺降解菌株Sphingobium sp.DC-2中克隆到一個(gè)酰胺酶基因cmeH，CmeH 能夠水解CMEPA （CDEPA） 酰胺鍵生成 MEA （DEA），這是最早報(bào)道有關(guān)乙草胺微生物降解的基因[13]。Wang等通過蛋白純化從 Delftia sp.T3-6 中克隆到降解 CDEPA 的基因 DamH，該基因編碼的蛋白與 Li 等報(bào)道的CmeH蛋白相似，同樣不能水解丁草胺的酰胺鍵[18]。然而，通過采用突變株和野生株的基因組信息比對(duì)的方法，Chen等從 Sphingomonads DC-6 和 DC-2 乙草胺降解菌株中克隆到一個(gè)三組分的N-脫烷基的基因簇 CndABC，該基因簇屬于非血紅素鐵硫蛋白氧化酶 （RHO） 家族，三組分編碼的蛋白可以催化降解甲草胺、乙草胺和丁草胺[19]。

4 展望

環(huán)境中氯代乙酰類除草劑的代謝，土壤微生物在其中起主要作用。當(dāng)前已經(jīng)獲得了多種降解氯代乙酰類除草劑的微生物資源，包括細(xì)菌、真菌和放線菌等。氯代乙酰類除草劑的微生物降解在降解菌的分離篩選和生理特性方面已有較多研究，對(duì)其代謝途徑有了一定的認(rèn)識(shí)，但對(duì)影響降解的關(guān)鍵酶有待進(jìn)一步研究。綜上所述，以往研究還不夠深入，還有很多問題沒有得到闡明，該類除草劑降級(jí)的酶和基因、降解途徑的代謝調(diào)控機(jī)理及其遺傳控制機(jī)制尚不清楚，今后應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究。

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