微生物降解磺隆類除草劑的研究進展

趙炎+陳晨+韓亮+李明梅+王新

摘要：針對現(xiàn)階段微生物降解磺隆類除草劑的研究進行了系統(tǒng)整理與分析，并結(jié)合實際應(yīng)用情況，分析了影響微生物降解磺隆類除草劑效率的各項因素的研究現(xiàn)狀，提出了未來可行的研究方向，為農(nóng)藥合理使用、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)管理及土壤資源可持續(xù)利用提供參考。

關(guān)鍵詞：磺隆類除草劑；微生物降解；降解機理

中圖分類號：X592 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）23-4443-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.003

The Research Progress of Microbial Degradation of Sulfonylurea Herbicide

ZHAO Yan，CHEN Chen，HAN Liang，LI Ming-mei，WANG Xin

（School of Science，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

Abstract： The microbial degradation of sulfonylurea herbicide at this stage was systematically reviewed and analyzed. Based on the practical application，the research status of various factors affecting the degradation efficiency of microbial degradation of sulfonylurea herbicide was analyzed. This paper put forward the future feasible research direction and provide a reference for the rational use of pesticides，farmland ecosystem management and sustainable use of soil resources.

Key words： sulfonylurea herbicide； micro-biological degradation； mechanism of degradation

由于磺隆類除草劑的大量施用，生態(tài)環(huán)境尤其是土壤環(huán)境遭到了較為嚴重的破壞，為了減輕這種破壞，降解殘留農(nóng)藥成為了十分必要的環(huán)節(jié)。迄今為止，國內(nèi)外大量學者都已經(jīng)開始研究微生物對磺隆類除草劑的降解效果，并在這一領(lǐng)域有了較大的突破。日后，利用微生物降解磺隆類除草劑也將成為主流趨勢。

1 磺隆類除草劑的應(yīng)用現(xiàn)狀及危害

1.1 磺隆類除草劑的應(yīng)用現(xiàn)狀

磺隆類除草劑受到國內(nèi)外市場的推崇，其主要因素為5個方面：一是活性極高，每公頃用藥量以克計，屬于超高效除草劑品種；二是除草譜廣，每個品種除草譜差別較大；三是選擇性強，每個品種均有相應(yīng)的適用作物和除草譜，對作物安全度高，對雜草高效；四是使用方便，既可用于土壤處理，也可用于莖葉處理；五是該類除草劑使細胞周期的特殊除草劑，既不影響細胞生長，也不影響種子發(fā)芽和出苗[1]。

據(jù)聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織（FAO）報道，僅1992-2011年期間該類藥劑的使用量即從129 t迅速增加到了2 135 t，尤其在歐洲和北美地區(qū)，其用量增加了100倍以上[2]。中國農(nóng)藥網(wǎng)2014年公布的數(shù)據(jù)表明，2011年全世界磺隆類除草劑的銷售額已達23.74億美元，占整個除草劑市場的11.0%，其中銷售額最高的為甲磺胺磺隆（mesosulfuron-methyl）和煙嘧磺?。╪icosulfuron），兩者總計達2.80億美元。

1.2 磺隆類除草劑的危害

廣泛應(yīng)用磺隆類除草劑，對農(nóng)牧業(yè)的增產(chǎn)、保收和保存以及疾病的預防控制都起到了十分重要的作用[3]。但必須正視的是，大量施用農(nóng)藥已經(jīng)對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重污染，土壤環(huán)境變化、農(nóng)作物中農(nóng)藥的殘留都將危害人畜健康。

磺隆類除草劑的污染途徑主要包括3個方面。一是直接污染，即噴灑的農(nóng)藥附著在農(nóng)作物表面，被作物吸收后運轉(zhuǎn)至各部分造成農(nóng)藥殘留。二是間接污染，即由于農(nóng)藥施用量過大，多余農(nóng)藥進入空氣、水體及土壤，污染生態(tài)環(huán)境，農(nóng)作物再從受到污染的環(huán)境中吸收農(nóng)藥，造成二次污染。三是生物富集作用于食物鏈而造成污染，一些理化性質(zhì)穩(wěn)定的農(nóng)藥具有很強的脂溶性，會與酶及蛋白質(zhì)結(jié)合，通過生物富集作用在生物體內(nèi)逐級濃縮，提高殘留量[4]。

磺隆類除草劑對環(huán)境的危害是毋容置疑的。大量施用農(nóng)藥，會導致土壤環(huán)境質(zhì)量降低，影響土壤生產(chǎn)力，危害生物安全。而土壤被污染后，植物會通過根系吸收并轉(zhuǎn)運到其他組織和產(chǎn)品中，影響其生長，甚至影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。當農(nóng)產(chǎn)品被人畜食用后，又會對人畜健康產(chǎn)生進一步的危害[5-7]。

2 磺隆類除草劑的結(jié)構(gòu)及治理工程技術(shù)

2.1 磺隆類除草劑的結(jié)構(gòu)

磺隆類除草劑含有羰基、氨基、甲氧基等重要化學基團，可以被微生物分解利用作為物質(zhì)和能量的來源。目前，國內(nèi)外常用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的磺隆類除草劑多達20余種（圖1）[8，9]。

2.2 磺隆類除草劑的治理工程技術(shù)

針對磺隆類除草劑造成的土壤污染，目前國內(nèi)外已經(jīng)有了較為成功的經(jīng)驗，其中常用的技術(shù)有焚燒技術(shù)、熱解析技術(shù)、土壤淋洗技術(shù)、生物修復技術(shù)、使用土壤改良劑等。然而目前所采用的這些技術(shù)均有較大的不足之處，如焚燒技術(shù)具有處理費用較高，且對土壤理化性質(zhì)影響較大的缺點。

相對來說利用近年來發(fā)展迅速的微生物降解技術(shù)來處理磺隆類除草劑對土壤的污染問題，具有更加綠色安全、無二次污染、對土壤理化性質(zhì)影響較小等優(yōu)點。本研究旨在分析影響磺隆類除草劑降解速率的各項因素，以便于尋求更加有利于降解磺隆類除草劑降解的復合菌系及外界環(huán)境條件[10]。endprint

3 微生物降解磺隆類除草劑機理及種類

3.1 微生物降解磺隆類除草劑機理

微生物降解磺隆類除草劑可分為酶促反應(yīng)和非酶促反應(yīng)[11]。微生物的酶促反應(yīng)主要分為3個階段。第一階段是初級生物降解，即在微生物的作用下，有機污染物的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，分子完整性被破壞。第二階段是環(huán)境容許的生物降解，主要是去除農(nóng)藥毒性。第三階段是最終生物降解，即農(nóng)藥被微生物降解，由有機物轉(zhuǎn)化為無機物。非酶促反應(yīng)主要是通過微生物的活動使環(huán)境的pH發(fā)生變化或產(chǎn)生某些輔助因子及化學物質(zhì)，從而引起除草劑的降解作用[12]。

磺隆類除草劑可以通過脫甲基、脲橋斷裂、開雜環(huán)等一系列反應(yīng)生成相應(yīng)的小分子物質(zhì)（圖2），這些小分子物質(zhì)可以通過生物體內(nèi)普遍存在的代謝途徑進一步被代謝為二氧化碳、水和能量等物質(zhì)，進而達到去除磺隆類除草劑并修復環(huán)境的目的[13-15]。

3.2 降解磺隆類除草劑的微生物種類

降解磺隆類除草劑的主要細菌及真菌種類見表1、表2。

4 降解速率的影響因素研究現(xiàn)狀

4.1 溫度和濕度

溫度和濕度在對農(nóng)藥產(chǎn)生影響的同時，也會對微生物的生命活動產(chǎn)生十分重要的影響。溫度越高、濕度越大，磺隆類除草劑的半衰期就越短。聞長虹[18]、Polubesova等[19]測定了30 ℃和10 ℃條件下醚苯磺隆降解的半衰期，發(fā)現(xiàn)溫度降低會使半衰期從13 d增加至79 d。當溫度與濕度都適宜時，微生物的生命活動活躍，代謝速率得到提高，會加快對除草劑的降解速率。

4.2 pH

pH對微生物的群落種類及數(shù)量均有影響。因此，對微生物降解除草劑的能力也會產(chǎn)生一定程度的影響。另外，pH也會改變磺隆類除草劑的存在形態(tài)，間接影響微生物的降解。在中性及酸性條件下，磺隆類除草劑為中性型式，易水解，微生物作用于水解產(chǎn)物，促進降解作用；而在堿性條件下，磺隆類除草劑以陰離子型式存在，水溶性強但不易水解，微生物作用于磺隆類除草劑[20]。

4.3 微生物種類和數(shù)量

一些細菌、真菌、放線菌具有降解磺隆類除草劑的作用。有研究證明，真菌黑曲霉、青霉、假單胞菌、兩種淺灰霉鏈菌都具有降解磺隆類除草劑的作用?；锹☆惓輨┰跍缇寥乐械慕到馑俾示仍谖礈缇寥乐芯徛?，而在未滅菌土壤中代謝產(chǎn)物更為復雜，如綠磺隆在20.0～30.0 ℃的酸性土壤中，在滅菌條件下的半衰期比未滅菌條件下分別延長2.0～4.0倍。因此，土壤中微生物的種類及數(shù)量在磺隆類除草劑的降解中起著重要作用[17]。

4.4 除草劑結(jié)構(gòu)

中國廣泛使用的磺隆類除草劑主要由芳香基、磺酰脲橋和雜環(huán)三部分組成，取代基的變化會使生物活性和選擇性發(fā)生很大變化，也會影響微生物代謝的敏感性。有研究證明，苯磺隆和噻吩磺隆比綠磺隆和甲磺隆降解速率快十幾倍甚至幾十倍，這是因為苯磺隆單甲基化了磺酰脲橋，從而使苯磺隆在所有pH值條件下對脲橋水解都非常敏感[21]。

5 結(jié)論與展望

利用微生物降解磺隆類除草劑具有綠色安全、無二次污染、對土壤理化性質(zhì)影響較小等優(yōu)點，因此應(yīng)用十分廣泛，然而這仍是一個較為新興的處理技術(shù)。目前，國內(nèi)外對于土壤微生物降解農(nóng)藥的研究主要集中在以下幾個方面：高效農(nóng)藥降解工程菌的開發(fā)，混和菌的培養(yǎng)，降解菌的固定化，農(nóng)藥生物降解的模型定量化研究等[22]。

除此之外還有一些問題有待進一步的深入研究，例如：如何在自然界中篩選多功能微生物資源；如何使實驗室條件下微生物降解與實際應(yīng)用效果接近；如何克服影響微生物降解效果的各種限制因子，實現(xiàn)構(gòu)建的工程菌農(nóng)藥降解質(zhì)粒的穩(wěn)定性及菌種的安全管理等。因此，在今后的一段時間內(nèi)，農(nóng)藥污染與微生物的研究可以在以下幾個領(lǐng)域展開。

1）設(shè)計合成高效、低毒、易降解的新農(nóng)藥，從源頭防治農(nóng)藥污染。

2）強化農(nóng)藥降解菌及其酶活性與作用機制的研究，提高酶的降解譜和降解活性，改變其代謝流，降低產(chǎn)物的毒性。

3）有效應(yīng)用現(xiàn)代生物技術(shù)，改造或構(gòu)建新的菌種，提高農(nóng)藥的降解速率，增強降解菌的環(huán)境適應(yīng)性。

4）建立有效的手段和方法，對構(gòu)建的工程菌進行預測，提高其進入自然環(huán)境后的生態(tài)安全性。

相信這些問題的解決，將會推動農(nóng)藥生物降解的研究進展，為農(nóng)藥合理使用、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)管理及土壤資源可持續(xù)利用提供參考。

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