有機磷類農(nóng)藥微生物修復(fù)研究進展

魏語寧，劉春光，付海燕,4，吳 桐，宋福強，馬玉堃，楊峰山

（1黑龍江大學(xué)農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心，哈爾濱 150500；2黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江省寒地生態(tài)修復(fù)與資源利用重點實驗室，哈爾濱 150080；3黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江省普通高校分子生物學(xué)重點實驗室，哈爾濱 150080；4東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040）

0 引言

中國農(nóng)業(yè)有害生物防控目前仍以化學(xué)農(nóng)藥應(yīng)用為主，常用種類為有機磷類、氨基甲酸酯類、有機氯類、擬除蟲菊酯類、酰胺類等[1]，其中有機磷類農(nóng)藥1950年由美國氰胺化學(xué)公司研發(fā)低毒殺蟲劑馬拉硫磷并被使用以來，有機磷類農(nóng)藥的使用量已經(jīng)占全部農(nóng)藥用量的一半以上，隨著其使用量的增加，帶來的殘留污染也日益得到關(guān)注，目前研究有機磷類農(nóng)藥污染環(huán)境修復(fù)主要途徑有氧化降解、生物降解和光催化降解[2-3]，微生物降解由于所需要的能耗低，不易造成二次污染，成為科研人員關(guān)注熱點方向[4]。本文系統(tǒng)歸納總結(jié)了有機磷類農(nóng)藥降解微生物種類、降解機制、存在問題，并提出微生物修復(fù)未來發(fā)展趨勢，以期為該方向同類研究提供依據(jù)。

1 現(xiàn)狀

1.1 農(nóng)藥土壤污染現(xiàn)狀

農(nóng)藥的應(yīng)用可以有效防治病、蟲、草害，促進農(nóng)作物增產(chǎn)，目前中國常規(guī)生產(chǎn)和應(yīng)用的各種農(nóng)藥品種有150多種[5]，年產(chǎn)量大于20萬t，其中殺蟲劑占比為40%，除草劑占比為36.45%，殺菌劑和其他類農(nóng)藥分別約占22.13%和1.42%。但農(nóng)藥的超范圍以及過量施用，也很容易對環(huán)境造成影響，其中最為嚴(yán)重的就是土壤污染。目前研究結(jié)果表明農(nóng)藥在噴灑使用過程中只有10%～20%可以吸附在植物體表面，有80%～90%將最終進入土壤，其中在土壤0～20 cm的表土層殘留的農(nóng)藥達到80%以上，目前已經(jīng)造成農(nóng)藥污染土壤達1600萬hm2[6]，隨著農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，各類農(nóng)藥使用量和使用時間不斷累積，導(dǎo)致農(nóng)藥殘留愈加嚴(yán)重，呈現(xiàn)點-線-面的立體式空間污染態(tài)勢，而且農(nóng)藥對于土壤污染也存在較強的隱蔽性和滯后性，所以農(nóng)藥污染土壤的問題也越來越受到重視。如何解決農(nóng)藥污染成為目前政府和科研工作者關(guān)注的問題[7]。

1.2 有機磷類農(nóng)藥的使用現(xiàn)狀

馬拉硫磷最先研制應(yīng)用以來，國內(nèi)外農(nóng)藥公司隨后又相繼研發(fā)出敵百蟲、樂果、久效磷、氧化樂果、馬拉硫磷、毒死蜱等種類，據(jù)統(tǒng)計，中國有機磷類農(nóng)藥的年應(yīng)用量達到10萬t，使用的有機磷類農(nóng)藥品種約為30種，而全世界使用有機磷類農(nóng)藥品種已超過百種[8]。所以不管在產(chǎn)量、品種的數(shù)量還是在市場占有率方面有機磷類農(nóng)藥都位居各類農(nóng)藥的前列[9]。由于有機磷類農(nóng)藥的大量使用和持續(xù)性污染，使其污染情況更受關(guān)注[10]。

1.3 有機磷類農(nóng)藥微生物修復(fù)研究進展

1.3.1 有機磷類農(nóng)藥微生物降解機制 目前各類農(nóng)藥的生物修復(fù)主要包括微生物修復(fù)、植物修復(fù)和菌根修復(fù)等[11]，微生物修復(fù)是通過其自身的代謝活動對周圍有毒有害物質(zhì)進行降解和轉(zhuǎn)化，修復(fù)受破壞的生態(tài)環(huán)境，達到治理環(huán)境的目的。微生物修復(fù)方式分為原（異）位修復(fù)和原-異位聯(lián)合修復(fù)，用于修復(fù)的微生物分為土著微生物和外源微生物2種。微生物降解農(nóng)藥的作用方式可以分為兩大類，一是微生物直接作用于農(nóng)藥，通過酶促反應(yīng)降解農(nóng)藥，即微生物通過依靠氧化還原酶類、水解酶類、裂解酶類和轉(zhuǎn)移酶類直接作用于有機磷農(nóng)藥，使有機磷農(nóng)藥中的P-O鍵、P-S鍵、P-N鍵斷裂，達到降解有機磷農(nóng)藥的目標(biāo)，其降解形式主要有水解、合成、氧化、還原、脫氫、脫羧、脫鹵、縮合、異構(gòu)化等幾種類型[12-14]；二是非酶促反應(yīng)，它是通過微生物代謝活動改變周圍的物理和化學(xué)環(huán)境從而間接作用于農(nóng)藥。降解機制研究分為3個階段，從初級降解使有機磷農(nóng)藥的母體結(jié)構(gòu)消失、特性發(fā)生變化，到次級降解使降解得到的產(chǎn)物不再導(dǎo)致環(huán)境污染。再到最終降解使有機磷類農(nóng)藥完全轉(zhuǎn)化為CO2、H2O等無機物[14]。

1.3.2 有機磷類農(nóng)藥降解微生物研究概況 國內(nèi)外對環(huán)境污染中殘留農(nóng)藥微生物降解研究始于20世紀(jì)40年代末[2]，隨后大量試驗研究發(fā)現(xiàn)能降解有機磷類農(nóng)藥的有細(xì)菌、真菌、藻類等[15]，這些微生物是從有機磷類農(nóng)藥污染的場地提取土壤樣品后直接篩選或者在實驗室模擬外界存在有機磷污染的情況進行富集培養(yǎng)、平板劃線等方式獲得[16-17]，之后對其進行分離鑒定。本文系統(tǒng)總結(jié)近年有機磷類農(nóng)藥降解功能微生物種類及降解特性（表1），降解細(xì)菌菌屬種數(shù)最多，涉及20類，占比約為79%，假單胞菌屬和芽孢桿菌屬篩選鑒定菌種更為豐富，分別約占總細(xì)菌種類的26%和16%；部分真菌和藻類對有機磷類農(nóng)藥有降解作用。細(xì)菌能降解常用有機磷類農(nóng)藥種類有15種，而真菌和藻類能降解常用有機磷類農(nóng)藥的種類分別為9種和3種，許多菌屬表現(xiàn)對有機磷農(nóng)藥光譜降解特性。

表1 有機磷類農(nóng)藥降解功能微生物匯總表

2 存在的問題

隨著政府、科研人員對生態(tài)環(huán)境日益關(guān)注，農(nóng)藥污染產(chǎn)生土壤退化、微生物群落結(jié)構(gòu)失衡、農(nóng)產(chǎn)品安全等問題亟需解決，科技人員針對農(nóng)藥產(chǎn)生生態(tài)環(huán)境污染的修復(fù)提出許多新的解決思路和治理方法[52-56]。尤其有機磷類農(nóng)藥污染帶來的系列問題，現(xiàn)有報道各種有機磷類農(nóng)藥污染的修復(fù)方法相比較而言，微生物修復(fù)技術(shù)可以完全降解該類農(nóng)藥，對環(huán)境造成二次污染影響小，而且目前篩選出的降解微生物種類也很豐富，有利于提高修復(fù)效率，該技術(shù)研究和應(yīng)用成為熱點方向之一。但是這些功能微生物由實驗室研究到農(nóng)業(yè)環(huán)境應(yīng)用還有許多問題需要深入探討，首先需要考慮環(huán)境因素影響，微生物融入土著微生物群落需要適宜環(huán)境條件，不同作物種類、不同耕作區(qū)域的溫度、濕度、pH、光源等因素均會對外源微生物定殖產(chǎn)生影響[56-58]；其次如何確保功能微生物優(yōu)先選擇有機磷類農(nóng)藥作為主要能量來源，微生物適應(yīng)性進化產(chǎn)生優(yōu)先利用單糖繁殖特性，在其生存環(huán)境中由于由單糖、寡糖和多糖供應(yīng)條件下會屏蔽不易降解的農(nóng)藥，這也是很多在實驗室降解特性高、降解農(nóng)藥譜廣的菌種資源在實踐應(yīng)用差的主要原因；第三功能微生物自身安全性評價以及對農(nóng)藥降解產(chǎn)物的毒性研究也需要長期的監(jiān)測與分析，農(nóng)藥降解功能微生物種類需要是致病菌近源種，是否具有致病屬性和安全隱患需要系統(tǒng)研究，而且在增殖過程中產(chǎn)生的次生代謝物種類也很復(fù)雜，農(nóng)藥逐級降解產(chǎn)物種類和毒性都需要在未來的研究中予以解決。最后就是功能微生物如何在土壤環(huán)境的定殖以及與土著微生物共生問題，任何特殊環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)由于長期的適應(yīng)性進化而產(chǎn)生動態(tài)平衡都具有一定的穩(wěn)定性，外源功能微生物進入需要打破現(xiàn)有平衡，構(gòu)建新的群落結(jié)構(gòu)涉及復(fù)雜的微生物生態(tài)內(nèi)容，需要長期系統(tǒng)的觀測和驗證才能得到答案，而且土著微生物對施用外源微生物的降解功也會產(chǎn)生抑制作用[59]，未來功能微生物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐應(yīng)用還需要深入研究。

續(xù)表1

3 展望

在今后的研究中，有機磷類農(nóng)藥污染的微生物修復(fù)應(yīng)從以下幾個方面加強：首先菌株資源是農(nóng)藥生物修復(fù)的基礎(chǔ)，要不斷創(chuàng)新，通過多途徑、多方法分離和篩選具有高效降解有機磷類農(nóng)藥的新菌株，加速構(gòu)建高效有機磷類農(nóng)藥修復(fù)降解菌的種子庫。其次降解機制研究是農(nóng)藥修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的前提，要深入研究降解菌對有機磷類農(nóng)藥的降解分子機制，明確代謝中間產(chǎn)物及其對環(huán)境潛在影響，進而利用功能菌株降解機制優(yōu)化降解效能，以達到更高的降解率。另外復(fù)合菌劑研發(fā)與應(yīng)用是促進有機磷類農(nóng)藥降解的方向，通過不同具有協(xié)同效應(yīng)的菌系復(fù)配，綜合利用不同降解機制菌株，促進對有機磷類農(nóng)藥的完全無害化高效降解。最后微生物固定技術(shù)是保障，通過微生物包埋和固定化，營造降解功能微生物獨立的生存空間，同時包埋材料能夠?qū)⑼寥罋埩艮r(nóng)藥吸附到功能菌株周圍，促使功能微生物最大化利用農(nóng)藥作為能量來源，增加微生物持續(xù)降解效率。在不同的環(huán)境條件下也要將微生物修復(fù)技術(shù)與其他環(huán)境污染修復(fù)技術(shù)有效的聯(lián)合應(yīng)用，使其達到事半功倍的效果[60]。建立科學(xué)合理的微生物修復(fù)評價指標(biāo)體系也是非常重要的。通過這些方面深入研究，將會推動有機磷類農(nóng)藥微生物降解的研究進入更高層次，同時也能為解決環(huán)境中有機磷類農(nóng)藥污染土壤的問題奠定堅實基礎(chǔ)。