農(nóng)藥殘留降解技術(shù)研究現(xiàn)狀

楊 霞，荊常亮，余佳敏，杜秀春，茍春苗，余祥文，楊 偉，徐海波，李義強(qiáng)，李 斌*

(1.中國(guó)煙草總公司四川省公司，四川成都 610000；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，山東青島 266101；3.四川省煙草科學(xué)研究所，四川成都 610000；4.山東青島煙草有限公司，山東青島 266000；5. 四川煙草復(fù)烤有限責(zé)任公司，四川成都 610000)

農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中扮演著重要的角色，可直接作為調(diào)節(jié)劑控制作物生長(zhǎng)，間接作為輔助劑、增效劑來(lái)提高藥劑效力從而影響作物生長(zhǎng)，在農(nóng)作物增產(chǎn)、質(zhì)量保障以及病害防控等方面有不可取代的意義[1-2]。農(nóng)藥具有效果顯著、生效迅速、強(qiáng)穩(wěn)定性、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在防治農(nóng)作物病蟲害方面是目前利用率最高的措施之一[3]。但伴隨農(nóng)藥的大量應(yīng)用，農(nóng)藥殘留問(wèn)題在農(nóng)產(chǎn)品銷售中的影響日趨嚴(yán)重。農(nóng)藥殘留含有農(nóng)藥原體、有毒代謝物、降解物和雜質(zhì)，指農(nóng)藥使用后生物體、農(nóng)副產(chǎn)品和環(huán)境中的殘存部分[3]。它首先會(huì)造成環(huán)境污染、影響生物生長(zhǎng)，食用此類農(nóng)作物更可能會(huì)危害人體健康，這已引起國(guó)內(nèi)外的高度重視。

現(xiàn)階段的研究表明，農(nóng)藥殘留的降解方法分為：物理法、化學(xué)法和生物法[4]。其中物理方法包括洗滌、超聲波技術(shù)、電離輻射和夾帶法等，化學(xué)方法包括水解、氧化分解和光化學(xué)降解等，生物方法有微生物降解、酶降解和工程菌降解等，而隨著微生物的研究作為熱點(diǎn)，利用微生物降解農(nóng)藥在近年來(lái)也受到廣泛關(guān)注[5]。該研究對(duì)農(nóng)藥殘留降解的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展進(jìn)行了綜述，為農(nóng)藥殘留控制新技術(shù)的研究奠定基礎(chǔ)。

1 物理降解

農(nóng)藥的物理降解主要包括洗滌、超聲波降解、電離輻射和夾帶等多種方法，其原理是利用農(nóng)藥的一些物理和化學(xué)特性，如水溶性、熱不穩(wěn)定性和光不穩(wěn)定性等去除農(nóng)藥殘留[6]。

1.1 洗滌洗滌是研究和使用最多的物理降解農(nóng)藥殘留的技術(shù)。采用清水洗滌農(nóng)產(chǎn)品后，水溶性的農(nóng)藥殘留會(huì)得到很好的去除，脂溶性農(nóng)藥的降解率較低，可選擇洗滌劑加入清水中以加速其溶解。除清水外，鹽水、堿水、酸性水均可以作為農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留的洗滌劑。不同洗滌劑對(duì)農(nóng)藥殘留都有一定程度的去除效果，但不同洗滌劑對(duì)不同農(nóng)藥的降解效果也有差異。有研究用5種洗滌劑處理不同菜葉上的農(nóng)藥殘留，試驗(yàn)結(jié)果顯示不同洗滌劑對(duì)菜葉農(nóng)藥殘留均能降解，但降解效率有所差異，5‰的鹽水降解效率最高[7]。劉偉森等[8]利用不同洗滌劑(超聲波水泡、清水、食用堿、洗潔精)處理娃娃菜，采用氣相色譜檢測(cè)敵敵畏和樂(lè)果含量，結(jié)果同樣顯示不同的處理方法均可以獲得不同程度的農(nóng)藥降解效果，洗潔精降解效率最高，對(duì)樂(lè)果和敵敵畏的降解率分別為76.11%和84.38%。

洗滌類型和溫度、溶解度、殘留時(shí)間和位置等因素都會(huì)導(dǎo)致洗滌法處理農(nóng)藥殘留的不同降解效果[9]。另外，洗滌劑的不當(dāng)使用可能會(huì)造成更大的危害，如部分堿性洗滌劑處理農(nóng)藥殘留后的毒性會(huì)擴(kuò)大10倍以上，所以在洗滌劑酸堿性難以區(qū)分時(shí)應(yīng)盡量不用；而部分合成洗滌劑因強(qiáng)吸附性，難處理反而造成二次污染[10]。

1.2 超聲波降解法超聲波降解法是通過(guò)超聲波輻射把污染物分解為小分子的方法[11]。超聲波技術(shù)因高強(qiáng)度、高頻率的振蕩特點(diǎn)比其他農(nóng)藥處理方法的溶出速率快、縮短了時(shí)長(zhǎng)[12]。Golash等[13]研究發(fā)現(xiàn)，降解效果受反應(yīng)器類型的影響，且聲強(qiáng)與敵敵畏的降解率呈正相關(guān)；用頻率為20 kHz、聲強(qiáng)為0.34～0.68 W/mL的超聲波輻照120 min后廢水中敵敵畏可完全降解。Farooq等[14]用超聲波降解農(nóng)藥廢水溶液中的氧樂(lè)果的降解率可達(dá)96%以上，且在20～70 ℃范圍內(nèi)，超聲波降解氧樂(lè)果的效率幾乎不受溫度影響。目前應(yīng)用超聲波處理農(nóng)藥殘留降解仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，缺乏系統(tǒng)研究，要想大規(guī)模利用超聲波降解技術(shù)，必須解決在工業(yè)上適用性、經(jīng)濟(jì)性、放大性等困難[15]。

1.3 電離輻射電離輻射也是由大分子降解成小分子的過(guò)程，主要通過(guò)放射性同位素所釋放的各種高能射線產(chǎn)生能量使農(nóng)藥的各種化學(xué)鍵斷裂[12]。電離輻射法通常作用于常溫常壓下，操作簡(jiǎn)單、廣泛應(yīng)用、安全無(wú)污染，且速率高、見效快、反應(yīng)完全。不同輻照劑量處理不同農(nóng)藥的效果也有差異。陳梅紅等[16]用電離輻射方法對(duì)4種農(nóng)藥(甲基對(duì)硫磷、溴氰菊酯、氧化樂(lè)果、三氯殺螨醇)進(jìn)行處理，研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)藥降解率受輻照劑量的影響，但二者關(guān)系并不一定是呈正相關(guān)，前2種農(nóng)藥的降解率隨著輻射量的增加而增大，而氧化樂(lè)果降解效率基本不變，后者降解率隨輻射量增加而減小。黃志勇等[17]研究發(fā)現(xiàn)，不同輻照劑量處理對(duì)綠茶農(nóng)藥殘留均有一定的降解效果，且輻照后的綠茶鮮葉和干葉的農(nóng)殘降解率均有不同程度降低，效果最好的處理組降低了39.63%。但電離輻射在農(nóng)產(chǎn)品上的應(yīng)用效果并不好，比如短波輻射會(huì)大幅縮短果品貯藏期且損害果品質(zhì)量。

1.4 夾帶法利用具備吸附性的物質(zhì)(如活性炭、石英砂等)將農(nóng)藥殘留吸附或夾帶的方法稱為夾帶法[18]?；钚蕴坑斜缺砻娣e大、孔隙率高、吸附性好和安全性高的優(yōu)點(diǎn)，涉及氣液體的分離精制、水處理、空氣凈化以及資源回收等方面[18]。活性炭的吸附效果受農(nóng)藥濃度、溫度、pH及其他有機(jī)物競(jìng)爭(zhēng)吸附等因素限制[19]?；钚蕴刻砑恿繛?5%，吸附時(shí)間為1 min，硅藻土添加量為6.3%時(shí)，可使?jié)饪s蘋果汁中的甲胺磷殘留量達(dá)到1 mg/kg，農(nóng)藥降解效率最高[20]。

2 化學(xué)降解

使用對(duì)應(yīng)化學(xué)官能團(tuán)的化學(xué)試劑與其發(fā)生反應(yīng)，完成農(nóng)藥殘留降解的方法稱為化學(xué)降解[21]，典型方法有水解、氧化分解和光化學(xué)降解等。

2.1 水解水解反應(yīng)因農(nóng)藥結(jié)構(gòu)分子差異在酸、堿作用下均可進(jìn)行[21]。肖乾芬等[22]發(fā)現(xiàn)，三唑磷農(nóng)藥在中性及酸性作用下的水解速率明顯低于堿性。湯濤等[23]研究了異惡唑草酮分別在pH 4、pH 7和pH 9條件下的水解速率，發(fā)現(xiàn)在pH 9時(shí)最快。

2.2 氧化分解次氯酸鹽、臭氧、過(guò)氧化氫等化學(xué)物質(zhì)在食品行業(yè)中已廣泛應(yīng)用，它們是強(qiáng)氧化劑，能和農(nóng)產(chǎn)品上殘留的農(nóng)藥發(fā)生反應(yīng)，生成相應(yīng)的無(wú)毒、易被接受的酸、醇、胺或其氧化物等小分子化合物，從而達(dá)到對(duì)農(nóng)藥殘留的降解。研究發(fā)現(xiàn)，在臭氧濃度為7.0 mg/L時(shí)，5 min后對(duì)百菌清的降解率可達(dá)100 ℃[24]。過(guò)氧化氫溶液也能提高植物表面甲胺磷、毒死蜱、久效磷的降解效果,其中10 mL/L過(guò)氧化氫降解效果達(dá)到最佳[25]。

2.3 光化學(xué)降解光化學(xué)降解能將有機(jī)污染物降解為H2O和CO2等無(wú)害物質(zhì)[26]，在光和催化劑的作用下將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能[27]。增加電荷分離和運(yùn)輸、減少?gòu)?fù)合是對(duì)理想光催化劑的要求[28]，TiO2因無(wú)毒、成本低、效率高、性質(zhì)穩(wěn)定、反應(yīng)條件易達(dá)到等優(yōu)點(diǎn)而成為最具研究前景的半導(dǎo)體之一[29]。以礦化作用控制農(nóng)藥的劇毒是TiO2降解作用的途徑[30]。Chen等[31]用TiO2光催化對(duì)草甘膦廢水進(jìn)行處理，研究發(fā)現(xiàn)控制其他因素不變，光催化劑用量由1.0 g/L提升至6.0 g/L時(shí)，草甘膦降解率提升了近40%。

3 生物降解

早期生物降解被認(rèn)為是需氧微生物對(duì)天然和合成有機(jī)物的破壞或礦化作用，主要來(lái)自土壤、水體和廢水生物處理系統(tǒng)[32]。隨著研究水平的發(fā)展，生物降解的含義拓展為利用生物將污染物分解成小分子化合物的過(guò)程，生物類型有各種微生物、高等植物和動(dòng)物[33]。

生物方法的降解速率比物理、化學(xué)方法慢，但仍有很多優(yōu)點(diǎn)[34-35]：①可利用環(huán)境中存在的微生物進(jìn)行土壤和水體農(nóng)藥修復(fù)，操作簡(jiǎn)便且不破壞環(huán)境；②降解農(nóng)藥的微生物來(lái)源于自然，成本低、分布廣泛且種類繁多；③農(nóng)藥在修復(fù)過(guò)程中可被微生物利用，在降低環(huán)境毒性的同時(shí)生成的產(chǎn)物低毒甚至無(wú)毒，減少環(huán)境二次污染；④微生物對(duì)于所有農(nóng)藥污染物均可突變形成相應(yīng)的降解微生物，適用性和突變性強(qiáng)、廣譜性高[34,36-37]。生物法農(nóng)藥殘留降解具有廣闊的應(yīng)用前景[38]。

生物降解農(nóng)藥殘留主要是通過(guò)微生物降解、酶降解、工程菌降解來(lái)進(jìn)行的。

3.1 微生物降解酶促反應(yīng)和非酶促反應(yīng)是微生物降解的2種途徑[39]。酶促反應(yīng)是指微生物通過(guò)細(xì)胞內(nèi)酶或分泌的胞外酶直接作用于農(nóng)藥，經(jīng)過(guò)一系列生理生化反應(yīng)將農(nóng)藥完全降解成分子量、毒性都很小的化合物的過(guò)程[40]。非酶促反應(yīng)是指微生物通過(guò)代謝改變農(nóng)藥的物理、化學(xué)性質(zhì)(如環(huán)境離子濃度、pH)間接促使降解農(nóng)藥的過(guò)程[41]。微生物降解農(nóng)藥主要是通過(guò)酶促反應(yīng)[40]。研究發(fā)現(xiàn)，雜色革蓋菌(Coriolusversicolor)、毛韌革菌(Stereumhirsutum)在42 d后對(duì)敵草隆、莠去津和特丁津的降解率在86%以上[42]。陳振德等[43]發(fā)現(xiàn)葉面施海藻多糖稀土配合物對(duì)小白菜、甘藍(lán)、芹菜中毒死蜱、氧化樂(lè)果、敵敵畏等有機(jī)磷農(nóng)藥殘留具有明顯的降解作用。高熳熳等[44]研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)磷水解酶(OPH)對(duì)多種農(nóng)藥均有不同程度的降解效果，其中對(duì)甲基對(duì)硫磷的降解效果最好，高達(dá)99%；對(duì)敵敵畏和喹硫磷的降解率也可達(dá)82.2%～98.7%；對(duì)其他農(nóng)藥的降解率則偏低。

3.2 酶降解利用酶降解農(nóng)藥殘留是最具有潛力的方法，共生或單一微生物對(duì)農(nóng)藥的降解作用都是在酶參與下完成的[40]。隋程程等[45]通過(guò)施用葉面肥改變作物酶活性或微生物活性，提高煙葉上4種殺蟲劑殘留降解效果，且葉面肥稀釋1 000 倍處理效果最佳。吳昊等[46]使用殼聚糖稀土復(fù)合物涂膜刺激植物體內(nèi)酶活，對(duì)毒死蜱農(nóng)藥降解率超過(guò)73%。研究表明，酯酶在降解中起著重要作用，用合適的基質(zhì)固定化酶的活性位點(diǎn)更易暴露于農(nóng)藥中，比游離酶降解效果更好[47]。Horne等[48]用香豆磷和蠅毒磷作為磷源，分離到菌株P(guān).monteilliC11，從中鑒定出另一種新型對(duì)有機(jī)磷酸酯和硫酯有廣泛的底物專一性的磷酸三酯酶。Richins等[49]構(gòu)建了與纖維素結(jié)合區(qū)融合的OPH，利用融合蛋白一步純化并固定于纖維素類基質(zhì)上的特性提高酶的使用效果。

3.3 工程菌降解農(nóng)藥降解酶由于含量低、天然菌株較少、生產(chǎn)成本較高等因素限制了產(chǎn)品的應(yīng)用[5]。隨著分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)的發(fā)展，將表達(dá)高效降解農(nóng)藥的酶的基因構(gòu)建到載體中，經(jīng)轉(zhuǎn)化獲得工程菌來(lái)提高起降解作用的特定蛋白或酶的表達(dá)水平，使其在農(nóng)藥降解中發(fā)揮作用[41]。Schofield等[50]將OPH基因的特定密碼子突變，發(fā)現(xiàn)對(duì)馬拉硫磷的降解活性經(jīng)載有突變OPH基因的大腸桿菌增強(qiáng)了1 800倍，對(duì)內(nèi)吸磷的降解活性增強(qiáng)了177倍。通過(guò)對(duì)硫磷水解酶adpB基因構(gòu)建高效工程菌處理對(duì)硫磷殘留，降解速率可達(dá)90%[51]。Jiang等[52]將外源甲基對(duì)硫磷水解酶基因mpd整合到呋喃丹降解菌Sphingomonassp.CDS-1的165 rRNA基因(rDNA)位點(diǎn)，構(gòu)建了能同時(shí)降解甲基對(duì)硫磷和呋喃丹且遺傳穩(wěn)定、不含外源抗性的工程菌株。Lan等[53]通過(guò)在載體pETDuel中同時(shí)表達(dá)有機(jī)磷水解酶OPH基因opd和酯酶B1基因b1，構(gòu)建了一株能夠同時(shí)降解有機(jī)磷農(nóng)藥、氨基甲酸酯類農(nóng)藥以及擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的基因工程菌。

4 結(jié)語(yǔ)

物理、化學(xué)和生物3種方法是降解農(nóng)藥殘留的主要形式。物理降解和化學(xué)降解經(jīng)濟(jì)方便、相對(duì)成熟、穩(wěn)定，但在農(nóng)藥殘留的低濃度降解方面受到限制。目前生物降解在農(nóng)藥降解菌的富集分離、降解途徑、降解酶以及微生物降解的農(nóng)藥基因操作方面做了大量的探索和研究[32]，但降解效率成為阻礙發(fā)展的限制性因素。近年來(lái)隨著分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)構(gòu)建高效工程菌提高降解效率成為研究熱點(diǎn)。對(duì)微生物降解技術(shù)深入研究，可為農(nóng)藥殘留降解技術(shù)提供支撐，為解決農(nóng)產(chǎn)品和環(huán)境中農(nóng)藥污染奠定基礎(chǔ)。