利用微生物降解农药污染

生物学教学２０１０年（第３５卷）第４期　

利用微生物降解农药污染　

刘建利　（北方民族大学生物科学与工程学院宁夏银川７５００２１）　・５・　

摘要农药污染影响严重．微生物降解是治理农药污染的新技术。本文从降解农药污染的微生物种类、降解的机理和影响降解　因素等方面综述农药残留生物降解的研究进展，并提出了微生物降解的应用现状、存在的问题及解决的途径。　关键词农药污染生物降解　

２Ｏ世纪６０年代出现的第一次“绿色革命”为人类　

的粮食安全做出了重大贡献，其中农药的应用为粮食　

的增产起到了重要的保障作用。农药是指用于防治危　绝大部分，如有机氯、有机磷、有机砷、有机汞、氨基甲　酸酯和拟除虫菊酯等【　］（表１）。随着农药大量使用，　

农药污染问题日益严重。例如，农药生产、运输、使用　

害农作物的病虫、杂草等有害生物及调节植物生长的　过程中对于大气、水体的污染；农药对于生态环境中非　化学试剂的总称。根据化学组成和结构的不同，农药　靶标生物的影响；农药使用后在土壤中的残留【　］（表　

可分为无机化合物和有机化合物，其中有机化合物占　２）；尤其是农药残留通过生物富集对人类造成的危害。　

表１常见农药种类　

有机磷类　有机氯类　拟除虫菊酯类　氨基甲酸酯类　

久效磷、甲基异柳磷、治螟磷、磷胺、地　虫硫磷、灭克磷（益收宝）、水胺硫磷、　氯唑磷、硫线磷、杀扑磷、特丁硫磷、克　ＤＤＴ、六六六、六氯　溴氰菊酯（敌杀　涕灭威、克百威、灭　线丹、苯线磷、甲基硫环磷、杀螟硫磷、　苯、林丹、甲氧滴滴　死）、氯氰菊酯（兴　多威、丁硫克百威、　杀　特普、二甲硫吸磷、乐果、氧化乐果、乙　涕、乙滴涕、硫丹、　棉宝）、戊氰菊酯　．虫　拌磷、甲胺磷、甲拌磷（３９１１）、内吸磷　氯丹、七氯、艾氏　（速灭杀丁）、甲氰　丙硫克百威、西维　剂　（１０５９）、敌敌畏、敌百虫、对硫磷　剂、狄氏剂、异狄氏　菊酯、灭百可（安　因、叶蝉散、呋喃　（１０６５）、甲基对硫磷（甲基１６０５）、三　剂、硫丹、碳氯特　绿宝）　丹、涕灭威　唑磷、杀螟松、马拉硫磷、吡虫啉、吡虫　灵、毒杀芬　清、杀扑磷、嘧啶磷、二嗪磷、乙酰甲胺　磷　

霜霉威、乙霉威、多　杀　稻瘟净、异稻瘟净、乙基稻瘟净、甲基　五氯硝基苯、百菌　菌灵、异丙菌胺、苯　菌　剂　立枯磷、敌瘟磷、吡菌磷　清、稻丰宁　噻菌胺、霜霉威、磺　菌威　

表２农药在土壤中的半衰期　

有机氯杀虫剂　半衰期　有机磷杀虫剂　半衰期　除草剂　半衰期　氯丹　５年　．　二嗪农　１２周　２．４一Ｄ　４周　ＤＤＴ　４年　马拉硫磷　１周　２，４，５一Ｔ　２Ｏ周　艾试剂　３拄　对硫磷　１周　茅草枯　８周　林丹　３年　氧化乐果　２～３天　西玛津　４８周　七氯　２矩　三唑磷　３～２８天　莠去津　４ｏ周　扑灭津　１．５年　

防治农药污染，除了发展高效、低毒、低残留的“绿　

色农药”和制定农药安全合理使用制度外，农药污染降　

解技术是近年来发展的一种解决农药污染的新方法。　

农药污染降解技术可分为热降解、光降解、化学降解和　

生物降解。所谓生物降解就是通过生物的作用将农药　

分解为小分子无毒或低毒化合物，并最终降解为水、　

ｄｅｆｉｃｉｅｎｔ　ｒａｔｓ：ａ　ｎｅｗ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ　ａｒａｃｈｉｄｏｎａｔｅ　ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ　ｉｎ　ｓｈｏｃｋ．Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｓｈｏｃｋ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，６：９３～１０５　［２４］Ｒｅｕｓｅｒ　ＡＪ．Ｄｒｏｓｔ　ＭＲ．２００６．Ｌｙｓｏｓｏｍａｌ　ｄｙｓｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｃｅｌｌｕｌａｒ　ｐａ—　ｔｈｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｃｌｉｎｉｃａｌ　ｓｙｍｐｔｏｍｓ：ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ．Ａｃｔａ　Ｐａｅｄｉａｔｒｉｅａ　Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ：９５（４５１）：７７～８２　ＣＯ２和矿物质的过程。相对于物理、化学降解技术，生　

物降解特别是微生物降解具有高效、彻底、无二次污染　

的优势，已经成为研究的热点。本文对农药污染的微　

生物降解作一综述。　

１　降解农药污染的微生物　

自然界微生物资源极其丰富。根据自然变异的原　

理，在受农药长期严重污染或人为多次施药的土壤、水　

体、污泥、高温堆肥等特殊环境采样，经在以农药为唯　

一碳源或氮源的培养基中富集、驯化，再分离纯化、鉴　

定，便可获得降解农药污染微生物；再以此原始菌种为　

基础，根据遗传学理论和方法，采用诱变育种、杂交育　・６・　

种、原生质体融合和基因工程等技术，人为引起菌种遗　

传变异或基因重组，获得高效降解菌种。　

目前，已分离到多种降解农药污染的微生物，包括　生物学教学２０１０年（第３５卷）第４期　

细菌、放线菌、真菌和藻类，其中细菌和真菌最多，而又　

以细菌研究得较为透彻（见表３）。　

表３　降解农药污染的微生物　

微生物　农　药　无色杆菌　氯苯胺灵、２，４一Ｄ、ＤＤＴ、２甲４氯、２，４，５一Ｔ、呋喃丹、西维因　产气杆菌　ＤＤＴ、异狄氏剂、甲氧滴滴涕　土壤杆菌　氯苯胺灵、茅草枯、毒莠定、三氯乙酸　产碱杆菌　茅草枯、抑芽丹、三氯乙酸、敌杀死、溴氧菊酯　交链孢霉属　茅草枯　节杆菌属　２，４一Ｄ、茅草枯、二嗪农、草藻灭、２甲４氯、毒莠定、西玛津、三氯乙酸、呋喃丹　莠去津、２，４一Ｄ、草乃敌、异狄氏剂、利谷隆、２甲４氯、季草隆、毒莠定、五氯硝基苯、扑草净、西草　曲霉属　净、西玛净、碳氯黄、敌百虫、甲胺磷、阿特拉津、西维因　ＭＭＤＤ、茅草枯、ＤＤＴ、异狄氏剂、苯硫磷、七氯、利谷隆、甲基１６０５、灭草隆、１６０５、毒莠定、杀螟松、三　芽孢杆菌属　氯乙酸、甲胺磷、对硫磷　拟杆菌属　氟乐灵　葡萄孢霉属　毒莠定　头孢霉属　莠去津、扑草净、西革净　枝孢霉属　莠去津、扑草净、西草净　梭状芽孢杆菌属　ＤＤＴ、丙体６６６、百草枯　棒状杆菌属　２，４一Ｄ、茅草枯、ＤＤＴ、地乐酚、二硝甲酚、２甲４氯、百草枯　欧式杆菌属　ＤＤＴ　埃希氏菌属　杀百强、ＤＤＴ、丙体６６６、扑草净、对硫磷　黄杆菌属　氯苯氨灵、２，４一Ｄ、茅草枯、毒莠定、马来酰肼、２甲４氯、三氯乙酸　镰孢霉属　艾氏剂、莠去津、ＤＤＴ、七氯、五氯硝基苯、西玛津、敌百虫　小从壳属　五氯硝基苯、福美双　长孺孢属　五氯硝基苯、毒莠定　毛螺菌属　氟乐灵　脂肪酵母菌属　百草枯　微球菌属　茅草枯、三氯乙酸　小单胞菌属　七氯、三氯乙酸　毛菌属　ＤＤＴ、五氯硝基苯　枝动杆菌属　２，４一Ｄ、２甲４氯、２，４，５一Ｔ　漆斑菌属　五氯硝基苯　镰孢霉属　地茂散　诺卡氏菌属　丙烯醇、２，４一Ｄ、丁酸、茅草枯、ＤＤＴ、七氯、三氯乙酸、五氯硝基苯、毒莠定、、阿特拉津　青霉属　艾氏剂、莠去津、茅草枯、毒莠定、七氯、灭草隆、五氯硝基苯、扑草净、敌裨、西玛津、碳氯灵、敌百虫、　甲胺磷、阿特拉津、西维因　变形杆菌属　ＤＤＴ　’　

假单胞菌属　丙烯醇、氯苯胺灵、２，４一Ｄ、茅草枯、ＤＤＴ、敌敌畏、二嗪农、狄氏剂、地乐酚、二硝甲酚、异狄氏剂、灭　草隆、五氯酚钡、３９１１、西玛津、三氯乙酸、甲胺磷、乐果、敌敌畏、阿特拉津、西维因　丝核菌属　地茂散　根霉属　莠去津、地可松、七氯、阿特拉津、西维因　酵母属　克菌丹、毒莠定、甲胺磷　八叠球菌属　灭草隆　沙雷氏菌属　ＤＤＴ　生孢纤维粘菌　２，４一Ｄ　葡萄状穗霉菌　西玛津　链球菌属　ＤＤＴ、七氯　链霉菌属　茅草枯、二嗪隆、五氯硝基苯、西玛津　硫杆菌属　３９１ｌ

　生物学教学２０１０年（第３５卷）第４期　

由表３可知，同一种农药，可被多种微生物降解；　

而同一种微生物，也可降解多种污染农药的特点，如细　

菌中具有代表性的假单胞菌属ｌ　，　。　

２微生物降解农药污染的机理　

微生物降解农药污染常见的作用方式有２种：　

（１）矿化作用　指微生物将农药作为生长基质利　

用，完全将农药分解成为ＣＯ２和Ｈ２０等无机物的过　

程。尽管矿化作用是清除农药污染的理想方式，但研　

究表明，自然界中此类微生物的种类和数量还很少。　

（２）共代谢作用　指微生物在有可利用的生长基　

质存在时，对原来不能利用的农药也可分解代谢的现　

象。共代谢反应中产生的既能代谢转化生长基质又能　

代谢转化农药污染的非专一性酶，是微生物共代谢反　应的关键【　。共代谢作用在农药污染的微生物降解　

过程中发挥着主要的作用，某一特定菌株以共代谢的　

方式实现对农药污染的转化作用，同一环境中的其他　

微生物则以联合代谢的方式最终完成对它的完全降　

解。　

微生物降解农药污染的生化反应类型主要有：　

（１）氧化反应氧化是微生物降解农药污染的重　

要酶促反应，有多种形式，如羟基化、脱烷基、一氧化、　

脱羧基、醚键开裂、环氧化、氧化偶联、芳环或杂环开裂　

等。　

（２）还原作用　包括乙烯基还原、醌类还原、双键　

或三键还原、硝基被还原为胺基。　

（３）基团转移包括脱羧作用、脱氨基作用、脱卤　

作用、脱烃作用、脱氢卤作用及脱水作用。　

（４）水解作用许多无机酸酯类农药（对硫磷、马　

拉硫磷）和苯酰胺类农药在微生物作用下，酰胺和酯键　

易发生水解作用。　

（５）酯化作用、缩合反应、氨化反应及乙酰化反应　

等。　

应当指出，农药污染的降解过程是非常复杂的。　

一种农药在其降解过程中常常包含多种不同类型的化　

学反应（或降解作用）Ｌ２　Ｊ。例如，杀虫剂乙酰基磷酸酯　

（毒虫畏）的微生物降解历程如下：在微生物的作用　

下，母体物（Ｉ）生成脱乙基毒虫畏（Ⅱ），或者由水解　

或氧化作用经由一个中间体生成２，４一二氯苯乙酮　

（１Ｖ），再还原为１一（２，４一二氯苯基）乙醇（Ｖ），再氧　

化为二醇（Ⅵ），从Ⅵ起可能有第二条途径，即异构化　

为环氧化物２，４一二氯苯环氧乙烷（ＶＩＩ），然后Ⅵ和Ⅶ　

氧化生成对氯苯甲酸（Ⅷ）。　

３影晌微生物降解农药污染的因素　

微生物降解农药污染的速率决定于内因和外因，　

内因包括农药本身因素和微生物本身因素，外因是环　境的物理、化学及生物学条件。　

（１）环境因素农药污染及其降解微生物所处环　

境的温度、湿度、ｐＨ值、含ｃ和Ｎ等有机质的含量、盐　

度、基质的吸附作用、黏度及通气量等，均可影响微生　

物对农药污染的降解能力。大多数微生物有最适生长　

温度，降解酶也有最适反应温度，温度的改变可以影响　

微生物的代谢、降解酶的酶活，甚至还能影响农药污染　

的物理状态，从而影响降解速率。～般来说，ｐＨ偏酸　

性时，利于真菌繁殖，ｐＨ偏碱性或中性时，利于细菌繁　

殖。ｐＨ偏碱性的情况下，有机磷、有机氯农药本身易　

于被降解，残留低。在湿润、有机质含量丰富、通气良　

好的环境，利于好氧或兼性厌氧微生物的生长。莫测　

辉等－ｏｊ指出，堆肥中微生物降解多环芳烃的活性与氧　

的浓度和水分含量密切相关，当堆肥中氧的含量小于　

１８％、水分含量大于７５％时，堆肥就从好氧条件转化为　

厌氧条件，进而影响多环芳烃的降解效果。Ｋａｓｔｎｅｒ　

等　认为，在堆肥与被多环芳烃污染的土壤混合的情　

况下，堆肥中有机基质含量对于农药污染降解的作用　

要大于堆肥中生物的含量对于农药污染降解的作用；　

营养对于以共代谢作用降解农药污染的微生物更加重　

要，因为微生物在以共代谢的方式降解农药污染时，并　

不产生能量，需其他的碳源和能源物质补充能量。　

（２）农药本身的因素　污染农药的化学结构、分　

子排列和空间结构、化学官能团、分子间的吸引和排　

斥、溶解性、污染农药的使用量，影响农药污染的生物　

可得性，最终影响微生物对农药污染的降解速率。一