农药残留的微⽣物降解技术农药残留的微⽣物降解技术刘淑娟,肖 军(泰⼭学院⽣物科学系,⼭东泰安 271021)[摘 要] ⼟壤和⽔体中存在⼤量可降解农药的微⽣物类群,并且这些微⽣物对农药的⼴泛降解性能也已被应⽤于许多实践⼯作,为治理环境污染提供了可靠保证.[关键词] 微⽣物;应⽤;途径;固定化;⽣物整治[中图分类号] Q93-3 [⽂献标识码] A [⽂章编号] 1672-2590(2004)06-0097-04 [收稿⽇期]2004—08—26 [作者简介]刘淑娟(1964-),⼥,⼭东平度⼈,泰⼭学院⽣物科学系副教授.由于农药具有成本低、见效快、省时省⼒等优点,在世界各国的农业⽣产中被⼴泛⽣产使⽤,仅1985年,世界的农药产量就达200多万t [1].在我国,仅1990年的农药产量就为22.66万t [2],其中甲胺磷⼀种农药的⽤量达6万t [3].农药残留问题便随着农药⼤量⽣产和⼴泛使⽤⽽产⽣了.由于化学农药主要是⼈⼯合成的⽣物外源性物质,⽽且很多类型是不易⽣物降解的顽固性化合物,有机农药的⼤量使⽤,使粮⾷、蔬菜、⽠果等农药残留超标,污染严重,给⾮靶⽣物带来了伤害.同时,在农药⽣产运输废⽔排放过程中也造成了对⼤⽓、⽔体及⼟壤等环境的严重污染,破坏了⽣态平衡,影响了农业的可持续发展,威胁着⼈类的⾝⼼健康.近⼏⼗年研究⼯作发现,⼟壤和⽔环境的农药降解中微⽣物起了主要作⽤,并分离到⼀批能降解或转化某种农药的微⽣物类群,弄清了微⽣物降解农药的主要作⽤⽅式及降解机制,以及各类化学农药微⽣物降解的途径,且在实践中得到了应⽤.1 常见降解农药的微⽣物类群已报到的农药降解微⽣物有细菌、放线菌、真菌等,且⼤多来⾃⼟壤微⽣物类群.其中由于细菌适应极性环境的能⼒强,且容易诱发突变株,从⽽占据了最主要的地位[4].⼏⼗年来优良菌株不断地从⼟壤和地下⽔中筛选出来,现列举⼏种农药及其降解菌,见表1.2 降解菌的富集分离为获取降解农药的微⽣物菌株,可从现已收藏的菌种中筛选,亦可以从⼟壤、⽔体或污染环境中直接分离筛选或经富集培养获得.⼟壤长期使⽤某⼀农药使得该农药降解菌逐渐富集,以后施⼊该农药时,其分解速率⼤⼤加快,这也是⼀些除草剂连续施⽤后效果下降的原因,[17]农药降解菌的获取主要是从这类⼟壤、⽔体或污泥等污染环境中直接分离筛选.如直接分离得不到⽬的微⽣物,可能是该微⽣物在试样中不存在或含量太少,遇到这种情况也可采⽤富集培养.农药降解菌的富集培养⽅法主要有:液体培养法、⼟壤环流法、连续流动培养法.通常是从长期被某种药剂污染的⼟壤和污⽔中取样经富集培养,再经固体培养分离纯化得到所需菌株.根据Veldkam p 的研究,富集培养可分为封闭式和开放式(即连续培养)2种类型.恒化器作为连续培养是⼀种有效⽅法.[7]它以⽬标农药作为培养中的⽣长限制底物,在这种选择原则的作⽤下,可筛选到降解⽬标农药的微⽣物菌株或诱发出有降解能⼒的突变菌株.第26卷第6期2004年11⽉泰⼭学院学报JOURNA L OF T AISH AN UNI VERSITY V ol.26 NO.6N ov 1 2004同时借助恒化器也可进⾏分⼦育种,如K elloge 曾在恒化器中接⼊各种有关农药降解的质粒菌,逐渐增加2,4,5-T 的浓度进⾏诱导,结果培养出能降解除草剂2,4,5-T 的⼯程菌,使难以被微⽣物降解的⾼残留除草剂有了“克星”.可见富集培养对农药降解菌的分离筛选起着重要作⽤.表1 常见降解农药的微⽣物序号微⽣物分解农药名称参考⽂献1⽩腐菌属(White -rot Funji )DDT 、七氯、林丹[5]2黄杆菌(Flav obacterium sp )对硫磷、杀螟松、⼆嗪农、甲基对硫磷[6]3链霉菌属(S treptomyces )阿特拉津[8]4⽩腐菌属(White -rot Funji )六六六、毒杀芬、氯丹、DDT [7]5地⾐杆菌属(B.Lichoniformis )甲胺磷、敌敌畏、对硫磷[16]6华丽曲霉(Aspergillus.orantus )甲胺磷[9]7假单胞菌属(Pseudom onas )2,4-D ,、茅草枯、敌裨、七氯、灭草隆、毒莠定扑草净、西马津、敌百⾍[10]8节杆菌属(Arthrobacter sp )甲基对硫磷、杀螟松、对硫磷[6]9曲霉属(Aspergillus )莠去津、草乃敌、利⾕隆、西马津、2,4-D 、西草净、敌百⾍、扑草净[10]10假单胞菌属(Psudom onas )甲单眯[11]11曲霉属(Aspergillus sp )乐果、甲胺磷、马拉硫磷、对硫磷[12]12尖孢镰孢(Fusarium F oxysporum )丁草胺[13]13青霉属(Penicillium sp )灭幼脲[14]14球⽑壳霉(Chaetomium globosum )甲草胺[15]15芽孢杆菌属(Bacillus sp )茅草枯、狄⽒剂、苯硫磷、甲基1605、灭草隆、莠去定、杀螟松、DDT 、M M DD [9]3 微⽣物降解农药的途径农药和其他的有机污染物质⼀样,微⽣物的降解途径主要有酶促降解作⽤和⾮酶促作⽤,⽽酶促作⽤则是微⽣物降解的主要形式.即化合物通过⼀定的⽅式进⼊微⽣物体内,然后在各种酶的作⽤下,经过⼀系列的⽣理⽣化反应,最终将农药完全降解或分解成分⼦量较⼩的⽆毒或毒性较⼩的化合物的过程.⾮酶促作⽤是指微⽣物活动使环境pH 发⽣变化⽽引起农药降解,或产⽣某些辅助因⼦或化学物质参与农药的转化.主要包括氧化、还原、脱卤、脱烃、酰胺及酯的⽔解、环裂解、缩合或共轭形成等.[10]4 微⽣物降解农药的应⽤性研究近年来,随着微⽣物降解农药机理的阐明和分⼦⽣物学的兴起,越来越多的科研⼯作者把研究的⽅向转向农药微⽣物降解的应⽤性研究.由于农药对环境的污染不仅在于其在农⽥的使⽤产⽣的残留上,很⼤⼀部分污染是在农药的⽣产和运输过程中就已发⽣,如农药⼚排出的废⽔就是⼀个重⼤的污染源,这些废⽔对环境造成严重污染和危害.⼤部分农药⼚都采⽤了微⽣物降解的⽅法来处理⽣产废⽔.⽬前常⽤的⼏种处理⽅法主要有活性污泥法、⽣物膜法、氧化塘法、废⽔的厌氧及需氧⽣物处理法等.但这些常规⽅法有⼀些缺点不能克服,如活性污泥法易发⽣污泥膨胀现象,易产⽣⼆次污染等.为克服这些缺点,科研⼈员把⽬光转向新的⽅向,如固定化微⽣物技术、⽣物整治技术、基因⼯程菌的构建等都是当前研究的热点.4.1 固定化微⽣物技术在农药⽣产废⽔处理中的应⽤研究固定化微⽣物技术是⽣物⼯程领域中的⼀项新技术,它是通过采⽤化学或物理的⼿段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内,使其保持活性并可重复利⽤.由于其有利于提⾼⽣物反应器内的微⽣物细胞浓度和纯度,并保持⾼效菌种,污泥产量少,⼆次污染⼩,利于反应器的固液分离等特点,[18]⼈们开始考虑利⽤固定化微⽣物技术取代传统的活性污泥法.⼀般固定化微⽣物的制备⽅式⼤致可分为吸附法、共价结合法、交联法和包埋法四⼤类.其中包埋法是微⽣物固定化最常⽤的⽅法.微⽣物及其降解酶的降解作⽤是环境中农药分解和转化的重要途径,利⽤固定化微⽣物技术固定这些有降解作⽤的微⽣89 泰⼭学院学报第26卷物和酶,再⽤这些固定化产物处理农药、杀⾍剂废⽔的研究已取得⼀些成果,显⽰出良好的应⽤前景.4.1.1 固定化细胞的应⽤陈敏等[19]利⽤聚⼄烯醇包埋活性炭固定微⽣物,对⽔胺硫磷的降解进⾏试验,取得满意的结果,固定化微⽣物对该农药的降解能⼒优于未固定化微⽣物,经固定的微⽣物对温度、酸碱度和⽔胺硫磷浓度适应范围扩⼤.Y ang,T.P 等⼈⽤三醋酸纤维素包埋固定酚驯化污泥来降解2,4-D ,当⽔中2,4-D 浓度为250mg ΠL 时,出⽔浓度可降⾄⼩于15mg ΠL ,去除率达97%.P otier ⽤多孔载体Celie R -630吸附固定假单胞菌处理含氯⼄酸盐的杀⾍剂⽣产废⽔,氯⼄酸钠的去除率为99%,T OC (总有机碳)的去除率为89%.农药是⼀种难降解的⼈⼯合成物,⽤单⼀菌种处理很难彻底降解,这就需要固定多种细胞形成多步反应器,通过各种微⽣物的协同作⽤⾼效降解农药.J.Beuuin 曾在此⽅⾯做过探索,他⽤海藻酸钠同时固定产碱杆菌、阴沟肠杆菌,在这个多细胞⽣物反应器中同时发⽣了好氧和厌氧降解反应,将DDT 还原为DDD ,并将DDT 的分解产物DDM 氧化分解,从⽽达到完全降解DDT 的⽬的.由于固定化细胞对底物和氧⽓扩散有阻碍,使细胞酶活性降低.[20]通过基因⼯程⼿段制备⾼效⼯程菌是解决问题的关键.闫延春等[21]克隆抗性库蚊的酯酶基因并在⼤肠杆菌中⾼效表达,⽤海藻酸钠包埋固定此⼯程菌,并处理有机氯农药三氯杀⾍酯,菊酯类农药溴氰菊酯.结果表明,固定化⼯程菌能⾼效降解这两种农药.4.1.2 固定化酶技术的应⽤微⽣物对农药的降解虽卓有成效,但与降解酶相⽐他的应⽤受到限制.因为降解酶往往⽐这类酶的微⽣物菌体更能忍受异常环境条件,如不适宜的酸碱度、温度、毒素、天敌和⾼浓度农药及其产物都会破坏微⽣物的降解作⽤;⽽降解酶的应⽤却不受这些因素的限制,酶可以在微⽣物不能忍受的极端环境下起作⽤,不受天敌影响,⽽且不受微⽣物的抑制作⽤,多酶反应器的研制成功更有利于降解酶的应⽤.现在已知仅⽔解酶就有酯酶、溶菌酶、酰胺酶等多种酶对农药起降解作⽤.我国安徽固源⽣物⼯程公司与多家国家级科研单位合作,从单细胞微⽣物中筛选出⼀种⾼效、⼴普的农药降解酶,发明了利⽤⽣物⼯程⼿段来⼯业化⽣产农药降解酶技术.这种⾼科技⽣物酶技术,对我国⼤量使⽤的有机磷农药,如1605、甲基1605、敌敌畏、⼆嗪农、毒死蜱等均有很⾼的降解率.常温下7～15分钟,在产品推荐的使⽤量下,在这类农药超过国家允许残留标准40倍左右时,其降解率能够达到90%～98%,,也就是说,可以基本甚⾄完全清除蔬菜⽠果上残留农药.⽽且这种产品可以⼀年四季在不同地区和不同⽓候条件下⼴泛使⽤.4.2 ⽣物整治技术的应⽤⽣物整治(Bioremediation )是传统的⽣物处理⽅法的延伸,其新颖之处在于它治理的对象是较⼤⾯积的污染.[22]⼜由于它具有就地处理,修复经费低,不产⽣⼆次污染,修复时间短等特点,⽬前已成为⼀种新的可靠的环保技术.作为⼀种⼴泛使⽤的除草剂,莠去津的微⽣物降解研究较多.⽤⼟著菌和混合菌矿化莠去津都已得到证明.Shapir 等报道取⼟壤表层10～20cm 被莠去津污染的⼟壤,依靠⼟壤本⾝的⼟著微⽣物降解作⽤,虽然有50%的莠去津能被降解,但只有1%能完全矿化,⽽在受到莠去津污染的⼟壤中加⼊假单胞杆菌进⾏⽣物整治,可使其矿化率达90%～100%.⽣物整治中利⽤的微⽣物可分为⼟著微⽣物、外来微⽣物和基因⼯程菌.接种的外来菌在实际环境中难保持活性,⼯程菌的应⽤在欧洲⼀些国家也受到严格限制.[23]因此⽣物整治中实际应⽤的微⽣物多为⼟著微⽣物.对于⼀些难降解的⾼浓度农药,需要考虑接种多种微⽣物或激发当地多样的⼟著微⽣物,如⼴泛使⽤的除草剂阿拉特津的矿化速度⾮常慢,Brand C 等从长期使⽤这种农药的⼟壤中分离到⼀个混合微⽣物培养物,在液体培养中7d 内就可将0.56mm ol ΠL 的阿拉特津矿化96%,在⼟壤中,它可以将0.14mm ol ΠL 的该除草剂在25d 内完全降解,145d 后,他的中间产物羧基氯⼄异丙嗪也在⼟壤中完全消失.接种降解菌后,⼟壤中该农药的矿化速度⽐不接种时提⾼了20倍,且没有代谢产物残留.虽然农药残留的微⽣物降解研究已经取得了很⼤的进展,⽽且也有了⼀些应⽤的实例,但研究⼤多99第6期刘淑娟:农药残留的微⽣物降解技术局限在实验室中.[24]与⼤⽥的农药应⽤情况相⽐较,实验室常⽤纯培养⽅式进⾏试验,得到的降解菌应⽤到⽥间或者⾃然环境条件下其降解活性容易丧失.另外在实验室⾥得到的微⽣物在向⼤⽥释放和直接应⽤时,其对环境的安全性以及对⼈和其他⽣物是否有害必须认真深⼊细致地研究.如何使实验室得到的结果与⼤⽥应⽤相结合,是⼀个有待进⼀步进⾏探讨的复杂⽽具有实际意义的课题.[参考⽂献][1]杨光启,侯祥麟,时钧,等.中国⼤百科全书(化⼯卷)[M].北京?上海:中国⼤百科全书出版社,1987.[2]韩熹莱,钱传范,陈馥衡,等.中国农业百科全书(农药卷)[M].北京:农业出版社,1993.[3]阮少江,刘洁,赵永芳,等.微⽣物降解甲胺磷农药的进展[J ].宁德师专学报,2000,12(3):177-180.[4]郑重.农药的微⽣物降解[J ].环境科学,1991,11(2):68-72.[5]Aris oy M.Biodegradation of chlorinated organic com pounds by white -rot fungi[J ].Bull.Environ.C ontam.T oxicol,1998,60:875-876.[6]M allick K,Bharati K,Banerji Aetal.Bacterial degradation of chlorpyifos in pure cultures and in s oil[J ].Bull.Environ.C ontam.T oxicol ,1999,62:48-54.[7]李慧蓉.⽩腐真菌的研究进展[J ].环境科学进展,1996,4(6):69-77.[8]France S.Degradation of atrazine in s oil by streptomyces[J ].Environ.Sci.Health 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of reducing and dissolving pesticide remainsLI U Shu -juan ,XI AO Jun(Department of Biology Science ,T aishan University ,T ai ’an 271021,China )Abstract :There exist many microbes in s oil and water.These microbes have been widely utilized in practice to reduce and diss olve pesticide ,which provides reliable guarantee for environmental pollution prevention.K ey w ords :microbe ;utilization ;ways ;regularity ;microbial administration 001 泰⼭学院学报第26卷。
