除草劑阿特拉津的生物降解研究現狀

阿特拉津(Atrazine)，通用名為“莠去津”，化學名稱為2-氯-4-乙，胺基-6-異丙胺基-1，3，5-三嗪，分子式為C₈H₁₄CIN₅，相對分子量為215.69。阿特拉津是瑞士一位學者于1954～1955年發現的一種三氮雜本衍生物，由一家化學公司開發的一種除草劑，1958年申請瑞士專利，1959年投入商業生產。阿特拉津是選擇性內吸傳導型苗前苗后除草劑，適用于玉米高粱果園和林地等，可防除一年生禾本科雜草，對某些多年生雜草也有一定的抑制作用。因此在國內外雜草防除上占有重要的地位。該除草劑自1959年投入商業生產以來，在世界范圍內得到了大面積的推廣和使用。阿特拉津雖然是一種低毒除草劑，但在土壤中具有比較長的持留性，其半衰期長，使用量大，已造成嚴重的環境污染。近年來的科學研究證明阿特拉津是一種環境雌激素，它會對任何野生動物產生激素類的作用，或阻礙生殖功能，或引發癌癥等。因為它的分子中含有一個氯原子，對任何哺乳動物都具有毒害(致畸、致癌、致突變)。國外有研究表明，阿特拉津可能對人體具有致癌性，長期接觸阿特拉津會導致動物卵巢癌和乳腺癌的發生。而且發現阿特拉津等三苯類除草劑能使人體內CYP₁₉酶的活性升高，干擾人體內分泌平衡。阿特拉津還會對生物體的內分泌系統產生破壞作用，引起一系列病癥，甚至引起癌癥。阿特拉津不僅通過食物鏈的傳遞影響人體健康和使肝腎、心臟、血管出現中毒癥狀，而且也可能造成人類心血管系統發生問題和再生繁殖困難。因此，阿特拉津被列為環境荷爾蒙的可疑物質，受到各國政府的監控。

我國是一個農業大國，農藥的生產與使用量均居世界前列，達到200 000 t(純品)，占世界總產量的1／10。我國從20世紀80年代開始使用阿特拉津，近年來使用面積不斷擴大，1996年阿特拉津全年的使用量為1800t，至2000年，每年用量平均以20％的速度遞增。與我國相比，發達國家使用阿特拉津的歷史較早，面積較大。在美國，阿特拉津被列為最廣泛使用的除草劑之一，每年噴灑3.5×10³kg，占其除草劑使用總量的60％。在日本，阿特拉津于1965年作為農藥登錄，現在全日本每年的生產量為1750t。研究表明，在所施用的農藥中，有20％～70％會長期殘留與土壤中；而阿特拉津的結構穩定，水溶性強，難以降解，被微生物礦化的過程十分緩慢。因此，被阿特拉津污染的土壤的生物修復技術成為研究的熱點。

1 阿特拉津污染的土壤的生物修復技術

1．1 微生物修復

此過程主要是利用自然環境中自然生長的微生物或投加的特定微生物，在人為促進工程化條件下，分解阿特拉津，把阿特拉津分解成無害的有機物，修復被污染的環境。被污染的土壤中的阿特拉津的降解可以由改變土壤理化條件來完成，也可以借助特殊馴化的微生物或構建工程微生物來提高降解速度。

1．2微生物與化學修復

用化學試劑吸附固定阿特拉津，或者通過表面活性劑的增溶作用；增加有機污染物的水中溶解度，再利用現場的微生物降解。

2 微生物對阿特拉津的作用方式

在土壤和水環境中，微生物對阿特拉津的作用方式可分為直接作用和間接作用。

2．1 直接作用

大多為酶促反應引起，有以下幾種。

2．1．1 礦化作用

微生物作用下，使有機化合物完全分解為無機產物，也就是徹底降解，不產生對環境有威脅的中間產物。這也是農藥生物降解的最理想方式。

2．1．2 共代謝作用

在多步驟的酶促反應中，各種酶對底物的專業性強，在生長底物被多步反應徹底分解時，某些中間產物的分子只是部分地被改變，而不能被后來專一性強的酶所降解，但是自然環境中的其他微生物或物理化學因子可能會降解這種中間產物。共代謝方式在微生物代謝過程中十分常見，是一種微生物降解阿特拉津的重要方式。

2．1．3 生物濃縮和累積作用

這是指微生物菌體細胞吸附和吸收環境中的殘留阿特拉津。先是阿特拉津與細胞膜的類脂結合，再被菌體吸收。這和微生物的代謝有關，阿特拉津在被吸收的同時也可能被轉化。

2．2 間接作用

微生物的作用改變了環境中的酸堿度，影響了土壤的氧化還原電勢，從而引起次生的化學降解。

3 降解阿特拉津的微生物

3．1 真菌

煙曲霉、焦曲霉、白腐真菌和菌根真菌等都能降解阿特拉津，其中自腐真菌具有較高的氧化降解能力，可降解多種環境污染物。

3．2 放線菌

至目前為止，所發現的參與阿特拉津降解的放線菌為諾卡氏菌。

3．3 細菌

降解阿特拉津的細菌主要是紅球菌和假單胞菌。紅球菌廣泛的存在于土壤中，具有降解多種有機污染物的能力，如烴類、鹵代烴類、鹵代芳烴類。假單胞菌是礦化阿特拉津的重要細菌。土壤桿菌和黃單胞菌、歐文氏菌和新發現的革蘭氏陰性兼性厭氧球菌的對阿特拉津有降解作用。

4 阿特拉津降解酶

阿特拉津降解酶的研究比較晚，對于降解涉及到的酶、基因和中間代謝產物知道得很少。1999年。我國科學家報道了ADP菌株降解阿特拉津的酶學機理。ADP假單胞菌株降解阿特拉津的前三步需要3種酶：第一種酶催化水解脫氯產生羥基阿特拉津；第二種酶催化羥基阿特拉津脫酰胺基，產生，N-異丙基氰尿酰胺；第三種酶轉化N-異丙基氰尿酰胺，生成氰尿酸和異丙胺。溫度是菌類降解阿特拉津的重要影響因素。胡宏韜分離出的AT菌在4～20℃范圍內。隨著溫度的升高降解能力會增強。環境中的pH隨AT菌的降解作用而下降。

5 微生物降解阿特拉津的途徑

5．1 脫烷基

脫烷基即脫乙基或脫異丙基過程，微生物降解阿特拉津可以產生脫乙基阿特拉津和脫異丙基阿特拉津。在不飽和區，乙基側鏈的降解速度要比異丙基側鏈的降解速度快幾倍。這兩種物質繼續降解的速度很慢。所以不飽和區中脫乙基阿特拉津持留性高且被頻繁發現。例如紅球菌(TE1)降解阿特拉津產生脫乙基阿特拉津和脫異丙基阿特拉津后不能再進一步降解這兩種產物。

5．2 水解

水解即脫氯，用羥基取代。阿特拉津化學水解產生羥基阿特拉津。由于阿：特拉津的2個烷基使微生物脫氯較為困難。有些微生物能降解阿特拉津產生羥基阿特拉津。如報道的假單胞菌ADP，菌株和YAYA6菌株均可使阿特拉津脫氯。

5．3 開環

在阿特拉津的降解中，氧作為電子受體非常重要。與厭氧條件相比，有氧條件下阿特拉津的降解要快100多倍。因此深層土壤中，氧氣的缺乏會阻礙阿特拉津的降解。目前發現的能使阿特拉津開環的菌株多為假單胞菌，紅球菌較少。

6 微生物降解阿特拉津的研究趨向

目前，阿特拉津在除草劑的應用中占有很大的比例，其對人類健康和生態環境的影響尚需要繼續深入地研究。另外，應當加強阿特拉津污染的生物治理和修復的研究，以消除阿特拉津對環境造成的污染。微生物對農藥的降解途徑包括氧化還原、水解、脫鹵、縮合、脫羧、異構化等，其實質是酶促反應。農藥降解酶對環境的耐受性降解效果遠勝于微生物本身，特別是對低濃度農藥，利用降解酶可以作為凈化農藥殘留的有效手段。因此，有關農藥降解酶的研究受到廣泛關注。

另外，在以下幾個方面研究也很熱門。(1)真菌對阿特拉津的降解有待進_步研究，降解酶和基因水平方面的研究很少有報道。這方面需要深入研究。(2)細菌對阿特拉津的降解已進入降解酶和基因水平，并取得了一定的成果。但細菌種類多樣，代謝途徑豐富多彩，需要從環境中篩選出更多的阿特拉津高效降解菌，并進一步研究其對阿特拉津的降解機理降解酶及基因，以便更好利用細菌的降解潛力。對在不同土壤中的阿特拉津及其降解中間產物進行預測，進而為土壤的修復提供理論基礎。(3)實驗室環境和自然環境的過渡。降解阿特拉津多在實驗室環境中進行，而自然環境中多種菌共生，生態系統復雜。因此，如何將實驗室中獲得的高效菌株應用到實際生態系統中是個急需探討的問題。(4)阿特拉津降解的基因操作。基因操作是當今環境生物技術的研究熱點。這一技術的進步極大地推動了阿特拉津的生物降解的研究。阿特拉津降解菌的降解基因的進一步尋找，篩選和構建高效菌株是這方面的研究熱點。

7 結語

現在，阿特拉津在除草劑中還是主要種類，還在大量應用。其對生態環境的污染以及對人和其他動物的健康的影響正日益受到關注。利用微生物降解阿特拉津是一個新穎而很有前景的研究課題。因此大幅度提高微生物降解阿特拉津的能力，修復土壤和水體。具有十分廣闊的發展前景，處于探索階段。但是國內外的大量研究表明，這種降解處理具有物理和化學方法無可比擬的優越性，如成本低、效率高、對環境的影響小、沒有二次污染、不破壞土壤、處理操作簡單。隨著生物技術的發展，將不斷篩選和構建高效菌株。