農(nóng)藥微生物降解技術(shù)助力農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)

文/劉艷鵬 本刊編輯

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中如果不能正確處理好發(fā)展生產(chǎn)與保護(hù)環(huán)境的關(guān)系，片面追求高產(chǎn)量，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境將日益惡化；要降低農(nóng)藥殘留對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，就要實(shí)施農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)。農(nóng)藥殘留微生物降解技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)的應(yīng)用，微生物降解農(nóng)藥技術(shù)逐步由實(shí)驗(yàn)室走向大田，其能否成為治理農(nóng)藥殘留的“主力軍”，前景又如何呢？

我國農(nóng)業(yè)在取得舉世矚目成就的同時(shí)，越來越多的投入品被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，過量或不合理的使用導(dǎo)致投入品利用率不高，大量農(nóng)藥等危險(xiǎn)殘留物質(zhì)在農(nóng)業(yè)環(huán)境中日積月累，不但嚴(yán)重削弱土壤肥力和降低農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，甚至危害人畜健康，破壞農(nóng)業(yè)生態(tài)的平衡。農(nóng)藥殘留物質(zhì)多為化學(xué)合成的有機(jī)物，其分子量大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，難于分解，在自然環(huán)境中可存在幾十年甚至上百年；因此，在加大控制投入品使用力度的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)殘留物質(zhì)清除。如何做到有效降解農(nóng)藥殘留，是當(dāng)今科研工作者的重點(diǎn)研究課題。研究表明，微生物在土壤和水環(huán)境的農(nóng)藥降解中起主要作用[1]。微生物不僅可以分解自然環(huán)境中各種生物的排泄物及死體成為簡單的無機(jī)物，還可降解人工合成有機(jī)化合物，如通過還原作用，把含硝基的有機(jī)除蟲劑還原為胺類物質(zhì)；通過環(huán)裂反應(yīng)，把芳香基有機(jī)物降解為簡單有機(jī)小分子。微生物降解作用使自然界生命元素可往復(fù)循環(huán)成為可能。

優(yōu)勢(shì)

微生物降解作用是指微生物通過代謝作用將有機(jī)大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為簡單無機(jī)物的現(xiàn)象。因微生物在環(huán)境中廣泛分布，微生物降解技術(shù)與傳統(tǒng)的物理、化學(xué)方法相比較，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。首先是零排放。微生物可將農(nóng)業(yè)殘留物質(zhì)中的有機(jī)物降解與消納，徹底分解成二氧化碳、氮?dú)夂退羝?，不存在二次污染。其次是低成本。微生物降解速度快，效率高、費(fèi)用低，成本僅為傳統(tǒng)物理、化學(xué)方法的30%～50%。再次是微生物降解過程低碳環(huán)保，不需要投入品，符合當(dāng)今節(jié)能減排的環(huán)保理念。最后是適用范圍廣。由于微生物個(gè)體小、適應(yīng)性強(qiáng)且易變異，在代謝應(yīng)用過程中可隨外界環(huán)境的變化誘導(dǎo)產(chǎn)生新型自發(fā)突變株，也會(huì)通過形成誘導(dǎo)酶系而具備新的代謝功能以適應(yīng)新的環(huán)境條件。另外，微生物代謝類型多種多樣，所以自然界所有的有機(jī)物幾乎都能被微生物降解與轉(zhuǎn)化。

現(xiàn)狀

就目前農(nóng)業(yè)發(fā)展階段來看，化學(xué)農(nóng)藥在今后相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)都將是防治病蟲害的拳頭產(chǎn)品，因此農(nóng)藥殘留的微生物降解技術(shù)必然成為全球的研究熱點(diǎn)。

微生物降解農(nóng)藥的主要類群

近年來，研究人員先后分離到一批能降解或轉(zhuǎn)化某種農(nóng)藥的微生物類群，逐步弄清了微生物降解農(nóng)藥的主要作用方式及降解機(jī)制，以及各類化學(xué)農(nóng)藥的微生物降解途徑。自然環(huán)境中存在的在農(nóng)藥降解方面起重要作用的微生物有細(xì)菌、真菌、放線菌和藻類等[2-5]，其大多數(shù)來自土壤微生物類群。其中，細(xì)菌適應(yīng)能力強(qiáng)，容易誘發(fā)各類突變菌株，在農(nóng)藥降解中占有主要地位，其中最活躍的菌株為假單孢菌屬，對(duì)多種農(nóng)藥有分解作用[1]，見表1。

微生物降解農(nóng)藥的主要方式

農(nóng)藥降解主要方式有2種，即酶促反應(yīng)與非酶促反應(yīng)。酶促反應(yīng)指的是微生物以細(xì)胞內(nèi)酶類或分泌的胞外酶直接作用于農(nóng)藥，經(jīng)過一系列生理生化反應(yīng)過程，最終將農(nóng)藥完全降解或分解成分子量較小的無毒或毒性較小的化合物的過程。酶促反應(yīng)是微生物降解農(nóng)藥的主要形式。如莠去津作為假單胞菌ADP菌株的唯一碳源，有3種酶參與莠去津的降解反應(yīng)（A tzA、A tzB、A tzC）[6]；但是，降解酶在土壤中容易因受非生物變性、土壤吸附等作用而失活，難以長時(shí)間保持降解活性，而且酶在土壤中的移動(dòng)性差，這些都限制了降解酶在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

非酶促反應(yīng)指的是微生物通過代謝作用來改變農(nóng)藥環(huán)境的離子濃度、pH值等物理、化學(xué)性質(zhì)，從而間接促使農(nóng)藥降解的過程，主要包括脫鹵作用、氧化作用、胺及酯的水解、還原作用、環(huán)裂解、甲基化和去甲基化等。在微生物降解農(nóng)藥時(shí)，其體內(nèi)并不是只進(jìn)行單一的反應(yīng)，多數(shù)情況下是多個(gè)反應(yīng)協(xié)同作用來完成對(duì)農(nóng)藥的降解過程。目前，已明確了微生物降解途徑的農(nóng)藥有對(duì)硫磷、DDT、毒死蜱等，具體見表2。

表1 農(nóng)藥降解微生物類群

研究熱點(diǎn)

近年來，科研工作者圍繞微生物降解農(nóng)藥殘留開展了大量研究工作，研究熱點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面。

固定化微生物技術(shù)

在微生物降解過程中需要確保降解菌或降解酶的活性，因此固定化微生物技術(shù)被大量研究和應(yīng)用。該技術(shù)將選定的參與降解的微生物固定在相應(yīng)的載體上，實(shí)現(xiàn)微生物高度密集，并保持較高活性和可重復(fù)利用性，從而實(shí)現(xiàn)快速、大量的降解功能。其特點(diǎn)是可保持菌種的高效性，而且二次污染小，具有良好的發(fā)展前景。

基因工程技術(shù)

基因工程技術(shù)是將改組或重組的目的基因插入到載體中，經(jīng)拼接后轉(zhuǎn)入全新的宿主細(xì)胞內(nèi)，構(gòu)建目標(biāo)工程微生物，使得不同的遺傳基因重新組合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目的基因在工程菌中的復(fù)制與表達(dá)。一般都是通過使用隨機(jī)同源基因體外拼接，重組污染物跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)基因及表面活性劑編碼基因，重組有利于微生物適應(yīng)環(huán)境的編碼基因，或者通過加強(qiáng)啟動(dòng)子來提高降解酶基因的表達(dá)，使得菌株的代謝途徑朝著有利于降解污染物的方向發(fā)展，優(yōu)化菌株的降解活性，達(dá)到有效降解農(nóng)藥的目的。

表2 微生物降解農(nóng)藥的主要類型

多菌株復(fù)合體系的構(gòu)建

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)藥往往是多種類型混合使用，使得農(nóng)藥殘留成分十分復(fù)雜，單個(gè)微生物無法完成對(duì)殘留的降解。想要達(dá)到良好的降解效果，就需要構(gòu)建多菌株復(fù)合體系，通過多種類型微生物的相互協(xié)作，經(jīng)過系列反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)于農(nóng)藥殘留的徹底降解。多菌種復(fù)合體系不僅具有更強(qiáng)的降解作用，而且能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的環(huán)境，對(duì)于一些復(fù)雜成分殘留的降解有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因此越來越受到研究人員的關(guān)注。

微生物表面展示技術(shù)

微生物表面展示技術(shù)是將外源蛋白（或具有酶活性的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域）在微生物表面以融合蛋白形式進(jìn)行展示，被展示的多肽或蛋白質(zhì)可以保持相對(duì)獨(dú)立的空間結(jié)構(gòu)和生物活性，發(fā)揮其特定功能。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是降解微生物與農(nóng)藥殘留直接接觸，省去了繁瑣的蛋白質(zhì)純化過程，提高了降解酶的降解效果。

藻類系統(tǒng)

通過人工強(qiáng)化培養(yǎng)的高濃度活性藻類，能有效地富集和降解農(nóng)藥殘留。試驗(yàn)表明，活性藻超濃度培養(yǎng)能明顯加速氮、磷等營養(yǎng)物及其他有機(jī)物的去除。但到目前為止，藻類超濃度培養(yǎng)僅限于小規(guī)模試驗(yàn)，大規(guī)模超大型濃度培養(yǎng)技術(shù)尚不成熟。

應(yīng)用實(shí)例

由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)院微生物學(xué)系李順鵬教授首創(chuàng)與開發(fā)的“農(nóng)藥殘留微生物降解技術(shù)”，利用篩選的特定微生物菌株，在蔬菜、水稻等農(nóng)作物與土壤噴灑農(nóng)藥后使用，能有效地降解土壤和作物植株表面的有機(jī)磷類、菊酯類、有機(jī)氮類等農(nóng)藥殘留，從而使農(nóng)產(chǎn)品基本達(dá)到無農(nóng)藥殘留，是一種發(fā)展無公害和綠色食品的有效技術(shù)。該技術(shù)獲國家重點(diǎn)新產(chǎn)品和農(nóng)業(yè)部肥料登記證，能夠高效降解土壤與植株中的農(nóng)藥殘留，改善土壤品質(zhì)，生產(chǎn)綠色農(nóng)產(chǎn)品。南京市江寧區(qū)土橋鎮(zhèn)連續(xù)使用該技術(shù)3年，所生產(chǎn)的無公害大米經(jīng)中國綠色食品測(cè)試中心檢測(cè)無農(nóng)藥殘留，達(dá)到出口標(biāo)準(zhǔn)，獲得南京市第一個(gè)綠色食品證書。該技術(shù)自1995年開始在江蘇省大面積推廣應(yīng)用，目前已在江蘇、安徽、山東、河北、山西等全國多個(gè)省市推廣應(yīng)用20萬hm2以上，獲得綠色農(nóng)產(chǎn)品品牌6個(gè)，累計(jì)增加經(jīng)濟(jì)效益達(dá)5億元。

技術(shù)難題及其解決辦法

微生物降解活性的表達(dá)

在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段被純化的單一菌株很可能降解活性很強(qiáng)，但在實(shí)際環(huán)境條件下可能無法存活或降解效果不佳；因此，亟待開發(fā)和利用高效降解菌，建立高效降解菌的種子庫，充分開發(fā)降解菌的特異降解活性及其存活能力。

微生物降解機(jī)制、代謝途徑研究

農(nóng)藥被降解后可能是徹底失去毒性，也可能是分解產(chǎn)物毒性很大，還有可能就是降解后的產(chǎn)物有毒，故需對(duì)特定農(nóng)藥殘留微生物降解的機(jī)制、代謝途徑作進(jìn)一步研究。

環(huán)境條件對(duì)降解作用影響

溫度、水分、pH值、氧含量等自然條件直接影響微生物生長及代謝，進(jìn)而影響其降解作用。克服環(huán)境因素影響，是急切要解決的重大問題。

優(yōu)勢(shì)菌株發(fā)掘

降解菌對(duì)受污染環(huán)境不適應(yīng)，導(dǎo)致菌群不能成為優(yōu)勢(shì)菌而失去降解活性；所以，需要構(gòu)建多菌株復(fù)合體系，增強(qiáng)微生物的抗污染性能和穩(wěn)定性；另外，在被污染環(huán)境中往往會(huì)誘導(dǎo)出天然的優(yōu)勢(shì)菌株，這就需要研究相關(guān)控制措施，充分發(fā)揮土著優(yōu)勢(shì)降解菌的作用。

展望

隨著現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展，高效、低毒、低殘留、易降解新型化學(xué)農(nóng)藥的研發(fā)工作雖然取得了很大進(jìn)展，但已殘留在環(huán)境中的化學(xué)農(nóng)藥的降解，以及新型化學(xué)農(nóng)藥帶來的新污染仍不容忽視，零排放、分解徹底、低成本的微生物降解技術(shù)將是清除農(nóng)藥污染的主要手段。自然界中很多具降解特性的微生物有待被發(fā)現(xiàn)，通過篩選高效降解菌，深入研究微生物降解農(nóng)藥的特性，構(gòu)建高效遺傳的“超級(jí)工程菌”，綜合治理農(nóng)業(yè)環(huán)境污染，將顯示出誘人的應(yīng)用前景。隨著微生物降解技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室階段逐步走向大田，由農(nóng)藥殘留降解擴(kuò)散至秸稈、污水、塑料等農(nóng)業(yè)廢棄物的治理，其市場前景廣闊，且將有力助推農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)。