土壤農(nóng)藥微生物降解綜述

任可心，陳蘭英，白志勇，肖娟

（四川省南充市西華師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充 637000）

1 農(nóng)藥的危害

農(nóng)藥施用后，其中一部分在弄作物上使食品受到農(nóng)藥污染，另一部分則留存于土壤、水體中造成污染對人類生活的環(huán)境造成影響，甚至可能散逸到空氣中造成大氣污染，因此農(nóng)藥污染無處不在，且農(nóng)藥作為一種人工合成產(chǎn)品，難以被天然分解。農(nóng)藥的主要危害包括，誘發(fā)人途長期慢性病癥，導(dǎo)致人類大腦功能紊亂，誘發(fā)一些無法醫(yī)治的疾病，比如帕金森綜合征及部分心腦血管疾病等。潘小琴等研究表明，目前使用的多種農(nóng)藥，對人類胚胎及胎兒發(fā)育具有一定副作用，多種農(nóng)藥的同時使用能發(fā)生交互作用，對胎兒發(fā)育產(chǎn)生不良的聯(lián)合效應(yīng)[1]。

2 農(nóng)藥的降解

農(nóng)藥作為人工合成的生物外源性物質(zhì)，通常不易被微生物分解，在自然界中半衰期較長[2]，農(nóng)藥降解是指經(jīng)由物理、化學(xué)、生物等各種手段方法，把農(nóng)藥中對人體和環(huán)境的有害成分分解為無害成分的過程，近年來，人們發(fā)現(xiàn)微生物包括細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類等都能夠較好地降解農(nóng)藥，但有些農(nóng)藥在微生物分解的過程中會產(chǎn)生毒性很大的中間產(chǎn)物，因此，在研究農(nóng)藥微生物降解的過程中，不僅要注意農(nóng)藥本身的毒性降低，而且也要注意其中間產(chǎn)物的毒性，如何培養(yǎng)、篩選高效的降解菌株就成為了學(xué)界的廣泛關(guān)注的問題和熱點(diǎn)方向。

3 微生物降解農(nóng)藥的發(fā)展

微生物是農(nóng)藥殘留降解的重要方式，早在上世紀(jì)80年代，人們就首次從污染物中分離出了能夠降解含氯有機(jī)物的厭氧微生物。與此同時，研究學(xué)者還通過對固化微生物的研究，發(fā)現(xiàn)了一種新型生物技術(shù)，它是游離細(xì)胞和酶被固定在限定區(qū)域內(nèi)，并使其保持活性和可重復(fù)利用性，其特點(diǎn)是保持菌種高效，二次污染小[3]。迄今為止，各國研究人員已從土壤、污泥、生活垃圾等環(huán)境中分離到了能夠有效降解農(nóng)藥殘留的微生物，科學(xué)家們基于農(nóng)藥的物理化學(xué)性質(zhì)，利用微生物的礦化和共代謝作用來降解農(nóng)藥殘留物，從而將環(huán)境中的有毒物質(zhì)進(jìn)行分解，從而轉(zhuǎn)化成無毒物質(zhì)。如今，隨著分子生物技術(shù)和基因重組技術(shù)的研究深入發(fā)展，科學(xué)家們對微生物的降解作用已經(jīng)了解得越來越透徹，微生物降解已經(jīng)成為農(nóng)藥降解過程中最重要的技術(shù)之一[4]。

4 降解農(nóng)藥的微生物種類

土壤中的細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類等都具有講解農(nóng)藥的功效，其中細(xì)菌由于其基因突變性較強(qiáng)，容易誘導(dǎo)多種突變菌株從而有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，因此被廣泛運(yùn)用于農(nóng)藥降解。但因農(nóng)藥大多是通過人工加工合成的產(chǎn)物，自然界中已存在的微生物還沒有進(jìn)化出一套能夠降解復(fù)合農(nóng)藥的生物機(jī)制，因此現(xiàn)代農(nóng)藥，特別是復(fù)合農(nóng)藥對于微生物降解往往表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗性，這需要不同的微生物群體協(xié)同作用，從而在最短時間內(nèi)獲得最大的降解效率。

5 微生物降解農(nóng)藥的機(jī)理

微生物降解農(nóng)藥的機(jī)理主要有兩類，其中礦化作用是指微生物將土壤中的農(nóng)藥殘留作為生長基質(zhì)，利用農(nóng)藥殘留中的有機(jī)物作為能量，通過呼吸作用將農(nóng)藥中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成CO2、H2O等無毒的無機(jī)物。共代謝作用是指當(dāng)微生物不能將農(nóng)藥分解徹底時，向農(nóng)藥殘留中加入微生物可利用的碳源，從而促進(jìn)微生物生長，從而對農(nóng)藥進(jìn)行徹底分解。

5.1 微生物降解途徑

5.1.1 酶促反應(yīng)

微生物在生命活動中，能夠分泌作用于農(nóng)藥殘留的各種酶，通過酶發(fā)生一系列復(fù)雜的氧化、還原、水解、合成等反映，通過酶促反映來降解農(nóng)藥。此外，由于降解酶比分泌該酶的微生物更能夠忍受極端環(huán)境，因此還可通過微生物培養(yǎng)的方法，合成、提取相應(yīng)的降解酶，并將其加入農(nóng)藥殘留進(jìn)行分解，這種方法的降解效率更高，但酶在土壤中更容易受到環(huán)境因子的改變的影響而失活，因此很難保持長時間的的活性，必須源源不斷地加入酶進(jìn)行反應(yīng)，加之與微生物相比，降解酶的移動性較差，這些也限制了降解酶在農(nóng)藥降解中的運(yùn)用。

5.1.2 非酶促反應(yīng)

微生物的活動促使土壤環(huán)境的物理、化學(xué)、生物特性發(fā)生了改變，例如PH、酸堿度、含水量、氧化還原環(huán)境等，從而降解農(nóng)藥，或微生物分泌產(chǎn)生的某些代謝物輔助促進(jìn)了農(nóng)藥的轉(zhuǎn)化分解。

5.1.3 多菌株復(fù)合體系

在農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的帶動下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常常不再是施用單一農(nóng)藥，而是多種類型的農(nóng)藥混合使用，這使得需要降解的農(nóng)藥殘留成分具有復(fù)雜性，對于僅能降解其中一種類型農(nóng)藥的微生物而言，想要獲得良好的降解效果，就必須構(gòu)建多菌株復(fù)合體系，通過多種微生物的協(xié)同作用，增強(qiáng)菌株的穩(wěn)定性和抗污染性，提高農(nóng)藥降解效率，適應(yīng)更加復(fù)雜多變的土壤環(huán)境，同時對一些成分復(fù)雜、難以降解的農(nóng)藥也產(chǎn)生了巨大效果，從而可以提升微生物對于農(nóng)藥殘留的降解率。

5.2 影響微生物農(nóng)藥降解的因素

5.2.1 微生物自身的特性

微生物的基因構(gòu)造、環(huán)境適應(yīng)性、生物活性等都將影響它對農(nóng)藥降解和轉(zhuǎn)化結(jié)果，實驗證明不同種類的微生物或同種微生物的不同菌株對農(nóng)藥的降解效果存在顯著差異，目前還沒有發(fā)現(xiàn)能降解所有農(nóng)藥的微生物，因此要根據(jù)農(nóng)藥特性選擇相應(yīng)的微生物對其進(jìn)行降解轉(zhuǎn)化。此外，微生物還具有較強(qiáng)的適應(yīng)和馴化能力，可以通過人工選擇不同基因片段，控制基因表達(dá)的方式來提高農(nóng)藥降解速率。

5.2.2 農(nóng)藥的特性

農(nóng)藥自身的化合物組成、PH、濃度、分子量等也將影響微生物降解。一般來說，組成成分越復(fù)雜的農(nóng)藥越難降解，這種農(nóng)藥往往需要多種微生物的協(xié)同作用來降解轉(zhuǎn)化，農(nóng)藥成分中分子量高、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物更難降解，農(nóng)藥聚合物、復(fù)合物比成分簡單的單一農(nóng)藥更難降解，此外農(nóng)藥化合物中的取代基也會影響降解效果。因為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實際中，往往施用的是成分復(fù)雜、分子量高的農(nóng)藥，因此可以通過選擇不同微生物，先將他們降解成為成分簡單、分子量低的成分，再進(jìn)行下一步降解轉(zhuǎn)化，最終徹底分解成為CO2、H2O等無機(jī)物。

5.2.3 環(huán)境因素

除了微生物及農(nóng)藥自身特性外，土壤環(huán)境的物理、化學(xué)、生物因素也是影響微生物農(nóng)藥降解的重要因素。土壤的各種環(huán)境因素包括：土壤PH值、土壤顆粒大小、透氣性、含水量、氧化還原環(huán)境等，極端的土壤環(huán)境不但會影響微生物的生存，也會使酶失活。因此，這些環(huán)境條件既會影響微生物分泌酶的過程，也會影響酶的活性，從而影響農(nóng)藥降解[5]。

5.3 微生物農(nóng)藥降解的研究進(jìn)展

目前微生物農(nóng)藥降解技術(shù)已經(jīng)得到了較大的發(fā)展，通過實驗室的分離篩選各種能夠降解農(nóng)藥的微生物菌株已經(jīng)相繼獲得[6]。但目前該技術(shù)仍面臨降解率低、時間長等問題。且研究大多僅限于實驗室研究，在現(xiàn)實環(huán)境中，由于受到污染環(huán)境原有菌群、PH、溫度、濕度、通氣條件、濃度等多種條件的綜合影響，降解菌株的生長及效用可能會受到拮抗而導(dǎo)致其在該環(huán)境中不能長期生存，因此還要根據(jù)不同的施用條件正確選擇菌株。雖然這些問題還有待進(jìn)一步研究，但微生物降解農(nóng)藥的應(yīng)用前景樂觀，目前國內(nèi)也已經(jīng)有“農(nóng)藥殘留降解菌劑”的專利問世，將來這些問題的解決必將推動微生物降解技術(shù)走向更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[7-8]。

6 展望

近年來，由于人民生活水品和健康意識的不斷提高，農(nóng)殘留問題引起了大家的廣泛關(guān)注，因農(nóng)藥殘留問題引發(fā)的食物中毒事件也屢見不鮮，利用具有多種微生物類群及菌株進(jìn)行農(nóng)藥殘留的降解已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的必然趨勢，復(fù)合的微生物類群及菌株更加接近自然界中微生物相互作用的協(xié)同關(guān)系，通過人工構(gòu)建微生物的復(fù)合體系，并使其作用于農(nóng)藥污染土壤中是改良已經(jīng)被污染土壤的一個高效的方法。在未來的發(fā)展中，微生物降解農(nóng)藥的技術(shù)還需要進(jìn)一步的研究和開發(fā)。例如開發(fā)高效的農(nóng)藥降解菌，菌種混合培養(yǎng)，制備降解酶等多種方式，不斷實驗，對微生物降解技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，從而推動農(nóng)業(yè)和環(huán)境的協(xié)同、健康發(fā)展[9]。