典型咪唑啉酮類除草劑的微生物降解研究進展

王 新, 侯佳文, 柳文睿, 鮑 佳

(沈陽工業大學 環境與化學工程學院，沈陽 110870)

咪唑啉酮類除草劑是一類廣泛應用于農作物雜草防治的手性除草劑[1]，現有6個商品化品種，包括甲氧咪草煙 (imazamox) 、咪唑乙煙酸(imazethapyr)、甲咪唑煙酸 (imazapic)、咪唑煙酸(imazapyr)、 咪草酸 (imazamethabenz-methyl)及咪唑喹啉酸 (imazaquin)[2]，其中后兩種除草劑目前還未見其相關研究報道。該類除草劑既可用作土壤處理劑也可用作莖葉處理劑，廣泛用于大豆田、花生地及林地雜草的防除[3]。但隨著農藥殘留及其淋溶入地下水，對農作物的輪作及水生生態系統產生了一定影響[4]。

被農藥污染的土壤可以通過物理、化學和生物技術進行修復[5-6]。其中，生物修復因其效果好、無二次污染等特點，已成為清除環境中農藥污染的重要手段[7-8]。自20世紀起，隨著對除草劑殘留降解新方法的不斷出現，對除草劑具有較好降解作用的微生物菌株逐漸被發現并得以分離，部分研究成果取得了重大的突破[9]。丁偉等[10]從生產咪唑乙煙酸化工廠排污口的污泥和長期施用咪唑乙煙酸的混合土壤中分離得到1株產堿菌屬Alcaligenessp.，其在pH=5及溫度25 ℃條件下培養3 d，對500 mg/L的咪唑乙煙酸的降解率可達90%。鑒于除草劑的微生物降解是當前環境研究中的熱點問題，本文對典型的可降解咪唑啉酮類除草劑的微生物所屬類群及降解途徑的研究進展進行簡要綜述，指出當前除草劑污染修復存在的問題，并對未來的應用前景進行展望。

1 咪唑啉酮類除草劑殘留對后茬作物的影響

隨著除草劑使用量的增加，有80%～90%的除草劑在使用過程中會進入土壤，并主要殘留在0～20 cm深度的耕作層土壤中[11]。土壤中殘留的除草劑對后茬敏感作物的危害較為突出，了解除草劑殘留對后茬作物的安全性，對科學合理使用除草劑，解決作物輪作等生產實際問題具有一定指導意義。

1.1 咪唑啉酮類除草劑殘留對后茬作物的影響原因

咪唑啉酮類除草劑對后茬作物產生影響的原因可歸納為以下幾點[12]：1) 水稻、玉米等經濟作物種植面積擴大，輪作復雜。2) 土地轉包手續簡單，無健全的技術檔案，無法正確安排后茬作物。3) 除草劑受自然環境的不良影響，如遇到高溫、干旱、大風等氣候時使用者會隨意加大除草劑的用量。4) 對于農田危害嚴重且難以防治的雜草，如苣荬菜等，使用者往往會盲目混配除草劑，或增加除草劑用量。5) 施藥機械落后，導致藥液噴施不均勻，造成后茬作物出現點、片藥害。

1.2 咪唑啉酮類除草劑殘留對后茬敏感作物的影響

1.2.1 甲氧咪草煙的影響 甲氧咪草煙是咪唑啉酮類除草劑中殘效期短的品種，施藥后土壤中的藥劑絕大部分會分解失效，因而對絕大多數后茬作物安全，在一年一熟地區的輪作中，不會傷害后茬作物，但當混作、間種及復種時，則需考慮不同作物的敏感性及間隔時期。甲氧咪草煙在有效成分為40、60 g/hm2下施藥1年后，可以安全種植小麥、玉米和白瓜籽，2年后可以安全種植油菜、甜菜、白菜、亞麻和馬鈴薯，但高劑量 (有效成分80、120 g/hm2)甲氧咪草煙處理則對敏感作物有一定的藥害[13]。

1.2.2 咪唑乙煙酸的影響 咪唑乙煙酸被施用后，當年即可降解96%以上，剩余不足4%的咪唑乙煙酸會長期殘留，很難降解，可對后茬敏感作物造成較為嚴重的藥害[14]，其主要影響如表1[13]所示。也有研究表明：咪唑乙煙酸殘留可抑制油菜的株高，使植株葉片中的抗氧化酶發生變化，其中超氧化物歧化酶 (SOD)、過氧化氫酶(CAT) 活性降低，過氧化物酶 (POD) 活性升高，同時會降低葉片中葉綠素含量，增加丙二醛 (MDA)含量[15]；兩種后茬作物相比，油菜比小麥對咪唑乙煙酸更加敏感，在咪唑乙煙酸高濃度劑量處理下，油菜植株全部死亡[16]。

表1 咪唑乙煙酸在75 g/hm2的施用劑量下對后茬作物的影響[13]Table 1 Effects of imazethapyr on succeeding crops at a dosage of 75 g/hm2[13]

1.2.3 甲咪唑煙酸的影響 甲咪唑煙酸殘留對黃瓜、油菜、小麥和玉米等作物生長均存在一定的抑制作用，其中對根長的IC10值分別為0.013、0.68、13.14和85.87 μg/kg，對株高的IC10值分別為7.32、37.61、133.28和345.56 μg/kg。可以看出，黃瓜和油菜對殘留的甲咪唑煙酸最為敏感，小麥和玉米耐性最強[17]。有研究表明，隨著土壤中甲咪唑煙酸殘留量的增加，麥苗的株高、單株鮮重及整株干重呈現降低趨勢，麥苗葉片葉綠素含量也逐漸降低，暗呼吸速率上升，對麥苗光合速率有顯著的抑制作用[18]。以上結果說明，甲咪唑煙酸在土壤中殘留會對后茬小麥的生長產生嚴重影響，在使用過程中，應注意控制甲咪唑煙酸使用劑量和安全間隔期[19]。

2 降解咪唑啉酮類除草劑的微生物種類及特性

在厭氧條件下，土壤微生物幾乎不分解咪唑啉酮類除草劑，但在有氧條件下，微生物降解則是咪唑啉酮類除草劑的主要降解方式。

目前，對于可降解咪唑啉酮類除草劑微生物的研究集中于土壤中的細菌，其他如真菌和放線菌的研究報道不多。其中有關咪唑乙煙酸降解菌的研究報道最多，主要有丙酸桿菌屬Propionibacterium、海球菌屬Marinococcus[20]，還有一種曲霉屬真菌黑曲霉Aspergillus niger[21]以及一種放線菌大宮鏈霉菌Streptomyces omiyaensis[22]。臧海蓮等[23]從長期生產咪唑乙煙酸的農藥廠排污口處的污泥及污水中分離出1株能夠降解咪唑乙煙酸的拜葉林克氏菌Beijerinckiasp.，該菌株在含100 mg/L咪唑乙煙酸的無機鹽基礎培養液中培養5 d后，可使咪唑乙煙酸降解80.0%以上。王學東等[24-26]從長期使用咪唑煙酸的非耕地土壤中分離出2株該除草劑的高效降解菌，分別為熒光假單胞菌Ⅱ型Pseudomonas fluorescenesbiotypeⅡ 和蠟狀芽孢桿菌Bacillus cereus，其在5 d內對咪唑煙酸的降解率分別可達89.4% 和95.6%。楊鑫[27]從長期使用甲氧咪草煙的土壤中分離出14株能夠以甲氧咪草煙為唯一碳源生長的微生物，其中細菌中鮑氏不動桿菌Acinetobacter baumannii在培養48 h后對甲氧咪草煙的降解率達到92.5%。表2為部分可降解的咪唑啉酮類除草劑的微生物種類及特性。

表2 部分可降解咪唑啉酮類除草劑的微生物種類及特性Table 2 Microbial species and characteristics of partially biodegradable imidazolinone herbicides

3 咪唑啉酮類除草劑的微生物降解途徑

3.1 咪唑煙酸的降解途徑

王學東等[34]對浙江華家池的非滅菌小粉土樣品進行提取、凈化，通過液相色譜-質譜聯用 (LC -MS) 檢測到吡啶-2,3-并六氫嗪酮并-5-甲基四氫咪唑啉酮(A)、2-(2-吡啶-3-甲酸銨)-二氫化咪唑啉酮(B)、2,3-吡啶二甲酸二銨(C)和吡啶-2,3-二甲酸酐(D) 4種產物。推測咪唑煙酸的降解途徑如圖式 1所示。其中：產物 A 主要來自咪唑煙酸 (I)中異丙基的斷裂、咪唑啉酮環的開裂及其與羧酸結構的重排；產物 B 主要來自咪唑煙酸中甲基和異丙基的斷裂及在土壤中羧酸可能被微生物轉化成更為穩定的羧酸銨；產物 C 主要來自其甲基和異丙基的斷裂、咪唑啉酮環的開裂；產物 D 主要來自咪唑啉酮環的開裂和重排。

3.2 咪唑乙煙酸的降解途徑

金雷[35]從長期受咪唑乙煙酸污染的農田土壤中分離到1株咪唑乙煙酸降解菌芽孢桿菌屬Bacillussp. QC-13，通過對咪唑乙煙酸培養物中代謝產物結構的分析，推測其在菌株QC-13作用下的代謝途徑 (圖式 2)：首先，從咪唑乙煙酸 (II) 的吡啶環上脫去1個羧基，得到化合物A'，分子式為C14H19N3O；然后，從化合物 A' 的咪唑環上脫去異丙基，得到產物B' ，分子式為C11H13N3O。

3.3 甲氧咪草煙的降解途徑

Liu等[28]從被甲氧咪草煙污染的大豆田中分離出鮑氏不動桿菌Acinetobacter baumanniiIB5，并對IB5 降解甲氧咪草煙的代謝途徑進行了分析。研究中共獲得了a, b, c, d 4種降解產物，推測其可能的降解途徑為：首先，甲氧咪草煙 (III)通過斷裂咪唑環部分的C—N 鍵而開環，形成中間產物e (C15H21N3O4)；然后，產物e脫去氨基甲酰基形成中間體f (C14H18N2O3)；f中吡啶環上羧基經還原形成醛基，得到產物 a (C14H18N2O2)；a中的C=N 雙鍵經水解反應斷裂形成羧基，得到產物b；繼而產物b吡啶環上的甲氧基被羥基取代，生成產物c；最后產物c脫羧形成產物d (圖式 3)。

4 微生物降解咪唑啉酮類除草劑的影響因素

在微生物降解咪唑啉酮類除草劑的過程中，還會受到一些影響因子的限制。一般來說，一切能夠對微生物活性產生影響的因素均能影響其對除草劑的降解，主要表現在以下幾個方面。

4.1 微生物自身的影響

研究表明，生長環境的不同會使不同種類或同種異株的微生物在對除草劑的降解性能上存在差異[36]。同時，微生物的數量、活性及其對環境的適應能力等均可影響微生物對除草劑的降解能力。Wang等[37]指出，咪唑煙酸在未滅菌土壤中的降解速率比在滅菌土壤中的降解速率快 2.3～4.4倍，表明土壤微生物在除草劑降解過程中起著至關重要的作用。倪子鈞[38]研究表明，通過向含有甲氧咪草煙的土壤中投加鏈霉菌Streptomycetaceae JX02后，甲氧咪草煙在土壤中的半衰期縮短了近18 倍，說明該鏈霉菌可以高效降解甲氧咪草煙。

4.2 除草劑本身的影響

一般情況下，除草劑的化學結構以及底物的初始濃度等也會影響微生物對其的降解。由于咪唑煙酸中含有易于產生氫鍵的吡啶環，因此會比其他咪唑啉酮類除草劑具有更好的極性，且在水中更易溶解，因此在土壤中具有更高的生物利用度，可能對微生物具有毒性作用[39]。除草劑底物的初始濃度對微生物降解能力影響很大，濃度過高可能會產生有毒中間物質，從而使微生物的生長受到抑制；濃度過低無法為微生物提供足夠的可利用物質促進其生長，進而影響其降解效果[40]。Zhang等[41]報道，在大豆生長的土壤中施用咪唑乙煙酸，按照田間施用劑量使用，其對微生物的生長無不良影響，但加大劑量施用時則對微生物表現出毒性作用，最終會影響到微生物對除草劑的降解效果。

4.3 溫度、濕度的影響

微生物及其產生的酶系均需要在適宜的溫、濕度條件下進行增殖和代謝，不同的微生物所適宜的生長溫度條件也不同。李志國[33]的研究表明，隨著溫度升高，糞產堿菌Alcaligenes faecalisP2對咪唑乙煙酸的降解率呈現先升高后降低的趨勢，這是因為溫度過高或過低都會抑制微生物及其酶的活性，從而影響微生物對除草劑的降解。水是微生物生命活動的基本條件之一，土壤中的水分直接影響微生物的繁殖及代謝。濕度高的土壤會使微生物保持較高的活性，進而刺激微生物對甲咪唑煙酸的降解[42]，但水量過多會導致土壤通氣性較差，不利于微生物的生長，進而影響其對除草劑的降解。

4.4 pH值的影響

不同的微生物種群對其生長環境的pH值要求也存在差異。通常，細菌在中性或偏堿的條件下生長得更好，而真菌更適宜在微酸環境中生長[43]。呂翻洋等[32]研究發現，菌株IM9603在pH值為5.5時對咪唑乙煙酸的降解率最高，過高或過低的pH值均會改變細胞內酶活性，從而影響微生物的繁殖，甚至會導致死亡。

5 小結與展望

咪唑啉酮類除草劑長期使用所產生的農藥殘留易對土壤環境及后茬敏感作物造成影響，因此尋找一種綠色高效的方法降低其在環境中的殘留依然是世界各國研究的熱點。大量文獻表明，除草劑可以通過植物、動物、微生物和紫外線輻射等作用使其降解，但微生物對除草劑的降解因其降解效果好、無二次污染等特點被科研人員大量研究并取得成果，特別是細菌、真菌、放線菌和藻類，目前細菌的研究較為深入。

由于咪唑啉酮類除草劑苗后處理具有較長的殘效期，將其應用于耕地時需要注意不同使用劑量下對后茬作物的安全性，并可安排一些耐咪唑啉酮類的作物作為后茬作物。目前，對該類除草劑的微生物降解研究已經取得了較大進展，但在實際應用中還存在許多問題，主要的限制因素是這些降解微生物的活性易受到復雜的環境條件影響。因此建議：進一步篩選和馴化生物修復菌株，構建菌種庫；加強微生物代謝途徑研究，控制其轉化途徑；強化降解基因的結構與功能研究,重組構建功能優化的基因工程菌株；優化組合修復技術，如動物-微生物、植物-微生物、物化方法-微生物等組合修復。