微生物降解的研究進展

這些農藥殘留廣泛分佈於土壤、水體、大氣及農產品中，難以利用大規模的工程措施消除污染。實際上，在自然界主要依靠微生物緩慢地進行降解，這是依靠自然力量、不產生二次污染的理想途徑。但自然環境複雜多變，影響着農藥生物降解的可否和效率。近年隨着對農藥殘留污染問題的重視，科學家們對農藥生物降解進行了大量的研究，但許多問題需要進一步探明。本文整理出了近年來對農藥生物降解的研究進展，提出存在的問題，建議有效的研究途徑，旨在爲加強農藥的生物降解研究、解決農藥對環境及食物的污染問題提供依據。

1 農藥的微生物降解研究進展

1.1 農業生產上主要使用的農藥類型

當前農業上使用的主要有機化合物農藥如表1所示。其中，有些已經禁止使用，如六六六、滴滴涕等有機氯農藥，還有一些正在逐步停止使用，如有機磷類中的甲胺磷等。

類 型 農 藥 品 種 有機磷：敵百蟲、甲胺磷、敵敵畏、乙酰甲胺磷、對硫磷、雙硫磷、樂果等 殺蟲劑 有機氮：西維因、速滅威、巴沙、殺蟲脒等有機氯：六六六、滴滴涕、毒殺芬等 殺蟎劑 蟎淨、殺蟎特、三氯殺蟎碸、蟎卵酯、氯殺、敵蟎丹等 除草劑 2，4－D、敵稗、滅草靈、阿特拉津、草甘膦、毒草胺等 殺菌劑 甲基硫化砷、福美雙、滅菌丹、敵克鬆、克瘟散、稻瘟淨、多菌靈、葉枯淨等生長調節劑 矮壯素、健壯素、增產靈、赤黴素、縮節胺等

人們發現，在自然生態系統中存在着大量的、代謝類型各異的、具有很強適應能力的和能利用各種人工合成有機農藥爲碳源、氮源和能源生長的微生物，它們可以通過各種謝途徑把有機農藥完全礦化或降解成無毒的其他成分，爲人類去除農藥污染和淨化生態環境提供必要的條件。

1.3 微生物降解農藥的機理

目前，對於微生物降解農藥的研究主要集中於細菌上，因此對於細菌代謝農藥的機理研究得比較清楚。

農 藥降 解 微 生 物甲胺磷芽孢桿菌、麴黴、青黴、假單胞桿菌、瓶型酵母阿特拉津（AT）煙麴黴、焦麴黴、葡枝根黴、串珠鐮刀菌、粉紅色鐮刀菌、尖孢鐮刀菌、斜臥鐮刀菌、微紫青黴、皺褶青黴、平滑青黴、白腐真菌、菌根真菌、假單胞菌、紅球菌、諾卡氏菌幼脲3號真菌敵殺死產鹼桿菌2，4－D假單胞菌、無色桿菌、節桿菌、棒狀桿菌、黃桿菌、生孢食纖維菌屬、鏈黴菌屬、麴黴菌、諾卡氏菌、DDT無色桿菌、氣桿菌、芽孢桿菌、梭狀芽孢桿菌、埃希氏菌、假單胞菌、變形桿菌、鏈球菌、無色桿菌、黃單胞菌、歐文氏菌、巴斯德梭菌、根癌土壤桿菌、產氣氣桿菌、鐮孢黴菌、諾卡氏菌、綠色木黴等丙體六六六白腐真菌、梭狀芽孢桿菌、埃希氏菌、大腸桿菌、生孢梭菌等對硫磷大腸桿菌、芽孢桿菌七 氯芽孢桿菌、鐮孢黴菌、小單孢菌、諾卡氏菌、麴黴菌、根黴菌、鏈球菌敵百蟲麴黴菌、鐮孢黴菌敵敵畏假單胞菌狄氏劑芽孢桿菌、假單胞菌艾氏劑鐮孢黴菌、青黴菌樂 果假單胞菌2,4,5-T無色桿菌、枝動桿菌

1.3.1 微生物在農藥轉化中的作用

氧化反應 微生物體內的氧化反應包括：羥化反應（芳香族羥化、脂肪族羥化、N－羥化）；環氧化；N－氧化；P－氧化；S－氧化；氧化性脫烷基、脫滷、脫胺。

還原反應 還原反應包括硝基還原、還原性脫滷、醌類還原等。

水解反應 一些酯、酰胺和硫酸酯類農藥都有可以被微生物水解的酯鍵，如對硫磷、苯胺類除草劑等。

縮合和共軛形成 縮合包括將有毒分子或一部分與另一有機化合物相結合，從而使農藥或其衍生物物失去活性。

應該指出，在微生物降解農藥時，其體內並不只是進行單一的反應，多數情況下是多個反應協同作用來完成對農藥的降解過程，如好氧條件下滷代芳烴的生物降解，其鹵素取代基的去除主要通過兩個途徑發生：在降解初期通過還原、水解或氧化去除鹵素；生產芳香結構產物後通過自發水解脫滷或β－消去鹵化烴[6]。

1.4 影響微生物降解農藥的因素

1.4.1 微生物自身的影響

自然界中的微生物通常可以降解天然產生的有機化合物，如木質素、纖維素物質等，從而促進地球的物質循環和平衡。但目前的環境污染物大多是人工合成的自然界中本身不存在的生物異源有機物質，其中一些是對人類具有致畸、致突變和致癌作用，往往對微生物的降解表現出很強的抗性，其原因可能是這些化合物進入自然界的時間比較短，單一的微生物還未進化出降解此類化合物的代謝機制。儘管某些危險性化合物在自然界中可能會經自然形成的微生物羣體的協同作用而緩慢降解，但這對微生物世界來說仍然是一個新的挑戰。微生物通過改變自身的信息獲得降解某一化合物的能力的過程是緩慢的，與目前大量使用的人工合成的.生物異源物質相比，依靠微生物的自然進化過程顯然不能滿足要求，因此長期以往將會造成整個生態系統的失衡[6]。因此，研究一些可以使微生物羣體在較短的時間內獲得最大降解生物異源物質能力的方法非常重要和迫切。

1.4.3 環境因素的影響

Ralstonia和Pickettii的降解和礦化情況。在土壤水分適宜的條件下，非離子型表面活性劑吐溫80可增強微生物對biaryl類化合物的利用率，如聯苯、4－氯聯苯。Kastner等 [35]認爲，在堆肥與被多環芳烴污染的土壤混合的情況下，堆肥中有機基質含量對於農藥降解的作用要大於堆肥中生物的含量對於農藥降解的作用；營養對於以共代謝作用降解農藥的微生物更加重要，因爲微生物在以共代謝的方式降解農藥時，並不產生能量，須其他的碳源和能源物質補充能量[12]。對於好氧微生物來說，在好氧條件下可以降解農藥，而在厭氧條件下降解效果不好；而對於厭氧微生物來說，情況可能正相反。也有研究指出在好氧條件下，有的厭氧細菌也可以代謝一些化合物[6]。

1.5 農藥微生物降解的新技術和新方法

1.5.1 轉基因技術的應用

20世紀後半葉是分子生物學、分子遺傳學等學科迅速發展的時期，各種不同的生物學技術不斷涌現；同時在21世紀初，生物信息學、基因組學、蛋白質組學等新的學科迅速興起。這一切都爲人工創造“超級農藥降解菌”提供了必要的條件。因此，利用轉基因技術進行目的性的人工組裝“工程菌”成爲有魅力的發展目標。同時，因爲微生物降解農藥的本質是酶促反應，所以，有人直接提取微生物合成的酶系來離體進行農藥等有機化合物污染物的降解研究[15]。

　　2 研究中存在的問題

雖然農藥殘留的微生物降解研究已經取得了很大的進展，而且也有了一些應用的實例，但研究大多侷限在實驗室中，農藥降解菌完全走出實驗室到實際應用中還有一段路要走。農藥微生物降解的問題主要有以下幾方面。

2.1 單一菌株的純培養問題

以往的研究主要集中在單一菌株的純培養上，在實驗室內獲得純培養的菌株，然後研究它的特性、降解機理等。然而這一方法完全不符合實際情況，自然狀態下，是多種微生物共存，通過微生物之間的共同作用把農藥降解。農藥殘留往往存在於土壤、農副產品、廢棄物等複雜環境中，即使在實驗室內一株菌的降解活性再大，到了這種複雜條件下可能無法生存或起不到期望的作用。

2.2 環境條件對微生物降解農藥的影響

外部環境對微生物生長和對農藥的降解影響很大，如環境的溫度、水分含量、pH、氧含量等，而自然環境中這些因素變化很大，這直接影響到微生物對農藥的降解。如何克服環境的影響從而充分發揮目標微生物的作用是需要解決的重大問題。

2.3 微生物降解目標化合物對降解的影響

目標化合物的濃度是否能使微生物生長，另外，農藥污染環境的化合物組分很不穩定，波動很大，這給以工程措施微生物降解農藥化合物帶來困難。

2.4 微生物與被降解物接觸的難易程度

被農藥污染的環境有土壤、空氣、水體及蔬菜瓜果等，對於土壤和水體的污染，微生物很容易與污染物接觸，從而發揮它們的降解功能。但是，對於被農藥污染的食品來說，利用微生物降解殘留的農藥很難，因爲微生物無法與存在於物體內部的殘留農藥接觸，無法發揮它們的作用，而只能降解殘留在物體表面的部分。這種限制需要人們儘快解決，從而擴大微生物降解農藥的應用範圍。

2.5 微生物的適應性問題

所接種的微生物能否適應污染的環境，這不僅包括上述提到的物理環境，還涉及到生物之間的關係。接種到環境中的微生物受到抑制物的影響，或者受到包括捕食者在內的土著微生物的影響，甚至受到拮抗作用而不能生長等，這些都可以造成接種的微生物不能成爲優勢菌從而失去對農藥的降解作用。構建多菌株複合系，具有穩定性和抗污染性強的優點，但即使是多菌混合培養的複合系也同樣存在能否成爲優勢羣體的問題。

　　3 堆肥法消除污染物

將人工構建微生物的複合體系，接種到農藥污染土壤中，或利用活性的農業有機廢棄物堆肥來改良已經被污染的土壤是一個好辦法，因爲活性堆肥內含有複合的微生物體系，在污染的土壤環境中更容易成爲優勢菌羣。這就涉及到複合系的構建，微生物複合系的構建需要傳統的和現代的方法相結合。從已有的堆肥體系中和已經污染了的土壤環境中分別富集培養微生物，得到土著微生物的複合系和堆肥菌複合系，然後進行復合微生物體系內部各個組分的特性、功能和多樣性研究。菌株的抗藥性鑑定，再把各個有功能的組分重新複合，組成一個新的複合體系，這一複合系不僅具有強有力的功能，又更能適應土著環境。直接應用複合系治理土壤污染，或者利用複合系生產農業有機廢棄物堆肥來改良土壤。

　　4 結語

很多研究已經證明，在農藥污染的一些環境中誘導出天然的降解農藥的微生物，那麼是否可以採取一些條件控制措施，充分調動這些土著微生物的作用，儘量採用原位生物修復，而不用人爲地接種微生物，這值得進一步探討和研究。