田　云，姚財(cái)梁，肖慰祖，譚習(xí)羽，盧向陽(yáng)

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省農(nóng)業(yè)生物工程研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

有機(jī)氯農(nóng)藥(organochlorine pesticides，OCPS)是20世紀(jì)80年代以前全球廣泛使用的殺蟲(chóng)劑，但由于具有生物積蓄性、持久性、高毒性等特征，目前許多國(guó)家已經(jīng)禁止使用[1-2]。但是近年來(lái)在水體、土壤、動(dòng)植物體內(nèi)能檢測(cè)出有機(jī)氯農(nóng)藥殘留，甚至有研究表明在北極也存在有機(jī)氯農(nóng)藥，更嚴(yán)重的是在人體血清中也檢測(cè)到有機(jī)氯農(nóng)藥殘留[3-7]。

隨著有機(jī)氯農(nóng)藥對(duì)人類(lèi)健康和環(huán)境危害的顯現(xiàn)，如何安全、快捷地去除有機(jī)氯農(nóng)藥污染成為了國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。微生物因具有快速、有效、無(wú)污染地降解有機(jī)氯農(nóng)藥的特性，受到國(guó)內(nèi)外研究者的高度重視。目前，有關(guān)有機(jī)氯農(nóng)藥的降解菌株的培育技術(shù)和相關(guān)降解理論的研究相對(duì)成熟，作者綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

1　有機(jī)氯農(nóng)藥的簡(jiǎn)單介紹

1.1　有機(jī)氯農(nóng)藥的主要種類(lèi)

有機(jī)氯農(nóng)藥的種類(lèi)繁多，其中使用最早、運(yùn)用最廣、最具代表性的是DDT、六六六(hexachlorocyclohexane,HCH)；此外，還有作為殺蟲(chóng)劑的氯丹、硫丹、艾氏劑、毒殺芬等；作為殺菌劑的五氯硝基苯、百菌清、道豐寧等；以及作為殺螨劑的三氯殺螨砜、三氯殺螨醇等。

1.2　有機(jī)氯農(nóng)藥在多介質(zhì)中的遷移

有機(jī)氯農(nóng)藥不易降解、具有較強(qiáng)的親脂性，容易在脂肪組織中聚集，并沿著食物鏈濃度逐級(jí)增大，經(jīng)過(guò)多介質(zhì)遷移最終被人體吸收，在肝、腎、心臟等器官中積蓄，對(duì)人體健康造成危害[8]。其主要遷移過(guò)程如圖1所示。

圖1　有機(jī)氯農(nóng)藥的主要遷移過(guò)程

2　有機(jī)氯農(nóng)藥的微生物降解

2.1　有機(jī)氯農(nóng)藥降解菌

鑒于HCH和DDT具有高殘留、高毒性和持久性等特點(diǎn)，被作為典型物質(zhì)進(jìn)行研究和分析。Nagata等[9]研究了將HCHs作為唯一碳源的SphingobiumjaponicumUT26菌株，發(fā)現(xiàn)了UT26的完整基因組序列，其中參與降解γ-HCH的基因主要分散在2個(gè)染色體和3個(gè)質(zhì)粒上。陳婷[10]篩選獲得HCHs降解菌SphingobiumindicumB90A，研究表明該菌對(duì)α-HCH和β-HCH的利用較好，其次是γ-HCH和δ-HCH。de Paolis等[11]研究發(fā)現(xiàn)，Arthrobactersp.能夠降解HCHs，72 h后對(duì)α-HCH、β-HCH和γ-HCH的降解效率分別達(dá)到88%、60%和56%。高晶晶[12]以巢湖周邊受DDT污染嚴(yán)重的土壤為材料，篩選獲得DTT降解菌Alcaligenessp.DX8，研究發(fā)現(xiàn)該菌培養(yǎng)3 d后，對(duì)DDT的降解效率達(dá)到54.83%。茅燕勇等[13]篩選獲得一株高效DDT降解菌Bacilluscereus2D-1，研究表明該菌在33 ℃、pH值6.5的最適條件下反應(yīng)8 d后，對(duì)DDT的降解效率達(dá)到95.64%。

此外，硫丹也由于劇毒性而被廣泛研究。Kong等[14]從硫丹污染嚴(yán)重的污泥中篩選出AlcaligenesfaecalisJBW4，研究發(fā)現(xiàn)該菌株培養(yǎng)5 d后，對(duì)α-硫丹和β-硫丹的降解效率分別達(dá)到83.9%和87.5%。Kalyani等[15]利用硫丹為唯一碳源，篩選獲得降解菌PseudomonasaeruginosaSKL-1，研究表明該菌培養(yǎng)20 d內(nèi)對(duì)α-硫丹和β-丹硫丹降解率分別達(dá)50.25%和69.77%。Singh等[16]將硫丹作為唯一硫源，分離獲得降解菌株AchromobacterxylosoxidansC8B，研究發(fā)現(xiàn)該菌培養(yǎng)8 d后對(duì)α-對(duì)硫丹和β-丹硫丹的降解效率分別達(dá)到94.12%和84.52%。

研究人員還研究了其它有機(jī)氯農(nóng)藥高效降解菌。Sakakibara等[17]利用富集培養(yǎng)法分離獲得狄氏劑降解菌Pseudonocardiasp. KSF27，研究發(fā)現(xiàn)該菌培養(yǎng)10 d后對(duì)狄氏劑的降解效率達(dá)到71.5%，并且該菌還能降解α-解硫丹、β-丹硫丹、硫丹硫酸鹽、七氯、七氯環(huán)氧化物和十氯酮。肖鵬飛等[18]篩選獲得七氯降解菌PhlebiaacanthocystisTMIC34875，研究表明該菌在35 ℃、pH值5.0的最適條件下反應(yīng)1 h后對(duì)七氯的降解效率達(dá)到65%。杜芳芳[19]以七氯污染嚴(yán)重的土壤為材料，篩選獲得4株高效降解菌株，其中H-3的降解效率最佳，在30 ℃、pH值8.0的最適條件下反應(yīng)14 d后對(duì)七氯的降解效率達(dá)到80.01%。李成龍[20]以百菌清為唯一碳源篩選獲得降解菌Pseudomonassp.B-7，研究表明該菌在30 ℃、pH值7.0的最適條件下反應(yīng)14 d后對(duì)百菌清的降解效率達(dá)到85%。王光利等[21]從百菌清污染嚴(yán)重的土壤中篩選獲得降解菌Pseudomonassp.CTN-3，研究表明該菌反應(yīng)10 d后對(duì)百菌清的降解效率達(dá)到54%。部分降解有機(jī)氯農(nóng)藥的細(xì)菌見(jiàn)表1，部分降解有機(jī)氯農(nóng)藥的真菌見(jiàn)表2。

表1　部分降解有機(jī)氯農(nóng)藥的細(xì)菌

表2　部分降解有機(jī)氯農(nóng)藥的真菌[26]

2.2　微生物降解有機(jī)氯農(nóng)藥的主要機(jī)理

通過(guò)對(duì)SphingomonaspaucimobilisUT26和SphingomonaspaucimobilisB90等菌株降解有機(jī)氯農(nóng)藥過(guò)程的研究表明，有機(jī)氯農(nóng)藥的降解需要多種由相應(yīng)基因編碼的降解酶的共同參與，降解酶通過(guò)共同代謝、中間協(xié)同代謝完成對(duì)有機(jī)氯農(nóng)藥的降解。微生物中有機(jī)氯農(nóng)藥的降解酶主要包括如下幾種：

2.2.1脫氯化氫酶

脫氯化氫酶是一種能從底物分子上脫去氯化氫形成碳碳雙鍵的酶[27]。目前，報(bào)道最多的是從降解菌P.paucimobilisUT26中獲得無(wú)需輔助因子的HCH脫氯化氫酶，該酶由linA基因編碼[28]。Kumari等[29]從SphingomonaspaucimobilisB90中發(fā)現(xiàn)了linA的兩個(gè)不同副本，分別是linA1和linA2。研究表明linA負(fù)責(zé)限速步驟，linA催化γ-HCH經(jīng)過(guò)五氯苯，最終脫去3分子氯化氫，生成1,2,4-三氯苯[30]。還有在降解過(guò)程中需要輔助因子的脫氯化氫酶，如：從P.putida中鑒定到的三氯-D-丙氨酸-脫氯化氫酶[31]。

2.2.2水解酶

LinB是一種擁有廣泛底物特異性的α/β-水解酶家族中的氯代烷烴脫氯酶，其與分離于XanthobacterautotrophicusGJ10的鹵代烷烴脫鹵酶DhlA、Moraxellasp.B的鹵代乙酸脫鹵酶DehH1和Pseudomonassp.CF600的2-羥基黏糠酸半醛水解酶DmpD具有高度的相似性[32-33]。研究認(rèn)為L(zhǎng)inB與底物結(jié)合，然后催化C-Cl鍵斷裂，同時(shí)生成烷基-酶中間產(chǎn)物被水解。目前，Wu等[34]以Sphingomonassp.BHC-A為材料，克隆一個(gè)基因負(fù)責(zé)的β-HCH降解，轉(zhuǎn)座子突變引入菌株BHC-A，序列研究表明該突變?cè)谝粋€(gè)鹵代烷烴脫鹵酶基因LinB2上。BLAST比對(duì)結(jié)果顯示其與LinB具有97%的同源性，LinB與LinB2都能將γ-HCH轉(zhuǎn)化為2,3,4,5,6-五氯環(huán)己醇，不同的是，LinB2還可將2,3,4,5,6-五氯環(huán)己醇轉(zhuǎn)化為γ-氯環(huán)己醇，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為四氯-1,4-環(huán)己二醇。

2.2.3脫氫酶

Nagata等[35]研究推斷HCH降解過(guò)程中產(chǎn)生的酶LinC的氨基酸序列和LinX的短鏈乙醇脫氫酶家族有很高的相似性，因此認(rèn)為L(zhǎng)inC的酪氨酸和賴氨酸也高度保守，是一種NAD+依賴的脫氫酶，其將2,5-二氯環(huán)己二烯二醇轉(zhuǎn)化為2,5-二氯氫醌[36]。Manickam等[37]編碼LinB和LinC，通過(guò)研究DNA片段對(duì)應(yīng)于兩個(gè)初始基因在γ段的對(duì)應(yīng)降解途徑，證實(shí)了它們?cè)趇trc1基因組DNA進(jìn)行Southern雜交的存在。

3　展望

隨著人們環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，成本低、無(wú)污染、效率高的微生物有機(jī)氯農(nóng)藥降解菌的發(fā)展前景廣闊。盡管?chē)?guó)內(nèi)外眾多研究者已篩選獲得種類(lèi)繁多的有機(jī)氯農(nóng)藥降解菌，但大多數(shù)降解菌仍存在受外部環(huán)境條件限制等問(wèn)題。因此，有機(jī)氯農(nóng)藥降解菌的研究今后主要集中在以下幾個(gè)方面：

(1)由于大部分受污染的土壤不是單純的有機(jī)氯農(nóng)藥污染，而是包含其它多種污染在內(nèi)的復(fù)合型污染。因此，在獲得有機(jī)氯農(nóng)藥降解菌的基礎(chǔ)上，發(fā)展復(fù)合型降解菌株或復(fù)合系，從而徹底、有效地改善土壤環(huán)境。

(2)進(jìn)一步闡明微生物中有機(jī)氯農(nóng)藥的降解途徑及機(jī)理，通過(guò)微生物基因組工程、代謝工程等技術(shù)構(gòu)建適合于規(guī)?；到庥袡C(jī)氯農(nóng)藥應(yīng)用的工程菌。

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