崔燕玲　劉丹丹　劉長風(fēng)等

摘要總結(jié)了土壤農(nóng)藥污染的現(xiàn)狀和危害、農(nóng)藥污染微生物修復(fù)的研究歷程、農(nóng)藥污染微生物修復(fù)資源、農(nóng)藥污染微生物修復(fù)影響因素，展望了農(nóng)藥污染微生物修復(fù)前景，并分析了有待進(jìn)一步研究的領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞生物修復(fù)；農(nóng)藥污染；土壤；微生物

中圖分類號(hào)S154文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）16-075-02

Research Progress on Microbial Remediation of Pesticide Pollution

CUI Yanling， LIU Dandan*， LIU Changfeng et al

（School of Environmental and Safety Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang， Liaoning 110142）

Abstract The present situation and harm of pesticide contaminated soil， the past and presence of the researches on microbial remediation， pesticide pollution bioremediation resources， factors affecting the bioremediation of pesticide pollution were summarized， the prospects for bioremediation research were discussed and fields for further study were analyzed.

Key words Bioremediation； Pesticide pollution； Soil； Microorganisms

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，化學(xué)農(nóng)藥使用量大，國家質(zhì)檢總局公布的數(shù)據(jù)顯示，我國農(nóng)藥年產(chǎn)量（按有效成分100%計(jì)）近50萬t，加工制劑超過100萬t，僅次于美國，居世界第2位。由于我國農(nóng)藥使用技術(shù)落后、施用者科技水平不高，造成農(nóng)藥長期不合理地使用和濫用[1]，使我國土地受到大面積污染，在主要流域（包括長江、黃河、松花江、遼河、海河、珠江）的底泥中農(nóng)藥污染情況十分嚴(yán)重[2]。很多省份的農(nóng)田土壤中檢出大量的農(nóng)藥殘留。例如，湖南省160個(gè)土壤樣品中，滴滴涕和六六六檢出率均為100%[3]；遼北農(nóng)田土壤中檢出8 種有機(jī)氯農(nóng)藥，其中六氯苯檢出率為100%，狄氏劑檢出率為40.7%[4]；佳木斯松花江沿岸土壤中檢出17種有機(jī)氯農(nóng)藥[5]。

大量研究表明，農(nóng)藥污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅到食品安全和人畜健康。2012年浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所和農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥殘留檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位對浙江省蔬菜生產(chǎn)中主要使用的78種農(nóng)藥（主要為低毒農(nóng)藥）進(jìn)行殘留檢測，發(fā)現(xiàn)大量農(nóng)藥殘留，主要的殘留農(nóng)藥就有28種[6]。而環(huán)境中擬除蟲菊酯類殺蟲劑的殘留會(huì)導(dǎo)致哺乳動(dòng)物免疫系統(tǒng)、荷爾蒙、生殖系統(tǒng)疾病，甚至誘發(fā)癌癥[7]，有機(jī)氯農(nóng)藥暴露可能與乳腺癌、阿爾茨海默病、帕金森氏病的發(fā)生有關(guān)[8-9]。在棉花上應(yīng)用的殺雄劑甲基砷酸鋅、甲基砷酸鈉為砷類化合物，對人體危害也很大[10]。因此，人們迫切需要尋求治理土壤農(nóng)藥污染的有效途徑，而一直被認(rèn)為最安全、有效、經(jīng)濟(jì)、無二次污染的生物修復(fù)技術(shù)無疑是最佳選擇。筆者介紹了近年來土壤農(nóng)藥污染的微生物修復(fù)研究概況，旨在為微生物修復(fù)技術(shù)在農(nóng)藥環(huán)境污染治理中的應(yīng)用提供參考。

1 微生物修復(fù)技術(shù)的研究歷程

微生物修復(fù)技術(shù)屬于生物修復(fù)的范疇，該技術(shù)的最大特點(diǎn)是可以對大面積的環(huán)境污染進(jìn)行治理。生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展最早可追溯到20世紀(jì)50年代，Alexander與他的學(xué)生開展了農(nóng)藥在土壤中可降解性的研究，為生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[11]。至20世紀(jì)70年代，隨著環(huán)境技術(shù)和微生物學(xué)的快速發(fā)展，生物修復(fù)技術(shù)也有了長足的發(fā)展。微生物以其種類繁多、分布范圍廣泛、代謝方式豐富多樣、代謝速率快等特點(diǎn)，在污染物的修復(fù)中發(fā)揮了不可替代的作用，但該時(shí)期的研究還主要集中在污染物的可降解性和降解程度等基礎(chǔ)方面。20世紀(jì)80年代以后才有學(xué)者利用分子生物學(xué)技術(shù)探索污染修復(fù)機(jī)理并開始構(gòu)建多功能微生物菌株。目前，人們對Pseudomonas sp. ADP 菌株的阿特拉津降解基因atzA、B、C、D及其對應(yīng)的酶已有較多的了解[12]，近年來又發(fā)現(xiàn)trzN基因也在阿特拉津的降解過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，且推測阿特拉津降解基因的進(jìn)化機(jī)制可能與基因的水平轉(zhuǎn)移有關(guān)[13]。在1989年以前，生物修復(fù)的應(yīng)用范圍僅限于試驗(yàn)階段，直到美國阿拉斯加海域受到大面積石油污染后，生物修復(fù)技術(shù)才真正得到大規(guī)模應(yīng)用。1991年3月，第一屆原位生物修復(fù)的國際會(huì)議在美國圣地亞哥召開，出版了《In situ bioremediation》和《Onsite bioreclamation》2本論文集，標(biāo)志著以生物修復(fù)為核心的環(huán)境生物技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展時(shí)期[14]。

2 農(nóng)藥修復(fù)微生物資源

微生物修復(fù)技術(shù)中應(yīng)用的微生物包括兩大類：土著微生物和外源微生物。利用土著微生物進(jìn)行污染修復(fù)時(shí)，主要依靠改善外界環(huán)境條件（如添加營養(yǎng)元素、改變環(huán)境介質(zhì)理化性質(zhì)等）來刺激土著微生物，從而達(dá)到修復(fù)效果。如甲基桿菌（Methylobacterium sp.）能夠利用乙酰甲胺磷為唯一碳源生長，添加甲醇為補(bǔ)充碳源后，大大促進(jìn)了其對乙酰甲胺磷的降解[15]。利用節(jié)桿菌（Arthrobacter sp.）降解阿特拉津時(shí)添加淀粉，不僅能促進(jìn)菌株自身生長，又能促進(jìn)對阿特拉津的降解[16]。利用外源微生物進(jìn)行污染修復(fù)，則是通過接種外源具有強(qiáng)降解性能的微生物達(dá)到修復(fù)環(huán)境污染的效果。例如，用六六六和滴滴涕降解菌（包括無色桿菌屬的3株，芽孢菌屬、假單胞菌屬、產(chǎn)堿菌屬各1株）所制成的復(fù)合菌劑降解茶園土壤中有機(jī)氯農(nóng)藥，效果顯著[17]。從農(nóng)藥廠土壤中分離篩選得到1株絲狀真菌——霉菌7能在含有燃料培養(yǎng)基中生長并吸附降解燃料，降解速度快，脫色效果較好[18]。從石油污染土壤中分離出的鞘脂菌屬（Sphingobium sp.）可用于對環(huán)境中甲氰菊酯的修復(fù)，在其基礎(chǔ)上構(gòu)建的新型工程菌株Sphingobium sp. BA3pytH對甲氰菊酯的修復(fù)效果更是大大增強(qiáng)[19]。

微生物修復(fù)技術(shù)發(fā)展至今，已有大量高效微生物修復(fù)資源被發(fā)現(xiàn)和利用，包括細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類等各微生物類群，其中細(xì)菌類群以其生化上超強(qiáng)的適用能力和較高的突變率等特性，在農(nóng)藥修復(fù)微生物類群中占據(jù)主要地位，而假單胞菌屬更是細(xì)菌類群中最活躍的菌株。趙萍等分離獲得惡臭假單胞菌（P. putida）和腸桿菌（Enterobacter ludwigii）均具有高效修復(fù)有機(jī)磷農(nóng)藥污染的效果[20]。王培蘭從福建長期受污染的茶園中分離得到的銅綠假單胞菌（P. aeruginos）能夠修復(fù)氯氟氰菊酯污染[21]。解林奇等從土壤中篩選得到9個(gè)多菌靈降解菌系，并從中篩選出5株降解菌[4株為紅球菌屬（Rhodococcus sp.），1株為寡養(yǎng)單胞菌屬（Stenotrophomonas sp.）]，72 h對土壤中5 mg/kg多菌靈的降解率達(dá)到90%以上[22]。朱喜凱等也從土壤中分離出114株具有農(nóng)藥修復(fù)性能的細(xì)菌[23]。崔中利等總結(jié)了近10年分離獲得的60株農(nóng)藥降解微生物，其中有機(jī)磷殺蟲劑、菊酯類殺蟲劑、磺酰胺類除草劑、對硝基苯酚降解菌資源相對豐富，Pseudomonas sp.菌株數(shù)量最多，Sphingomonas sp.和Paracoccus sp.的種類也較為豐富[24]。

3 農(nóng)藥污染微生物修復(fù)的影響因素

微生物對農(nóng)藥污染的修復(fù)效果，一方面取決于微生物本身的特性和能力，如微生物的種類、生長速率、環(huán)境適應(yīng)性、對污染物的利用能力等。第二方面則取決于農(nóng)藥本身的結(jié)構(gòu)和特性，如農(nóng)藥的化學(xué)結(jié)構(gòu)、在環(huán)境介質(zhì)中的濃度、溶解性、生物可利用性、吸附性等。正是由于農(nóng)藥的種類繁多，結(jié)構(gòu)和特性各不相同，所以微生物對農(nóng)藥的降解通常也具有特異性。一般情況下，農(nóng)藥的結(jié)構(gòu)越簡單、分子量越小，越易降解；聚合物和復(fù)合物較難降解；取代基多時(shí)較難降解；增加農(nóng)藥的溶解特性和生物可利用性，也能夠提高修復(fù)效果[25]。菊酯農(nóng)藥降解菌Sphingobium sp.對不同結(jié)構(gòu)菊酯類農(nóng)藥的降解速率差異很大，大小為：氯菊酯>甲氰菊酯≈氯氰菊酯>功夫菊酯>氰戊菊酯>溴氰菊酯>聯(lián)苯菊酯。試驗(yàn)結(jié)果表明，Sphingobium sp. JZ1對氯氰菊酯降解的初始反應(yīng)是在菊酯水解酶的催化下羧酸酯鍵斷裂生成二氯菊酸和3苯氧基苯甲醛，3苯氧基苯甲醛進(jìn)一步氧化成苯氧基苯甲酸，且Sphingobium sp. JZ1細(xì)胞中菊酯水解酶活性不需要菊酯的誘導(dǎo)[26]。在美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的數(shù)據(jù)庫Biocatalysis / Biodegradation Database （UMBBD，http：//umbbd.msi.umn.edu/）中已詳細(xì)闡明了許多農(nóng)藥的生物降解途徑，包括有機(jī)磷和有機(jī)氯殺蟲劑（對硫磷、對硝基苯酚、六六六、滴滴涕）、除草劑（2，4D、阿特拉津、草甘膦）等[27]。第三方面，微生物對農(nóng)藥污染的修復(fù)效果還與外界環(huán)境有關(guān)，如溫度、濕度、營養(yǎng)可利用程度、酸堿度、氧化還原電位、修復(fù)菌株與環(huán)境中其他微生物的相互作用等。例如，Sphingobium屬細(xì)菌（YBL1、YBL2和YBL3）對異丙隆的降解效果與外界環(huán)境條件有關(guān)，所有菌株在pH 6.7的馬肝土中均能夠高效降解異丙隆，在pH 4.5的紅壤中均不能降解異丙隆，YBL3在pH 8.2的潮土中也能夠降解異丙隆；當(dāng)含水量低于40%時(shí)，細(xì)菌降解馬肝土中異丙隆的速率與土壤含水量呈正相關(guān)；在16～37 ℃范圍內(nèi)，馬肝土中異丙隆的降解速率與溫度呈正相關(guān)[28]。

4 農(nóng)藥污染微生物修復(fù)前景與展望

隨著人們對環(huán)境問題的關(guān)注和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的推進(jìn)，農(nóng)藥微生物修復(fù)技術(shù)將在農(nóng)藥環(huán)境污染治理中發(fā)揮更大的作用，但在修復(fù)過程中也存在以下問題：微生物修復(fù)研究在實(shí)驗(yàn)室中取得很多理想效果，但將結(jié)果應(yīng)用于土壤污染現(xiàn)場時(shí)往往達(dá)不到預(yù)期效果，甚至與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果相悖[29]；在試驗(yàn)過程中，微生物受外界影響大；還有很多情況下污染物并不能完全降解，可能會(huì)產(chǎn)生中間產(chǎn)物，有時(shí)中間產(chǎn)物的毒性大于母體化合物的毒性。在今后的研究中，土壤農(nóng)藥污染的微生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究：

①對污染修復(fù)微生物資源的篩選、收集、保護(hù)。②微生物對農(nóng)藥降解途徑及代謝機(jī)理研究。加強(qiáng)對高殘留、危害大、復(fù)雜結(jié)構(gòu)農(nóng)藥（如雜環(huán)）及新農(nóng)藥降解途徑的研究；加強(qiáng)對農(nóng)藥污染修復(fù)過程中涉及的共代謝機(jī)理的研究。③在降解基因篩選和遺傳工程的基礎(chǔ)上，加速構(gòu)建高效修復(fù)菌株。④建立科學(xué)合理的生物修復(fù)評價(jià)指標(biāo)體系。⑤加速將理論研究應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際的成果轉(zhuǎn)化。⑥環(huán)境微生物在生態(tài)環(huán)境中的相互作用及與其他環(huán)境生物的聯(lián)合修復(fù)研究。⑦微生物修復(fù)技術(shù)與其他環(huán)境污染治理技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用。⑧生物修復(fù)微生物的分子生物學(xué)和分子生態(tài)方面的相關(guān)研究。

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