崔燕玲，劉丹丹*，劉長風(fēng)，劉大偉

(1.沈陽化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧沈陽110142;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030)

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)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)藥殘留檢測重點實驗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導(dǎo)致哺乳動物免疫系統(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、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，在污染物的修復(fù)中發(fā)揮了不可替代的作用，但該時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)的國際會議在美國圣地亞哥召開，出版了《In situ bioremediation》和《On-site 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)入了一個全新的發(fā)展時期［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，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.BA3-pytH對甲氰菊酯的修復(fù)效果更是大大增強［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。試驗結(jié)果表明，Sphingobium sp.JZ-1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.JZ-1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(UM-BBD，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，包括有機磷和有機氯殺蟲劑(對硫磷、對硝基苯酚、六六六、滴滴涕)、除草劑(2，4-D、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，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)研究在實驗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)場時往往達(dá)不到預(yù)期效果，甚至與實驗室結(jié)果相悖［29］;在試驗過程中，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，可能會產(chǎn)生中間產(chǎn)物，有時中間產(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)從以下幾個方面加強研究:①對污染修復(fù)微生物資源的篩選、收集、保護。②微生物對農(nóng)藥降解途徑及代謝機理研究。加強對高殘留、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;加強對農(nóng)藥污染修復(fù)過程中涉及的共代謝機理的研究。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)評價指標(biāo)體系。⑤加速將理論研究應(yīng)用到生產(chǎn)實際的成果轉(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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