有机氯农药微生物降解技术研究进展 (完整版)

海南大学本科生课程论文题目：有机氯农药微生物降解技术研究进展作者：张晓琳所在学院：环境与植物保护学院专业年级：07环境科学学号：B0713059指导教师：苏增建职称：讲师2010年1月有机氯农药微生物降解技术研究进展张晓琳（海南大学儋州校区环境与植物保护学院 07环境科学2班海南儋州 571737）摘要：有机氯农药的大量使用已造成严重的全球性环境污染和生态危机,目前微生物降解有机氯农药技术引起人们的广泛关注。

综述了有机氯农药在环境中的危害，微生物对有机氯农药降解的方式和途径,指出了有机氯农药微生物降解技术存在的问题及今后的研究方向。

关键词：有机氯农药微生物降解存在问题展望1.有机氯农药简介有机氯农药属于持久性有机污染物( Persistent Organic Pollutants, POPs) ,在2001年签署的《斯德哥尔摩宣言》中，首批控制的12种持久性有机污染物种有9种是有机氯农药。

氯代有机化合物是一类污染面广、毒性较大、不易降解的化合物, 在美国EPA所列129种优先污染物中占25种之多[1]。

有机氯农药主要包括六六六(六氯环己烷) 、滴滴涕、氯丹、六氯代苯、狄氏剂、异狄氏剂、毒杀芬、艾氏剂、七氯、环氧七氯、α - 硫丹、β - 硫丹等. 而六六六和滴滴涕则是有机氯农药的典型代表,二者使用早,使用时间长,用量大,土壤环境中的残留量高,容易通过生物富集作用对环境和人类造成危害.有机氯农药具有致癌、致畸、致突变作用,易导致生物体内分泌紊乱、生殖及免疫功能失调、发育紊乱等严重疾病[2]。

2.有机氯农药在环境中的危害有机氯农药是高残留农药，虽经长时间的降解，环境中有机氯农药的残留仍十分可观，并且通过食物链的富集会对人体健康产生威胁。

2.1 有机氯农药对大气环境的危害大气中有机氯农药的主要来自于：有机氯农药施用过程中的挥发飘移、施用后的植物和土壤表面残留农药的挥发、河流等水体中有机氯农药的挥发以及有机氯农药在生产、加工过程中的损失。

Jeremiason等对苏必利尔湖水中的PCB含S量递减的现象进行了研究，认为造成这一结果的主要原因是挥发过程的存在[3]。

吴水平等对北京和天津两个样点夏季大气中不同粒径颗粒物上有机氯农药残留量进行分析，结果表明在所有样品中均检测出δ-HCH , DDD和DDT[4]。

成玉等对粤港地区气溶胶和餐厅烟尘中的有机氯农药残留进行了检测，结果有12种有机氯农药被检测出[5]。

刘国卿等对珠江三角洲大气中所采集样品进行检测均出了有机氯农药[6]。

2.2有机氯农药对水环境的危害残留在环境中的有机氯农药可通过大气、植物残体、土壤淋溶等方式进入水体并最终吸入到沉积物中，然后进行缓慢的生物降解、挥发和谁解等过程。

沉积物作为有机氯农药污染的一个贮存库，有机氯农药可再释放造成水体的污染，成为二次污染源，从而进一步对水环境和水生生态系统造成严重影响，最终影响处于食物链最高端的人类[7]。

现有资料表明，我国33个水体的PCB S检测数据中有19个已经超过《地面水环境质量标准》（GB3838-2002）限值，有些水体超标倍数极高，说明我国水体已经受到PCB S的严重污染，因此应当引起足够的重视[8]。

杨嘉谟等对长江武汉段水体悬浮物中有机氯农药的残留进行调查分析发现，在水体悬浮物中均含有六氯苯(HCB) 、六六六(HCHs) 和滴滴涕(DDTs) 类有机氯农药[9]。

胡雄星等利用GC-ECD 对上海市境内苏州河表层水体和沉积物中的20种有机氯农药进行了测定，结果表明有机氯农药在沉积物中的含量明显高于在表层水体中的残留量[10]，干爱华等通过调查海河干流表层沉积物发现所测样品中HCHs、DDTs的含量比国内外部分河流表层沉积物中HCHs、DDTs 的含量要高[11]。

2.3 有机氯农药对土壤环境的危害有机氯农药能够从水体或土壤中挥发进入大气环境或通过大气颗粒物的吸附作用，在大气环境中远距离迁移，还可以重新沉降到地面上，多次反复，造成全球范围内的污染。

［12］有机氯农药在土壤中的残留是导致农药对环境造成污染的根源。

当土壤中农药残留积累到一定程度时，便会对土壤生物造成不同程度的毒害。

土壤中的残留农药还可通过挥发、扩散、质流产生转移，污染大气、地表水体和地下水，并可通过生物富集和食物链使农药的残留浓度在生物体内富集，最终危及人体健康。

2.4 有机氯农药对环境生物的影响和污染以防止有害生物为目的而使用的农药，会对属于施药环境中的多种生物给予各种各样的影响。

使得有害生物对农药的抗性增加，而其他一些对农药敏感的环境生物锐减[13]。

3. 微生物对农药降解的代谢方式和途径众所周知，微生物转化降解有机氯农药是自然环境中有机污染物转化的重要途径之一![14]3.1 微生物代谢农药的方式微生物的农药降解作用分为酶促降解作用和非酶促降解作用[15]，见表1[16]，其中酶解方式是微生物降解的主要形式[17]。

表1 微生物代谢农药的方式A.酶促方式1.不以农药为能源的代谢（a）通过广谱的酶（水解酶、氧化酶等）进行作用（i）农药作为底物（ii）农药作为电子受体或供体（b）共代谢2.分解代谢：以农药味能源的代谢，多发生在农药浓度较高且农药的化学结构适合于微生物降解及作为微生物碳源被利用时3.解毒代谢：是微生物抵御外界不良环境的一种抗性机制B.非酶方式1.以两种方式促进光化学反应的进行（i）微生物的代谢物作为光敏物吸收光能并传递给农药分子（ii）微生物的代谢物作为电子受体或供体2.通过改变PH发生作用3.通过产生辅酶因子促进其他反应进行酶促反应是微生物直接作用于农药, 通过酶促反应降解农药, 常说的农药微生物降解多属于此类，微生物通过酶促反应降解农药的方式主要有氧化、脱氢、还原、水解、合成等几种反应类型。

而非酶促反应是通过微生物的活动改变了化学和物理的环境而间接作用于农药。

常见的作用方式有矿化作用、共代谢作用、生物浓缩或累积作用和微生物对农药的间接作用[18]。

研究表明, 微生物降解农药一般有两种方式一种是以农药作为唯一碳源和能源, 对于含氮或磷的农药, 有的微生物也能以农药为唯一氮源或磷源进行代谢.另一种是将农药与其他有机质进行共代谢[19]。

利用微生物修复环境农药污染的主要原理是微生物利用有机农药作为碳源、氮源，将复杂的农药化合物分解成简单化合物，或者彻底分解为CO2、H2O、NH3，从而降低农药在环境中的残留量及毒性[20]。

林淦等以氯氰菊酯为目标污染物,通过富集培养好氧处理池的污泥,获得了对该污染物降解效果较好的混合培养微生物,用该微生物作为降解菌源,对氯氰菊酯的生物降解特性进行了实验研究。

实验结果表明，混合培养物能利用氯氰菊酯作为生长的唯一碳源、氮源和能源,适量的外加碳源可以提高氯氰菊酯的降解速率[21]。

3.2 有机氯农药微生物降解途径3.2.1 有机氯农药脱氯自然界中直接以含氯农药为能源和碳源的微生物很少但是含氯农药脱氯以后的代谢产物则可悲许多微生物利用而降解。

因此，有机氯农药微生物降解的关键是脱氯，即是碳氯键（C-Cl）断裂[22]。

例如，六六六最初经脱氯代氢形成五氯环己烯,然后可以形成酚类或继续脱氯而进一步降解：DDT在上壤中的生物降解主要按还原、氧化和脱氯化氢等机理进行, 其最初的主要反应是还原脱氯成DDD 或脱氯代氢成DDE, 另外也可由氧化酶作用羟基化形成三氯杀蜡醇, DDT在厌氧条件下降解较快[23]。

脱氯过程可分为氧化脱氯过程和还原脱氯过程。

氧化脱氯是指芳香环被氧化并脱去氯取代基的过程，还原脱氯是指通过微生物在厌氧或缺氧条件下由氢取代氯, 逐一脱氯形成低氯代中间产物或被矿化生成CO2 和CH4 的过程。

研究表明，微生物对PCBs 的脱氯作用在厌氧还原减少了氯取代的数量和位点,将降低了PCBs 的毒性而使之更易被好氧微生物降解。

PCBs 的厌氧降解速率与氯化程度成正比,氯的取代数量和取代位点决定了PCBs 的降解速率[24]。

在不同来源的厌氧污泥中PCBs 的脱氯程度不同, 产甲烷条件> 硫酸盐还原条件> 反硝化条件，在脱氯过程中加入醋酸盐、乳酸盐、丙酮酸盐和氯化铁可缩短延迟期,提高脱氯效率[25]。

3.2.2 有机氯农药酶降解微生物降解菌之所以能降解农药是因为微生物体内产生的具有强催化作用的生物催化剂———酶作用的结果[26]。

当微生物对农药的降解作用是由其胞内酶引起时, 首先将农药吸附于微生物细胞表面,农药穿透细胞膜进人膜内,在细胞膜内通过与降解酶结合发生酶促反应，从而使农药被降解[27]。

南京农业大学刘智等通过鸟枪法克隆到一个甲基对硫磷水解酶基因, 并将其转化至大肠杆菌中, 还构建了能降解有机氯农药的降解菌株,在实验室条件下降解性能显著, 酶活性提高6 倍[28]。

闫艳春等克隆抗性库蚊酯酶基因并在大肠杆菌中高效表达,用海藻酸钠包埋固定此工程菌,并处理有机氯农药三氯杀虫酯和菊酯类农药溴氰菊酯,结果表明,固定化工程菌能高效降解这2种农药[29]。

3.2.3有机氯农药降解菌某种农药往往会同时有多种降解菌, 同一降解菌也会对多种农药具降解效应, 例如，六六六能被芽抱菌属无色杆菌属和假单抱菌属等菌属菌株降解, 而某一无色杆菌属菌株又同时能降解六六六和DDT。

以有机氯农药(六六六、DDT)作为唯一碳源的Tonomura培养基分离筛选后,得到降解六六六(BHC)的主要菌株153号(芽孢菌属Bacillus)、411号(无色杆菌属Achromobacter)和512号(假单孢菌属Pseudomonas),降解DDT的主要菌株有:288号(产碱杆菌属 A lcaligenes)、410号和411号(均为无色杆菌属)[30]。

庞金钊等从西洋参种植基地的土壤中分离得到一株可以降解有机氯农药的细菌[31]。

Anthony G.Hay等研究表明:联苯诱导P. acidovorans M3GY对DDE的共代谢,代谢机制主要是双加氧作用和苯环间位裂解,产生二氧化碳[32]。

南京农业大学张明星等研究分离出了多株有机氯农药降解菌,并对部分降解菌的脱氯基因进行了克隆、表达. 在对菌剂的降解特性作了进一步研究的基础上,开展田间中试实验,取得良好的效果[33-34]。

Chen在双向厌氧/好氧联合反应器中, 利用稳定的厌氧型颗粒污泥和分离出来的好氧型细菌对2, 4, 6- 三氯苯酚(TCP)生物降解的过程进行了研究[35]。

3.2.4 共代谢降解有机氯农药一些难降解的有机化合物不能直接作为碳源或能源物质被微生物利用，而当环境中存在其它可利用的碳源或能源时，难降解有机化合物才能被利用，这样的代谢过程称为共代谢作用[36]。

Puhakka 等利用共代谢原理, 在厌氧反应器中添加初级基质来处理含氯酚的废水[37]。