微生物降解有机磷农药残留机理及菌种筛选研究进展

高效、高毒有机磷杀虫杀螨剂， 对害虫具有 触杀胃毒、内吸和一定的熏蒸作用， 对螨类 还有杀卵作用， 持效期较长， 对蚜、螨可维 持 １０ｄ 左右， 对飞虱、叶蝉约 １５ｄ， 对高龄幼 虫有较好的防治效果。甲胺磷对人、畜高毒。 目前， 降解甲胺磷的微生物代谢机制已经研 究清楚， 其基本代谢途径 （ 图 ３） 。
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变为 Ｒ# Ｐ Ｏ 的 Ｐ＝Ｏ 双键。
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另 外 ， 南 京 农 业 大 学 王 永 杰 ［２］等 研 究 发 现， 降解有机磷的微生物可以共代谢方式降 解废水中的有机磷。所谓共代谢方式是一种 很独特的代谢方式， 比如某些有毒难降解物 质不能被微生物直接降解， 但添加易被微生 物降解的物质如葡萄糖、乙醇等， 则可以促 进或启动难降解物质的降解， 并将其导入良 性循环。通常把用于生长的物质称为一级基 质， 非用于生长的称为二级基质。王永杰等 研究发现在降解废水中有机磷残留物的过程 中， 过高的一级基质会抑制诱导酶的产生， 从而有机磷的降解率不高， 因此一级基质的 浓度应该适当。 １． ３ 微 生 物 降 解 甲 胺 磷 的 机 理 甲 胺 磷 （ ｍｅｔｈａｍｉｄｏｐｈｏｓ） 是我国目前产量最多的一种
微生物降解农药的作用方式可以分为 ２ 大类： 一类是微生物直接作用于农药， 通过 酶促反应降解农药， 常说的微生物降解农药 多属于此类； 另一类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。 一般有矿化作用、共代谢作用、生物浓缩或 累积作用和微生物对农药其他的间接作用。
其中， 微生物酶促反应降解主要方式有氧化、 还原、脱氢、合成等几种类型。
农药科学与管理 Ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ ２００６， ２７（ ４）
农药研究
微生物降解有机磷农药残留机理 及菌种筛选研究进展
张 超 １， 李冀新 ２
（ １． 江南大学食品科学与安全教育部重点实验室， 江苏 无锡 ２１４０３６ ２． 新疆农垦科学院特产研究所， 新疆 石河子 ８３２０００）
摘 要： 农药的使用一方面可以保证农业稳产和增产， 另一方面却改变了土壤微环境， 污 染周边的水体乃至大气环境。在农药使用造成的各种污染中， 农药残留对人类影响大， 作 用时间长， 尤其是部分有机磷农药具有高毒、降解慢的特点， 污染人类生存环境， 危害人 体健康。使用微生物降解农药残留是解决该问题的有效方法。本文对微生物降解有机磷农 药残留的机理和微生物诱变和筛选的最新进展进行总结， 并对农药残留降解微生物的发展 方向提出了自己的观点。 关键词： 农药； 微生物降解； 有机磷农药 中图分类号： Ｓ４８１＋．９ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００２－ ５４８０（ ２００６） ０４－ ２９－ ０５
河 北 省 科 学 院 生 物 研 究 所 史 延 茂 等 ［７］ 从甲胺磷生产车间分离到 １ 株假 单胞菌 Ｓ－ ２。 Ｓ－ ２ 可 以 利 用 甲 胺 磷 为 唯 一 氮 源 ， 但 不 能 利 用 甲 胺 磷 为 唯 一 磷 源 。 史 延 茂 等 还 对 Ｓ－ ２ 体内具有的降解甲胺磷的酶类进行了研究， 初 步 断 定 Ｓ－ ２ 可 代 谢 产 生 酸 性 磷 酸 酶 ， 主 要 在 胞 外 降 解 甲 胺 磷 。Ｓ－ ２ 在 甲 胺 磷 诱 导 的 情 况下， 这些降解酶类可大量聚积。用诱导过 的 菌 液 降 解 甲 胺 磷 比 未 经 诱 导 的 快 了 ２ｄ 左 右。
王永杰等从污泥中分离到可降解乐果的细 菌 Ｇ１， 初步鉴定为不动菌属 （ Ａｃｉｎｅｔｏｂａｃｔｅｒ） ， 该菌专性好氧， 最适生长温度为 ３０℃， ｐＨ７．０， 可以以共代谢方式降解乐果， 还能降解敌敌畏 （ ｄｉｃｈｌｏｒｖｏｓ） 和对硫磷 （ ｐａｒａｔｈｉｏｎ） ， 但是对甲 胺磷 （ ｍｅｔｈａｍｉｄｏｐｈｏｓ） 降解没有效果。
收稿日期： ２００５－ １２－ ２７
的环境进行监察和治理， 可以有效改善人类 当前和将要发生的环境问题， 具有针对性强， 研发周期短， 效果明显的特点。使用微生物 降解农药残留属于后一种思路， 具有针对性 强， 见效快的特点， 是当今的研究热点。
使用微生物降解农药残留的研究可以追 溯到上 世纪 ４０ 年 代末［１］ ， 至今已 经取得 很 大 进展。研究者们相继对除草剂、杀虫剂、杀 菌剂、杀线虫剂的微生物降解进行了深入的 研究， 分离出一批能降解或转化有机磷农药 的微生物， 并确定了部分微生物降解农药的
Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｏｒ ｇａｎｉｃ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ ｕｓ Ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ Ｄｅｇｒ ａｄａｔｉｏｎ ｂｙ Ｍｉｃｒ ｏｏｒ ｇａｎｉｓｍ Ｚｈａｎｇ Ｃｈａｏ （ Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｋｅｙ Ｌａｂｒｏａｒｙ ｏｆ Ｆｏｏｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ， Ｗｕｘｉ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１４０３６） ； Ｌｉ Ｊｉｘｉｎ （ Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ Ｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｓｈｉｈｅｚｉ ８３２０００） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ， ｔｙｐｅｓ ｄｅｇｒａｄｅｒｓ， ｄｅｇｒａｄｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ， ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ， ａｐｐｌｙｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ． Ｔｈｅ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｂｙ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｓ ｗｅｌｌ。 Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ； ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ； Ｏｒｇａｎｉｃ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ
作为一把双刃剑使用农药一方面可以保 证农业稳产、增产， 另一方面， 却会改变土 壤的微循环， 而且还进一步污染地面、地下 水体以及海洋环境， 直接威胁人类的生存环 境和身体健康。为了解决农产品高产稳产与 环境污染的矛盾， 我们不仅要开发高效、低 毒、低残留的农药， 更需要找到能够高效、 稳定降解农药残留的方法。一般来说， 高效、 低毒和低残留农药可以减轻环境污染， 但研 究周期长， 技术难度大； 而高效、稳定降解 农药残留的方法则是对已经和将要发生污染
生， 它主要包括有卤化酶 （ ｈａｌｏｇｅｎａｓｅ） 、过氧
化物酶 （ ｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ） 、过氧化氢酶 （ ｃａｔａｌａｓｅ） 。
Ｒ
在 降 解 过 程 中 ， Ｒ# Ｐ Ｓ 中 的 Ｐ＝Ｓ 双 键 在
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Ｓ
酶促作用下， 发生电子转移， 形成 Ｒ# Ｐ
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的过渡体， 通过进一步的电子转移， 可以转
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主要途径及降解机制。 我国有机磷农药产量高， 使用广泛， 是
农产品、土壤、水源和大气农药污染的主要 污染物之一。本文将就有机磷农药残留的微 生物降解机理和降解微生物筛选的进展进行 总结， 并对该领域中下一步的研究方向进行 展望。 １ 微生物降解有机磷农药机理的进展 １． １ 微生物降解农药残留的机理 农药进入 环境后可以通过各种途径进行降解， 包括物 理降解、化学降解和微生物降解。物理降解 和化学降解主要包括光反应、热反应、氧化 还原反应、电化学反应等， 微生物降解主要 包括多种酶促反应。因此， 与物理和化学降 解方法相比， 微生物降解具有反应条件温和、 反应速度快和反应专一性强的特点。
图 １ 中 ８ 种有机磷农药分子比较发现都
图 １ ８ 种有机磷农药的分子结构
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具有 Ｒ# Ｐ Ｓ 的类似结构， 并是各自的活性
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中心， 成为了微生物降解的靶向结构。对微
筛选了 １ 种华丽曲霉 （ Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ．ｏｒａｎｔｕｓ） 进 行甲胺磷的降解， 该菌种可以以甲胺磷作为 碳源和能源而生长， 降解甲胺磷的最适温 度 为 ３０℃， 最 适 ｐＨ７．０ ， 其 完 整 细 胞 悬 浮 液 对 ３ ０００ｍｇ／Ｌ 甲 胺 磷 的 降 解 率 可 以 达 到 ８３％。
生物降解农药的机理进行探讨， 微生物降解 活性中心的过程如模型 （ 图 ２） 。
在图 ２ 降解模型中， 具有决定性作用的 酶 是 氯 过 氧 化 物 酶 （ ｃｈｌｏｒｏｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ） ， 该 酶
（ 其中 Ｒ、Ｒ′、Ｒ″和 Ｘ 是代指不同的荃团） 图 ２ 有机磷农药的酶降解途径
可 以 由 一 种 不 完 全 真 菌 （ Ｃａｄａｒｉｏｍｙｃｅｓ） 产
当微生物降解农药是由微生物细胞内酶 引起时， 降解过程可以分为 ３ 个步骤： （ １） 将 农药吸附于微生物细胞表面， 这一过程是一 个动态平衡， 也是导致降解初期出现“迟滞 期”的关键阶段； （ ２） 农药穿透细胞膜进入 膜内。当微生物数量恒定时， 农药对细胞膜 的穿透率决定了其穿透细胞膜的量， 农药对 细胞膜的穿透是降解的限速步骤。农药的这 种穿透率与分子结构参数 （ 主要是亲脂性参 数和空间位阻参数） 密切相关； （ ３） 农药在 细胞膜内通过与降解酶结合发生酶促反应， 这是快速过程。 １． ２ 微生物降解有机磷农药的机理 Ａｎｇｅ′ｌｉｃａ Ｍａｒａ 等 人对保 棉磷 （ ａｚｉｎｐｈｏｓ－ ｍｅｔｈｙｌ） 、毒 死 蜱 （ ｃｈｌｏｒｐｙｒｉｆｏｓ） 、 除 线 磷 （ ｄｉｃｈｌｏｆｅｎｔｈｉｏｎ） 、 乐 果 （ ｄｉｍｅｔｈｏａｔｅ） 、 对 硫 磷 （ ｐａｒａｔｈｉｏｎ） 、 亚 胺 硫 磷 （ ｐｈｏｓｍｅｔ） 、 特 丁 硫 磷 （ ｔｅｒｂｕｆｏｓ） 和 Ｓ，Ｓ，Ｓ－ 三丁基四硫代磷酸酯 （ ｔｒｉｂｕｆｏｓ） 等 ８ 种 有机磷农药分子结构进行分析， 比较。８ 种有 机磷农药分子结构 （ 图 １） 。