微生物降解农药的研究现状与发展趋势

究进展， 提出存在的问题并就发展趋势作了展望。 降解为无机离子 NO－2、NO3－［14］。
一、微生物降解的概念及其降解农药的机制
（2）共代谢机制
（一）生物降解的定义
有些农药不能被微生物降解， 如果有可提供碳
生物降解的研究始于上个世纪 40 年代，起初他 源和能源的基质存在时，则可被部分降解，这个作用
污染土壤
说明：目前，在我国，农药降解菌（酶）制剂研制成功的报 道已有许多。 有的通过了专家组的技术鉴定，建立了试验示范 基地；有的已在生产中应用，且申报了商品名称。 另外，国外研 究报道也很多，这里不再一一列举。
五、研究中存在的问题 由于大部分的研究工作还在实验室进行， 要使 农药降解菌从实验室应用于复杂的实际环境中， 还存在一系列需要解决的问题。 （一）单纯一菌株的纯培养问题 农药污染往往存在于复杂环境中，比如土壤、农 副产品、废弃物等等，自然状态下的微生物降解都是 微 生 物 之 间 的 通 过 协 同 作 用 来 完 成 的 ［4］， 在 实 验 室 研 发阶段被纯化的单一菌株很可能降解活性很强，当 被放入实际环境条件下， 此菌可能无法存活或看不 到所期望的结果，所以，微生物在实际降解环境中的 生存能力和降解活性都需要进一步研究， 同时必须 确 定 所 筛 选 的 菌 种 是 否 属 于 常 驻 优 势 菌 种 ［2］。 （二）农药降解产物对环境的影响 农药被降解后出现三种结果： 一是剧毒农药被 彻底降解后失去毒性；二是农药自身的毒性不大，但 分解产物毒性很大； 三是农药本身和代谢产物都有 较大的毒性。 故需对农药污染微生物降解机制、代谢 途 径 ［2］作 进 一 步 深 入 研 究 。 （三）环境条件对微生物降解农药的影响 自然条件直接影响微生物生长及代谢， 比如温 度 、水 分 含 量 、pH 值 、氧 含 量 等 等 ，由 于 自 然 环 境 变 化很大，直接影响微生物对农药的降解作用。 如何克 服这些影响因素， 从而充分发挥目标微生物的降解 作用是急切要解决的重大问题 。 ［1，5］
比如卤代烃类杀虫剂，在 脱 卤 酶 的 作 用 下 ，H 原 子 或羧基等取代基团上的 卤原子， 使药物失去毒 性 ， 如 DDT 降 解 变 为 DDE 即 属 此 类 反 应 ［3］
还原 反应
在厌气条件下，某些农药发生还 原作用包括双键或三键还原、硝 基 还 原 、 还 原 性 脱 卤 等 ［9］
解农药来治理所造成的污染是一项很有效的手段。 本文从降解农药污染的微生物的概念、种类、降解的机
制、新技术研究和应用等方面进行了综述，指出了在微生物降解中存在的问题，并对今后微生物降解农药的
应用前景和发展趋势进行了展望。
【关键词】农药 微生物降解 研究现状
【中图分类号】X592 【文献标识码】A 【文章编号】1009－8534（2014）04－0084－03
其他反 缩合反应、酯化作用、乙酰化反应 应类型 等
说明： 农药残留的降解过程是相当复杂的。 在自然条件 下， 农药的微生物降解通常是以多种不同酶作用下以不同的 方式进行，但它也可在一种单一方式进行。
二、降解农药的微生物类群 表 1－2（主要为细菌类）
菌属
降解农药类型举例
假单孢菌属
DDT、马 拉 硫 磷 、 甲 基 对 硫 磷、对硫磷、西维因、二嗪 农、DDV 等
们的重视，就农药残留如何消除，成为迫切需要解决 构类似物的偶然代谢；（2）由基质参与的对农药降解
的问题，由此，生物 农 药 也 引 起 了 人 们 的 关 注 ，但 就 不全矿化的共代谢；（3）把农药作为能源适应酶进行
目前的科技水平来看， 化学农药在今后很长一段时 的降解代谢。 另外，还有通过改变酸碱度、辅酶或化
2、微生物降解农药反应类型 主要有：表 1－1
反应 类型
概念说明（包括反应的形式）
举例说明
氧化 反应
是微生物转化农药残留的重要酶 促 反 应 包 括 羟 化 ，N－ 氧 化 ；P － 氧 化 ；S－氧 化 ；如 脂 肪 族 羟 化 、芳 香 族 羟 化 、N－羟 化 ；环 氧 化 ；氧 化 性 脱卤、脱胺、脱烷基等 。 ［13］
于分子生物学和基因工程的迅猛发展， 克服了农药 并降解它们的酶系； 微生物把它们作为自身代谢的
微生物降解研究中的困难， 为农药微生物降解的研 底物而进行降解后生 成 无 机 物 、二 氧 化 碳 和 水 ［7］；矿
究开辟了新的途径 。 ［12］ 鉴于农药残留的“三性”，即持 化作用因农药被完全分解成无毒的无机物而被认为
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2014 年 8 月 第 17 卷·第 4 期
宿州教育学院学报
解酶的降解效果。 四、微生物降解农药污染的应用 见表 1－3
商品名称
“佰绿得”（ 南农 大李顺鹏教授）
商品型号
I号 II 号 III 号 IV 号
降解农 应 用（污染 药名称 的田地中）
有机磷类 氯氰菊酯类 氰戊菊酯类 除草剂类
水稻 蜜橘 茶叶 小枣 韭菜等（已 投入使用， 效果良好）
如对硫磷转为氨基对 硫 磷 ；2， 4 － 二 硝 基 酚降解产物为 2 － 氨 基－ 4 － 硝基酚和 4 － 氨基－ 2－硝基 酚 ［3］
水解 水解 反 应 对 于 无 机 酸 酯 类 农 药 其结构中的酰胺和
（比如对硫磷、马拉硫磷）和苯酰 酯键易在微生物作
反应 胺类农药
用 下 发 生 水 解［2］
“比亚蔬菜瓜果
备注
有机磷类
农药污染降解
酶 ” （ 中 国 农 科 此产品已投入工业
院范云六等） 生产（3 吨发酵罐）
蔬菜瓜果
添加基质（硝酸盐、
Βιβλιοθήκη Baidu
国 Fulthorpe 等
矿化 2，4－D 污染土壤
外
K＋、 磷 酸 盐 ）
报 加拿大
道 （StaufferMan- 生物修复技术［8］ agement 公司）
们认为， 生物降解是指天然和合成有机物 被需氧微 称 为 共 代 谢 作 用 ； ［7，9，13］ 此 作 用 在 农 药 的 生 物 降 解 过
生物 （比如水体中、 土壤中和废水生物处理系统中 程中发挥着主要的作用。这一作用最初是由 Foster 等
*[收 稿 日 期 ]2014－05－02 [作 者 简 介 ]苏 绍 辉 （1976－）， 男 ， 安 徽 宿 州 人 ， 宿 州 职 业 技 术 学 院 动 物 科 学 系 教 师 ， 主 要 从 事 微 生 物 及 食 品 方 面 的 研 究 工 作 。
DOI:10.13985/j.cnki.34-1227/c.2014.04.031
20 世纪 60 年代末的第一次“绿色革 命”为人类 的）破坏或矿化作用。 随着对生物降解过程研究的深
的粮食安全生产 做 出 了 重 大 贡 献 ， ［1，2］ 农 药 的 应 用 保 入，生物降解的含义也在不断深化和拓展；由于在各
农药代谢主要通过酶促反应与非酶促反应两种
中大量蓄积，不仅使自然生态平衡遭受了破坏，还威 主要方式， 微生物转化农药主要是通过其自身的酶
胁 着 人 类 的 健 康 ［9］。
来完成降解作用的， 所以说农药降解本质上是酶促
随着人们对环境保护的重视 ， 农药残留唤起人 反应［3］，其中包括：（1）把农药作为微生物自身代谢结
第 17 卷·第 4 期 2014 年 8 月
宿州教育学院学报 Journal of Suzhou Education Institute
Vol.17，No.4 Aug.2014
微生物降解农药的研究现状与发展趋势
苏绍辉
（宿州职业技术学院动物科学系 安徽·宿州 234101）
【摘 要】农药尤其是化学农药中的高毒、高残留、难降解的农药是重要的环境污染源，而利用微生物降
鉴于上述可知，在自然界中，降解农药的微生物不仅广泛
存在还并非特殊种群。 所以，微生物就成为生物修复技术的主 体 ，通 过 其 代 谢 作 用 ，把 有 机 污 染 物 转 化 为 CO2 和 H2O 等 无 毒 无 害 或 毒 性 较 小 的 其 他 物 质 ［8］。
三、微生物降解农药的新研究进展 （一）固定化微生物技术的应用 在微生物降解农药的过程中务必保障降解菌或 降解酶在此环境中的活性， 利用固定化技术可以基 本满足要求。 固定化微生物技术是上个世纪 80 年代 兴起的一种新型生物技术， 它是将游离细胞或酶被 固定限定的空间区域内， 并使其保持活性和可重复 利用性，其特点是保持菌种高效，二次污染小 ； ［1，2，5］ 所 以此技术具有良好的发展前景 （二）基因工程在农药降解菌中的应用 利用基因工程构建高效菌株， 通过驯化改造降 解菌的各种理化特性使其更加适应环境， 进而提高 降解效率 。 ［12］ 1、农药降解基因工程菌的构建 分析生物对污物降解机制及降解过程中的主要 影响因素，来构建相应的高效菌株。 其途径有：一是 通过使用随机同源基因体外拼接使菌株的代谢途径 朝着有利于降解污染物的方向发展；二是两个重组： 重组污染物跨膜转运基因及重组表面活性剂编码基 因，来优化菌株的降解活性；三是通过重组有利于微 生物适应环境的基因编码来有效降解农药 。 ［10，12］ 2、基因改组技术的应用 1994 年， 美国科学家 Stemmer 等介绍了在试管 内模拟达尔文进化的先进技术 DNA 改组（DNAshuffling） ； ［17］ 该技术的特 点 是 ：降 解 酶 的 活 性 大 大 提 高 ， 酶的三维结构不需测定，此技术自诞生以来，发展迅 速和应用广泛， 美国已经开始了应用该技术降解农 药［3］。 通过加入强启动子来提高降解酶基因的表达， 这样更利于农药的降解。 （三）构建多菌株复合体系 单个微生物是很难完成农药的降解的， 它要在 多种微生物的协同作用下， 经过多步反应将农药完 全降解。 多菌复合体系的构建解决了单个菌株转化 不彻底的问题。 要求该菌株复合体系能改良污染物 并能在该环境中更容易成为优势菌群 。 ［11］ （四）微生物表面展示技术的应用 微生物细胞表面展示技术 是 ［12］ 由 Geore 在 20 世 纪 80 年 代 中 期 开 发 的 ，是 通 过 外 源 蛋 白 质 （此 蛋 白 质具有酶的活性） 与降解菌株的一种有活性且具有 分泌转运功能融合表达， 结果是使该外源蛋白嵌在 菌株细胞膜表面而发挥外源蛋白的特定功能， 此技 术优点是创造了降解菌与农药残留之间直接接触， 蛋白质纯化过程的繁琐步骤被避免了， 也提高了降
障了粮食的增产； 化学农药被广泛使用在农业生产 种生物降解中起主要作用的是微生物， 所以一般提
中 ，但 大 多 数 农 药 是 有 毒 的 ，且 易 残 留 ，不 仅 对 人 类 到生物降解主要是指微生物降解［3］。
和生物都是有害的，而且其有不易被分解的特性；同
（二）微生物降解农药的机制
时，人们在使用农药的过程中，致使农药在自然环境
细菌类 芽胞杆菌属
有 DDT、甲 基 对硫 磷 、对 硫 磷 、 茅草枯、苯硫磷、灭草隆等
产碱菌属
抑芽丹、茅草枯、三氯醋酸 等
黄杆菌属
马拉硫磷、甲基对硫磷、对 硫磷、二嗪农等；
放 线 菌 属 、 ①小 单 胞 菌 ①七氯、 三氯乙酸等； ②丙烯 放线菌 属 、 高 温 放 线 菌 属 、② 诺 醇、2，4－D、DD T 等；③茅 草枯、
间内还是市场中主打产品。 因此，农药残留问题已经 学产物的降解。
成为世界各国人们研究的热点。 其中，引起了更加广
1、微生物在农药降解中原理
泛关注的是微生物的降解作用。 尤其是在环境中的
（1）矿化机理
化学农药残留污染通过利用微生物的降解处理，
许多化学农药是人工合成的化合物， 它们与天
以及新型化学农药带来的新污染的治理。 近年来，由 然化合物具有很类似的结构， 某些微生物具有合成
卡氏菌属、③链霉菌属 二嗪隆、五氯硝基苯、西玛津等
真菌
白 腐 真 菌 、①根 霉 、瓶 型 酵 母 、 芽枝霉属、烟曲霉青霉、曲霉、 焦曲霉、镰孢霉菌、毛霉、木霉
①莠去津、地 阿特拉津等
可
松
、七
氯
、
小球绿藻属
甲拌磷、对硫磷
藻类 衣绿藻属
秀谷隆、阿特拉津
菱属硅藻属
DDT
说明：细菌具有适应能力强和易诱发突变，在降解农药的 研究中占有主要地位。 除上述外，还有很多降解农药的细菌， 如埃希氏菌、梭状芽胞杆菌、大肠杆菌、地衣芽孢杆菌、硫杆菌 等等。
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苏绍辉：微生物降解农药的研究现状与发展趋势
提 出 的 。 ［15］ 王 保 军 等 研 究 发 现 ， 门 多 萨 假 单 胞 菌 DR28 菌 株 降 解 甲 单 脒 产 物 为 2，42 二 甲 基 苯 胺 和 NH3，而 DR28 菌株不能以甲单脒为碳源和能源而生 长， 只能在添加其他有机营养基质作为碳源的条件 下才能降解甲单脒，且降解产物未完全矿化，属于共 代谢作用类型 。 ［16］
久性、普遍性和严重性，农药污染的修复成为一项重 是最好的农药降解方式，如石利利等研究了，假单胞
大课题而被摆上日程， 引起世界各国科研工作者的 菌 DLL－1 在水溶液介质中降解甲基对硫磷的性能及
高度关注 。 ［8，9］ 本文综述了近年来农药生物降解的研 降 解 机 理 后 指 出 ，DLL－1 菌 可 以 将 甲 基 对 硫 磷 完 全