一株拟除虫菊酯农药降解菌的分离鉴定及其降解特性与途径

一株拟除虫菊酯农药降解菌的分离鉴定及其降解特
性与途径
陈少华，罗建军，胡美英* ，赖开平，耿鹏，肖盈
天然农药与化学生物学教育部重点实验室，华南农业大学昆虫毒理研究室，广州 510642
收稿日期： 2010-11-13
修回日期： 2010-12-12
录用日期： 2010-12-29
摘要： 采用富集培养法，从拟除虫菊酯农药厂废水排放口的活性污泥中分离到 1 株菊酯农药高效降解菌 P-01． 经形态、生理生化特征及 16S rDNA 序列分析，初步鉴定其为无色杆菌属（ Achromobacter sp． ） ． 响应曲面法优化菌株 P-01 的降解条件，其降解最优条件为 31． 4 ℃ 、初始 pH 7. 6 和接种量 0． 4 g·L － 1 ，在此条件下，该菌株培养 7 d 对 50 mg·L － 1 溴氰菊酯、氰戊菊酯、高效氯氰菊酯、高效氟氯氰菊酯和高效氯氟氰菊酯的 降解率分别达到 98． 9% 、92． 2% 、91． 0% 、85． 1% 和 77． 3% ，且降解过程满足一级动力学方程模型，降解半衰期（ T1 /2 ） 分别为 1． 3、1． 8、2． 0、2． 5 和 3． 0 d． 该菌株能以溴氰菊酯为唯一碳源，且高度耐受并快速降解溴氰菊酯，在溴氰菊酯浓度为 100 ～ 500 mg·L － 1 时依然保持较高的降解率． 降解途径分析结果表明，该菌株通过酯键断裂将溴氰菊酯降解产生 α-羟基—3-苯氧基苯乙腈和 3-苯氧基苯甲醛，而后进一步氧化分解生成 2-羟基—4-甲氧基二苯甲酮和邻苯二甲酸单酯． 关键词： 拟除虫菊酯农药； 生物降解； 无色杆菌属； 降解途径
文章编号： 0253-2468（ 2011） 08-1616-11
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
中图分类号： X171
文献标识码： A
Isolation，identification，degradation characteristics and pathway of a pyrethroiddegrading bacterial strain
近 年 来，随 着 人 们 对 生 物 修 复 理 论 （ Bioremediation） 的不断深入，利用微生物对环境的 修复技术以 其 高 效、廉 价、安 全、简 便 等 特 点，逐 渐 成为现代人们用以处理农药污染、泄漏事故污染以 及生化武器等各种污染的最佳选择方案（ Singh and Walker，2006） ． 已经报道的菊酯农药降解菌主要有 Pseudomonas sp． （ Grant et al． ，2002； Saikia et al． ， 2005； 廖 敏 等，2009 ） 、Bacillus sp． （ 丁 海 涛 等， 2003） 、Alcaligenes sp． （ Yu et al． ，2003） 、Aspergillus sp． （ Lee et al． ， 2004； Liang et al． ， 2005 ） 、 Acidomonas sp． （ Paingankar et al． ，2005） 、Klebsiella sp． （ Wu et al． ， 2006 ） 、Micrococcus sp． （ Tallur et al． ，2008） 、Sphingobium sp． （ Guo et al． ，2009） 、 Rhodopseudomonas sp． （ 张松柏等，2009） 和 Serratia sp． （ Zhang et al． ，2010） 等，但是目前筛选到的菊 酯农药降解菌大多只具有分解作用，而不能完全矿 化农药，然而某些菊酯农药的降解中间产物可能具 有更大的环境危害性（ Tyler et al． ，2000； Xia et al． ， 2008） ． 另外，大多数微生物降解只针对一种或少数 几种菊酯农 药，并 且 耐 受 农 药 的 浓 度 不 是 很 高，降
Guangzhou 510642
Received 13 November 2010；
received in revised form 12 December 2010；
accepted 29 December 2010
Abstract： A bacterial strain named P-01 was newly isolated by enrichment culture from the activated sludge in the wastewater of a pyrethroid-manufacturer in Zhongshan． Based on the morphology，physio-biochemical characteristics，and 16S rDNA sequence analysis，strain P-01 was temporarily identified as Achromobacter sp． P-01． Response surface methodology （ RSM） was used to optimize degradation conditions． The optimal conditions for biodegradation were obtained as follows： 31． 4℃ ，pH 7． 6 and inoculum biomass 0． 4 g·L － 1 ． Under the optimal degradation conditions，strain P-01 could effectively degrade deltamethrin，fenvalerate，beta-cypermethrin，beta-cyfluthrin and cyhalothrin with degradation rates of 98． 9% ，92． 2% ，91． 0% ，85. 1% and 77． 3% ，respectively，within 7 days of incubation． Strain P-01 not only could utilize deltamethrin as the sole carbon source and energy for growth in mineral salt medium （ MSM） ，but also could tolerate and efficiently degrade high concentrations of deltamethrin （ 100 ～ 500 mg·L － 1 ） ． Furthermore，the degradation reaction followed first-order kinetics and half lives （ T1 /2 ） were 1． 3，1． 8，2． 0，2． 5 and 3． 0 d，respectively． Studies on the degradation pathway showed that deltamethrin was degraded by hydrolysis of the carboxylester linkage to yield alpha-hydroxy-3-phenoxy-benzeneacetonitrile and 3phenoxy benzaldehyde，and then the intermediates were further degraded by oxygenolysis to form 2-hydroxy-4-methoxy benzophenone and 1，2benzenedicarboxylic acid，mono ester，finally resulting in complete detoxification． Keywords： pyrethroids； biodegradation； Achromobacter sp． P-01； degradation pathway
基金项目： 国家自然科学基金项目（ No． 30871660） ； 广东省科技计划项目（ No． 2009B020310005） Supported by the National Natural Science Foundation of China （ No． 30871660 ） and the Project of Scientific Technological Planning of Guangdong Province （ No． 2009B020310005） 作者简介： 陈少华（ 1984—） ，男，博士研究生，E-mail： csh-happy@ 163． com； * 通讯作者（ 责任作者） ，E-mail： humy@ scau． edu． cn Biography： CHEN Shaohua（ 1984—） ，male，Ph． D． candidate，E-mail： csh-happy@ 163． com； * Corresponding author，E-mail： humy@ scau． edu． cn
8期
陈少华等： 一株拟除虫菊酯农药降解菌的分离鉴定及其降解特性与途径
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1 引言（ Introduction）
拟除虫菊酯农药（ Pyrethroids） 是一类由人工合 成的模拟天然除虫菊素的杀虫剂，它以神经钠离子 通道为作用靶标，具有用量低、药效高、杀虫谱广等 优点，国内外广泛应用于防治农业及家庭卫生害虫 （ Zhang et al． ，2007） ． 目前其品种数和使用量仅次 于有机磷农 药，位 居 杀 虫 剂 市 场 的 第 二 位，约 占 世 界农药市场的 1 /4（ Zhang et al． ，2010） ． 随着菊酯类 农药的频繁使用，特别是第二代以后的菊酯类农药 具有对光、热稳定的特点，在环境中半衰期较长，很 难在自然条件下快速降解，因而带来了一系列环境 和食品安全问题，如对一些有益昆虫（ 家蚕、蜜蜂和 赤眼蜂等） 造成了极大危害，对鱼类、蚌类和沼虾等 水生生物也有很高的毒性（ 浓度达到 10 ng·L － 1 就 足以杀死 水 体 中 全 部 的 无 脊 椎 动 物） （ Suchismita and Anilava，2008； Gu et al． ，2010） ． 另外，某些菊酯 农药还具有神经毒性（ Wolansky and Harrill，2008） ， 蓄积毒性（ Kolaczinski and Curtis，2004） 及生殖毒性 （ Song et al． ，2008； Fei et al． ，2010） ，甚至有致癌、致 畸、致突变的危险（ Shukla et al． ，2002） ． 因此，消除 环境中菊酯农药的残留危害具有重大的经济和社 会意义．
CHEN Shaohua，LUO Jianjun，HU Meiying* ，LAI Kaiping，GENG Peng，XIAO Ying
Key Laboratory of Natural Pesticide and Chemical Biology，Ministry of Education，Laboratory of Insect Toxicology，South China Agricultural University，
第 31 卷第 8 期 2011 年 8 月
环境科学学报 Acta Scientiae Circumstantiae
Vol． 31，No． 8 Aug． ，2011
陈少华，罗建军，胡美英，等． 2011． 一株拟除虫菊酯农药降解菌的分离鉴定及其降解特性与途径［J］． 环境科学学报，31（ 8） ： 1616-1626 Chen S H，Luo J J，Hu M Y，et al． 2011． Isolation，identification，degradation characteristics and pathway of a pyrethroid-degrading bacterial strain［J］． Acta Scientiae Circumstantiae，31（ 8） ： 1616-1626