农药降解微生物的研究进展

农药降解微生物的研究进展

摘要：农药尤其是化学农药中高毒、高残留、难降解的农药是重要的环境污染物，而利用微生物治理农药所造成的环境污染是一项有效的手段。从降解农药的微生物的种类、工程菌的构建、微生物降解农药的机理、降解特性、影响因素及应用效果等多方面综述了近年来的研究进展，并且对今后农药降解微生物的应用前景和研究趋势进行了展望。 关键词：农药；微生物；农药降解

化学农药多为有毒物品，巨大数量的有毒物质进入环境中不可避免地会对生态环境乃至人类造成不利影响。化学农药在环境中的残留、迁移和降解主要取决于生物和非生物因子二个方面，其中因微生物的作用而引起的降解过程称为生物降解。生物降解的研究始于20世纪40年代，起初人们认为，生物降解是指土壤、水体和废水生物处理系统中的需氧微生物对天然和合成有机物的破坏或矿化作用。随着对有机污染物降解过程研究的深入，生物降解的内涵也在不断深化和拓展。由于在各种生物降解中微生物所起的作用最大，所以一般提到生物降解主要是指微生物降解。就目前的技术水平来看，化学农药在今后很长一段时间内还是不可替代的产品。因此，解决环境中存在的农药残留问题已经成为世界各国的研究热点。其中，微生物的降解作用也引起了更加广泛关注。

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1可降解农药的微生物

到目前为止，人们已分离了许多可降解农药的微生物，这些微生物包括细菌、真菌、放线菌和藻类。其中，对细菌的研究较为深入，其次是真菌。在这些微生物中，往往一种微生物可降解多种农药，如细菌中假单孢菌属的一些种可降解 DDT、艾氏剂、马拉硫磷等20多种农药，而真菌中曲霉属的一些种可降解狄氏剂屏狄氏剂、七氯、敌百虫等多种农药。同时一种农药也可被多种微生物所降解 。存在于自然环境中的藻类对有机磷也有降解作用，如小球绿藻属降解甲拌磷、对硫磷等。获取高效农药降解菌和降解基因的主要途径是从受污染的土壤、水体底泥、污水处理厂排出的污泥等受污染的环境介质中筛选、驯化、富集和分离

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2微生物降解农药的机理

微生物对农药的作用方式可分为两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，常说的农药微生物降解多属于此类。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。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。

2.1矿化作用

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有许多化学农药是天然化合物的类似物，可以作为微生物的营养源而被微生物分解利用，生成无机物、二氧化碳和水。矿化作用是最理想的降解方式。这是因为农药被完全降解成无毒的无机物。石利利等研究了假单胞菌DLL-1在水溶液介质中降解甲基对硫磷的性能及降解机理后指出，DLL-1菌可以将甲基对硫磷完全降解为 NO2 和NO3。

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2.2共代谢作用

有些合成的化合物不能被微生物降解，但若有另一种可供碳源和能源的辅助基质存在时，它们则可被部分降解，这个作用称为共代谢作用。门多萨假单胞菌 DR-8菌株降解甲单脒产物为2，4-二甲基苯胺和NH3，而DR-8菌株不能以甲单脒为碳源、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。

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2.3其它微生物降解途径

2.3.1水解作用

在微生物作用下，酯键和酞胺键水解，使得农药脱毒，如马拉硫磷、敌稗等的降解。 2.3.2 脱卤作用

菌代烃类杀虫剂，在脱菌酶的作用下，其取代基上的卤被H原子或羧基等取代，从而失去毒性，如DDT降解变为 DDE即属此类反应。 2.3.3氧化作用

微生物通过合成氧化酶，使分子氧进入有机分子，尤其是带有芳香环的有机分子中，插入1个羟基或形成1个环氧化物，如多菌灵和 2，4- D等的降解。 2.3.4 硝基还原

农药中的-NO2转变为NH2，如2，4-二硝基酚，其降解产物为2-氨基-4-硝基酚和4-氨基-2硝基酚；对硫磷转为氨基对硫磷。 2.3.5甲基化

有毒酚类加入甲基使其钝化，如五氯酚、四氯酚等的降解。 2.3.6去甲基化

含有甲基或其他烃基，与 N、O、S等相连，脱去这些基团转为无毒物质，如敌草隆的降解即脱去两个 N-甲基 。

但自然条件下，农药的微生物降解通常并不只是以一种单一方式进行，它也可在多种不同酶作用下以不同的方式进行。农药微生物降解途径的阐明对于深入了解其机理具有重要意义。微生物对农药中主要成分的降解作用利用微生物降解残留农药的研究，在国外已有几十年的时间，国内从80年代初也开始了这方面的工作，并取得了相当大的进展。

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3微生物对农药中主要成分的降解作用

利用微生物降解残留农药的研究，在国外已有几十年的时间，国内从 80年代初也开始了这方面的工作，并取得了相当大的进展。

3.1降解有机氯农药的微生物

有机氯农药普遍毒性高、残留量大且不易分解，自 20世纪 70年代以来已在全球范围内陆续被禁用，但由于其使用历史长、用量大，导致其在环境中残留量很高，对生态系统和人类健康造成了严重威胁。通过选择压力可以从土壤中分离到各种可降解有机氯农药的微生物，如分离出的节杆菌、栖土曲霉、土曲霉、多刺假单胞菌、铜绿假单胞菌和洋葱伯克霍尔德菌均可以降解硫丹。真菌虽然没有细菌的变异能力强，但真菌生活史比较复杂，因此可以通过准性生殖形成具有高降解力的异核体菌株，以适应逆境。某些菌株出表现出优良的降解活性。

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3.2降解有机磷农药的微生物

有机磷农药造成的环境污染和食品污染已直接威胁到人类的生存与可持续发展，并成为发达国家设置贸易绿色壁垒的重要手段。有机磷农药中，甲胺磷是一类具有代表性的化学农药，其结构简单，自然界含类似基团的化合物很多，同时有很多微生物可以降解甲胺磷，而且这些微生物广泛存在于自然界。史延茂等发现不同温度、pH值、和培养基条件下菌体对农药有不同的降解能力。程国锋

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发现获得的菌液制剂对普通白菜的变种南农矮脚黄中残留的甲胺磷、乐果有明显的去除作用。张瑞福

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等从Pseudominobacter，Alcaligenes，Ochrobactrum和 Brucella属细菌中发现不同降解菌的降

解甲基对硫磷的能力、以及对芳香烃化合物的降解均不同，且不同降解菌的水解酶产生方式不同，有的是诱导型，有的是组成型。他们还克隆了编码水解酶的基因。

3.3降解拟除虫菊酯类农药的微生物

拟除虫菊酯类农药因其高效、低毒而在农业上得以广泛应用。但近年来有研究证明，拟除虫菊酯类药剂能刺激乳腺癌细胞增殖和 P52基因的表达，具有拟雌激素活性

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，因此有效降解环境中残留

的拟除虫菊酯类农药也具有很重要的意义。已分离出的拟除虫菊酯类降解菌主要是细菌。

3.4降解有机氮农药的微生物

有机氮农药包括氨基甲酸酯类、脒类、硫脲类、取代脲类和酰胺类等含氮有机化合物，多为除草剂，使用量大且易被植物富集

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。微生物在有机氮农药残留降解中也具有重要作用: 沈东升等把优选

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青霉引入土壤，发现其有利于松结态甲磺隆的降解。已分离到的有机氮农药降解细菌较多，此外真

菌在有机氮农药的降解中也发挥了很大作用。可见选育微生物用于修复土壤中残留的有机氮农药污染是有效的。

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3.5降解阿维菌素的微生物

阿维菌素杀虫活性之强和杀虫谱之广具有划时代意义。适用作物有蔬菜、果树、棉花和花卉等，目前已在很多国家登记使用。近年来阿维菌素在我国已成为甲胺磷等高毒农药的替代品，其单剂和混剂产品在害虫防治工作中发挥着重要作用。张卫等

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研究发现土壤有机质、土壤温度和含有阿维菌素

农药的浓度对阿维菌素在土壤中的降解均有较大影响，且灭菌条件下的降解半衰期是未灭菌时的8倍，说明阿维菌素在土壤中的降解与土壤微生物有密切关系。

4 利用基因重组技术构建高效降解工程菌

构建遗传稳定的多功能农药降解工程菌可以为环境中残留农药污染的生物修复提供良好的菌种资源构建遗传稳定且具有分泌型表达、同时还不带入外源抗性基因的工程菌依然是研究的重点。此外，如何改善微生物制剂或酶制剂的固定化途径以提高其对农药的降解功效也非常重要。在构建工程菌的同时也应考虑通过使所构建的菌群携带可以利用植物次生代谢物质的基因，提高工程菌在植物体内的增殖能力，实现可用于环境修复、生物肥或生物防治等领域的多功能化，从而实现规模化和产业化生产。

5问题与展望

农药的微生物降解目前虽已得到了很大的发展，各种降解农药的微生物菌株也相继被分离和鉴定，但是应用微生物进行生物修复的实际应用却往往由于其较低的降解效率而受到影响。近年来，伴随着基因工程和分子生物学研究技术的发展，科研工作者开始把重心转移到高效工程菌的构建，采用基因重组技术，将表达高效降解农药的酶的基因构建到载体中，经转化获工程菌，以期提高起降解作用的特定蛋白质或酶的表达水平，从而提高降解效率，既能克服一些酶在环境中不能稳定存在的问题，又保持了酶的高活性。总之，基因工程技术的利用使人们可按照人类的需要组建具有特殊功能的降解质粒，产生出降解效率高、降解范围广、表达稳定的新的菌株。随着基因工程进一步发展，微生物在农药降解方面的潜力会得 到更充分的体现 。

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