除草劑阿特拉津的生物降解研究現(xiàn)狀

阿特拉津(Atrazine)，通用名為“莠去津”，化學(xué)名稱為2-氯-4-乙，胺基-6-異丙胺基-1，3，5-三嗪，分子式為C₈H₁₄CIN₅，相對(duì)分子量為215.69。阿特拉津是瑞士一位學(xué)者于1954～1955年發(fā)現(xiàn)的一種三氮雜本衍生物，由一家化學(xué)公司開(kāi)發(fā)的一種除草劑，1958年申請(qǐng)瑞士專利，1959年投入商業(yè)生產(chǎn)。阿特拉津是選擇性內(nèi)吸傳導(dǎo)型苗前苗后除草劑，適用于玉米高粱果園和林地等，可防除一年生禾本科雜草，對(duì)某些多年生雜草也有一定的抑制作用。因此在國(guó)內(nèi)外雜草防除上占有重要的地位。該除草劑自1959年投入商業(yè)生產(chǎn)以來(lái)，在世界范圍內(nèi)得到了大面積的推廣和使用。阿特拉津雖然是一種低毒除草劑，但在土壤中具有比較長(zhǎng)的持留性，其半衰期長(zhǎng)，使用量大，已造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。近年來(lái)的科學(xué)研究證明阿特拉津是一種環(huán)境雌激素，它會(huì)對(duì)任何野生動(dòng)物產(chǎn)生激素類的作用，或阻礙生殖功能，或引發(fā)癌癥等。因?yàn)樗姆肿又泻幸粋€(gè)氯原子，對(duì)任何哺乳動(dòng)物都具有毒害(致畸、致癌、致突變)。國(guó)外有研究表明，阿特拉津可能對(duì)人體具有致癌性，長(zhǎng)期接觸阿特拉津會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物卵巢癌和乳腺癌的發(fā)生。而且發(fā)現(xiàn)阿特拉津等三苯類除草劑能使人體內(nèi)CYP₁₉酶的活性升高，干擾人體內(nèi)分泌平衡。阿特拉津還會(huì)對(duì)生物體的內(nèi)分泌系統(tǒng)產(chǎn)生破壞作用，引起一系列病癥，甚至引起癌癥。阿特拉津不僅通過(guò)食物鏈的傳遞影響人體健康和使肝腎、心臟、血管出現(xiàn)中毒癥狀，而且也可能造成人類心血管系統(tǒng)發(fā)生問(wèn)題和再生繁殖困難。因此，阿特拉津被列為環(huán)境荷爾蒙的可疑物質(zhì)，受到各國(guó)政府的監(jiān)控。

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)藥的生產(chǎn)與使用量均居世界前列，達(dá)到200 000 t(純品)，占世界總產(chǎn)量的1／10。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始使用阿特拉津，近年來(lái)使用面積不斷擴(kuò)大，1996年阿特拉津全年的使用量為1800t，至2000年，每年用量平均以20％的速度遞增。與我國(guó)相比，發(fā)達(dá)國(guó)家使用阿特拉津的歷史較早，面積較大。在美國(guó)，阿特拉津被列為最廣泛使用的除草劑之一，每年噴灑3.5×10³kg，占其除草劑使用總量的60％。在日本，阿特拉津于1965年作為農(nóng)藥登錄，現(xiàn)在全日本每年的生產(chǎn)量為1750t。研究表明，在所施用的農(nóng)藥中，有20％～70％會(huì)長(zhǎng)期殘留與土壤中；而阿特拉津的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，水溶性強(qiáng)，難以降解，被微生物礦化的過(guò)程十分緩慢。因此，被阿特拉津污染的土壤的生物修復(fù)技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。

1 阿特拉津污染的土壤的生物修復(fù)技術(shù)

1．1 微生物修復(fù)

此過(guò)程主要是利用自然環(huán)境中自然生長(zhǎng)的微生物或投加的特定微生物，在人為促進(jìn)工程化條件下，分解阿特拉津，把阿特拉津分解成無(wú)害的有機(jī)物，修復(fù)被污染的環(huán)境。被污染的土壤中的阿特拉津的降解可以由改變土壤理化條件來(lái)完成，也可以借助特殊馴化的微生物或構(gòu)建工程微生物來(lái)提高降解速度。

1．2微生物與化學(xué)修復(fù)

用化學(xué)試劑吸附固定阿特拉津，或者通過(guò)表面活性劑的增溶作用；增加有機(jī)污染物的水中溶解度，再利用現(xiàn)場(chǎng)的微生物降解。

2 微生物對(duì)阿特拉津的作用方式

在土壤和水環(huán)境中，微生物對(duì)阿特拉津的作用方式可分為直接作用和間接作用。

2．1 直接作用

大多為酶促反應(yīng)引起，有以下幾種。

2．1．1 礦化作用

微生物作用下，使有機(jī)化合物完全分解為無(wú)機(jī)產(chǎn)物，也就是徹底降解，不產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有威脅的中間產(chǎn)物。這也是農(nóng)藥生物降解的最理想方式。

2．1．2 共代謝作用

在多步驟的酶促反應(yīng)中，各種酶對(duì)底物的專業(yè)性強(qiáng)，在生長(zhǎng)底物被多步反應(yīng)徹底分解時(shí)，某些中間產(chǎn)物的分子只是部分地被改變，而不能被后來(lái)專一性強(qiáng)的酶所降解，但是自然環(huán)境中的其他微生物或物理化學(xué)因子可能會(huì)降解這種中間產(chǎn)物。共代謝方式在微生物代謝過(guò)程中十分常見(jiàn)，是一種微生物降解阿特拉津的重要方式。

2．1．3 生物濃縮和累積作用

這是指微生物菌體細(xì)胞吸附和吸收環(huán)境中的殘留阿特拉津。先是阿特拉津與細(xì)胞膜的類脂結(jié)合，再被菌體吸收。這和微生物的代謝有關(guān)，阿特拉津在被吸收的同時(shí)也可能被轉(zhuǎn)化。

2．2 間接作用

微生物的作用改變了環(huán)境中的酸堿度，影響了土壤的氧化還原電勢(shì)，從而引起次生的化學(xué)降解。

3 降解阿特拉津的微生物

3．1 真菌

煙曲霉、焦曲霉、白腐真菌和菌根真菌等都能降解阿特拉津，其中自腐真菌具有較高的氧化降解能力，可降解多種環(huán)境污染物。

3．2 放線菌

至目前為止，所發(fā)現(xiàn)的參與阿特拉津降解的放線菌為諾卡氏菌。

3．3 細(xì)菌

降解阿特拉津的細(xì)菌主要是紅球菌和假單胞菌。紅球菌廣泛的存在于土壤中，具有降解多種有機(jī)污染物的能力，如烴類、鹵代烴類、鹵代芳烴類。假單胞菌是礦化阿特拉津的重要細(xì)菌。土壤桿菌和黃單胞菌、歐文氏菌和新發(fā)現(xiàn)的革蘭氏陰性兼性厭氧球菌的對(duì)阿特拉津有降解作用。

4 阿特拉津降解酶

阿特拉津降解酶的研究比較晚，對(duì)于降解涉及到的酶、基因和中間代謝產(chǎn)物知道得很少。1999年。我國(guó)科學(xué)家報(bào)道了ADP菌株降解阿特拉津的酶學(xué)機(jī)理。ADP假單胞菌株降解阿特拉津的前三步需要3種酶：第一種酶催化水解脫氯產(chǎn)生羥基阿特拉津；第二種酶催化羥基阿特拉津脫酰胺基，產(chǎn)生，N-異丙基氰尿酰胺；第三種酶轉(zhuǎn)化N-異丙基氰尿酰胺，生成氰尿酸和異丙胺。溫度是菌類降解阿特拉津的重要影響因素。胡宏韜分離出的AT菌在4～20℃范圍內(nèi)。隨著溫度的升高降解能力會(huì)增強(qiáng)。環(huán)境中的pH隨AT菌的降解作用而下降。

5 微生物降解阿特拉津的途徑

5．1 脫烷基

脫烷基即脫乙基或脫異丙基過(guò)程，微生物降解阿特拉津可以產(chǎn)生脫乙基阿特拉津和脫異丙基阿特拉津。在不飽和區(qū)，乙基側(cè)鏈的降解速度要比異丙基側(cè)鏈的降解速度快幾倍。這兩種物質(zhì)繼續(xù)降解的速度很慢。所以不飽和區(qū)中脫乙基阿特拉津持留性高且被頻繁發(fā)現(xiàn)。例如紅球菌(TE1)降解阿特拉津產(chǎn)生脫乙基阿特拉津和脫異丙基阿特拉津后不能再進(jìn)一步降解這兩種產(chǎn)物。

5．2 水解

水解即脫氯，用羥基取代。阿特拉津化學(xué)水解產(chǎn)生羥基阿特拉津。由于阿：特拉津的2個(gè)烷基使微生物脫氯較為困難。有些微生物能降解阿特拉津產(chǎn)生羥基阿特拉津。如報(bào)道的假單胞菌ADP，菌株和YAYA6菌株均可使阿特拉津脫氯。

5．3 開(kāi)環(huán)

在阿特拉津的降解中，氧作為電子受體非常重要。與厭氧條件相比，有氧條件下阿特拉津的降解要快100多倍。因此深層土壤中，氧氣的缺乏會(huì)阻礙阿特拉津的降解。目前發(fā)現(xiàn)的能使阿特拉津開(kāi)環(huán)的菌株多為假單胞菌，紅球菌較少。

6 微生物降解阿特拉津的研究趨向

目前，阿特拉津在除草劑的應(yīng)用中占有很大的比例，其對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境的影響尚需要繼續(xù)深入地研究。另外，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)阿特拉津污染的生物治理和修復(fù)的研究，以消除阿特拉津?qū)Νh(huán)境造成的污染。微生物對(duì)農(nóng)藥的降解途徑包括氧化還原、水解、脫鹵、縮合、脫羧、異構(gòu)化等，其實(shí)質(zhì)是酶促反應(yīng)。農(nóng)藥降解酶對(duì)環(huán)境的耐受性降解效果遠(yuǎn)勝于微生物本身，特別是對(duì)低濃度農(nóng)藥，利用降解酶可以作為凈化農(nóng)藥殘留的有效手段。因此，有關(guān)農(nóng)藥降解酶的研究受到廣泛關(guān)注。

另外，在以下幾個(gè)方面研究也很熱門(mén)。(1)真菌對(duì)阿特拉津的降解有待進(jìn)_步研究，降解酶和基因水平方面的研究很少有報(bào)道。這方面需要深入研究。(2)細(xì)菌對(duì)阿特拉津的降解已進(jìn)入降解酶和基因水平，并取得了一定的成果。但細(xì)菌種類多樣，代謝途徑豐富多彩，需要從環(huán)境中篩選出更多的阿特拉津高效降解菌，并進(jìn)一步研究其對(duì)阿特拉津的降解機(jī)理降解酶及基因，以便更好利用細(xì)菌的降解潛力。對(duì)在不同土壤中的阿特拉津及其降解中間產(chǎn)物進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而為土壤的修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。(3)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和自然環(huán)境的過(guò)渡。降解阿特拉津多在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行，而自然環(huán)境中多種菌共生，生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜。因此，如何將實(shí)驗(yàn)室中獲得的高效菌株應(yīng)用到實(shí)際生態(tài)系統(tǒng)中是個(gè)急需探討的問(wèn)題。(4)阿特拉津降解的基因操作?；虿僮魇钱?dāng)今環(huán)境生物技術(shù)的研究熱點(diǎn)。這一技術(shù)的進(jìn)步極大地推動(dòng)了阿特拉津的生物降解的研究。阿特拉津降解菌的降解基因的進(jìn)一步尋找，篩選和構(gòu)建高效菌株是這方面的研究熱點(diǎn)。

7 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在，阿特拉津在除草劑中還是主要種類，還在大量應(yīng)用。其對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染以及對(duì)人和其他動(dòng)物的健康的影響正日益受到關(guān)注。利用微生物降解阿特拉津是一個(gè)新穎而很有前景的研究課題。因此大幅度提高微生物降解阿特拉津的能力，修復(fù)土壤和水體。具有十分廣闊的發(fā)展前景，處于探索階段。但是國(guó)內(nèi)外的大量研究表明，這種降解處理具有物理和化學(xué)方法無(wú)可比擬的優(yōu)越性，如成本低、效率高、對(duì)環(huán)境的影響小、沒(méi)有二次污染、不破壞土壤、處理操作簡(jiǎn)單。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，將不斷篩選和構(gòu)建高效菌株。