二氯喹啉酸對農田生態系統的影響及其微生物降解研究進展

孫揚，徐會娟，李曉晶，李永濤，趙麗霞*

喹啉羧酸類除草劑是20世紀由德國巴斯夫（BASF）公司開發，與苯甲酸類、苯氧羧酸類除草劑同屬于羧酸類除草劑，主要品種有二氯喹啉酸、喹草酸和氯鉀喹啉酸[1]。其中，二氯喹啉酸應用最為普遍，施藥1次即能防除整個生育期稻田中的稗草，還可用于大豆、高粱、小麥和玉米等作物田以及草坪、休耕地，防治馬唐、稗草等禾本科雜草及一些闊葉雜草[2]。近年來，二氯喹啉酸因其用藥劑量小、有效期長、施用適期寬等優點在亞洲、南美洲、北美洲以及歐洲稻區被廣泛應用[3-6]。

二氯喹啉酸在土壤中降解緩慢，容易造成環境污染，使下茬作物或非靶標作物受害，影響農業生產[7]。1998—2002年，廣東煙區稻田因不當施用二氯喹啉酸而導致下茬煙草受害，近年又在廣東五華縣發現大面積煙草生長畸形現象，受害煙株葉緣下卷，葉片向背面皺縮，葉片狹長，經分析認定是上茬作物使用二氯喹啉酸除草劑所致[8]。因此，全面深入了解二氯喹啉酸除草劑在土壤中的生態效應、環境行為及其降解轉化，對科學合理施用二氯喹啉酸除草劑以提高其藥效、降低其環境風險尤為重要。本文主要就二氯喹啉酸對作物、動物及土壤微生物的生態影響、在環境中的遷移轉化行為及其微生物降解等方面的研究進行了較全面的綜述。

1 二氯喹啉酸結構與理化性質

二氯喹啉酸，化學名稱為3，7-二氯喹啉-8-羧酸，英文通用名quinclorac，分子式為C10H5Cl12NO2，相對分子質量為242.1，化學結構式如圖1。二氯喹啉酸原藥外觀為淡黃白色晶體，熔點為274℃，密度為1.75 g/cm3，蒸汽壓＜1×10-7mPa（20 ℃）；溶解度（20 ℃，g/100 g溶劑）：水0.006 4、丙酮0.2、乙醚0.1、乙酸乙酯0.1，幾乎不溶于甲苯、乙腈、正辛醇、二氯甲烷、正乙烷；分配系數Kow（正辛醇/水）：0.07（pH 7，20 ℃）；酸性，pKa=4.34（20 ℃）；對光、熱較穩定，在pH值為3～9時不易水解，無腐蝕性[9]。

圖1 二氯喹啉酸的化學結構Fig.1 Chemical structure of quinclorac

2 二氯喹啉酸的生態影響

2.1 對作物的藥害及危害機制

二氯喹啉酸能夠在土壤中積累，殘留時間長，易對后茬作物產生藥害。在施用309 d內，除水稻外不能種任何作物，12個月之內不能種茄子、煙草，傘形花科作物如胡蘿卜、芹菜、香菜等對二氯喹啉酸也很敏感，不能用施過二氯喹啉酸的水灌溉上述蔬菜以免引起藥害[10]。二氯喹啉酸對煙草產生的藥害一般表現為葉片發育異常、生長緩慢乃至枯萎，甚至煙株死亡等[8]。有很多學者研究了二氯喹啉酸對作物產生藥害的原因和機制。GROSSMANN等[11]發現二氯喹啉酸能夠增強1-氨基環丙烷-1-羧酸（ACC）合酶的活性水平，然后通過氧化生成乙烯導致氰化物的富集，阻斷葉綠體和線粒體中的電子傳遞，從而引起植物體中活性氧（reactive oxygen species,ROS）生產過剩[12]而使二氯喹啉酸呈現出藥害[1,13]。敏感的雙子葉植物對于二氯喹啉酸的應激反應是增加脫落酸的生物合成，從而導致ROS過量產生[2,14]。通過轉錄組學分析可知，二氯喹啉酸施用在水稻（Orzya sativa）植株上可以引起幾個具有藥物解毒功能基因組的表達增強[15]。而且，具有調節體內生長素平衡功能的基因EcGH3.1表達誘導被認為是稗草（Echinochloa crusgalli）具有二氯喹啉酸抗藥性的主要原因[16]。綜上所述，除草劑二氯喹啉酸的不當、過量使用會導致作物體內基因及功能酶的變化，從而造成對作物的藥害及一些雜草的抗藥性。

2.2 對動物的毒性及致毒機制

二氯喹啉酸是一種低毒農藥，該藥在動物體內代謝迅速，無明顯積累作用，主要通過尿液排出[17]。該類除草劑對哺乳動物的靶器官主要為肝臟和腎臟，可引起老鼠睪丸、肝臟絕對量減輕，脾和睪丸退化；使兔、狗等動物體內的堿性磷酸酶活性降低、谷氨酸-丙酮酸轉氨酶活性增強。雖然二氯喹啉酸被認為對水生和陸地生物（包括魚類、藻類、鳥類和無脊椎動物類）毒性很小[17]，但硬骨魚（Leporinus obtusidens）長時間暴露在二氯喹啉酸質量濃度為20～44.6 μg/L的水田中，其大腦和肌肉中乙酰膽堿酯酶的活性明顯降低，大腦和肝臟的氧化應激水平也會受到不同程度的損傷[18-19]。PERSCH等[20]通過水體染毒培育實驗得知，1.75 μg/L二氯喹啉酸溶解于水中即可引起Rhamdia quelen幼魚體內鰓、腎和肌肉組織中的脂質過氧化以及超氧化物歧化酶活性的增強。DORNELLES等[21]發現水體中0.05～0.20 μg/L二氯喹啉酸即能夠引起兩棲類動物北美牛蛙（Lithobates catesbeianus）肝臟和肌肉中的糖原、總脂肪、甘油三酯、膽固醇和總蛋白等生化指標的大幅降低，以及這些動物體內的脂質過氧化。因此，二氯喹啉酸可能導致動物的生長發育不良、變態發育以及生殖異常而影響自然界動物的多樣性和豐度。

2.3 對土壤微生物群落及酶活性的影響

土壤中的微生物生物量及活性對除草劑在土壤中的持效性有著明顯的影響[22-23]，農藥對環境微生物群落及酶活性的影響是評價農藥生態環境安全性的一個重要指標[24-25]。SUBHANI等[26]研究發現，二氯喹啉酸雖然對好氧微生物生物量及活性均有明顯的影響，但這種影響是暫時性的，經過一段時間即可自行恢復正常。呂鎮梅等[27]采用平板稀釋法及最大或然計數法等傳統生物學方法發現：質量分數為0.33～2.00 mg/kg干土的二氯喹啉酸對稻田土壤中微生物群落的影響是暫時的，在第33天時即能恢復至對照水平；以正常土壤施用量（即0.67 mg/kg干土）施用時對水田土壤各微生物種群均無實質性危害。張妤等[28]采用磷脂脂肪酸法（PLFA）研究了2種水平（83.3和166.6 μg/kg干土）的二氯喹啉酸處理對淹水和不淹水的水田土壤微生物群落結構的影響，并采用PLFA主成分分析法（PCA）找到了2種水平處理的土壤微生物優勢種群，通過對土壤微生物生物量、細菌和真菌生物量以及土壤真菌/細菌比值的測定發現，二氯喹啉酸會使不淹水的水田土壤微生物群落穩定性下降，而對淹水水田生物群落穩定性無明顯干擾。楊彩宏等[29]在25℃暗培養條件下，通過向稻田土壤中施加不同含量的二氯喹啉酸分別探討在水旱條件下土壤酶活性及微生物群落的變化，結果表明：在淹水條件下土壤過氧化氫酶被激活的程度較大，而脲酶、脫氫酶和纖維素酶的活性均與對照的酶變化趨勢同步；在干旱條件下真菌生物量有所下降，二氯喹啉酸污染土壤PLFA總生物量與過氧化氫酶和脲酶呈顯著負相關，而與脫氫酶和纖維素酶呈一定的正相關。綜上可知，正常土壤施用量（0.67 mg/kg干土）的二氯喹啉酸對土壤微生物群落和土壤酶活性的影響較小，且影響是暫時的。

3 二氯喹啉酸的微生物降解研究進展

二氯喹啉酸性質穩定，在自然環境中很難降解，土壤中殘留時間長[30]，在稻田施用6個月后仍有相當多的二氯喹啉酸殘留[9]。光解和微生物降解是消除環境中二氯喹啉酸污染的2種主要途徑[5,31]，新興的基于硫酸根自由基(SO4-·)的高級氧化技術也能有效降解水體中二氯喹啉酸的殘留[32]。但光降解和高級氧化技術僅適用于水體和土壤表面[5,31-33]，對土壤中移動性能較強的二氯喹啉酸作用微弱[34]。基于微生物降解的生物修復對治理二氯喹啉酸的土壤污染是一種有效的途徑[35]。

3.1 具二氯喹啉酸降解功能的微生物種類

目前關于二氯喹啉酸高效降解微生物的研究主要集中在國內，已有研究者從二氯喹啉酸污染土壤和煙草根部分離出數株二氯喹啉酸高效降解菌。Lü等[36]從農藥廠土壤中分離到1株二氯喹啉酸降解菌WZ1，經鑒定為洋蔥伯克霍爾德菌屬。在優化條件下，WZ1能夠在11 d內將初始質量濃度為1 g/L的二氯喹啉酸降解至10%以下[37-38]。徐淑霞等[39]從污水處理池污泥中分離到1株博德特氏菌HN36，對初始質量濃度為0.4 g/L的二氯喹啉酸在48 h內的降解率為96%。董俊宇等[40]從經常施用二氯喹啉酸的土壤中分離到二氯喹啉酸降解菌株J3，經鑒定屬產堿桿菌屬，在適宜的條件下能將0.1 g/L二氯喹啉酸在7 d內降解70%。范俊等[41]從長期使用二氯喹啉酸的土壤中分離得到1株泛菌屬菌QC06，在優化條件下對初始質量濃度為0.05 g/L的二氯喹啉酸的7 d降解率為95.31%。張順等[42]從長期施用二氯喹啉酸的稻田土壤中分離到了1株二氯喹啉酸高效降解菌，經鑒定為節桿菌屬菌，并命名為MC-10，在該降解菌的最佳降解溫度30℃、最佳降解pH 7、最佳接種量5%條件下，二氯喹啉酸在10～100 mg/L初始質量濃度范圍內培養7 d，其降解率可達70%，即降解菌MC-10在土壤中對二氯喹啉酸同樣具有高效的降解效果。LIU等[33]從生長在二氯喹啉酸污染土壤中的煙草根部分離到1株內生二氯喹啉酸降解菌Q3，經鑒定為巨大芽孢桿菌，在溫度30℃、pH 8、接種量為6%的優化條件下，能將20 mg/L二氯喹啉酸在7 d內降解93.6%。由上述研究可以看出，目前分離到的具有二氯喹啉酸降解功能的微生物主要是細菌，降解率可達70%～96%。

3.2 微生物降解路徑和機制

細菌一般通過酶促反應降解農藥，即有機污染物進入細菌體后，在各種酶的作用下，經過復雜的生理生化反應，最終完全降解為分子質量較小的無毒或毒性較小的化合物[43]。

LI等[38]通過氣相色譜-質譜聯用技術（GC-MS）對二氯喹啉酸的代謝產物進行了分析，初步推測了二氯喹啉酸可能的降解途徑。菌株WZ1先通過脫羥酸反應將二氯喹啉酸轉化為3，7-二氯喹啉，再通過加氧環裂解作用形成一個中間過渡物，經過基團交換轉移等反應轉化成2-氯-1，6-苯二甲酸，然后通過鄰苯二甲酸雙加氧酶和氯鄰苯二酚1，2-雙加氧酶作用后最終進入三羧酸循環，完成降解過程[38]。LIU等[33]用液相色譜-質譜/質譜聯用（LC-MS/MS）分析檢測發現，經微生物降解菌Q3作用后，二氯喹啉酸的代謝產物為3，7-二氯-8-甲基-喹啉、3-氯-8-喹啉-羧酸和8-喹啉-羧酸；基于不同于LI等[38]的研究結果，推測Q3對二氯喹啉酸的降解可能是2種路徑的共同作用：一種可能是二氯喹啉酸發生脫羧反應，另一種可能是脫氯反應。由于缺少降解產物的標準品和產物分離純化方法，研究者未能對降解產物進行定量分析。

作為一種結構相對簡單的典型有機氯化物，對二氯喹啉酸生物降解機制的研究能為探究其他具有類似乃至更加復雜結構的有機污染物的生物降解機制提供一定的參考，為探索復雜有機污染物降解新途徑、構建多功能有機污染物降解工程菌種奠定基礎。此外，由于二氯喹啉酸與一些抗生素如喹諾酮類藥物（諾氟沙星、氧氟沙星等）不但結構相似，而且都具有氧化還原活性，研究降解菌株在二氯喹啉酸脅迫下的生理變化，對闡明菌株的抗藥性機制具有積極的參考價值。同時，對于將相關菌株更加安全地運用于環境生物修復乃至人類疾病防治以及環境衛生技術方面均有積極意義。

3.3 微生物降解的影響因素

溫度和濕度是微生物降解土壤中二氯喹啉酸的主要影響因素。通常在一定的范圍內，隨著溫度和濕度的增加，二氯喹啉酸在土壤中的降解會加快。但溫度過高或濕度過大則會降低微生物的降解效果。HILL等[30]研究發現，溫度和濕度主要通過影響土壤微生物和酶的活性，進而影響微生物分解化合物的速度。目前篩選得到的二氯喹啉酸降解菌株在25～38℃溫度范圍內和自然環境濕度下都有較好的降解效果[33,39-42]。

pH值主要通過2個方面影響二氯喹啉酸的微生物降解。一方面，二氯喹啉酸呈弱酸性，在偏堿性土壤中解離度較大，較易被降解；另一方面，土壤pH值對于土壤微生物種群類別和數量有直接的影響，從而對二氯喹啉酸的微生物降解效果產生較大的影響。研究者目前所篩選出的二氯喹啉酸降解菌的最適降解pH值大多為7[39-42]，Q3菌株的最適降解pH值是8[33]。

除土壤pH、溫濕度等影響因素外，土壤有機質含量、土壤質地類型和土壤通透性能等因素也會對二氯喹啉酸的微生物降解產生重要影響[44-45]。豐富的土壤有機質對微生物生存區域微環境的改善有著積極影響。SHAW等[46]研究表明，根際環境中微生物降解作用增強與根際分泌物和根際碎葉的腐殖化有關。

4 結論與展望

二氯喹啉酸作為一種國內外廣泛使用的稻田除稗劑，全面系統地了解其生態效應、主要降解途徑與機制，對防止其經農田水流、地表徑流以及淋溶下滲等途徑進入地表和地下水體，造成農業面源污染具有重要意義。二氯喹啉酸在土壤中不易光解和水解，主要依靠相關微生物和酶類對其進行降解。為探明土壤微生物降解及礦化二氯喹啉酸的復雜生理生化過程，揭示其分子生物學機制，今后的工作應從以下幾個方面著手：1）微生物對二氯喹啉酸的降解機制至今尚不清楚，應利用當前先進的分子生物學技術和質譜聯用技術從分子生物學層面研究其機制，通過遺傳工程構建二氯喹啉酸高效降解菌劑；2）已有報道均只是單一菌株對二氯喹啉酸的降解性能和降解機制研究，然而在大田中有機物的微生物降解大多是在復合菌株的共同參與下完成的，因此，有關多種降解菌株的復合降解有待進一步研究；3）當前研究者分離到的細菌菌株在室內模擬環境下均對二氯喹啉酸有很好的降解效果，但投放到復雜的田間環境中的實際降解效果有待驗證。

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