有機(jī)磷農(nóng)藥的微生物降解技術(shù)

劉一帆(蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

有機(jī)磷農(nóng)藥是我國(guó)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中曾經(jīng)廣泛使用的環(huán)境殺蟲(chóng)劑，其由于殺蟲(chóng)效果明顯且廣譜的優(yōu)點(diǎn)受到了人們的歡迎，在發(fā)展過(guò)程中逐漸取代了有機(jī)氯農(nóng)藥。但在這種農(nóng)藥大范圍應(yīng)用的過(guò)程中，其對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響也日漸突出，在水體和土壤環(huán)境當(dāng)中殘留的有機(jī)磷農(nóng)藥在物理遷移和化學(xué)轉(zhuǎn)化之后，會(huì)逐漸隨著食物鏈進(jìn)入人體和其他生物體內(nèi)產(chǎn)生影響。

1 有機(jī)磷農(nóng)藥的微生物降解概述

作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)每年由于有害昆蟲(chóng)、雜草等病原微生物造成的平均損失能夠達(dá)到25%。化學(xué)防治手法通常是農(nóng)民的首選，主要原因在于這種防治方式具有藥品種類多、藥效好且見(jiàn)效快的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)應(yīng)用范圍很廣，適用于大部分農(nóng)作物和蟲(chóng)害防治。大量使用有機(jī)磷農(nóng)藥在保障病害殺滅率，提升糧食產(chǎn)量的同時(shí)也導(dǎo)致了比較嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。

有機(jī)磷農(nóng)藥降解技術(shù)屬于解決農(nóng)藥對(duì)食物和環(huán)境污染的主要途徑，當(dāng)下可用的方法有很多，即化學(xué)降解、物理降解和生物降解等。傳統(tǒng)的化學(xué)和物理降解效果較高，其明顯的弊端就是需要投入較高成本，且使用不當(dāng)很容易產(chǎn)生二次污染。在此種技術(shù)的處理下，有機(jī)磷農(nóng)藥最終會(huì)降解為水、二氧化碳等低環(huán)境負(fù)擔(dān)物質(zhì)，不僅成本低，且對(duì)環(huán)境也不會(huì)產(chǎn)生二次污染。

2 降解有機(jī)磷農(nóng)藥的微生物分類

最早在受到有機(jī)磷農(nóng)藥污染的土壤當(dāng)中，分離出的微生物是黃桿菌，這種微生物能夠?qū)α颉⒘桩a(chǎn)生明顯的降解作用，這種微生物也是最初發(fā)現(xiàn)的降解菌。后續(xù)又有技術(shù)人員在受有機(jī)磷農(nóng)藥污染的土壤當(dāng)中分離出了假單胞桿菌，同樣對(duì)硫、磷有明顯的降解作用。到目前為止，在自燃環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的能有機(jī)磷農(nóng)藥降解微生物包括細(xì)菌、真菌等種類已經(jīng)十分繁多，其中應(yīng)用率最高的有黃桿菌屬、芽孢桿菌等。需要注意的是，一般情況下在自然界中分離出來(lái)的降解有機(jī)磷真菌數(shù)量較少，尤其是與細(xì)菌相比，但真菌對(duì)有機(jī)磷的降解效果要明顯優(yōu)于細(xì)菌，且遺傳形狀也比較穩(wěn)定，并不會(huì)由于傳代產(chǎn)生解磷活性降低的情況。

3 有機(jī)磷農(nóng)藥微生物降解途徑

微生物對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥的降解方式可以分為兩種，其中一種是與酶產(chǎn)生相互反應(yīng)達(dá)到降解目的，即將降解菌直接用于受污染土壤，在一系列酶促反應(yīng)之后，就能夠達(dá)到將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化分解成無(wú)毒物質(zhì)的目的，也就是常見(jiàn)的微生物降解農(nóng)業(yè)。另一種則是非酶促降解，指的是微生物自身活動(dòng)引發(fā)環(huán)境變化，間接達(dá)到降解有機(jī)磷農(nóng)藥的效果，常見(jiàn)的有礦化作用和生物濃縮等。

針對(duì)不同的作用方式，還可以將微生物的酶促降解劃分成三種，首先是部分微生物可以利用農(nóng)藥或者分子中的部分作用作為能源被微生物利用。其次是微生物能夠通過(guò)共生作用實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥的降解，需要注意的是一旦遇到結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的農(nóng)藥，就需要依靠?jī)煞N以上微生物共同產(chǎn)生作用達(dá)到降解目的。最后是部分微生物會(huì)在保護(hù)自身的過(guò)程中降解有機(jī)磷農(nóng)藥，常見(jiàn)的有機(jī)磷農(nóng)藥當(dāng)中含有磷酸三酯，磷在于雙鍵和氧或者硫相互結(jié)合達(dá)到降解目的。簡(jiǎn)單講就是若農(nóng)藥當(dāng)中的磷酯鍵水解，則有機(jī)磷農(nóng)藥的污染性和毒性都能夠得到大幅度降低[1]。

4 有機(jī)磷農(nóng)藥的微生物降解技術(shù)

4.1 降解菌種類

當(dāng)下人們分離出的能夠?qū)τ袡C(jī)磷農(nóng)藥產(chǎn)生降解作用的微生物菌群已經(jīng)有很多，且可選種類也十分多樣。

眾所周知，細(xì)菌適應(yīng)性很強(qiáng)，且有可能在降解過(guò)程中誘發(fā)突變菌株，因此在微生物降解工作當(dāng)中受到的重視程度始終很高。至今為止已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)和分離出的細(xì)菌主要由假單胞菌屬、不動(dòng)桿菌屬、沙雷氏菌屬等。

真菌的主要優(yōu)勢(shì)在于降解能力很強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中也比較常見(jiàn)，常用的有曲霉屬、木霉屬等。我國(guó)曾有技術(shù)人員在長(zhǎng)期搖床馴化培養(yǎng)過(guò)程中，從受到有機(jī)磷農(nóng)藥污染的土壤當(dāng)中篩選出了能夠在高濃度氧化環(huán)境當(dāng)中正常生長(zhǎng)的曲霉菌株。這種菌株在28 ℃高濃度氧化樂(lè)果環(huán)境下對(duì)有機(jī)磷的降解率能夠達(dá)到70%左右。

除上述內(nèi)容外，部分藻類也能夠?qū)τ袡C(jī)磷農(nóng)藥產(chǎn)生良好的降解作用，如小球綠藻屬就能夠?qū)α蛄缀图装枇椎扔袡C(jī)磷種類產(chǎn)生明顯的降解效果。

4.2 降解菌來(lái)源

我國(guó)當(dāng)下獲得能夠?qū)τ袡C(jī)磷農(nóng)藥產(chǎn)生反應(yīng)的微生物途徑主要有三種：首先是在已經(jīng)受到有機(jī)磷農(nóng)藥污染的土壤、水體和污水處理廠當(dāng)中，采取合理手段篩選、馴化、富集以及分離，就能夠得到有效降解有機(jī)磷農(nóng)藥的菌株。具體篩選方式可以研究人員的日常工作為例。如：某研究人員使用室內(nèi)培養(yǎng)的方法在含有樂(lè)果的土壤當(dāng)中分離出了能夠在高濃度樂(lè)果中生長(zhǎng)，甚至能夠?qū)?lè)果作為碳源的銅綠假單胞菌株，實(shí)驗(yàn)表明這一菌株對(duì)樂(lè)果的平均降解量能夠達(dá)到1 306.33 mg/L·60 h。另一研究人員在正常土壤當(dāng)中也分離出了頭狀葡萄球菌和糞產(chǎn)堿菌，這兩種菌株在甲胺磷濃度500 mg/L，30 ℃環(huán)境下，180 r/min的搖床上培養(yǎng)了72 h，最終檢測(cè)發(fā)現(xiàn)對(duì)甲胺磷的降解效果能夠分別達(dá)到58.49%和65.80%，效果較好。再如：某研究團(tuán)隊(duì)從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水當(dāng)中分離出了以馬拉硫磷作為碳源和磷源的細(xì)菌共五株，其中四株屬于產(chǎn)氣腸桿菌，一株是蘇云金芽孢桿菌[2]。

其次是定向培育優(yōu)良菌種的方式，這也是近年來(lái)我國(guó)的重點(diǎn)研究方向之一。這種方式就是在人為影響下多次施藥，最終在土壤當(dāng)中培育分離出能夠降解有機(jī)磷農(nóng)藥的微生物，具體可以研究人員的日常工作為例。如：某工作人員使用受到甲胺磷污染的廢水，分離出細(xì)菌樣品，最終找出了能夠?qū)⒓装妨鬃鳛槲ㄒ惶荚磳?shí)現(xiàn)降解的巨大芽孢桿菌。經(jīng)過(guò)氣相色譜檢驗(yàn)之后，研究人員發(fā)現(xiàn)這一菌株對(duì)甲胺磷的降解效果十分明顯，在48 h和96 h內(nèi)分別能夠達(dá)到49.24%和98.20%的降解率，效果良好，在使用時(shí)注意延長(zhǎng)時(shí)間即可。

最后是通過(guò)化學(xué)誘變劑獲取新的降解菌株，依舊以研究人員的工作過(guò)程為例，某研究人員在紫外誘變育種的技術(shù)輔助下，在假單胞菌當(dāng)中篩選出了S-232。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，S-232在30 ℃，同時(shí)搖床220 r/min的環(huán)境下靜置6 d，對(duì)甲胺磷的降解率能夠達(dá)到74%，和假單胞菌的降解率相比有所提高。

4.3 微生物降解機(jī)理

微生物對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥的降解方式具體分為兩種，一種是將微生物直接作用于有機(jī)磷農(nóng)藥，本質(zhì)上就是粗沒(méi)反應(yīng)，具有氧化、還原、水解等作用，需要使用本身就含有能夠降解有機(jī)磷的酶系基因。雖然微生物原本沒(méi)有能夠降解有機(jī)磷農(nóng)藥的酶系，但在農(nóng)藥的影響下，微生物自身的基因逐漸產(chǎn)生改變，形成了新的降解酶系。如：某次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌產(chǎn)生的磷酸酯酶能夠打開(kāi)P=S鍵。實(shí)驗(yàn)小組中的研究成員也分離出了能夠在不同程度上大段甲胺磷P=N、P=S和P=O鍵的菌株，并能夠?qū)⑵渫耆D(zhuǎn)化，最終成為PO43-。

在分離到的抗輻射不動(dòng)桿菌降解甲基對(duì)硫磷的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，整個(gè)反應(yīng)降解過(guò)程都不產(chǎn)生中間產(chǎn)物，因此他認(rèn)為這種不動(dòng)桿菌USTB-04能夠促使苯環(huán)上的C-C鍵斷裂，并不是直接作用于P=O鍵。

另一種是指微生物活動(dòng)能夠改變環(huán)境功能，從而產(chǎn)生降解有機(jī)磷農(nóng)藥的效果。常見(jiàn)的有三種方式，第一是礦化作用。如某研究人員使用長(zhǎng)期使用“毒死蜱”土壤進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)DLL-1能夠在24 h之內(nèi)完全降解100 mg/L的毒死蜱，效果極好。第二是共代謝作用。如某研究人員用菌株L3，以共代謝的方式降解樂(lè)果，結(jié)果顯示，在120 h內(nèi)對(duì)了過(guò)的降解率在29.9%，有一定效果。第三是種間協(xié)同代謝，即在同一環(huán)境當(dāng)中，多種微生物聯(lián)合對(duì)某種有機(jī)磷農(nóng)藥產(chǎn)生降解作用，常用的方式是培養(yǎng)混合菌。

4.4 微生物降解廣譜性

當(dāng)前已經(jīng)有研究結(jié)果顯示，一種有機(jī)磷農(nóng)藥可以被多種微生物降解。且我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常用的有機(jī)磷農(nóng)藥結(jié)構(gòu)基本相同，因此大部分微生物都能夠?qū)Χ喾N農(nóng)藥達(dá)到降解效果。

需要注意的是有機(jī)磷農(nóng)藥的種類繁多，通常不會(huì)在環(huán)境中單獨(dú)存在，因此尋找廣譜性降解有機(jī)磷農(nóng)藥的微生物菌群是未來(lái)相關(guān)研究的主要方向之一。

如節(jié)桿菌B-5具有降解異唑磷、毒死蜱、苯硫磷等多種有機(jī)磷農(nóng)藥的效果，具體速度會(huì)根據(jù)底物不同產(chǎn)生變化。這種節(jié)桿菌對(duì)異唑磷的降解效果最好，能夠在1 h內(nèi)使10 mg/L的異唑磷完全降解。

5 結(jié)語(yǔ)

微生物降解有機(jī)磷農(nóng)藥的應(yīng)用前景十分廣泛，但當(dāng)下產(chǎn)生的研究成果大部分是在實(shí)驗(yàn)室條件下完成的，后續(xù)工作的重點(diǎn)就是打破推廣局限性，同時(shí)將繼續(xù)研究的重點(diǎn)集中在尋找高效降解有機(jī)磷的菌種以及提高降解效率。因此，有機(jī)磷農(nóng)藥微生物降解技術(shù)的商品化和普及是該技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。