韓亞超，尚巖巖（.阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生化工程學(xué)院 安徽阜陽 3603;.阜陽市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 安徽 阜陽 36000）

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磺酰脲類除草劑的應(yīng)用及受污染土壤的微生物修復(fù)進展

韓亞超1，尚巖巖2
（1.阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生化工程學(xué)院 安徽阜陽 236031;2.阜陽市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 安徽 阜陽 236000）

摘要：磺酰脲類除草劑的應(yīng)用為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提高效率降低成本的同時，其在土壤中的殘留及危害以及引起的環(huán)境污染問題日益受到人們的重視。尋找高效降解磺酰脲類除草劑的微生物，以修復(fù)受磺酰脲類除草劑污染的土壤，是人們研究的重點。

關(guān)鍵詞：磺酰脲類除草劑；降解；微生物修復(fù)；沼液

化學(xué)農(nóng)藥的應(yīng)用為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提高了效率，降低了成本，保證了作物產(chǎn)量，保障了糧食供給?；瘜W(xué)農(nóng)藥按用途和功能可分為殺蟲劑、殺菌劑、除草劑等三大類。根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，通常把除草劑分為有機磷類除草劑、氯代乙酰胺類除草劑和磺酰脲類除草劑等三大類[1]。有些除草劑由于具有致突變性，可能會對非目標(biāo)生物造成一定的危害；有些除草劑可能會從土壤中遷移進入地下水源，造成生活飲用水源的化學(xué)污染；還有部分除草劑雖然毒力不強，但長期殘留，對后茬農(nóng)作物產(chǎn)生慢性毒害，從而影響農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。因此除草劑在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化及降解等生態(tài)過程日益引起人們的重視。

磺酰脲類除草劑以其活性高、毒性低、用量少等特點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長期占有非常重要地位，作為高毒農(nóng)藥的理想替代品，已被世界各國廣泛使用。但是，由于磺酰脲類除草劑自然降解緩慢，對后茬農(nóng)作物具有一定的毒害作用，導(dǎo)致在種植后茬作物時發(fā)生減產(chǎn)減質(zhì)，直接影響農(nóng)民的收益。因此，消除使用磺酰脲類除草劑所造成的一系列生態(tài)環(huán)境問題，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)急需解決的重大問題之一。盡管磺酰脲類除草劑，在自然條件下可以發(fā)生水解或光解，但是這些自然降解速率過慢，不能有效消除磺酰脲類除草劑對生態(tài)環(huán)境造成的影響。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，某些微生物的代謝過程或是中間代謝產(chǎn)物具有加速降解環(huán)境中殘留的磺酰脲類除草劑的功效。因此，尋找、挖掘高效廣譜的微生物降解資源，對受污染的土壤進行微生物修復(fù)具有重要的經(jīng)濟、社會和生態(tài)意義。

1　磺酰脲類除草劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用

1.1磺酰脲類除草劑的發(fā)展

20世紀(jì)60年代，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)磺酰脲類化合物噴灑在農(nóng)田后，可一定程度抑制田間雜草生長，并且不會對農(nóng)作物產(chǎn)生較大的影響。美國杜邦化工于1976年首先研制出了第一種可用于小麥田間雜草防治的除草劑氯磺隆，并于1982年正式在美國農(nóng)業(yè)部注冊登記，通過大規(guī)模的生產(chǎn)推廣，收到良好的效益。繼美國杜邦化工之后，美國先正達公司、瑞士諾華公司，日本的武田株式會社等先后投入到磺酰脲類除草劑的研究與開發(fā)之中，經(jīng)過30多年的研究，目前已經(jīng)成功開發(fā)出如醚磺隆、煙嘧磺隆、氯嘧磺隆、芐嘧磺隆等一系列30多個商品化除草劑產(chǎn)品[3]。

1.2磺酰脲類除草劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用

近年來，隨著生態(tài)農(nóng)業(yè)的推廣與發(fā)展，高殘留、高毒性農(nóng)藥的使用逐步受到限制，因此磺酰脲類除草劑市場占有率逐年增長，其市場份額已經(jīng)超過其他各類除草劑，并且在今后一段時期內(nèi)，磺酰脲類除草劑的使用將保持較強增長勢頭[4]。磺酰脲類除草劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上主要用于水稻、小麥等主糧作物的田間雜草防治，以及甜菜、大豆、玉米等經(jīng)濟作物田間雜草的防治，可有效除去田間闊葉草、莎草、禾草等雜草，且防治效果良好。商品化磺酰脲類除草劑及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用見表1。

表1　目前已經(jīng)商品化的磺酰脲類除草劑及其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用Table1 Commecialized sulfonylurea herbicidesproductions

2　磺酰脲類除草劑在土壤中的殘留及危害

盡管磺酰脲類除草劑毒性較低，但是，長期大量使用磺酰脲類除草劑所造成的生態(tài)環(huán)境問題日益顯現(xiàn)。由于除草劑長時間疊加殘留在土壤中的，在種植后茬農(nóng)作物時，會對后茬作物產(chǎn)生一定程度的藥害，引起后茬農(nóng)作物減產(chǎn)減質(zhì)，直接影響農(nóng)戶的生產(chǎn)效益?；酋ｋ孱惓輨蟛缱魑锏乃幒ψ饔?，最早被發(fā)現(xiàn)是因長期大量施用氯磺隆除草對劑甜菜作物造成的大量減產(chǎn)。上世紀(jì)90年代，湖北棉花減產(chǎn)事件和安徽、江蘇、浙江等省份出現(xiàn)水稻大面積減產(chǎn)事件，均是由土壤中磺酰胺類除草劑嚴重超標(biāo)所致。近年來，農(nóng)民在使用除草劑時因為缺乏相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)，以及長期大量濫用磺酰脲類除草劑，導(dǎo)致的下茬農(nóng)作物受藥害造成減產(chǎn)事件時有發(fā)生。據(jù)報道，部分地區(qū)由于長期使用磺酰脲類除草劑，導(dǎo)致耕地變成“癌癥田”[5]，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來一定影響，并直接影響到了農(nóng)民的收益。這些地區(qū)的要想可持續(xù)發(fā)展，勢必調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，減少除草劑等農(nóng)藥的使用。

此外，磺酰脲類除草劑和其他化學(xué)農(nóng)藥一樣，可隨著降水滲透到地表和地下，從而對地下水體造成一定程度的污染。Struger等人在地表水中檢測出了高濃度的磺酰脲類除草劑[6]。在我國，由于磺酰脲類除草劑被長期、大量用于水稻、小麥、大豆、玉米等農(nóng)作物的田間除草，使得河流、湖泊等地表水和地下水被磺酰脲類除草劑污染，局部地區(qū)生活飲用水源也被污染，給人民群眾的身體健康造成一定程度的威脅。如何解決磺酰脲類除草劑的在土壤、水源等環(huán)境殘留污染問題，已經(jīng)擺在了人們的面前。

3　磺酰脲類除草劑的降解研究

由于磺酰脲類除草劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用存在諸多不足和弊端，那么磺酰脲類除草劑在自然生態(tài)下的降解問題就成為人們研究的一個熱點。綜合國內(nèi)外關(guān)于磺酰脲類除草劑的降解研究，目前主要有三種降解方式，即非酶化學(xué)水解、光照降解和微生物降解等方法。

3.1磺酰脲類除草劑的非酶水解研究

學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)甲磺隆非酶水解成芳基磺酰胺甲酸，再由芳基磺酰胺水解為磺酰胺和CO2。研究人員發(fā)現(xiàn)磺酰脲類除草劑非酶水解需在酸性或中性條件下進行，在堿性條件下磺酰脲類除草劑非常難被水解。李霞等人[7]研究表明，在酸性條件下pH3.0-5.0時，氯嘧磺隆極易發(fā)生水解，水解半衰期不足20 d，而在pH8.0~9.0時其半衰期則超過200 d。Strek等研究表明，芐嘧磺隆在pH5時，水解半衰期不足10 d，而在pH8時，水解半衰期超過400 d。此外，Oppong等人研究了溫度對磺酰脲類除草劑的非酶水解的影響，研究發(fā)現(xiàn)，30℃時，醚苯磺隆水解半衰期為10d，而10℃時超過30 d。由此可見，磺酰脲類除草劑非酶水解半衰期隨著環(huán)境溫度的升高而縮短，較高的溫度有利于磺酰脲類除草劑非酶水解。

3.2磺酰脲類除草劑的光降解研究

Veldhuis等人[8]將氯磺隆溶于甲醇之中，在紫外線的作用下研究其光解作用效果，研究發(fā)現(xiàn)，在紫外線的作用下，氯磺隆在水中能迅速光解。Coyner等人[9]通過實驗證實光降解產(chǎn)物由磺酰脲橋斷裂后產(chǎn)生的。王健等人[10]對磺酰脲類除草劑的光降解研究發(fā)現(xiàn)pH值的降低及溫度升高，有利于提高磺酰脲類除草劑的光降解效率。而司友斌[11]等研究發(fā)現(xiàn)，光照強度對磺酰脲類除草劑的光降解影響也較為明顯，且呈線性關(guān)系。Benzi等人[12]利用高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，測定了煙嘧磺隆光解產(chǎn)物，并推斷了其可能的光降解代謝途徑。

由于光照不能透過土壤，故利用光降解磺酰脲類除草劑，僅能發(fā)生在土壤淺表層，對于深層土壤中的磺酰脲類除草劑的光解作用較為有限。

4　微生物對磺酰脲類除草劑降解及受污染土壤的微生物修復(fù)

由于土壤中的磺酰脲類除草劑進行非酶水解受到土壤pH值和溫度等影響較大，導(dǎo)致依賴磺酰脲類除草劑的自然水解半衰期較長，而對于深層土壤中的磺酰脲類除草劑的光解作用又較為有限。很多研究人員把研究的重點放在了微生物的降解作用上。

4.1微生物降解磺酰脲類除草劑的主要途徑

目前，國內(nèi)外研究人員借助液相、氣相和質(zhì)譜等儀器對中間降解產(chǎn)物進行鑒定，由此來推測微生物降解磺酰脲類除草劑的主要途徑。就目前的報道來看主要有以下降解途徑。

4.1.1去酯化反應(yīng)

大量研究表明，磺酰脲類除草劑在羧酸酯酶的作用下發(fā)生去酯化反應(yīng)可能是磺酰脲類除草劑被微生物降解的重要途徑[13-14]。

4.1.2氧化反應(yīng)

有些降解菌株能夠通過自身產(chǎn)生的氧化酶類，使得磺酰脲類除草劑分子中的磺酰脲橋被氧化而發(fā)生斷裂。這些氧化酶主要包括FMO、PPO和CYP450等。2012年，Peng等人[15]對Streptomyces griseolus研究，結(jié)果表明該菌通過CYP450單加氧酶氧化磺酰脲橋從而使得磺酰脲類除草劑的被降解。2013年，宋金龍[16]對Talaromyces flavus LZM1進行研究，證實了該菌中的單加氧酶FMO也可氧化磺酰脲橋從而使得磺酰脲類除草劑被降解。

4.1.3水解反應(yīng)

Samah等人研究發(fā)現(xiàn)，Aspergillus nige能夠磺酰脲類除草劑分子中磺酰脲橋水解[17]。1990年，蘇少泉等人[18]通過實驗證實了土壤中的某些微生物能夠使含苯環(huán)的物質(zhì)降解為CO2，從而促進磺酰脲類除草劑分子中磺酰脲橋水解作用。Kerry Kulowsk等人研究發(fā)現(xiàn)Streptomyces griseolus可通過水解作用完全降解氟磺隆[1]。

4.2降解磺酰脲類除草劑的微生物資源開發(fā)

國內(nèi)外研究相關(guān)研究人員通過大量實驗從不同環(huán)境中分離、篩選獲得到可降解磺酰脲類除草劑的菌株，并對其降解機理和降解效率進行了研究，這些菌株包括大部分的細菌和一部分的真菌。

Joshi最早報道了三株可降解磺酰脲類除草劑的微生物Streptomyces griseolus，Aspergillus niger 和Penicillium sp.隨后國內(nèi)外很多研究人員對降解磺酰脲類除草劑的微生物進行了大量的分離和篩選工作，并取得了可喜的成果。

馬文漪等[19]從化工廠排污口的污泥中分離得到可降解甲磺隆除草劑的微生物Streptomyces griseolus。沈東升等[20]從浙江大學(xué)華家池潮土中分離分離得到一株高效降解甲磺隆的真菌F7，經(jīng)過鑒定為青霉屬（Penicillium sp.）。黃星等人[21]從生產(chǎn)甲磺隆的農(nóng)藥廠污泥中分離、篩選到一株能高效降解甲磺隆的細菌FLDA，經(jīng)鑒定為假單胞菌(Pseudomonas sp)該菌能在含甲磺隆(30 mg/L)的基礎(chǔ)鹽液體培養(yǎng)基中降解甲磺隆，5 d降解率達72.6%。邵勁松等[22]從長期施用綠磺隆的土壤中分離、篩選到一株假單胞菌(Xanthomonas sp) LHL-1，該菌株能高效降解綠磺隆。田爽和田方方等人[23]從長期受苯磺隆污染的土壤中，分離得到4株以苯磺隆為唯一碳源生長的細菌，分別命名為B1、B2、B3和B4，根據(jù)其生理生化特性及16SrDNA基因序列分析，鑒定菌株B1為銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa），B2為戴爾福特菌（Delftia sp.），B3為微桿菌（Microbacterium sp.），B4為產(chǎn)堿桿菌（Alcaligenes sp.）。

顧立鋒[24]從長期受胺苯磺隆污染的土壤中分離到1株高效降解胺苯磺隆的細菌SW4，經(jīng)培養(yǎng)特征、生理生化特征、16SrDNA基因系統(tǒng)發(fā)育分析等方法鑒定SW4為假單胞菌屬(Pseudomonas sp.)，該菌7 d對100 mg/L胺苯磺隆的降解率可以達到84.6%。鄒坤[25]從農(nóng)藥廠分離篩選出了一株對胺苯磺隆降解效果良好的真菌，命名為L5株，通過形態(tài)學(xué)、典型培養(yǎng)基培養(yǎng)、DNA-ITS序列片段分析和同源性比較，鑒定其為青霉菌(Penicillium sp.)。該菌5 d可使20 mg/L的胺苯磺隆降解92.87%。朱亞偉[5]從施用過芐嘧磺隆的水稻田中分離到一株芐嘧磺隆降解菌BH，通過對該菌進行的生理生化分析、BIOLOG碳源利用以及16SrDNA序列同源性比對后鑒定為短桿菌屬(Bervibacterium)。林曉燕[26]從施用磺酰脲類除草劑芐嘧磺隆的土壤中分離篩選出一株可高效降解芐嘧磺隆的菌株D5，經(jīng)形態(tài)觀察，生理生化分析、16SrDNA序列同源性比較和BIOLOG碳源利用分析，鑒定該菌株為巨大芽抱桿菌菌株(Bacillusmegaterium)，該菌不但可以高效降解芐嘧磺隆，還能較好降解綠磺隆、氯嘧磺隆和嘧磺隆等磺酰胺類除草劑。

由于氯嘧磺隆在磺酰脲類除草劑中使用最為廣泛，且自然狀態(tài)下降解非常緩慢，對降解氯嘧磺隆的研究也是最為深入的。關(guān)靚等人[27]從氯嘧磺隆馴化的土壤中分離1株大豆田除草劑氯嘧磺隆的高效降解細菌B1，根據(jù)其生理生化特性及16SrDNA基因序列分析比對，鑒定該菌株為枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)。滕春紅[28]等人以受氯嘧磺隆污染的土壤為樣本，從中分離篩選得到一株可高效降解氯嘧磺隆除草劑的真菌F8，經(jīng)鑒定F8為釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。F8在對10mg/L氯嘧磺隆的降解率可達93.07%，在氯嘧磺隆含量為20 μg/kg的土壤中接種F8后，氯嘧磺隆半衰期由對照的46.52 d縮短為15.03 d。劉艷等人[29]從受氯嘧磺隆污染的土壤中分離篩選得到1株可高效降解氯嘧磺隆的細菌L-6。經(jīng)鑒定菌株L-6為惡臭假單胞菌(Pseudomonas putida)。菌株L-6在最佳培養(yǎng)條件下，接種72 h后可使?jié)舛葹?00 mg/L的氯嘧磺隆降解率達到80%以上。姜巖[30]等人，從長期受氯嘧磺隆污染的土壤中分離出1株氯嘧磺隆降解菌株。通過生理生化、16SrDNA鑒定及高效液相色譜法，研究了其生理生化特性和降解特性。結(jié)果表明，該菌株為假單胞菌(Pseudomonas sp.)，該菌在30-35℃，pH5-6的最佳生長條件下，5%接種量，以100 mg/L的氯嘧磺隆為唯一氮源的培養(yǎng)基中培養(yǎng)5 d，其降解率達到80%以上。紀(jì)明山[31]等人為了解決大豆田除草劑氯嘧磺隆在土壤中殘留時間長的問題，為氯嘧磺隆污染的土壤的生物修復(fù)提供菌源，利用富集培養(yǎng)法，從多年受氯嘧磺隆污染的土壤中分離篩選得到1株能以氯嘧磺隆作為唯一氮源的細菌，命名SN10株。經(jīng)初步鑒定菌株SN10為蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)。宋艷宇[32]從沈陽化工研究院農(nóng)藥廠廢水排放口污泥中分離得到一株克雷伯氏菌（Klebsiella sp.），該菌株在最適培養(yǎng)條件下20 h，可使20 mg/L的氯嘧磺隆降解91.57%。

5　展望

綜上可知，微生物的降解作用是修復(fù)土壤受解磺酰脲類除草劑污染的最重要的方式，而大多數(shù)的研究人員都是從污染的土壤中分離獲得相關(guān)降解性能的微生物菌株，但是這些菌株的降解效率差別較大，且往往只能降解單一污染物，對于其他種類磺酰脲除草劑的降解作用研究較少。筆者認為，還需要從不同的環(huán)境中進一步篩選高效廣譜降解菌株，并研究菌株的降解機理與降解特性。加速修復(fù)受到磺酰脲類除草劑污染土壤，減少磺酰脲類除草劑殘留對后茬作物藥害。周珊[33]從窖泥、沼液等環(huán)境樣品中分離得到多株磺酰脲類除草劑降解菌株，其中Oceanisphaera菌屬的LAM-WHM-ZC株在8 d內(nèi)可使50 mg/L煙嘧磺隆降解83.8%。中國農(nóng)科院阮志勇[1]博士從沼液樣品中分離篩選得到數(shù)株具有降解磺酰脲類除草劑功能的細菌，菌株LAM0713 和LAM0618具有降解底物范圍最廣、醚磺隆降解效率最高等特點。經(jīng)BIOLOG生化分析、16SrDNA基因序列進化樹分析比對，鑒定結(jié)果為LAM0713 和LAM0618均歸屬于庫特氏屬（Kurthia sp）。這些發(fā)現(xiàn)對于綜合修復(fù)土壤受不同種類磺酰脲類除草劑的污染具有一定的意義。

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Application of Sulfonylurea Herbicides and Microbial Remediation Progress of Contaminated Soil

Han Ya-chao1, Shang Yan-yan2
(1. College of Biochemical Engineering, Fuyang Institute of Technology Fuyang, Anhui 236031 2. Product Quality Supervision and Inspection Institute Fuyang, Anhui 236000)

Abstract：Application of sulfonylurea herbicide has improved the efficiency of agricultural production and reduced the costs. However, the environmental pollution problems caused by the herbicide residues in the soil have increasingly brought people’s attention. Looking for microbe, which can be able to efficiently degrade the sulfonylurea herbicide and repair the pollution soil, has become the focus of the research field.

Key words:sulfonylurea herbicides; degradation; microbial remediation; biogas slurry

中圖分類號：Q938.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-4437（2016）02-0047-06

收稿日期：2016-02-06

基金項目：安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點項目（KJ2015A365）。

作者簡介：韓亞超(1978-)，男，安徽阜陽人，阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士。主要研究方向：應(yīng)用與環(huán)境微生物。