魏語(yǔ)寧，劉春光，付海燕,4，吳 桐，宋福強(qiáng)，馬玉堃，楊峰山

（1黑龍江大學(xué)農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心，哈爾濱 150500；2黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江省寒地生態(tài)修復(fù)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080；3黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江省普通高校分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080；4東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040）

0 引言

中國(guó)農(nóng)業(yè)有害生物防控目前仍以化學(xué)農(nóng)藥應(yīng)用為主，常用種類為有機(jī)磷類、氨基甲酸酯類、有機(jī)氯類、擬除蟲菊酯類、酰胺類等[1]，其中有機(jī)磷類農(nóng)藥1950年由美國(guó)氰胺化學(xué)公司研發(fā)低毒殺蟲劑馬拉硫磷并被使用以來(lái)，有機(jī)磷類農(nóng)藥的使用量已經(jīng)占全部農(nóng)藥用量的一半以上，隨著其使用量的增加，帶來(lái)的殘留污染也日益得到關(guān)注，目前研究有機(jī)磷類農(nóng)藥污染環(huán)境修復(fù)主要途徑有氧化降解、生物降解和光催化降解[2-3]，微生物降解由于所需要的能耗低，不易造成二次污染，成為科研人員關(guān)注熱點(diǎn)方向[4]。本文系統(tǒng)歸納總結(jié)了有機(jī)磷類農(nóng)藥降解微生物種類、降解機(jī)制、存在問(wèn)題，并提出微生物修復(fù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以期為該方向同類研究提供依據(jù)。

1 現(xiàn)狀

1.1 農(nóng)藥土壤污染現(xiàn)狀

農(nóng)藥的應(yīng)用可以有效防治病、蟲、草害，促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)，目前中國(guó)常規(guī)生產(chǎn)和應(yīng)用的各種農(nóng)藥品種有150多種[5]，年產(chǎn)量大于20萬(wàn)t，其中殺蟲劑占比為40%，除草劑占比為36.45%，殺菌劑和其他類農(nóng)藥分別約占22.13%和1.42%。但農(nóng)藥的超范圍以及過(guò)量施用，也很容易對(duì)環(huán)境造成影響，其中最為嚴(yán)重的就是土壤污染。目前研究結(jié)果表明農(nóng)藥在噴灑使用過(guò)程中只有10%～20%可以吸附在植物體表面，有80%～90%將最終進(jìn)入土壤，其中在土壤0～20 cm的表土層殘留的農(nóng)藥達(dá)到80%以上，目前已經(jīng)造成農(nóng)藥污染土壤達(dá)1600萬(wàn)hm2[6]，隨著農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，各類農(nóng)藥使用量和使用時(shí)間不斷累積，導(dǎo)致農(nóng)藥殘留愈加嚴(yán)重，呈現(xiàn)點(diǎn)-線-面的立體式空間污染態(tài)勢(shì)，而且農(nóng)藥對(duì)于土壤污染也存在較強(qiáng)的隱蔽性和滯后性，所以農(nóng)藥污染土壤的問(wèn)題也越來(lái)越受到重視。如何解決農(nóng)藥污染成為目前政府和科研工作者關(guān)注的問(wèn)題[7]。

1.2 有機(jī)磷類農(nóng)藥的使用現(xiàn)狀

馬拉硫磷最先研制應(yīng)用以來(lái)，國(guó)內(nèi)外農(nóng)藥公司隨后又相繼研發(fā)出敵百蟲、樂(lè)果、久效磷、氧化樂(lè)果、馬拉硫磷、毒死蜱等種類，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)有機(jī)磷類農(nóng)藥的年應(yīng)用量達(dá)到10萬(wàn)t，使用的有機(jī)磷類農(nóng)藥品種約為30種，而全世界使用有機(jī)磷類農(nóng)藥品種已超過(guò)百種[8]。所以不管在產(chǎn)量、品種的數(shù)量還是在市場(chǎng)占有率方面有機(jī)磷類農(nóng)藥都位居各類農(nóng)藥的前列[9]。由于有機(jī)磷類農(nóng)藥的大量使用和持續(xù)性污染，使其污染情況更受關(guān)注[10]。

1.3 有機(jī)磷類農(nóng)藥微生物修復(fù)研究進(jìn)展

1.3.1 有機(jī)磷類農(nóng)藥微生物降解機(jī)制 目前各類農(nóng)藥的生物修復(fù)主要包括微生物修復(fù)、植物修復(fù)和菌根修復(fù)等[11]，微生物修復(fù)是通過(guò)其自身的代謝活動(dòng)對(duì)周圍有毒有害物質(zhì)進(jìn)行降解和轉(zhuǎn)化，修復(fù)受破壞的生態(tài)環(huán)境，達(dá)到治理環(huán)境的目的。微生物修復(fù)方式分為原（異）位修復(fù)和原-異位聯(lián)合修復(fù)，用于修復(fù)的微生物分為土著微生物和外源微生物2種。微生物降解農(nóng)藥的作用方式可以分為兩大類，一是微生物直接作用于農(nóng)藥，通過(guò)酶促反應(yīng)降解農(nóng)藥，即微生物通過(guò)依靠氧化還原酶類、水解酶類、裂解酶類和轉(zhuǎn)移酶類直接作用于有機(jī)磷農(nóng)藥，使有機(jī)磷農(nóng)藥中的P-O鍵、P-S鍵、P-N鍵斷裂，達(dá)到降解有機(jī)磷農(nóng)藥的目標(biāo)，其降解形式主要有水解、合成、氧化、還原、脫氫、脫羧、脫鹵、縮合、異構(gòu)化等幾種類型[12-14]；二是非酶促反應(yīng)，它是通過(guò)微生物代謝活動(dòng)改變周圍的物理和化學(xué)環(huán)境從而間接作用于農(nóng)藥。降解機(jī)制研究分為3個(gè)階段，從初級(jí)降解使有機(jī)磷農(nóng)藥的母體結(jié)構(gòu)消失、特性發(fā)生變化，到次級(jí)降解使降解得到的產(chǎn)物不再導(dǎo)致環(huán)境污染。再到最終降解使有機(jī)磷類農(nóng)藥完全轉(zhuǎn)化為CO2、H2O等無(wú)機(jī)物[14]。

1.3.2 有機(jī)磷類農(nóng)藥降解微生物研究概況 國(guó)內(nèi)外對(duì)環(huán)境污染中殘留農(nóng)藥微生物降解研究始于20世紀(jì)40年代末[2]，隨后大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)能降解有機(jī)磷類農(nóng)藥的有細(xì)菌、真菌、藻類等[15]，這些微生物是從有機(jī)磷類農(nóng)藥污染的場(chǎng)地提取土壤樣品后直接篩選或者在實(shí)驗(yàn)室模擬外界存在有機(jī)磷污染的情況進(jìn)行富集培養(yǎng)、平板劃線等方式獲得[16-17]，之后對(duì)其進(jìn)行分離鑒定。本文系統(tǒng)總結(jié)近年有機(jī)磷類農(nóng)藥降解功能微生物種類及降解特性（表1），降解細(xì)菌菌屬種數(shù)最多，涉及20類，占比約為79%，假單胞菌屬和芽孢桿菌屬篩選鑒定菌種更為豐富，分別約占總細(xì)菌種類的26%和16%；部分真菌和藻類對(duì)有機(jī)磷類農(nóng)藥有降解作用。細(xì)菌能降解常用有機(jī)磷類農(nóng)藥種類有15種，而真菌和藻類能降解常用有機(jī)磷類農(nóng)藥的種類分別為9種和3種，許多菌屬表現(xiàn)對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥光譜降解特性。

表1 有機(jī)磷類農(nóng)藥降解功能微生物匯總表

2 存在的問(wèn)題

隨著政府、科研人員對(duì)生態(tài)環(huán)境日益關(guān)注，農(nóng)藥污染產(chǎn)生土壤退化、微生物群落結(jié)構(gòu)失衡、農(nóng)產(chǎn)品安全等問(wèn)題亟需解決，科技人員針對(duì)農(nóng)藥產(chǎn)生生態(tài)環(huán)境污染的修復(fù)提出許多新的解決思路和治理方法[52-56]。尤其有機(jī)磷類農(nóng)藥污染帶來(lái)的系列問(wèn)題，現(xiàn)有報(bào)道各種有機(jī)磷類農(nóng)藥污染的修復(fù)方法相比較而言，微生物修復(fù)技術(shù)可以完全降解該類農(nóng)藥，對(duì)環(huán)境造成二次污染影響小，而且目前篩選出的降解微生物種類也很豐富，有利于提高修復(fù)效率，該技術(shù)研究和應(yīng)用成為熱點(diǎn)方向之一。但是這些功能微生物由實(shí)驗(yàn)室研究到農(nóng)業(yè)環(huán)境應(yīng)用還有許多問(wèn)題需要深入探討，首先需要考慮環(huán)境因素影響，微生物融入土著微生物群落需要適宜環(huán)境條件，不同作物種類、不同耕作區(qū)域的溫度、濕度、pH、光源等因素均會(huì)對(duì)外源微生物定殖產(chǎn)生影響[56-58]；其次如何確保功能微生物優(yōu)先選擇有機(jī)磷類農(nóng)藥作為主要能量來(lái)源，微生物適應(yīng)性進(jìn)化產(chǎn)生優(yōu)先利用單糖繁殖特性，在其生存環(huán)境中由于由單糖、寡糖和多糖供應(yīng)條件下會(huì)屏蔽不易降解的農(nóng)藥，這也是很多在實(shí)驗(yàn)室降解特性高、降解農(nóng)藥譜廣的菌種資源在實(shí)踐應(yīng)用差的主要原因；第三功能微生物自身安全性評(píng)價(jià)以及對(duì)農(nóng)藥降解產(chǎn)物的毒性研究也需要長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)與分析，農(nóng)藥降解功能微生物種類需要是致病菌近源種，是否具有致病屬性和安全隱患需要系統(tǒng)研究，而且在增殖過(guò)程中產(chǎn)生的次生代謝物種類也很復(fù)雜，農(nóng)藥逐級(jí)降解產(chǎn)物種類和毒性都需要在未來(lái)的研究中予以解決。最后就是功能微生物如何在土壤環(huán)境的定殖以及與土著微生物共生問(wèn)題，任何特殊環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)由于長(zhǎng)期的適應(yīng)性進(jìn)化而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)平衡都具有一定的穩(wěn)定性，外源功能微生物進(jìn)入需要打破現(xiàn)有平衡，構(gòu)建新的群落結(jié)構(gòu)涉及復(fù)雜的微生物生態(tài)內(nèi)容，需要長(zhǎng)期系統(tǒng)的觀測(cè)和驗(yàn)證才能得到答案，而且土著微生物對(duì)施用外源微生物的降解功也會(huì)產(chǎn)生抑制作用[59]，未來(lái)功能微生物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用還需要深入研究。

續(xù)表1

3 展望

在今后的研究中，有機(jī)磷類農(nóng)藥污染的微生物修復(fù)應(yīng)從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)：首先菌株資源是農(nóng)藥生物修復(fù)的基礎(chǔ)，要不斷創(chuàng)新，通過(guò)多途徑、多方法分離和篩選具有高效降解有機(jī)磷類農(nóng)藥的新菌株，加速構(gòu)建高效有機(jī)磷類農(nóng)藥修復(fù)降解菌的種子庫(kù)。其次降解機(jī)制研究是農(nóng)藥修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的前提，要深入研究降解菌對(duì)有機(jī)磷類農(nóng)藥的降解分子機(jī)制，明確代謝中間產(chǎn)物及其對(duì)環(huán)境潛在影響，進(jìn)而利用功能菌株降解機(jī)制優(yōu)化降解效能，以達(dá)到更高的降解率。另外復(fù)合菌劑研發(fā)與應(yīng)用是促進(jìn)有機(jī)磷類農(nóng)藥降解的方向，通過(guò)不同具有協(xié)同效應(yīng)的菌系復(fù)配，綜合利用不同降解機(jī)制菌株，促進(jìn)對(duì)有機(jī)磷類農(nóng)藥的完全無(wú)害化高效降解。最后微生物固定技術(shù)是保障，通過(guò)微生物包埋和固定化，營(yíng)造降解功能微生物獨(dú)立的生存空間，同時(shí)包埋材料能夠?qū)⑼寥罋埩艮r(nóng)藥吸附到功能菌株周圍，促使功能微生物最大化利用農(nóng)藥作為能量來(lái)源，增加微生物持續(xù)降解效率。在不同的環(huán)境條件下也要將微生物修復(fù)技術(shù)與其他環(huán)境污染修復(fù)技術(shù)有效的聯(lián)合應(yīng)用，使其達(dá)到事半功倍的效果[60]。建立科學(xué)合理的微生物修復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系也是非常重要的。通過(guò)這些方面深入研究，將會(huì)推動(dòng)有機(jī)磷類農(nóng)藥微生物降解的研究進(jìn)入更高層次，同時(shí)也能為解決環(huán)境中有機(jī)磷類農(nóng)藥污染土壤的問(wèn)題奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。