趙 葉 子 陳 智 坤 王 錚 等 擬 除 蟲 菊 酯 類 農 藥 的 微 生 物 降 解 及 其 機 制 研 究 進 展 江 蘇 農 業(yè) 科 學 擬 除 蟲 菊 酯 類 農 藥 的 微 生 物 降 解 及 其 機 制 研 究 進 展 趙葉子 陳智坤 王 錚 吳 桐 張穎萍 徐 倩 西安科技大學地質與環(huán)境學院 陜西西安 陜西省西安植物園 陜西省植物研究所 陜西西安 陜西省科學院土壤資源與生物技術應用重點實驗室 陜西西安 摘要 擬除蟲菊酯被認為是有機磷農藥的安全替代品 因此當有機磷農藥被禁限使用時 其應用顯著增加 目前 擬除蟲菊酯銷量約占世界殺蟲劑總額的 這類農藥的長期 廣泛使用既帶來了經濟效益 也造成了環(huán)境污染 危 害人類及其他非靶標生物 針對這一問題 已開發(fā)出多項修復技術 其中微生物法高效環(huán)保 成本低廉 已成為修復擬 除蟲菊酯污染的最優(yōu)方法 筆者綜述了最新分離的擬除蟲菊酯降解菌株及其特性 擬除蟲菊酯降解酶及其基因 擬除 蟲菊酯及其代謝產物 間苯氧基苯甲酸等 的降解途徑 此外 還提出了擬除蟲菊酯類農藥微生物降解研究的發(fā)展趨 勢和需要進一步解決的問題 關鍵詞 擬除蟲菊酯 微生物降解 降解酶 降解途徑 間苯氧基苯甲酸 中圖分類號 文獻標志碼 文章編號 收稿日期 基金項目 西安市科技局項目 編號 作者簡介 趙葉子 女 陜西西安人 碩士研究生 主要從事 微生物有機污染修復研究 通信作者 王 錚 博士 副教授 主要從事環(huán)境評價與水處理研究 擬除蟲菊酯類農藥是人工合成的天然除蟲菊 酯的類似物 根據(jù)擬除蟲菊酯分子中是否含有氰 基 將其分為 型和 型 型具有氰基及更強的 毒性 擬除蟲菊酯通過開放鈉離子通道 實現(xiàn)殺蟲目 的 因其高效的殺蟲能力 使其在農林業(yè)生產中 發(fā)揮重要作用 隨著該類農藥的大范圍大量使 用 其負面影響被不斷報道 擬除蟲菊酯及其代謝 產物在環(huán)境及人體尿液 母乳中普遍檢出 其對人 體神經系統(tǒng) 生殖系統(tǒng)造成干擾 可能引起血液癌 癥 氧化應激及 損傷等危害已被證實 因此 世界各國都制定了農產品中擬除蟲菊酯類農 藥殘留的限定標準 針對此環(huán)境問題 微生物降解是一種環(huán)境及經 濟友好的修復技術 目前研究者已在實驗室獲得大 量研究成果 對這些研究成果的梳理 將有助于農 藥微生物降解技術的進一步發(fā)展和應用 本文綜述了已分離的擬除蟲菊酯降解菌株 及 其生理生化特性 關鍵功能基因和酶 擬除蟲菊酯 降解途徑 并重點關注了其代謝產物間苯氧基苯甲 酸 簡稱 等的降解 以 期為擬除蟲菊酯的安全利用與污染修復提供參考 降解菌株及其生理生化 降解特性 微生物可將有機污染物降解成更具安全性的 產物 甚至完全礦化 廣泛應用于環(huán)境污染物的降 解中 等最初描述了芐氯菊酯在土壤 中的降解 年 等從來自污水處理 廠的樣品中首次得到了能夠有效降解擬除蟲菊酯 的菌株 共得到 個菌株 分別為熒光假單胞菌 無色桿菌屬 蠟樣芽孢桿菌 自此 大量可以有效降解擬除蟲 菊酯的菌種被篩選鑒定 這些菌種大都能以某種 擬除蟲菊酯作為唯一碳源 進行生長代謝 筆者共 整理了來自 個不同菌屬的擬除蟲菊酯降解菌 包 括細菌 個菌屬 真菌 個菌屬 放線菌 個菌 屬 其生理生化 降解特性等詳細信息見表 所有 菌屬中 芽孢桿菌屬 蒼白桿菌屬 假單胞菌屬 沙雷氏 菌屬 及鏈霉菌屬 包含了較 多菌株 大部分功能菌分離自污染環(huán)境 如污染土 壤 污水 活性污泥等 亦有以茶葉 酒曲 動植物 體 甚至來自大西洋的海綿等作為分離源的報 道 絕大多數(shù)菌株在溫和環(huán)境 值 左右 中有較高活性 受益于擬除蟲菊酯結 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 構的相似性 篩選所得的菌株 往往具有對擬除蟲 菊酯類農藥降解的廣譜性 如乙酸鈣不動桿菌 類短短芽孢 桿菌 小鏈小桿菌 屬 等 具有廣譜 高效 高耐受性 降解徹底特性的菌 株是研究者期待獲得的菌株 虞云龍等分離得到 具有農藥降解廣譜性的菌株產堿菌屬 能夠同時降解部分擬除蟲菊酯和一硫代 磷酸酯 陳銳等篩選出的草酸青霉 可在 內降解 的氯氰菊 酯 初始濃度 具有較為突出的降解速 率 等從土壤中分離出的 可耐受濃度高達 的甲氰菊酯 能有效降解 種擬除蟲菊酯 并在土壤修復中取得 較好的效果 證明了其實際應用潛力 該研究組 之后分離得到的菌株蘇云金芽孢桿菌 黃 褐 假 單 胞 菌 亦有廣譜 耐受性強及 降解效果好的特點 其中 對于 具有很好的降解效果 研究者 通過構建復合菌系協(xié)同降解的方式使礦化更為徹 底 等將地衣芽孢桿菌 和米曲霉 共同培養(yǎng) 用于氯氰菊酯的降解 相較單一菌種的降解 提 高了礦化程度 擬除蟲菊酯具有 個手型中心 個立 體異構體 因此 菌株對于擬除蟲菊酯的降解顯 示出結構選擇性 等發(fā)現(xiàn)菌株弗氏耶爾森 菌 溫和氣單胞菌 在降解芐氯菊酯過程中 反式異構體相對順式異構體更易被降解 除去傳統(tǒng)的富集培養(yǎng)篩選法 研究者也通過構 建基因工程菌的方式獲取菌株 等設計載體 用于同時表達 個目的基因 在共表達載 體上克隆了黃桿菌屬 中的有機 磷水解酶基因 和來自尖音庫蚊 的酯酶基因 實現(xiàn)了單一微生物同時降解有機 磷 氨基甲酸酯和擬除蟲菊酯殺蟲劑的目的 為 復配農藥的同時降解提供了新思路 目前 所取得的成果多局限于實驗室 在實際 應用方面還缺少報道 構建具有優(yōu)越特性的基因 工程菌是值得探索的研究方向 表 降解擬除蟲菊酯的菌株基本信息 細菌屬 微生物 來源 降解環(huán)境 值 溫度 可降解擬除 蟲菊酯種類 降解時間 初始濃度 降解率 參考 文獻 無色桿菌屬 土壤和污泥 牛筋草 酸單胞菌屬 土壤 不動桿菌屬 污染土壤 污泥 土壤 與肺炎克雷伯氏菌 共培養(yǎng) 降解 氣單胞菌屬 污染物 順式異構體 反式異構體 半衰 期分別為 產堿菌屬 污泥 固氮弧菌屬 污泥 芽孢稈菌屬 土壤和污泥 污染環(huán)境 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 表 續(xù) 細菌屬 微生物 來源 降解環(huán)境 值 溫度 可降解擬除 蟲菊酯種類 降解時間 初始濃度 降解率 參考 文獻 污泥 污水和污泥 土壤 污染土壤 污泥 污泥 污染土壤 污染土壤 土壤和醬油曲 與 共培養(yǎng) 降解 土壤 與 共培養(yǎng) 降解 污染土壤 污水處理池 短芽孢桿菌屬 污染土壤 污泥 短桿菌屬 污泥 小鏈小桿菌屬 污染土壤 梭菌屬 污泥 產桿菌屬 污泥 歐文氏菌屬 污染物 順式異構體 反式異構體 半衰 期分別為 克雷伯菌屬 土壤 與 共培養(yǎng) 降解 庫特氏菌屬 污染土壤 賴氨酸芽孢桿菌屬 污泥 微球菌屬 污染土壤 蒼白桿菌屬 污染土壤 污泥 污染土壤 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 表 續(xù) 細菌屬 微生物 來源 降解環(huán)境 值 溫度 可降解擬除 蟲菊酯種類 降解時間 初始濃度 降解率 參考 文獻 污染土壤 假單胞菌屬 土壤和污泥 污染土壤 污泥 污染土壤 污染土壤 污染土壤 污泥 拉烏爾菌屬 污染土壤 沙雷氏菌屬 污泥 污泥 污染土壤 污染土壤 污染土壤 鞘脂菌屬 污泥 鞘氨醇單胞菌屬 污染土壤 污染土壤 中華根瘤菌屬 污染土壤 寡養(yǎng)單胞菌屬 污泥 污染物 耶爾 森氏菌屬 污染物 順式異構體 反式異構體 半衰 期分別為 真菌 枝頂孢屬 海綿 曲霉屬 污泥 土壤和醬油曲 與 共培養(yǎng) 降解 假絲酵母屬 污泥 枝孢屬 污泥 小克銀漢霉屬 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 表 續(xù) 細菌屬 微生物 來源 降解環(huán)境 值 溫度 可降解擬除 蟲菊酯種類 降解時間 初始濃度 降解率 參考 文獻 散囊菌屬 茯磚茶 鐮孢菌屬 污泥 海綿 污泥 植物 青霉素 土壤 平革菌屬 木霉屬 海綿 放線菌 戈登氏菌屬 污水處理池 諾卡氏菌屬 污染土壤 污染土壤 紅球菌屬 污染土壤 大曲 污泥 污染土壤 污泥 土壤 與 共培養(yǎng) 降解 鏈輪絲菌屬 污染土壤 污染土壤 污染土壤 注 芐氯菊酯 氯氰菊酯 丙烯菊酯 聯(lián)苯菊酯 三氟氯氰菊酯 溴氰菊酯 氰戊菊酯 甲氰菊酯 氟氯氰菊酯 苯醚 菊酯 高氰戊菊酯 表 同 降解擬除蟲菊酯的酶及基因 降解酶 在微生物降解有機污染物過程中 實際起作用 的是微生物體內的各種酶 降解酶往往比產生這 種酶的微生物細胞具有更強的抗逆性及降解效率 特別是在低農藥濃度條件下 早在 年 等通過層析技術從 中分 離獲得 種羧酸酯酶 命名為氯菊酯酶 并采用離子交換色譜法和凝膠過 濾色譜法進行純化 首次實現(xiàn)了通過無細胞的酶系 統(tǒng)降解擬除蟲菊酯 類似的 從黑曲霉 細胞提取物中提取純化的 新型擬除蟲菊酯水解酶 分子量為 值 等 電點 為 當溫度為 值為 時酶活 性最佳 該酶優(yōu)先降解對于哺乳動物更具毒害作用 的反式異構體擬除蟲菊酯 人肝臟羧酸酯酶也存在 這一特性 年至今 陸續(xù)有研究者對擬 除蟲菊酯降解酶進行純化 部分酶信息見表 多 為酯酶 其中大多數(shù)酶為胞內酶 而銅綠假單胞菌 降解氯氰菊酯過程 中起催化作用的氨肽酶是一種胞外酶 圖 描 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 述了表 所列部分酶之間的進化關系 作圖軟件為 蛋白質序列來自 年 等發(fā) 現(xiàn)漆酶參與了氯氰菊酯降解過程 這是首次發(fā)現(xiàn)漆 酶作用于擬除蟲菊酯降解 漆酶已被發(fā)現(xiàn)可用 于多種有機污染的環(huán)境修復 白腐菌是常見的漆酶 生產源 其在食用菌菌渣中也大量存在 這無疑 為菌渣的利用提供了新途徑 表 擬除蟲菊酯降解酶基本信息 酶 酶類型 來源 可降解擬除蟲 菊酯種類 降解環(huán)境 值 溫度 參考 文獻 氯菊酯酶 酯酶 擬除蟲菊酯水解酶 酯酶 酯酶 酯酶 蔬菜土壤宏基因組 酯酶 鞘脂菌屬 酯酶 酯酶 吐魯番盆地宏基因組 酯酶 單氧酶 酯酶 氨肽酶 氨肽酶 酯酶 產黃假單胞菌 酯酶 毛豆腐宏基因組 酯酶 沼澤紅假單胞菌 酯酶 降解基因 隨著基因工程技術的進步 對于擬除蟲菊酯降 解酶的研究已發(fā)展到基因層面 年 等通 過構建基因文庫 從 中得到擬 除蟲菊酯水解酶基因 基因全長 編碼 個氨基酸 該酯酶不但可以降解擬除蟲菊酯 還 可以催化降解其他底物 如有機磷農藥 這是關于 擬除蟲菊酯降解基因的首次報道 等從擬除 蟲菊酯降解菌 的基因組文庫 中篩選并鑒定了關鍵的擬除蟲菊酯水解酶基因 該酶的 位于固定的五肽基序列 中 形成了一個凹形的活性中心 用于 氯氰菊酯的生物降解 這是酯酶的典型特征 絲 氨酸在酶的催化位點參與?；磻哂蓄愃频那?況 已在幾種擬除蟲菊酯水解酶中發(fā)現(xiàn) 如 和 隨著基因層面研究的深入 宏基因組技術作為 一種輔助工具幫助研究者更具方向性地達到科研 目的 等將甲基對硫磷降解基因 引入能 夠降解甲氰菊酯的菌株 的 染色體中 成功構建出能夠同時降解 種污染物的 菌株 目前此類研究成果相對有限 是未來期待 發(fā)展的方向 降解途徑 在不同報道中 擬除蟲菊酯降解途徑有相似 性 但在中間過程及產物方面存在差異 這些差異 可能是由于微生物的種類 擬除蟲菊酯的結構及培 養(yǎng)條件差異造成的 酯鍵的斷裂 擬除蟲菊酯微生物降解機制的核心部分是酯 鍵的斷裂 將原農藥分解為羧酸和醇 此步驟通 常為降解過程的的第 步 以 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 降解甲氰菊酯為例 酯鍵斷裂后甲氰菊酯分 解為間苯氧基氰基芐醇 和 四甲基環(huán)丙烷甲酸 圖 類似過程中 多數(shù)情況下含環(huán)丙烷基團的降解產物 為酸 含間苯氧基基團的產物為醇 也存在特殊情 況 如在 降解三氟氯氰菊酯過 程中 原農藥首先被分解為 四甲基環(huán)丙 烷甲醇和 氟代 苯氧基苯甲酸 圖 大多數(shù)微生物對擬除蟲菊酯的降解遵循上述 規(guī)律 也存在特例 如 降解氟氯氰菊酯過程中 第 步并非打開 酯鍵 常見代謝產物及其轉化關系 節(jié)相關降解案例中出現(xiàn)的 以及間 苯氧基芐醛 和 是擬除蟲菊酯降解過程中最常見的代謝物 相 比母體它們具有更強的毒性 如 半衰期 長達 具有雌性激素特性 是一種內分泌米 干擾物 對人體具有一定毒性 大多數(shù)擬除蟲菊酯降解過程中都會出現(xiàn)這些 常見的中間產物 特別是結構中包括間苯氧基基團 的擬除蟲菊酯 而氟氯氰菊酯 聯(lián)苯菊酯 丙烯菊酯 等不包括典型間苯氧基基團的擬除蟲菊酯在降解 過程中生成其他產物 但依然遵循酯鍵斷裂生成醇 和酸的規(guī)律 如 降解烯丙菊酯過程 中生成一個烯丙酮醇 聯(lián)苯菊酯的微生物降解過 程中 檢測到 甲基 聯(lián)苯甲醇 在擬除蟲菊酯代謝過程中 及 三者之間常常相互轉化 可氧 化 為 轉化 為 進一步氧化為 而 可將 轉化 為 在 降解目標物 過程中 可觀察到 與 的相互轉換 常見代謝產物的降解途徑 相比擬除蟲菊酯本身 針對其代謝產物如何降 解的研究較少 但此類研究同樣具有重要意義 其 中 被討論較多的代謝產物是 早期的相關研究僅限于細菌范疇 特別是 菌株 年 等首次分 離得到 株不能完全降解 的菌株類產堿假單 胞菌 并在后續(xù)研究中構建了基因工程菌 及 新菌株 同時具有降解氯酚的能力 亦有研究者進行了 及 等細菌菌屬針對 降解的研究 針對 降解的真菌領域研究起步較晚 首 次報道是在 年 袁懷瑜等篩選得到可在 內完全降解 的菌株 亦為 的 有效降解真菌菌株 其代謝產物包括苯酚和鄰苯二 酚 降解 的產物食 子酸為有毒代謝物 該菌株無法單獨代謝 加入 共培養(yǎng)可降解沒食子酸 實現(xiàn)無毒化 真菌中常有的木質素降解酶漆酶 和 也與 的降解相關 它們在食用菌 菌渣中被普遍檢測到 綜上所述 并非所有的擬除蟲菊酯降解研究均 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 實現(xiàn)了完全礦化 無毒化 構建復合菌系可以幫助 實現(xiàn)這一目標 結論與展望 隨著世界范圍內人們環(huán)保意識的增強 研究者 們就微生物修復農藥污染開展了大量研究 其中關 于擬除蟲菊酯的降解也取得了較好的研究成果 筆者主要從降解菌株 降解基因及酶 降解機制幾 個方面對擬除蟲菊酯類農藥的微生物降解的現(xiàn)有 研究進行了綜述 首次對涉及 個菌屬的擬除蟲 菊酯降解菌株信息進行了總結歸納 對擬除蟲菊酯 的降解基因及酶進行了信息總結 著重降解特性及 分類 通過對微生物降解擬除蟲菊酯的不同案例進 行歸納整理 總結出了擬除蟲菊酯降解途徑的一般 性規(guī)律 及可能存在的特殊情況 并著重分析了代 謝產物 的降解 較為全面地對 年至今的 相關研究成果進行了總結 現(xiàn)有研究成果為將來擬除蟲菊酯類農藥的降 解及微生物環(huán)境修復相關研究提供了思路 現(xiàn) 有的大量研究成果 為利用基因工程技術 人為構 建更為高效 廣譜 抗逆的基因工程菌提供了良好 基礎 構建多功能復合菌系 是以較低成本實現(xiàn) 高效礦化有機污染物的途徑 現(xiàn)有微生物降解擬除 蟲菊酯研究極少涉及這一領域 土壤環(huán)境降解 的研究有利于克服實際應用過程中的復雜環(huán)境因 素 現(xiàn)有研究在土壤環(huán)境降解研究方面較為薄弱 擬除蟲菊酯的常見代謝產物 等 具有相比 原農藥更強的毒性及半衰期 但針對性的環(huán)境修復 研究較少 此類研究具有重要意義 隨著萃取技 術的優(yōu)化 低抗性 易降解的天然除蟲菊酯大量應 用具有了可行性 推進此過程或開發(fā)更為高效 環(huán)保的新型菊酯 并進行相關微生物降解研究 亦 有利于降低擬除蟲菊酯造成的環(huán)境負擔 參考文獻 夏曉華 張林霞 司松波 等 高效氯氟氰菊酯對泥鰍的急性毒 性及生理毒性 江蘇農業(yè)科學 國家衛(wèi)生健康委員會 中華人民共和國農業(yè)農村部 國家市場 監(jiān)督管理總局 食品安全國家標準 食品中農藥最大殘留限 量 北京 中國標準出版社 孫麗娜 黃開華 高新華 等 具氯氰菊酯降解功能的植物內生 細菌分離鑒定及降解特性研究 農業(yè)環(huán)境科學學報 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 王若瑜 曹 明 陳晶瑜 大曲中氯氟氰菊酯降解菌的分離篩選 及特性研究 中國釀造 虞云龍 宋鳳鳴 鄭 重 等 一株廣譜性農藥降解菌 的分離與鑒定 浙江農業(yè)大學學報 陳 銳 瞿 佳 孫曉宇 等 氯氰菊酯降解菌草酸青霉 分 離鑒定及降解特性 生物技術通報 張亞杰 李劭彤 李朝陽 等 菊酯農藥微生物降解的異構體選 擇性特征 江蘇農業(yè)科學 黃文文 劉晶晶 葉美玲 等 甲氰菊酯降解菌 的分離鑒 定及講解特性 西北農林科技大學學報 自然科學版 蘇宏南 陳切希 趙甲元 等 微生物共培養(yǎng)降解 氯氰菊酯 的適宜條件 食品與發(fā)酵工業(yè) 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 廖 敏 張海軍 謝曉梅 擬除蟲菊酯類農藥殘留降解菌產氣腸 桿菌的分離 鑒定及降解特性研究 環(huán)境科學 張松柏 張德詠 羅香文 等 一株高效降解氯氰菊酯細菌的分離 鑒定及降解特性 中國農學通報 崔志峰 汪 華 王渭霞 等 氯氰菊酯降解菌 的分離 鑒定及降解特性研究 環(huán)境污染與防治 秦 坤 朱魯生 王金花 氯氰菊酯降解真菌的篩選及其降解特 性研究 環(huán)境工程學報 張久剛 閆艷春 一株氯氰菊酯降解菌 和 的系統(tǒng)發(fā)育分析 生物信息學 張玲玲 崔德杰 洪永聰 等 氯氰菊酯降解放線菌的分離與篩選 青島農業(yè)大學學報 自然科學版 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 袁懷瑜 黑曲霉 降解氯氰菊酯及 苯氧基苯甲酸特性 和途徑的初步研究 雅安 四川農業(yè)大學 徐 冉 魏 寧 黃 虹 等 天然除蟲菊酯與擬除蟲菊酯的對 比及發(fā)展建議 環(huán)境污染與防治 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期