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微生物降解有机磷农药的研究进展
学号:
200624340127
本科生毕业论文（设计）
文献综述
题目:
微生物降解有机磷农药的研究进展
作者姓名:
熊薇
专业班级:
生物工程2006级01班
指导教师:
郑永良副教授
生命科学与工程学院
二零一零年元月
微生物降解有机磷农药的研究进展
熊薇
生命科学与工程学院生物工程专业200601班
摘要：
近年来有机磷农药的大量使用，尤其是不合理利用，给环境带来重大安全隐患，有机磷污染修复成为研究热点，土壤和水体中存在大量可降解有机磷农药的微生物类群，它们对农药的广泛降解性能被应用于多种污染修复实践。
本文概述了我国有机磷农药使用及农药残留现状、有机磷农药降解菌菌种类及其分离筛选和降解农药特性的研究进展。
关键词：
有机磷农药；微生物降解；农药残留；降解菌
目前，我国生产200多种农药，年产量近1000多万吨，其中有机磷农药生产约占总产量的80%。
其中作为当今农药中的主要类别的有机磷农药如甲胺磷、甲基对硫磷、对硫磷、甲基异柳磷、久效磷、乐果、氧化乐果、甲拌磷、杀扑磷等为代表的高毒、剧毒农药，一直在国内大量生产和广泛使用[1]。
有机磷农药（Organophosphate，简称OPs）是一类有机磷酸酯类化合物，它具有药效高﹑品种多﹑防治范围广﹑成本低﹑选择作用高﹑药害小﹑在环境中降解快﹑残毒低等优点[2]现今在世界范围内也广泛应用，有着极为重要的地位。
但其缺点是对人和畜毒性较高，常因使用保管不慎，发生中毒事件，并且化学农药的流失和残留会导致环境的污染。
本文对现有的有机磷农药种类、生物降解技术以及现有成果进行了系统的归纳和总结，并对有机磷农药生物降解的进一步研究提出合理的建议。
由于农药的使用范围和数量的不断增大以及农药不合理施用，已造成水体、土壤等环境的农药污染问题，大量的农药残留给人们的健康带来很大的伤害，有关有机磷农药残留和农药中毒事件屡见报道[3]。
另外农药残留超标使我国农产品出口受到一定的阻碍，还影响到其它相关产品的声誉，并成为某些发达国家设置绿色贸易壁垒的一种重要手段[4]，影响国家经济的可持续发展。
甚至情况如果继续恶化，将威胁到整个人类的可持续发展。
土壤微生物对有机磷农药的降解作用是治理农药污染的重要手段。
农药的微生物降解是指在微生物作用下使农药有效成份的结构发生改变，导致其化学及物理性质改变的过程，通过将其从大分子化合物降解为小分子化合物，最后降解为水与二氧化碳，实现对环境的无害化。
环境因子和农药本身的化学结构均影响微生物对农药的降解。
因此，了解有机磷农药的危害及其在环境中的降解过程及迁移转化，寻找降解残留有机磷农药[5]的方法，对除去其对人类生活的不利影响和保护环境是十分必要的。
由于微生物降解农药具有费用低、环境影响小、可最大程度降低污染物浓度等优点，因此加强有机磷农药生物降解的研究，解决有机磷农药对环境的污染问题，不仅是当今相关研究领域的热点，也是人类当前迫切需要解决的问题之一。
1有机磷农药的现状
1.1生产和使用现状
我国是一个农业大国，也是农药生产大国。
全国现有2000多家农药生产企业，生产约200多种农药。
目前，农药原药生产能力已达100多万吨，居世界第二位，仅次于美国。
据有关资料显示,2005年，我国农药总产量为103.9万吨，其中有机磷农药产品就占到总量的80%。
目前世界上生产的农药品种主要有420种，其中106种杀虫剂，106种除草剂，50种杀菌剂，以及植物生长调节剂和驱避剂，经常大量使用的有100多种。
在我国，广泛使用的有机磷农药也有30多种[6]，我国农药年使用量80-100万吨，居世界首位，常用农药有150-160种[7]。
有机磷农药品种有:
（1）杀虫剂有敌百虫、敌敌畏、乐果、氧乐果、对硫磷、甲基对硫磷、甲胺磷、久效磷、辛硫磷、水胺硫磷、杀螟硫磷、毒死蝉、甲基异柳磷、马拉硫磷、乙酞甲胺磷、丙溴磷、甲丙硫磷、特丁硫磷、甲拌磷；
（2）除草剂有草甘磷、莎稗磷；（3）杀菌剂有稻瘟净、异稻瘟净、甲基立枯磷、乙磷铝；（4）其他的如乙烯利、克线磷。
随着科技的发展和进步，在一定程度上，对农药的需求有所减少，但是有机磷农药在农业上的应用仍然占据着重要的地位。
1.2农药残留
农药残留是指农药使用后残存于生物体、农副产品和环境中的农药原体、有毒代谢物、降解物和杂质的总称。
农药残留是施用农药后的必然现象，但是如果超过最大残留限量，则会对人畜产生不良影响，或通过食物链对生态系统中的生物造成毒害。
据美国康奈尔大学介绍，全世界每年使用的400多万吨农药，实际发挥效能的仅1%，其余99%都散逸于土壤、空气及水体之中[8]。
环境中的农药在气象条件及生物作用下，在各环境要素间循环，造成农药在环境中重新分布，使其污染范围极大扩散，致使全球大气、水体（地表水、地下水）、土壤和生物体内都含有农药及其残留。
农药的发明和使用无疑大大提高了农作物的产量，但随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，农药残留对环境及人类健康造成的负面影响日益显露出来。
发展快速、灵敏、可靠和实用的环境中农药残留的分析技术及研究农药降解新方法，无疑是控制农药残留量，保护生态环境及人类健康的有效手段。
2农药降解菌的研究
2.1降解有机磷农药的主要微生物菌群
表1部分农药降解菌及其降解的农药种类[11-12]
微生物种类
农药名称
假单胞菌属（Pseudomonas）
甲胺磷、马拉硫磷、二嗓农、甲拌磷、敌敌畏、对硫磷、甲基对硫磷、辛硫磷、杀螟松、乐果
芽孢杆菌属（Bacillus）
苯硫磷、对硫磷、甲基对硫磷、甲胺磷、敌敌畏、乐果、杀螟松
节细菌属（Arthrobacter）
马拉硫磷、二嗓农
黄杆菌属（Flavobacterium）
对硫磷、甲基对硫磷、马拉硫磷、二嗓农、毒死蝉、甲胺磷
产碱杆菌属（Alcallgeres）
对硫磷、甲基对硫磷、
固氮极毛杆菌属（Azolonzonas）
对硫磷、毒死蝉
短杆菌属（Brevibacterium）
对硫磷、甲基对硫磷
极瘤细菌属（Rlaizobium）
马拉硫磷、对硫磷
硫杆菌属（Thiobacillus）
甲拌磷
不动杆菌属（Acinetobacle）
甲胺磷、甲基对硫磷、三唑磷、对硫磷、敌敌畏
曲霉属（Aspegillus）
敌白虫、溴硫磷、地虫磷、甲胺磷、乐果、对硫磷、马拉硫磷、氧化乐果
青霉属（Pinicietium）
地虫磷、对硫磷、敌百虫
根霉属（Rhizpus）
士也虫磷、溴硫磷
木霉属（Trichoderma）
敌敌畏、对硫磷、马拉硫磷
镰刀菌属（Fusarium）
敌白虫
酵母属（Saccharomyces）
甲胺磷
小球绿藻属（Chlorotta）
甲拌磷、对硫磷
土壤微生物系包括细菌、真菌、放线菌、藻类等，它们均对土壤和农产品中残留的药具有降解作用。
目前研究得较深入的有细菌和真菌两种[9]。
细菌由于其生化上的多种适应能力以及容易诱发突变菌，从而在降解农药的微生物中占主导地位[10]。
环境中残留的有机磷农药，除部分通过物理降解和化学降解外，大部分通过微生物降解或转化作用，使有毒的农药转化为无毒或低毒的其它化合物。
一些从自然界中分离出的能降解农药的微生物，包括细菌、真菌、放线菌等（见表1）。
从表1可以看出，有的同一种菌属能同时对几种农药起到降解作用[13]，如假单胞菌属能降解大多数有机磷农药，包括对硫磷、甲胺磷、敌敌畏、乐果等；也有的菌属只专一地对一种农药有降解作用，如硫杆菌属对甲拌磷有降解作用；有的表现出降解惰性，如节杆菌和大肠杆菌等；有的不直接降解农药，而是通过共代谢完成降解过程。
2.2国内研究概况
农药污染问题日益严重，我国科学工作者自20世纪40年代开始进行研究，60年代中期以后。
这一领域活跃，现已成为环境污染治理工作的热点。
近些年来已取得了很大的研究进展，主要表现在：
（1）许多有机磷农药的微生物降解菌株（包括真菌、细菌等）相继被分离和鉴定，如王永杰等人从污泥中分离到降解有机磷农药乐果的不动菌属菌株Gl，能较好地降解乐果，同时还能降解敌敌畏第3天时降解率为（200mg/L）、对硫磷（降解率为43.6%，l00mg/L），但不降解甲胺磷。
（2）已报道的有机磷农药降解的途径，氧化、还原、水解、缩合、异构化、甲基化和去甲基化等，其实质是酶促反应。
（3）有机磷农药降解酶，从已经筛选得到的降解菌株黄丰1菌属中克隆的对硫磷降解酶基因和假单胞菌属中克隆出对硫磷的水解酶，并对酶的特性进行详细研究，目前已经报道的与降解有关的酶有加氧酶、脱氢酶、偶氮还原酶和水解酶等，并开展了降解菌株降酶定位的研究。
随着现代分子生物学的发展，利生物信息学手段克隆降解酶基因成为一种便利的方式。
（4）高效农药降解基因工程菌的构建，近年来，伴随着基因工程和分子生物学的发展，研究者采用基因重组技术或原生质融合技术，将表达高效降解农药的酶的基因构建到表达载体中，获得工程菌，以提高具有降解作用的特定蛋白或酶的表达水平，从而提高降解效率，扩大降解菌的降解谱和提高菌株对环境的适应性[14]。
通过了解生态系统中降解有机磷农药的微生物的分布状况、掌握有机磷农药微生物降解的规律、探明微生物的有机磷农药降解酶及其遗传特征，将有助于预测和控制生忐系统中有机磷农药的污染动态，同时为基因工程降解菌的构建、创新和环境监渊技术提供新的工具。
但是国内外相关研究均来见既具有促进作物生长又具有农药降解活性的微生物降解菌和菌剂的生产与应用的报道。
2.3有机磷农药降解菌的富集分离
2.3.1有机磷农药降解菌的来源
（1）有机磷农药降解菌的分离方法
主要是从土壤、水体或污泥等污染环境中直接分离筛选或经过富集培养获得。
降解菌的富集培养方法主要有：
液体富集培养法、土壤环流法、连续流动培养法。
恒化器（Chemostat）作为连续培养是一种有效的方法，它以目标农药作为培养菌的生长限制底物，在变动的选择压力的作用下可筛选到降解目标农药的微生物菌株或诱发出有降解能力的突变菌株。
大多数情况下，从被目标农药污染的环境中直接分离，基于一些特殊环境（即长期受到目标农药的污染或被生产目标农药的废水长期污染）的农药降解菌自然富集作用，这种现象在土壤中普遍存在，结合人为加压选择，常常会加速降解菌的分离。
（2）人为获取有机磷农药降解菌的途径
自然界存在的有机磷农药降解菌。
由于受外界环境因素的影响，它们自身解能力相当有限，或者说不能从根本上解决有机磷农药污染和农产品农药超标问题，因而对从自然界直接分离得到的降解菌，作为研究有机磷农药微生物降解的基础途径，根据生产的社会的实际需要，必须对己获得的降解菌进行改造。
其一是对已获得的有机磷农药降解菌进行改造，即将降解不同有机磷农药的不同菌株进行基因重组、原生质融合等生物技术处理，改变原有降解菌降解能力低、目标单一、生长条件苛刻等生物学性状，获得新的降解工程菌。
其二是利用不同物种对有机磷农药的降解和代谢能力的不同进行创造性的改造。
其三是利用化学诱变剂或其他诱变方法来获得新的降解菌刘玉焕等人[15]。
3农药微生物降解的研究
3.1微生物降解有机磷农药的影响因素
环境因子、农药种类及本身的化学结构以及微生物的种类、代谢机制及代谢类型均影响微生物对农药的降解。
3.1.1有机磷农药类型及化学结构对生物降解的影响
（1）类型农药，含有3个磷酯键，一般分为两种类型：
一种是磷通过双键与氧结合（P=O），如甲胺磷、氧化乐果、敌敌畏等；另一种是磷通过双键与硫结合（P=S），如对硫磷、甲基对硫磷、辛硫磷、水胺硫磷、毒死蜱等。
（2）化学结构的影响，农药的基团和分子结构决定其在微生物环境中的降解行为。
农药的化学结构决定了其溶解性、分子排列和空间结构、化学官能团、分子间的吸引和排斥等特征，并因此影响农药能否被微生物所摄取。
目前从自然中分离的很多广谱降解菌，对同类农药具有降解作用，是由于这些农药具有相同或相似的结构。
农药化学结构中所含的卤素、氮、氢等原子，会降低有机物的生物降解性，这类基团的数目越多，生物降解性越差。
而羟基和羧基的存在,则有利于生物降解性。
农药的化学结构决定了它被微生物降解的速度。
对于芳香族化合物，苯环上取代氯的数目越多，降解越困难，并且苯环上间位取代类型最难降解，因此2,4,5-T的生物降解比2,4-D要难得多[16]。
农药的其它理化特性，如水溶性、吸附性等也影响微生物的降解性。
3.1.2环境因子的影响
环境因子如土壤的pH值、温度、含水量、溶氧量、盐度、有机质含量、粘度及气候条件等均影响微生物对农药的降解。
其中，土壤pH值对降解影响相对较大，不仅影响微生物降解酶的活性，同时也影响农药的化学降解。
Brajesh等（2000）人研究了pH值对苯线磷和毒死蜱农药降解的影响，在pH为4.7-6.7（酸性）时,毒死蜱降解的半衰期由256d降至35d，然而，在pH值为7.7-8.4（碱性）范围内,半衰期降至16天，而苯线磷降解菌在pH值为6.7-6.8降解最快[17]。
王军等研究了二甲戊乐灵在75%FC（土壤含水量）和120%FC下比在30%FC下的微生物降解快[18]，其原因可能是高FC下土壤微生物的相对活性较高。
温度影响酶反应动力学、微生物生长速度等。
有些营养元素，尤其是生长因子必须从环境有机质中摄取，这些环境因子对微生物的生命活动及降解特性起着至关重要的作用。
一般来说，实验室条件下微生物降解的最适条件为：
温度28-35℃，pH值为6.8-7.5，以及其它适宜条件。
3.2生物降解机制
当有机磷农药进入土壤环境后，可以通过物理降解、化学降解和微生物降解。
物理降解和化学降解主要包括光反应、热反应、氧化还原反应、电化学反应等，微生物降解主要包括多种酶促反应[19]。
与物理和化学降解方法相比，微生物降解具有反应条件温和、反应速度快和反应专一性强的特点。
大量研究表明，微生物降解农药的机理主要有两类：
一类是降解菌直接作用于农药，这种作用方式其实质主要是一系列的酶促水解反应[20]，利用微生物及其产生的降解酶对环境中残留的有机磷农药进行降解。
Hilda等（1999）发现Pseudomonus、Bacillus和Rhizobium属的许多菌株都具强大的降解磷的功能，认为其在降解有机磷农药中起重要作用的是酸性磷酸酶[21]。
一般来说，微生物本身含降解该农药的酶系基因，或本身虽无该酶系基因，但经诱导或环境存在选择压，基因发生突变，产生了新的降解酶系，常说的农药微生物降解多属于此类。
来自黄杆菌（Flavobacterium.sp）和假单胞菌（Pseudomonas.sp）的有机磷降解酶基因编码序列也被证实完全相同[22-23]。
当微生物对农药的降解作用是由胞内酶引起时[24]，无论是共生还是单一的微生物对农药的降解大多都是在酶的参与条件下进行的。
微生物通过酶促反应直接作用于有机磷农药的方式主要有氧化、脱氢、还原、水解等几种反应类型[25]。
另一类是通过微生物自身的活动改变化学或物理环境而间接对有机磷农药起到降解的作用。
常见的方式主要有矿化作用、共代谢作用以及种间协同代谢三种[26]：
（1）矿化作用：
指微生物直接以有机磷农药作为生长基质，将其完全分解成为无机物。
（2）共代谢[27]作用：
指微生物在有其可利用的碳源存在时，对其原来不能利用的物质也可以进行分解代谢。
（3）种间协同代谢：
指同一环境中的几种微生物联合代谢某种有机磷农药。
3.3微生物降解有机磷农药的代谢类型
目前筛选到的有机磷农药降解高效菌主要有细菌、真菌和藻类。
不同的微生物其解磷能力差异很大。
微生物对有机磷农药的降解主要有三种方式[28]：
（1）微生物直接以有机磷农药作为生长基质，在分解代谢该有机物的过程中获取生命活动所需的能量及本身物质更新所需的原料。
（2）共代谢：
指微生物在其可利用的碳源存在时，对其原来不能利用的物质也可分解代谢的现象。
共代谢最早由Leadbetter和Foster提出，他们发现产甲烷菌能够将乙烷氧化，但不能利用它作为生长基质[29]。
（3）种间协同代谢：
指同一环境中的几种微生物联合代谢某种有机磷农药。
深入研究共代谢和协同代谢，可为较难降解的有机磷农药的生物降解提供新的思路[30]。
另外，从微生物的营养类型来说，有的微生物以某种农药为其生长的唯一的碳源、氮源或能源，有的则通过共代谢的方式降解农药。
此外,有的微生物不从农药中获取营养或能源，而是发展了为保护自身生存的解毒作用，称为去毒代谢作用[31]。
3.4微生物降解农药的应用研究
近年来，随着微生物降解农药机理的阐明和分子生物学的兴起，越来越多的科研工作者把研究的方向转向农药微生物降解的应用性研究。
由于农药对环境的污染不仅在于其在农田的使用产生的残留上，很大一部分污染是在农药的生产和运输过程中就已发生，如农药厂排出的废水就是一个重大的污染源，这些废水对环境造成严重污染和危害。
大部分农药厂都采用了微生物降解的方法来处理生产废水。
目前常用的几种处理方法主要有活性污泥法、生物膜法、氧化塘法、废水的厌氧及需氧生物处理法等[32]。
但这些常规方法有一些缺点不能克服，如活性污泥法易发生污泥膨胀现象，易产生二次污染等。
为克服这些缺点，科研人员把目光转向新的方向，如固定化微生物技术、生物整治技术、基因工程菌的构建等都是当前研究的热点。
4农药降解研究的展望
到目前为止,尽管高效、低毒、低残留、易降解新型化学农药的开发和研制工作取得了很大进展，但农产品、土壤和江河湖海中化学农药的大量残留，以及新型化学农药带来的新污染仍是不容回避的问题。
生物农药具有高效降解性以及对环境污染小等特点，但生物农药在短期内仍不可能取代化学农药。
随着人们生活水平的提高，有机磷农药残留问题意识的提高及其对绿色食物的迫切要求，使有机磷农药微生物降解的研究受到很大的重视，高效降解菌的筛选、培养、酶制剂的生产以及现代分子生物技术和基因工程技术的发展，微生物降解有机磷农药的研究得到了极大的发展。
目前，微生物降解有机磷农药主要集中在甲胺磷、乐果等，但是仍有某些有机磷农药不能被微生物所降解，因此这些非生物识别物质在环境中的积累及解决有机磷农药的处理周期长、见效慢等问题是今后研究的艰巨任务。
相信通过多途径多方法分离和筛选具有高效降解特性的菌株，深入研究微生物降解农药的特性，构建出高效的遗传工程菌、基因工程菌来综合治理农药的环境污染，微生物降解有机磷农药方面将显示出诱人的应用前景。
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