[00056320]化学农药的微生物降解技术

技术简介：
　　一、可降解农药的微生物
　　土壤中的微生物包括细菌、真菌、放线菌和藻类等，它们中有一些具有农药降解的功能。细菌由于其生化上的多种适应能力和容易诱发突变菌株，从而在农药降解中占有主要地位。在土壤、污水及高温堆肥体系中，对农药分解起主要作用的是细菌类，这与农药类型、微生物降解农药的能力和环境条件等有关，如在高温堆肥体系当中，由于高温阶段体系内部温度较高（＞50℃），存活的主要是耐高温细菌，而此阶段也是农药降解最快的时期。通过微生物的作用，把环境中的有机污染物转化为CO2和H2O等无毒无害或毒性较小的其他物质。通过许多科研工作者的努力，已经分离得到了大量可降解农药的微生物。在这些微生物中，往往一种微生物可降解多种农药，如细菌中较具代表性的假单胞菌属（Pseudomonas）可降解DDT、BHC等，真菌的代表属曲霉属（Aspergillus）则可降解DDT、BHC、艾氏剂等。同时，一种农药也可被多种微生物所降解，如可降解DDT的微生物就包括细菌中的假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）等，真菌中的青霉属（Penicilium）、根霉属（Rhizopus）、木霉属（Trichoderma）、镰刀菌属（Fusarium）等，放线菌中的诺卡氏菌（Nocardia），藻类中的菱形藻属（Nitzschia）等。
　　表1 常见的可降解农药的微生物（略）
　　二、农药的微生物降解机理
　　微生物类群不同，降解农药的机理、途径和过程就可能不同。微生物以两种方式降解农药，一种方式是微生物直接作用于农药，大多由酶促反应引起，以农药作为生长的唯一碳源和能源，有时还作为唯一的氮源，而使农药降解。具有这种能力的微生物很多，其中假单胞菌属、诺卡氏菌属及曲霉属中的一些种类最为突出。另一种方式是通过微生物的活动改变了化学和物理的环境而间接作用于农药，一般有矿化作用、共代谢作用、生物浓缩或累积作用和微生物对农药其他的间接作用。
　　1．微生物酶促降解 微生物酶促反应降解的主要方式有氧化、还原、脱氢、合成等几种类型。当微生物降解农药是由微生物细胞内酶引起时，降解过程可以分为3个步骤：①将农药吸附于微生物细胞表面，这一过程是一个动态平衡，也是导致降解初期出现"迟滞期"的关键阶段。②农药穿透细胞膜进入膜内。当微生物数量恒定时，农药对细胞膜的穿透率决定了其穿透细胞膜的量，农药对细胞膜的穿透是降解的限速步骤。农药的这种穿透率与分子结构参数（主要是亲脂性参数和空间位阻参数）密切相关。③农药在细胞膜内通过与降解酶结合发生酶促反应，这是快速过程。
　　2．共代谢作用 共代谢作用（协同氧化作用）是指微生物在有它可利用的唯一碳源存在时，对它原来不能利用的物质也能分解代谢的现象。也可定义为：只有在初级能源物质存在时才能进行的有机污染物的生物降解过程。通过共代谢作用，即微生物从其他化合物获得碳源和能源后才能使农药转化，甚至完全降解。例如，直肠梭菌降解六六六时，需要有蛋白胨之类的物质提供能量才能使六六六分解。共代谢作用对治理环境污染很重要，常可通过几种微生物的一系列共代谢反应，使一种农药全部降解。
　　（1）共代谢的特点：在共代谢过程中，微生物既不能从基质的氧化代谢中获取足够能量，也不能从基质分子所含有的C、N、P或S中获得营养进行生物合成。
　　（2）共代谢的原因：①缺少降解的酶系；②中间产物的抑制作用。
　　基质最初转化的产物抑制了在以后起矿化作用的酶系的活性或抑制该微生物的生长。例如：恶臭假单胞菌能共代谢氯苯形成3-氯儿茶酚，而它积累形成对细胞有毒害的环境，抑制了进一步降解的酶系，使降解停止。
　　能进行共代谢反应的微生物，细菌有：假单胞菌属、不动杆菌属、诺卡氏菌属、芽孢杆菌属、分枝杆菌属、甲基弯曲菌属和节杆菌属等；真菌有：青霉属和丝核菌属等。
　　细菌降解农药的本质是酶促反应，即化合物通过一定的方式进入细菌体内，然后在各种酶的作用下，经过一系列的生理生化反应，最终将农药完全降解或分解成分子量较小的无毒或毒性较小的化合物的过程。由于降解酶往往比产生该类酶的微生物菌体更能忍受异常环境条件，酶的降解效率远高于微生物本身，特别是对低浓度的农药，人们想利用降解酶作为净化农药污染的有效手段。但是，降解酶在土壤中容易受非生物变性、土壤吸附等作用而失活，难以长时间保持降解活性，而且酶在土壤中的移动性差，这都限制了降解酶在实际中的应用。现在许多试验已经证明，编码合成这些酶系的基因多数在质粒上，如2，4-D的生物降解，即由质粒携带的基因所控制。通过质粒上的基因与染色体上的基因的共同作用，在微生物体内把农药降解。因此，利用分子生物学技术可以人工构建"工程菌"，以更好地实现人类利用微生物降解农药的愿望。
　　三、影响农药降解的因素
　　1．微生物自身的影响 微生物的种类、代谢活性、适应性等都直接影响对农药的降解与转化。很多试验都已经证明，不同的微生物种类或同一种类的不同菌株，对同一有机底物或有毒金属的反应都不同。另外，微生物具有较强的适应和被驯化的能力，通过一定的适应过程，新的化合物能诱导微生物产生相应的酶系来降解它，或通过基因突变等建立新的酶系来降解它。
　　2．农药结构的影响 农药化合物的分子量、空间结构、取代基的种类及数量等都影响到微生物对其降解的难易程度。一般情况下，高分子化合物比低分子量化合物难降解，聚合物、复合物更能抗生物降解；空间结构简单的比结构复杂的容易降解。但目前的环境污染物大多是人工合成的自然界中本身不存在的生物异源有机物质，其中一些对人类具有致畸、致突变和致癌作用，往往对微生物的降解表现出很强的抗性，其原因可能是这些化合物进入自然界的时间比较短，单一的微生物还未进化出降解此类化合物的代谢机制。尽管某些危险性化合物在自然界中可能会经自然形成的微生物群体的协同作用而缓慢降解，但这对微生物世界来说仍然是一个新的挑战。
　　3．环境因素的影响 环境条件对微生物的生长和对农药的降解影响很大，如环境中的温度、pH、水分含量、有机质含量、含氧量及表面活性剂等的变化会直接影响到微生物对农药的降解。一般来说，在高温湿润、有机质含量丰富、pH偏碱性的情况下，农药容易被降解。对于好氧微生物来说，在好氧条件下可以降解农药，而在厌氧条件下降解效果不好；而对于厌氧微生物来说，情况可能正好相反。也有研究指出，在好氧条件下，有的厌氧细菌也可以代谢一些化合物。
　　另外，农药的有效成分只是农药的一部分，其余还包括溶剂、乳化剂、增效剂、发泡剂等，实际上这些辅助成分的性质也会大大影响农药的性质以及环境中生物的活性等。

技术的应用领域前景分析：
　　农药进入环境后可以通过各种途径进行降解，包括物理降解、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。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等特点