拟除虫菊酯类农药的微生物降解及其机制研究进展.pdf

赵 叶 子 陈 智 坤 王 铮 等 拟 除 虫 菊 酯 类 农 药 的 微 生 物 降 解 及 其 机 制 研 究 进 展 江 苏 农 业 科 学 拟 除 虫 菊 酯 类 农 药 的 微 生 物 降 解 及 其 机 制 研 究 进 展 赵叶子 陈智坤 王 铮 吴 桐 张颖萍 徐 倩 西安科技大学地质与环境学院 陕西西安 陕西省西安植物园 陕西省植物研究所 陕西西安 陕西省科学院土壤资源与生物技术应用重点实验室 陕西西安 摘要 拟除虫菊酯被认为是有机磷农药的安全替代品 因此当有机磷农药被禁限使用时 其应用显著增加 目前 拟除虫菊酯销量约占世界杀虫剂总额的 这类农药的长期 广泛使用既带来了经济效益 也造成了环境污染 危 害人类及其他非靶标生物 针对这一问题 已开发出多项修复技术 其中微生物法高效环保 成本低廉 已成为修复拟 除虫菊酯污染的最优方法 笔者综述了最新分离的拟除虫菊酯降解菌株及其特性 拟除虫菊酯降解酶及其基因 拟除 虫菊酯及其代谢产物 间苯氧基苯甲酸等 的降解途径 此外 还提出了拟除虫菊酯类农药微生物降解研究的发展趋 势和需要进一步解决的问题 关键词 拟除虫菊酯 微生物降解 降解酶 降解途径 间苯氧基苯甲酸 中图分类号 文献标志码 文章编号 收稿日期 基金项目 西安市科技局项目 编号 作者简介 赵叶子 女 陕西西安人 硕士研究生 主要从事 微生物有机污染修复研究 通信作者 王 铮 博士 副教授 主要从事环境评价与水处理研究 拟除虫菊酯类农药是人工合成的天然除虫菊 酯的类似物 根据拟除虫菊酯分子中是否含有氰 基 将其分为 型和 型 型具有氰基及更强的 毒性 拟除虫菊酯通过开放钠离子通道 实现杀虫目 的 因其高效的杀虫能力 使其在农林业生产中 发挥重要作用 随着该类农药的大范围大量使 用 其负面影响被不断报道 拟除虫菊酯及其代谢 产物在环境及人体尿液 母乳中普遍检出 其对人 体神经系统 生殖系统造成干扰 可能引起血液癌 症 氧化应激及 损伤等危害已被证实 因此 世界各国都制定了农产品中拟除虫菊酯类农 药残留的限定标准 针对此环境问题 微生物降解是一种环境及经 济友好的修复技术 目前研究者已在实验室获得大 量研究成果 对这些研究成果的梳理 将有助于农 药微生物降解技术的进一步发展和应用 本文综述了已分离的拟除虫菊酯降解菌株 及 其生理生化特性 关键功能基因和酶 拟除虫菊酯 降解途径 并重点关注了其代谢产物间苯氧基苯甲 酸 简称 等的降解 以 期为拟除虫菊酯的安全利用与污染修复提供参考 降解菌株及其生理生化 降解特性 微生物可将有机污染物降解成更具安全性的 产物 甚至完全矿化 广泛应用于环境污染物的降 解中 等最初描述了苄氯菊酯在土壤 中的降解 年 等从来自污水处理 厂的样品中首次得到了能够有效降解拟除虫菊酯 的菌株 共得到 个菌株 分别为荧光假单胞菌 无色杆菌属 蜡样芽孢杆菌 自此 大量可以有效降解拟除虫 菊酯的菌种被筛选鉴定 这些菌种大都能以某种 拟除虫菊酯作为唯一碳源 进行生长代谢 笔者共 整理了来自 个不同菌属的拟除虫菊酯降解菌 包 括细菌 个菌属 真菌 个菌属 放线菌 个菌 属 其生理生化 降解特性等详细信息见表 所有 菌属中 芽孢杆菌属 苍白杆菌属 假单胞菌属 沙雷氏 菌属 及链霉菌属 包含了较 多菌株 大部分功能菌分离自污染环境 如污染土 壤 污水 活性污泥等 亦有以茶叶 酒曲 动植物 体 甚至来自大西洋的海绵等作为分离源的报 道 绝大多数菌株在温和环境 值 左右 中有较高活性 受益于拟除虫菊酯结 江苏农业科学 年第 卷第 期 构的相似性 筛选所得的菌株 往往具有对拟除虫 菊酯类农药降解的广谱性 如乙酸钙不动杆菌 类短短芽孢 杆菌 小链小杆菌 属 等 具有广谱 高效 高耐受性 降解彻底特性的菌 株是研究者期待获得的菌株 虞云龙等分离得到 具有农药降解广谱性的菌株产碱菌属 能够同时降解部分拟除虫菊酯和一硫代 磷酸酯 陈锐等筛选出的草酸青霉 可在 内降解 的氯氰菊 酯 初始浓度 具有较为突出的降解速 率 等从土壤中分离出的 可耐受浓度高达 的甲氰菊酯 能有效降解 种拟除虫菊酯 并在土壤修复中取得 较好的效果 证明了其实际应用潜力 该研究组 之后分离得到的菌株苏云金芽孢杆菌 黄 褐 假 单 胞 菌 亦有广谱 耐受性强及 降解效果好的特点 其中 对于 具有很好的降解效果 研究者 通过构建复合菌系协同降解的方式使矿化更为彻 底 等将地衣芽孢杆菌 和米曲霉 共同培养 用于氯氰菊酯的降解 相较单一菌种的降解 提 高了矿化程度 拟除虫菊酯具有 个手型中心 个立 体异构体 因此 菌株对于拟除虫菊酯的降解显 示出结构选择性 等发现菌株弗氏耶尔森 菌 温和气单胞菌 在降解苄氯菊酯过程中 反式异构体相对顺式异构体更易被降解 除去传统的富集培养筛选法 研究者也通过构 建基因工程菌的方式获取菌株 等设计载体 用于同时表达 个目的基因 在共表达载 体上克隆了黄杆菌属 中的有机 磷水解酶基因 和来自尖音库蚊 的酯酶基因 实现了单一微生物同时降解有机 磷 氨基甲酸酯和拟除虫菊酯杀虫剂的目的 为 复配农药的同时降解提供了新思路 目前 所取得的成果多局限于实验室 在实际 应用方面还缺少报道 构建具有优越特性的基因 工程菌是值得探索的研究方向 表 降解拟除虫菊酯的菌株基本信息 细菌属 微生物 来源 降解环境 值 温度 可降解拟除 虫菊酯种类 降解时间 初始浓度 降解率 参考 文献 无色杆菌属 土壤和污泥 牛筋草 酸单胞菌属 土壤 不动杆菌属 污染土壤 污泥 土壤 与肺炎克雷伯氏菌 共培养 降解 气单胞菌属 污染物 顺式异构体 反式异构体 半衰 期分别为 产碱菌属 污泥 固氮弧菌属 污泥 芽孢秆菌属 土壤和污泥 污染环境 江苏农业科学 年第 卷第 期 表 续 细菌属 微生物 来源 降解环境 值 温度 可降解拟除 虫菊酯种类 降解时间 初始浓度 降解率 参考 文献 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 土壤和酱油曲 与 共培养 降解 土壤 与 共培养 降解 污染土壤 污水处理池 短芽孢杆菌属 污染土壤 污泥 短杆菌属 污泥 小链小杆菌属 污染土壤 梭菌属 污泥 产杆菌属 污泥 欧文氏菌属 污染物 顺式异构体 反式异构体 半衰 期分别为 克雷伯菌属 土壤 与 共培养 降解 库特氏菌属 污染土壤 赖氨酸芽孢杆菌属 污泥 微球菌属 污染土壤 苍白杆菌属 污染土壤 污泥 污染土壤 江苏农业科学 年第 卷第 期 表 续 细菌属 微生物 来源 降解环境 值 温度 可降解拟除 虫菊酯种类 降解时间 初始浓度 降解率 参考 文献 污染土壤 假单胞菌属 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 拉乌尔菌属 污染土壤 沙雷氏菌属 污泥 污泥 污染土壤 污染土壤 污染土壤 鞘脂菌属 污泥 鞘氨醇单胞菌属 污染土壤 污染土壤 中华根瘤菌属 污染土壤 寡养单胞菌属 污泥 污染物 耶尔 森氏菌属 污染物 顺式异构体 反式异构体 半衰 期分别为 真菌 枝顶孢属 海绵 曲霉属 污泥 土壤和酱油曲 与 共培养 降解 假丝酵母属 污泥 枝孢属 污泥 小克银汉霉属 江苏农业科学 年第 卷第 期 表 续 细菌属 微生物 来源 降解环境 值 温度 可降解拟除 虫菊酯种类 降解时间 初始浓度 降解率 参考 文献 散囊菌属 茯砖茶 镰孢菌属 污泥 海绵 污泥 植物 青霉素 土壤 平革菌属 木霉属 海绵 放线菌 戈登氏菌属 污水处理池 诺卡氏菌属 污染土壤 污染土壤 红球菌属 污染土壤 大曲 污泥 污染土壤 污泥 土壤 与 共培养 降解 链轮丝菌属 污染土壤 污染土壤 污染土壤 注 苄氯菊酯 氯氰菊酯 丙烯菊酯 联苯菊酯 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 降解拟除虫菊酯的酶及基因 降解酶 在微生物降解有机污染物过程中 实际起作用 的是微生物体内的各种酶 降解酶往往比产生这 种酶的微生物细胞具有更强的抗逆性及降解效率 特别是在低农药浓度条件下 早在 年 等通过层析技术从 中分 离获得 种羧酸酯酶 命名为氯菊酯酶 并采用离子交换色谱法和凝胶过 滤色谱法进行纯化 首次实现了通过无细胞的酶系 统降解拟除虫菊酯 类似的 从黑曲霉 细胞提取物中提取纯化的 新型拟除虫菊酯水解酶 分子量为 值 等 电点 为 当温度为 值为 时酶活 性最佳 该酶优先降解对于哺乳动物更具毒害作用 的反式异构体拟除虫菊酯 人肝脏羧酸酯酶也存在 这一特性 年至今 陆续有研究者对拟 除虫菊酯降解酶进行纯化 部分酶信息见表 多 为酯酶 其中大多数酶为胞内酶 而铜绿假单胞菌 降解氯氰菊酯过程 中起催化作用的氨肽酶是一种胞外酶 图 描 江苏农业科学 年第 卷第 期 述了表 所列部分酶之间的进化关系 作图软件为 蛋白质序列来自 年 等发 现漆酶参与了氯氰菊酯降解过程 这是首次发现漆 酶作用于拟除虫菊酯降解 漆酶已被发现可用 于多种有机污染的环境修复 白腐菌是常见的漆酶 生产源 其在食用菌菌渣中也大量存在 这无疑 为菌渣的利用提供了新途径 表 拟除虫菊酯降解酶基本信息 酶 酶类型 来源 可降解拟除虫 菊酯种类 降解环境 值 温度 参考 文献 氯菊酯酶 酯酶 拟除虫菊酯水解酶 酯酶 酯酶 酯酶 蔬菜土壤宏基因组 酯酶 鞘脂菌属 酯酶 酯酶 吐鲁番盆地宏基因组 酯酶 单氧酶 酯酶 氨肽酶 氨肽酶 酯酶 产黄假单胞菌 酯酶 毛豆腐宏基因组 酯酶 沼泽红假单胞菌 酯酶 降解基因 随着基因工程技术的进步 对于拟除虫菊酯降 解酶的研究已发展到基因层面 年 等通 过构建基因文库 从 中得到拟 除虫菊酯水解酶基因 基因全长 编码 个氨基酸 该酯酶不但可以降解拟除虫菊酯 还 可以催化降解其他底物 如有机磷农药 这是关于 拟除虫菊酯降解基因的首次报道 等从拟除 虫菊酯降解菌 的基因组文库 中筛选并鉴定了关键的拟除虫菊酯水解酶基因 该酶的 位于固定的五肽基序列 中 形成了一个凹形的活性中心 用于 氯氰菊酯的生物降解 这是酯酶的典型特征 丝 氨酸在酶的催化位点参与酰化反应具有类似的情 况 已在几种拟除虫菊酯水解酶中发现 如 和 随着基因层面研究的深入 宏基因组技术作为 一种辅助工具帮助研究者更具方向性地达到科研 目的 等将甲基对硫磷降解基因 引入能 够降解甲氰菊酯的菌株 的 染色体中 成功构建出能够同时降解 种污染物的 菌株 目前此类研究成果相对有限 是未来期待 发展的方向 降解途径 在不同报道中 拟除虫菊酯降解途径有相似 性 但在中间过程及产物方面存在差异 这些差异 可能是由于微生物的种类 拟除虫菊酯的结构及培 养条件差异造成的 酯键的断裂 拟除虫菊酯微生物降解机制的核心部分是酯 键的断裂 将原农药分解为羧酸和醇 此步骤通 常为降解过程的的第 步 以 江苏农业科学 年第 卷第 期 降解甲氰菊酯为例 酯键断裂后甲氰菊酯分 解为间苯氧基氰基苄醇 和 四甲基环丙烷甲酸 图 类似过程中 多数情况下含环丙烷基团的降解产物 为酸 含间苯氧基基团的产物为醇 也存在特殊情 况 如在 降解三氟氯氰菊酯过 程中 原农药首先被分解为 四甲基环丙 烷甲醇和 氟代 苯氧基苯甲酸 图 大多数微生物对拟除虫菊酯的降解遵循上述 规律 也存在特例 如 降解氟氯氰菊酯过程中 第 步并非打开 酯键 常见代谢产物及其转化关系 节相关降解案例中出现的 以及间 苯氧基苄醛 和 是拟除虫菊酯降解过程中最常见的代谢物 相 比母体它们具有更强的毒性 如 半衰期 长达 具有雌性激素特性 是一种内分泌米 干扰物 对人体具有一定毒性 大多数拟除虫菊酯降解过程中都会出现这些 常见的中间产物 特别是结构中包括间苯氧基基团 的拟除虫菊酯 而氟氯氰菊酯 联苯菊酯 丙烯菊酯 等不包括典型间苯氧基基团的拟除虫菊酯在降解 过程中生成其他产物 但依然遵循酯键断裂生成醇 和酸的规律 如 降解烯丙菊酯过程 中生成一个烯丙酮醇 联苯菊酯的微生物降解过 程中 检测到 甲基 联苯甲醇 在拟除虫菊酯代谢过程中 及 三者之间常常相互转化 可氧 化 为 转化 为 进一步氧化为 而 可将 转化 为 在 降解目标物 过程中 可观察到 与 的相互转换 常见代谢产物的降解途径 相比拟除虫菊酯本身 针对其代谢产物如何降 解的研究较少 但此类研究同样具有重要意义 其 中 被讨论较多的代谢产物是 早期的相关研究仅限于细菌范畴 特别是 菌株 年 等首次分 离得到 株不能完全降解 的菌株类产碱假单 胞菌 并在后续研究中构建了基因工程菌 及 新菌株 同时具有降解氯酚的能力 亦有研究者进行了 及 等细菌菌属针对 降解的研究 针对 降解的真菌领域研究起步较晚 首 次报道是在 年 袁怀瑜等筛选得到可在 内完全降解 的菌株 亦为 的 有效降解真菌菌株 其代谢产物包括苯酚和邻苯二 酚 降解 的产物食 子酸为有毒代谢物 该菌株无法单独代谢 加入 共培养可降解没食子酸 实现无毒化 真菌中常有的木质素降解酶漆酶 和 也与 的降解相关 它们在食用菌 菌渣中被普遍检测到 综上所述 并非所有的拟除虫菊酯降解研究均 江苏农业科学 年第 卷第 期 实现了完全矿化 无毒化 构建复合菌系可以帮助 实现这一目标 结论与展望 随着世界范围内人们环保意识的增强 研究者 们就微生物修复农药污染开展了大量研究 其中关 于拟除虫菊酯的降解也取得了较好的研究成果 笔者主要从降解菌株 降解基因及酶 降解机制几 个方面对拟除虫菊酯类农药的微生物降解的现有 研究进行了综述 首次对涉及 个菌属的拟除虫 菊酯降解菌株信息进行了总结归纳 对拟除虫菊酯 的降解基因及酶进行了信息总结 着重降解特性及 分类 通过对微生物降解拟除虫菊酯的不同案例进 行归纳整理 总结出了拟除虫菊酯降解途径的一般 性规律 及可能存在的特殊情况 并着重分析了代 谢产物 的降解 较为全面地对 年至今的 相关研究成果进行了总结 现有研究成果为将来拟除虫菊酯类农药的降 解及微生物环境修复相关研究提供了思路 现 有的大量研究成果 为利用基因工程技术 人为构 建更为高效 广谱 抗逆的基因工程菌提供了良好 基础 构建多功能复合菌系 是以较低成本实现 高效矿化有机污染物的途径 现有微生物降解拟除 虫菊酯研究极少涉及这一领域 土壤环境降解 的研究有利于克服实际应用过程中的复杂环境因 素 现有研究在土壤环境降解研究方面较为薄弱 拟除虫菊酯的常见代谢产物 等 具有相比 原农药更强的毒性及半衰期 但针对性的环境修复 研究较少 此类研究具有重要意义 随着萃取技 术的优化 低抗性 易降解的天然除虫菊酯大量应 用具有了可行性 推进此过程或开发更为高效 环保的新型菊酯 并进行相关微生物降解研究 亦 有利于降低拟除虫菊酯造成的环境负担 参考文献 夏晓华 张林霞 司松波 等 高效氯氟氰菊酯对泥鳅的急性毒 性及生理毒性 江苏农业科学 国家卫生健康委员会 中华人民共和国农业农村部 国家市场 监督管理总局 食品安全国家标准 食品中农药最大残留限 量 北京 中国标准出版社 孙丽娜 黄开华 高新华 等 具氯氰菊酯降解功能的植物内生 细菌分离鉴定及降解特性研究 农业环境科学学报 江苏农业科学 年第 卷第 期 王若瑜 曹 明 陈晶瑜 大曲中氯氟氰菊酯降解菌的分离筛选 及特性研究 中国酿造 虞云龙 宋凤鸣 郑 重 等 一株广谱性农药降解菌 的分离与鉴定 浙江农业大学学报 陈 锐 瞿 佳 孙晓宇 等 氯氰菊酯降解菌草酸青霉 分 离鉴定及降解特性 生物技术通报 张亚杰 李劭彤 李朝阳 等 菊酯农药微生物降解的异构体选 择性特征 江苏农业科学 黄文文 刘晶晶 叶美玲 等 甲氰菊酯降解菌 的分离鉴 定及讲解特性 西北农林科技大学学报 自然科学版 苏宏南 陈切希 赵甲元 等 微生物共培养降解 氯氰菊酯 的适宜条件 食品与发酵工业 江苏农业科学 年第 卷第 期 廖 敏 张海军 谢晓梅 拟除虫菊酯类农药残留降解菌产气肠 杆菌的分离 鉴定及降解特性研究 环境科学 张松柏 张德咏 罗香文 等 一株高效降解氯氰菊酯细菌的分离 鉴定及降解特性 中国农学通报 崔志峰 汪 华 王渭霞 等 氯氰菊酯降解菌 的分离 鉴定及降解特性研究 环境污染与防治 秦 坤 朱鲁生 王金花 氯氰菊酯降解真菌的筛选及其降解特 性研究 环境工程学报 张久刚 闫艳春 一株氯氰菊酯降解菌 和 的系统发育分析 生物信息学 张玲玲 崔德杰 洪永聪 等 氯氰菊酯降解放线菌的分离与筛选 青岛农业大学学报 自然科学版 江苏农业科学 年第 卷第 期 袁怀瑜 黑曲霉 降解氯氰菊酯及 苯氧基苯甲酸特性 和途径的初步研究 雅安 四川农业大学 徐 冉 魏 宁 黄 虹 等 天然除虫菊酯与拟除虫菊酯的对 比及发展建议 环境污染与防治 江苏农业科学 年第 卷第 期