磺酰脲类除草剂的应用及受污染土壤的微生物修复进展

韩亚超，尚岩岩（.阜阳职业技术学院 生化工程学院 安徽阜阳 3603;.阜阳市产品质量监督检验所 安徽 阜阳 36000）



磺酰脲类除草剂的应用及受污染土壤的微生物修复进展

韩亚超1，尚岩岩2
（1.阜阳职业技术学院 生化工程学院 安徽阜阳 236031;2.阜阳市产品质量监督检验所 安徽 阜阳 236000）

摘要：磺酰脲类除草剂的应用为农业生产提高效率降低成本的同时，其在土壤中的残留及危害以及引起的环境污染问题日益受到人们的重视。寻找高效降解磺酰脲类除草剂的微生物，以修复受磺酰脲类除草剂污染的土壤，是人们研究的重点。

关键词：磺酰脲类除草剂；降解；微生物修复；沼液

化学农药的应用为农业生产提高了效率，降低了成本，保证了作物产量，保障了粮食供给。化学农药按用途和功能可分为杀虫剂、杀菌剂、除草剂等三大类。根据化学结构不同，通常把除草剂分为有机磷类除草剂、氯代乙酰胺类除草剂和磺酰脲类除草剂等三大类[1]。有些除草剂由于具有致突变性，可能会对非目标生物造成一定的危害；有些除草剂可能会从土壤中迁移进入地下水源，造成生活饮用水源的化学污染；还有部分除草剂虽然毒力不强，但长期残留，对后茬农作物产生慢性毒害，从而影响农作物产量和品质[2]。因此除草剂在环境中的迁移、转化及降解等生态过程日益引起人们的重视。

磺酰脲类除草剂以其活性高、毒性低、用量少等特点，在农业生产中长期占有非常重要地位，作为高毒农药的理想替代品，已被世界各国广泛使用。但是，由于磺酰脲类除草剂自然降解缓慢，对后茬农作物具有一定的毒害作用，导致在种植后茬作物时发生减产减质，直接影响农民的收益。因此，消除使用磺酰脲类除草剂所造成的一系列生态环境问题，是现代农业生产急需解决的重大问题之一。尽管磺酰脲类除草剂，在自然条件下可以发生水解或光解，但是这些自然降解速率过慢，不能有效消除磺酰脲类除草剂对生态环境造成的影响。近年来的研究发现，某些微生物的代谢过程或是中间代谢产物具有加速降解环境中残留的磺酰脲类除草剂的功效。因此，寻找、挖掘高效广谱的微生物降解资源，对受污染的土壤进行微生物修复具有重要的经济、社会和生态意义。

1　磺酰脲类除草剂在农业生产上的应用

1.1磺酰脲类除草剂的发展

20世纪60年代，科学家研究发现磺酰脲类化合物喷洒在农田后，可一定程度抑制田间杂草生长，并且不会对农作物产生较大的影响。美国杜邦化工于1976年首先研制出了第一种可用于小麦田间杂草防治的除草剂氯磺隆，并于1982年正式在美国农业部注册登记，通过大规模的生产推广，收到良好的效益。继美国杜邦化工之后，美国先正达公司、瑞士诺华公司，日本的武田株式会社等先后投入到磺酰脲类除草剂的研究与开发之中，经过30多年的研究，目前已经成功开发出如醚磺隆、烟嘧磺隆、氯嘧磺隆、苄嘧磺隆等一系列30多个商品化除草剂产品[3]。

1.2磺酰脲类除草剂在农业生产上的应用

近年来，随着生态农业的推广与发展，高残留、高毒性农药的使用逐步受到限制，因此磺酰脲类除草剂市场占有率逐年增长，其市场份额已经超过其他各类除草剂，并且在今后一段时期内，磺酰脲类除草剂的使用将保持较强增长势头[4]。磺酰脲类除草剂在农业生产上主要用于水稻、小麦等主粮作物的田间杂草防治，以及甜菜、大豆、玉米等经济作物田间杂草的防治，可有效除去田间阔叶草、莎草、禾草等杂草，且防治效果良好。商品化磺酰脲类除草剂及其在农业生产上的应用见表1。

表1　目前已经商品化的磺酰脲类除草剂及其农业生产上的应用Table1 Commecialized sulfonylurea herbicidesproductions

2　磺酰脲类除草剂在土壤中的残留及危害

尽管磺酰脲类除草剂毒性较低，但是，长期大量使用磺酰脲类除草剂所造成的生态环境问题日益显现。由于除草剂长时间叠加残留在土壤中的，在种植后茬农作物时，会对后茬作物产生一定程度的药害，引起后茬农作物减产减质，直接影响农户的生产效益。磺酰脲类除草剂对后茬作物的药害作用，最早被发现是因长期大量施用氯磺隆除草对剂甜菜作物造成的大量减产。上世纪90年代，湖北棉花减产事件和安徽、江苏、浙江等省份出现水稻大面积减产事件，均是由土壤中磺酰胺类除草剂严重超标所致。近年来，农民在使用除草剂时因为缺乏相关技术指导，以及长期大量滥用磺酰脲类除草剂，导致的下茬农作物受药害造成减产事件时有发生。据报道，部分地区由于长期使用磺酰脲类除草剂，导致耕地变成“癌症田”[5]，给当地农业生产带来一定影响，并直接影响到了农民的收益。这些地区的要想可持续发展，势必调整农业种植结构，减少除草剂等农药的使用。

此外，磺酰脲类除草剂和其他化学农药一样，可随着降水渗透到地表和地下，从而对地下水体造成一定程度的污染。Struger等人在地表水中检测出了高浓度的磺酰脲类除草剂[6]。在我国，由于磺酰脲类除草剂被长期、大量用于水稻、小麦、大豆、玉米等农作物的田间除草，使得河流、湖泊等地表水和地下水被磺酰脲类除草剂污染，局部地区生活饮用水源也被污染，给人民群众的身体健康造成一定程度的威胁。如何解决磺酰脲类除草剂的在土壤、水源等环境残留污染问题，已经摆在了人们的面前。

3　磺酰脲类除草剂的降解研究

由于磺酰脲类除草剂在农业生产的应用存在诸多不足和弊端，那么磺酰脲类除草剂在自然生态下的降解问题就成为人们研究的一个热点。综合国内外关于磺酰脲类除草剂的降解研究，目前主要有三种降解方式，即非酶化学水解、光照降解和微生物降解等方法。

3.1磺酰脲类除草剂的非酶水解研究

学者研究发现甲磺隆非酶水解成芳基磺酰胺甲酸，再由芳基磺酰胺水解为磺酰胺和CO2。研究人员发现磺酰脲类除草剂非酶水解需在酸性或中性条件下进行，在碱性条件下磺酰脲类除草剂非常难被水解。李霞等人[7]研究表明，在酸性条件下pH3.0-5.0时，氯嘧磺隆极易发生水解，水解半衰期不足20 d，而在pH8.0~9.0时其半衰期则超过200 d。Strek等研究表明，苄嘧磺隆在pH5时，水解半衰期不足10 d，而在pH8时，水解半衰期超过400 d。此外，Oppong等人研究了温度对磺酰脲类除草剂的非酶水解的影响，研究发现，30℃时，醚苯磺隆水解半衰期为10d，而10℃时超过30 d。由此可见，磺酰脲类除草剂非酶水解半衰期随着环境温度的升高而缩短，较高的温度有利于磺酰脲类除草剂非酶水解。

3.2磺酰脲类除草剂的光降解研究

Veldhuis等人[8]将氯磺隆溶于甲醇之中，在紫外线的作用下研究其光解作用效果，研究发现，在紫外线的作用下，氯磺隆在水中能迅速光解。Coyner等人[9]通过实验证实光降解产物由磺酰脲桥断裂后产生的。王健等人[10]对磺酰脲类除草剂的光降解研究发现pH值的降低及温度升高，有利于提高磺酰脲类除草剂的光降解效率。而司友斌[11]等研究发现，光照强度对磺酰脲类除草剂的光降解影响也较为明显，且呈线性关系。Benzi等人[12]利用高效液相色谱-质谱联用技术，测定了烟嘧磺隆光解产物，并推断了其可能的光降解代谢途径。

由于光照不能透过土壤，故利用光降解磺酰脲类除草剂，仅能发生在土壤浅表层，对于深层土壤中的磺酰脲类除草剂的光解作用较为有限。

4　微生物对磺酰脲类除草剂降解及受污染土壤的微生物修复

由于土壤中的磺酰脲类除草剂进行非酶水解受到土壤pH值和温度等影响较大，导致依赖磺酰脲类除草剂的自然水解半衰期较长，而对于深层土壤中的磺酰脲类除草剂的光解作用又较为有限。很多研究人员把研究的重点放在了微生物的降解作用上。

4.1微生物降解磺酰脲类除草剂的主要途径

目前，国内外研究人员借助液相、气相和质谱等仪器对中间降解产物进行鉴定，由此来推测微生物降解磺酰脲类除草剂的主要途径。就目前的报道来看主要有以下降解途径。

4.1.1去酯化反应

大量研究表明，磺酰脲类除草剂在羧酸酯酶的作用下发生去酯化反应可能是磺酰脲类除草剂被微生物降解的重要途径[13-14]。

4.1.2氧化反应

有些降解菌株能够通过自身产生的氧化酶类，使得磺酰脲类除草剂分子中的磺酰脲桥被氧化而发生断裂。这些氧化酶主要包括FMO、PPO和CYP450等。2012年，Peng等人[15]对Streptomyces griseolus研究，结果表明该菌通过CYP450单加氧酶氧化磺酰脲桥从而使得磺酰脲类除草剂的被降解。2013年，宋金龙[16]对Talaromyces flavus LZM1进行研究，证实了该菌中的单加氧酶FMO也可氧化磺酰脲桥从而使得磺酰脲类除草剂被降解。

4.1.3水解反应

Samah等人研究发现，Aspergillus nige能够磺酰脲类除草剂分子中磺酰脲桥水解[17]。1990年，苏少泉等人[18]通过实验证实了土壤中的某些微生物能够使含苯环的物质降解为CO2，从而促进磺酰脲类除草剂分子中磺酰脲桥水解作用。Kerry Kulowsk等人研究发现Streptomyces griseolus可通过水解作用完全降解氟磺隆[1]。

4.2降解磺酰脲类除草剂的微生物资源开发

国内外研究相关研究人员通过大量实验从不同环境中分离、筛选获得到可降解磺酰脲类除草剂的菌株，并对其降解机理和降解效率进行了研究，这些菌株包括大部分的细菌和一部分的真菌。

Joshi最早报道了三株可降解磺酰脲类除草剂的微生物Streptomyces griseolus，Aspergillus niger 和Penicillium sp.随后国内外很多研究人员对降解磺酰脲类除草剂的微生物进行了大量的分离和筛选工作，并取得了可喜的成果。

马文漪等[19]从化工厂排污口的污泥中分离得到可降解甲磺隆除草剂的微生物Streptomyces griseolus。沈东升等[20]从浙江大学华家池潮土中分离分离得到一株高效降解甲磺隆的真菌F7，经过鉴定为青霉属（Penicillium sp.）。黄星等人[21]从生产甲磺隆的农药厂污泥中分离、筛选到一株能高效降解甲磺隆的细菌FLDA，经鉴定为假单胞菌(Pseudomonas sp)该菌能在含甲磺隆(30 mg/L)的基础盐液体培养基中降解甲磺隆，5 d降解率达72.6%。邵劲松等[22]从长期施用绿磺隆的土壤中分离、筛选到一株假单胞菌(Xanthomonas sp) LHL-1，该菌株能高效降解绿磺隆。田爽和田方方等人[23]从长期受苯磺隆污染的土壤中，分离得到4株以苯磺隆为唯一碳源生长的细菌，分别命名为B1、B2、B3和B4，根据其生理生化特性及16SrDNA基因序列分析，鉴定菌株B1为铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa），B2为戴尔福特菌（Delftia sp.），B3为微杆菌（Microbacterium sp.），B4为产碱杆菌（Alcaligenes sp.）。

顾立锋[24]从长期受胺苯磺隆污染的土壤中分离到1株高效降解胺苯磺隆的细菌SW4，经培养特征、生理生化特征、16SrDNA基因系统发育分析等方法鉴定SW4为假单胞菌属(Pseudomonas sp.)，该菌7 d对100 mg/L胺苯磺隆的降解率可以达到84.6%。邹坤[25]从农药厂分离筛选出了一株对胺苯磺隆降解效果良好的真菌，命名为L5株，通过形态学、典型培养基培养、DNA-ITS序列片段分析和同源性比较，鉴定其为青霉菌(Penicillium sp.)。该菌5 d可使20 mg/L的胺苯磺隆降解92.87%。朱亚伟[5]从施用过苄嘧磺隆的水稻田中分离到一株苄嘧磺隆降解菌BH，通过对该菌进行的生理生化分析、BIOLOG碳源利用以及16SrDNA序列同源性比对后鉴定为短杆菌属(Bervibacterium)。林晓燕[26]从施用磺酰脲类除草剂苄嘧磺隆的土壤中分离筛选出一株可高效降解苄嘧磺隆的菌株D5，经形态观察，生理生化分析、16SrDNA序列同源性比较和BIOLOG碳源利用分析，鉴定该菌株为巨大芽抱杆菌菌株(Bacillusmegaterium)，该菌不但可以高效降解苄嘧磺隆，还能较好降解绿磺隆、氯嘧磺隆和嘧磺隆等磺酰胺类除草剂。

由于氯嘧磺隆在磺酰脲类除草剂中使用最为广泛，且自然状态下降解非常缓慢，对降解氯嘧磺隆的研究也是最为深入的。关靓等人[27]从氯嘧磺隆驯化的土壤中分离1株大豆田除草剂氯嘧磺隆的高效降解细菌B1，根据其生理生化特性及16SrDNA基因序列分析比对，鉴定该菌株为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)。滕春红[28]等人以受氯嘧磺隆污染的土壤为样本，从中分离筛选得到一株可高效降解氯嘧磺隆除草剂的真菌F8，经鉴定F8为酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。F8在对10mg/L氯嘧磺隆的降解率可达93.07%，在氯嘧磺隆含量为20 μg/kg的土壤中接种F8后，氯嘧磺隆半衰期由对照的46.52 d缩短为15.03 d。刘艳等人[29]从受氯嘧磺隆污染的土壤中分离筛选得到1株可高效降解氯嘧磺隆的细菌L-6。经鉴定菌株L-6为恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)。菌株L-6在最佳培养条件下，接种72 h后可使浓度为200 mg/L的氯嘧磺隆降解率达到80%以上。姜岩[30]等人，从长期受氯嘧磺隆污染的土壤中分离出1株氯嘧磺隆降解菌株。通过生理生化、16SrDNA鉴定及高效液相色谱法，研究了其生理生化特性和降解特性。结果表明，该菌株为假单胞菌(Pseudomonas sp.)，该菌在30-35℃，pH5-6的最佳生长条件下，5%接种量，以100 mg/L的氯嘧磺隆为唯一氮源的培养基中培养5 d，其降解率达到80%以上。纪明山[31]等人为了解决大豆田除草剂氯嘧磺隆在土壤中残留时间长的问题，为氯嘧磺隆污染的土壤的生物修复提供菌源，利用富集培养法，从多年受氯嘧磺隆污染的土壤中分离筛选得到1株能以氯嘧磺隆作为唯一氮源的细菌，命名SN10株。经初步鉴定菌株SN10为蜡样芽孢杆菌(Bacilluscereus)。宋艳宇[32]从沈阳化工研究院农药厂废水排放口污泥中分离得到一株克雷伯氏菌（Klebsiella sp.），该菌株在最适培养条件下20 h，可使20 mg/L的氯嘧磺隆降解91.57%。

5　展望

综上可知，微生物的降解作用是修复土壤受解磺酰脲类除草剂污染的最重要的方式，而大多数的研究人员都是从污染的土壤中分离获得相关降解性能的微生物菌株，但是这些菌株的降解效率差别较大，且往往只能降解单一污染物，对于其他种类磺酰脲除草剂的降解作用研究较少。笔者认为，还需要从不同的环境中进一步筛选高效广谱降解菌株，并研究菌株的降解机理与降解特性。加速修复受到磺酰脲类除草剂污染土壤，减少磺酰脲类除草剂残留对后茬作物药害。周珊[33]从窖泥、沼液等环境样品中分离得到多株磺酰脲类除草剂降解菌株，其中Oceanisphaera菌属的LAM-WHM-ZC株在8 d内可使50 mg/L烟嘧磺隆降解83.8%。中国农科院阮志勇[1]博士从沼液样品中分离筛选得到数株具有降解磺酰脲类除草剂功能的细菌，菌株LAM0713 和LAM0618具有降解底物范围最广、醚磺隆降解效率最高等特点。经BIOLOG生化分析、16SrDNA基因序列进化树分析比对，鉴定结果为LAM0713 和LAM0618均归属于库特氏属（Kurthia sp）。这些发现对于综合修复土壤受不同种类磺酰脲类除草剂的污染具有一定的意义。

参考文献：

[1] 阮志勇.醚磺隆降解菌的分离鉴定、基因组学分析及其降解特性研究[D].华中农业大学，2014.

[2] 郑和辉，钱城，叶研等.北京市部分居室内空气污染情况调查[J].环境与健康杂志，2011，28(12)：1106-1107.

[3] Rosenkrantz R. T，Cedergreen N，Baun A，et al. Influence of pH，light cycle，and temperature on ecotoxicity of four sulfonylurea herbicides towards Lemna gibba[J]. Ecotoxicology，2013，22(1)：33-41.

[4] Jesus Lerma-Garcia M，Simo-Alfonso E. F，Zougagh M，et al. Use of gold nanoparticle-coated sorbent materials for the selective preconcentration of sulfonylurea herbicides in water samples and determination by capillary liquid chromatography [J].Talanta，2013，105：372-378.

[5] 朱亚伟.磺酞脉类除草剂节嗜磺隆对水稻土微生物种群和酶活性影响及其降解菌的分离、鉴定[D].浙江大学，2005.

[6] Struger J，Grabuski J，Cagampan S，et al. Occurrence and distribution of sulfonylurea and related herbicides in central Canadian surface waters 2006-2008[J].. Bull Environ Contam Toxicol，2011，87(4)：420-425.

[7] 李霞，韩玉军，陶波. 嘧磺隆在不同pH下的水解动力学研究[J].东北农业大学学报. 2011，42(4)：107-110.

[8] Veldhuis L. J，Hall L. M，O'Donovan J. T，et al. Metabolism-based resistance of a wild mustard (Sinapis arvensis L.) biotype to ethametsul -furon-methyl[J]. J Agric Food Chem，2000，48(7)：2986-2990.

[9] Coyner A， Gupta G， Jones T. Effect of chlorsul -furon on growth of submerged aquatic macrophyte Potamogeton pectinatus (sago pondweed) [J]. Environ Pollut，2001，111(3)：453-455.

[10] 王健，孙鸿. TiO2光催化降解有机磷农药的研究[J].安徽农业科学. 2009，37(5)：2165-2166，2245.

[11] 司友斌，邹影，陈涛，等. 纳米铁与微生物协同降解土壤中PCB77[J]. 农业环境科学学报，2011，30(11)：2225-2231.

[12] Benzi M，Robotti E，Gianotti V. HPLC-DAD-MSn to investigate the photodegradation pathway of nicosulfuron in aqueous solution[J]. Anal Bioanal Chem，2011，399(4)：1705-1714

[13] Joshi M，Budev M，Machuzak M. Retained sutures in the trachea[J]. J Bronchology Interv Pulmonol，2010，17(3)：236-237.

[14] Xu，X.-W，Huo，et al. Pelagibacterium halotole -ransgen. nov.，sp. nov. and Pelagibacterium luteolumsp. nov.，novel members of the family Hyphomicrobiaceae[J]. Int J Syst Evol Microbiol，2011，61：1817-1822.

[15] Peng X，Huang J，Liu C，et al. Biodegradation of bensulphuron-methyl by a novel Penicillium pinophilum strain，BP-H-02[J]. J Hazard Mater，2012，213-214：216-21.

[16] 宋金龙.烟啼横隆降解菌黄篮状菌(Talaromyces flavus)的分离鉴定及降解机理研究[D].中国农业科学院，2013.

[17] Wang N. X.，Tang Q.，Ai G. M.，et al.Biodegradation of tribenuron methyl that is mediated by microbial acidohydrolysis at cell-soil interface[J]. Chemosphere， 2012， 86(11)：1098-1105.

[18] 苏少泉.超高效除草剂磺酸脉类述评[J]. 农药科学与管理，1990(2)：10-21.

[19] 马文漪，温晓艳. 微生物降解除草剂氯磺隆，甲磺隆和丁草胺的毒性效应(Ames试验)[J].环境化学，1991，10(3)：59-63.

[20] 沈东升，方程冉.土壤中降解甲購隆除草剂的微生物的分离与蹄选[J].上海交通大学学报，2002，20(3)：186-189.

[21] 黄星，何健，潘继杰，等.甲磺隆降解菌FLDA的分离鉴定及其降解特性研究[J].土壤学报，2006，43(5)：821-827.

[22] 邵劲松，沈标，洪青，等.一株绿磺隆降解菌的分离鉴定及其特性研究[J].土壤学报，2003，40(6)：952-956.

[23] 田爽，田方方，王晓萍.4株苯磺隆降解菌的分离鉴定及其生长特性[J].农业资源与环境学报，2014，31(5)：437-445.

[24] 顾立锋. 胺苯磺隆高效降解菌SW4的分离、降解途径及其应用研究[D].南京农业大学，2007.

[25] 邹坤.降解胺苯磺隆的土壤真菌的分离与鉴定[D].湖南农业大学，2011.

[26] 林晓燕.苄嘧磺隆降解菌的分离鉴定特性研究及生态学研究[D].浙江大学，2008.

[27] 关靓，赵敏.氯嘧磺隆高效降解菌的分离、鉴定及其降解特性[J].东北林业大学学报，2009，37(6)：77-79.

[28] 滕春红，苏少泉. 除草剂在土壤中的微生物降解及污染土壤的生物修复[J].农药，2006，45(8)：505-507.

[29] 刘艳，范丽薇，王晓萍.氯嘧磺隆降解菌L-6的分离鉴定及其降解特性[J].中国农学通报，2010，26(19)：339-343.

[30] 姜岩，刘艳，王晓萍. 氯嘧磺隆降解菌的分离鉴定及其降解特性[J]. 中国农学通报，2012，28(12)：88-92.

[31] 纪明山，颜克成，刘周成等.氯嘧磺隆降解细菌的分离鉴定及其降解特性[J].中国农学通报，2012，28 (09)：175-179.

[32] 宋艳宇. 氯嘧磺隆在大豆田残留动态及其降解菌的特性研究[D].吉林农业大学，2006.

[33] 周珊. 烟嘧磺隆降解菌的分离鉴定及降解特性研究[D].华中农业大学，2015.

Application of Sulfonylurea Herbicides and Microbial Remediation Progress of Contaminated Soil

Han Ya-chao1, Shang Yan-yan2
(1. College of Biochemical Engineering, Fuyang Institute of Technology Fuyang, Anhui 236031 2. Product Quality Supervision and Inspection Institute Fuyang, Anhui 236000)

Abstract：Application of sulfonylurea herbicide has improved the efficiency of agricultural production and reduced the costs. However, the environmental pollution problems caused by the herbicide residues in the soil have increasingly brought people’s attention. Looking for microbe, which can be able to efficiently degrade the sulfonylurea herbicide and repair the pollution soil, has become the focus of the research field.

Key words:sulfonylurea herbicides; degradation; microbial remediation; biogas slurry

中图分类号：Q938.1

文献标识码：A

文章编号：1672-4437（2016）02-0047-06

收稿日期：2016-02-06

基金项目：安徽省教育厅自然科学研究重点项目（KJ2015A365）。

作者简介：韩亚超(1978-)，男，安徽阜阳人，阜阳职业技术学院副教授，硕士。主要研究方向：应用与环境微生物。