微生物降解磺隆类除草剂的研究进展

赵炎+陈晨+韩亮+李明梅+王新

摘要：针对现阶段微生物降解磺隆类除草剂的研究进行了系统整理与分析，并结合实际应用情况，分析了影响微生物降解磺隆类除草剂效率的各项因素的研究现状，提出了未来可行的研究方向，为农药合理使用、农田生态系统管理及土壤资源可持续利用提供参考。

关键词：磺隆类除草剂；微生物降解；降解机理

中图分类号：X592 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）23-4443-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.003

The Research Progress of Microbial Degradation of Sulfonylurea Herbicide

ZHAO Yan，CHEN Chen，HAN Liang，LI Ming-mei，WANG Xin

（School of Science，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

Abstract： The microbial degradation of sulfonylurea herbicide at this stage was systematically reviewed and analyzed. Based on the practical application，the research status of various factors affecting the degradation efficiency of microbial degradation of sulfonylurea herbicide was analyzed. This paper put forward the future feasible research direction and provide a reference for the rational use of pesticides，farmland ecosystem management and sustainable use of soil resources.

Key words： sulfonylurea herbicide； micro-biological degradation； mechanism of degradation

由于磺隆类除草剂的大量施用，生态环境尤其是土壤环境遭到了较为严重的破坏，为了减轻这种破坏，降解残留农药成为了十分必要的环节。迄今为止，国内外大量学者都已经开始研究微生物对磺隆类除草剂的降解效果，并在这一领域有了较大的突破。日后，利用微生物降解磺隆类除草剂也将成为主流趋势。

1 磺隆类除草剂的应用现状及危害

1.1 磺隆类除草剂的应用现状

磺隆类除草剂受到国内外市场的推崇，其主要因素为5个方面：一是活性极高，每公顷用药量以克计，属于超高效除草剂品种；二是除草谱广，每个品种除草谱差别较大；三是选择性强，每个品种均有相应的适用作物和除草谱，对作物安全度高，对杂草高效；四是使用方便，既可用于土壤处理，也可用于茎叶处理；五是该类除草剂使细胞周期的特殊除草剂，既不影响细胞生长，也不影响种子发芽和出苗[1]。

据联合国粮食与农业组织（FAO）报道，仅1992-2011年期间该类药剂的使用量即从129 t迅速增加到了2 135 t，尤其在欧洲和北美地区，其用量增加了100倍以上[2]。中国农药网2014年公布的数据表明，2011年全世界磺隆类除草剂的销售额已达23.74亿美元，占整个除草剂市场的11.0%，其中销售额最高的为甲磺胺磺隆（mesosulfuron-methyl）和烟嘧磺隆（nicosulfuron），两者总计达2.80亿美元。

1.2 磺隆类除草剂的危害

广泛应用磺隆类除草剂，对农牧业的增产、保收和保存以及疾病的预防控制都起到了十分重要的作用[3]。但必须正视的是，大量施用农药已经对生态环境造成了严重污染，土壤环境变化、农作物中农药的残留都将危害人畜健康。

磺隆类除草剂的污染途径主要包括3个方面。一是直接污染，即喷洒的农药附着在农作物表面，被作物吸收后运转至各部分造成农药残留。二是间接污染，即由于农药施用量过大，多余农药进入空气、水体及土壤，污染生态环境，农作物再从受到污染的环境中吸收农药，造成二次污染。三是生物富集作用于食物链而造成污染，一些理化性质稳定的农药具有很强的脂溶性，会与酶及蛋白质结合，通过生物富集作用在生物体内逐级浓缩，提高残留量[4]。

磺隆类除草剂对环境的危害是毋容置疑的。大量施用农药，会导致土壤环境质量降低，影响土壤生产力，危害生物安全。而土壤被污染后，植物会通过根系吸收并转运到其他组织和产品中，影响其生长，甚至影响农产品质量。当农产品被人畜食用后，又会对人畜健康产生进一步的危害[5-7]。

2 磺隆类除草剂的结构及治理工程技术

2.1 磺隆类除草剂的结构

磺隆類除草剂含有羰基、氨基、甲氧基等重要化学基团，可以被微生物分解利用作为物质和能量的来源。目前，国内外常用于农业生产的磺隆类除草剂多达20余种（图1）[8，9]。

2.2 磺隆类除草剂的治理工程技术

针对磺隆类除草剂造成的土壤污染，目前国内外已经有了较为成功的经验，其中常用的技术有焚烧技术、热解析技术、土壤淋洗技术、生物修复技术、使用土壤改良剂等。然而目前所采用的这些技术均有较大的不足之处，如焚烧技术具有处理费用较高，且对土壤理化性质影响较大的缺点。

相对来说利用近年来发展迅速的微生物降解技术来处理磺隆类除草剂对土壤的污染问题，具有更加绿色安全、无二次污染、对土壤理化性质影响较小等优点。本研究旨在分析影响磺隆类除草剂降解速率的各项因素，以便于寻求更加有利于降解磺隆类除草剂降解的复合菌系及外界环境条件[10]。endprint

3 微生物降解磺隆类除草剂机理及种类

3.1 微生物降解磺隆类除草剂机理

微生物降解磺隆类除草剂可分为酶促反应和非酶促反应[11]。微生物的酶促反应主要分为3个阶段。第一阶段是初级生物降解，即在微生物的作用下，有機污染物的结构发生变化，分子完整性被破坏。第二阶段是环境容许的生物降解，主要是去除农药毒性。第三阶段是最终生物降解，即农药被微生物降解，由有机物转化为无机物。非酶促反应主要是通过微生物的活动使环境的pH发生变化或产生某些辅助因子及化学物质，从而引起除草剂的降解作用[12]。

磺隆类除草剂可以通过脱甲基、脲桥断裂、开杂环等一系列反应生成相应的小分子物质（图2），这些小分子物质可以通过生物体内普遍存在的代谢途径进一步被代谢为二氧化碳、水和能量等物质，进而达到去除磺隆类除草剂并修复环境的目的[13-15]。

3.2 降解磺隆类除草剂的微生物种类

降解磺隆类除草剂的主要细菌及真菌种类见表1、表2。

4 降解速率的影响因素研究现状

4.1 温度和湿度

温度和湿度在对农药产生影响的同时，也会对微生物的生命活动产生十分重要的影响。温度越高、湿度越大，磺隆类除草剂的半衰期就越短。闻长虹[18]、Polubesova等[19]测定了30 ℃和10 ℃条件下醚苯磺隆降解的半衰期，发现温度降低会使半衰期从13 d增加至79 d。当温度与湿度都适宜时，微生物的生命活动活跃，代谢速率得到提高，会加快对除草剂的降解速率。

4.2 pH

pH对微生物的群落种类及数量均有影响。因此，对微生物降解除草剂的能力也会产生一定程度的影响。另外，pH也会改变磺隆类除草剂的存在形态，间接影响微生物的降解。在中性及酸性条件下，磺隆类除草剂为中性型式，易水解，微生物作用于水解产物，促进降解作用；而在碱性条件下，磺隆类除草剂以阴离子型式存在，水溶性强但不易水解，微生物作用于磺隆类除草剂[20]。

4.3 微生物种类和数量

一些细菌、真菌、放线菌具有降解磺隆类除草剂的作用。有研究证明，真菌黑曲霉、青霉、假单胞菌、两种浅灰霉链菌都具有降解磺隆类除草剂的作用。磺隆类除草剂在灭菌土壤中的降解速率均比在未灭菌土壤中缓慢，而在未灭菌土壤中代谢产物更为复杂，如绿磺隆在20.0～30.0 ℃的酸性土壤中，在灭菌条件下的半衰期比未灭菌条件下分别延长2.0～4.0倍。因此，土壤中微生物的种类及数量在磺隆类除草剂的降解中起着重要作用[17]。

4.4 除草剂结构

中国广泛使用的磺隆类除草剂主要由芳香基、磺酰脲桥和杂环三部分组成，取代基的变化会使生物活性和选择性发生很大变化，也会影响微生物代谢的敏感性。有研究证明，苯磺隆和噻吩磺隆比绿磺隆和甲磺隆降解速率快十几倍甚至几十倍，这是因为苯磺隆单甲基化了磺酰脲桥，从而使苯磺隆在所有pH值条件下对脲桥水解都非常敏感[21]。

5 结论与展望

利用微生物降解磺隆类除草剂具有绿色安全、无二次污染、对土壤理化性质影响较小等优点，因此应用十分广泛，然而这仍是一个较为新兴的处理技术。目前，国内外对于土壤微生物降解农药的研究主要集中在以下几个方面：高效农药降解工程菌的开发，混和菌的培养，降解菌的固定化，农药生物降解的模型定量化研究等[22]。

除此之外还有一些问题有待进一步的深入研究，例如：如何在自然界中筛选多功能微生物资源；如何使实验室条件下微生物降解与实际应用效果接近；如何克服影响微生物降解效果的各种限制因子，实现构建的工程菌农药降解质粒的稳定性及菌种的安全管理等。因此，在今后的一段时间内，农药污染与微生物的研究可以在以下几个领域展开。

1）设计合成高效、低毒、易降解的新农药，从源头防治农药污染。

2）强化农药降解菌及其酶活性与作用机制的研究，提高酶的降解谱和降解活性，改变其代谢流，降低产物的毒性。

3）有效应用现代生物技术，改造或构建新的菌种，提高农药的降解速率，增强降解菌的环境适应性。

4）建立有效的手段和方法，对构建的工程菌进行预测，提高其进入自然环境后的生态安全性。

相信这些问题的解决，将会推动农药生物降解的研究进展，为农药合理使用、农田生态系统管理及土壤资源可持续利用提供参考。

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