农药微生物降解技术助力农业清洁生产

文/刘艳鹏 本刊编辑

农业生产中如果不能正确处理好发展生产与保护环境的关系，片面追求高产量，农业生产环境将日益恶化；要降低农药残留对农业生产环境和农产品质量的影响，就要实施农业清洁生产。农药残留微生物降解技术对实现农业清洁生产发挥着越来越重要的作用。随着分子生物学和基因工程技术的应用，微生物降解农药技术逐步由实验室走向大田，其能否成为治理农药残留的“主力军”，前景又如何呢？

我国农业在取得举世瞩目成就的同时，越来越多的投入品被应用于农业生产，过量或不合理的使用导致投入品利用率不高，大量农药等危险残留物质在农业环境中日积月累，不但严重削弱土壤肥力和降低农产品品质，甚至危害人畜健康，破坏农业生态的平衡。农药残留物质多为化学合成的有机物，其分子量大，化学性质稳定，难于分解，在自然环境中可存在几十年甚至上百年；因此，在加大控制投入品使用力度的同时，应加强残留物质清除。如何做到有效降解农药残留，是当今科研工作者的重点研究课题。研究表明，微生物在土壤和水环境的农药降解中起主要作用[1]。微生物不仅可以分解自然环境中各种生物的排泄物及死体成为简单的无机物，还可降解人工合成有机化合物，如通过还原作用，把含硝基的有机除虫剂还原为胺类物质；通过环裂反应，把芳香基有机物降解为简单有机小分子。微生物降解作用使自然界生命元素可往复循环成为可能。

优势

微生物降解作用是指微生物通过代谢作用将有机大分子物质转化成为简单无机物的现象。因微生物在环境中广泛分布，微生物降解技术与传统的物理、化学方法相比较，具有诸多优点。首先是零排放。微生物可将农业残留物质中的有机物降解与消纳，彻底分解成二氧化碳、氮气和水蒸汽，不存在二次污染。其次是低成本。微生物降解速度快，效率高、费用低，成本仅为传统物理、化学方法的30%～50%。再次是微生物降解过程低碳环保，不需要投入品，符合当今节能减排的环保理念。最后是适用范围广。由于微生物个体小、适应性强且易变异，在代谢应用过程中可随外界环境的变化诱导产生新型自发突变株，也会通过形成诱导酶系而具备新的代谢功能以适应新的环境条件。另外，微生物代谢类型多种多样，所以自然界所有的有机物几乎都能被微生物降解与转化。

现状

就目前农业发展阶段来看，化学农药在今后相当长时期内都将是防治病虫害的拳头产品，因此农药残留的微生物降解技术必然成为全球的研究热点。

微生物降解农药的主要类群

近年来，研究人员先后分离到一批能降解或转化某种农药的微生物类群，逐步弄清了微生物降解农药的主要作用方式及降解机制，以及各类化学农药的微生物降解途径。自然环境中存在的在农药降解方面起重要作用的微生物有细菌、真菌、放线菌和藻类等[2-5]，其大多数来自土壤微生物类群。其中，细菌适应能力强，容易诱发各类突变菌株，在农药降解中占有主要地位，其中最活跃的菌株为假单孢菌属，对多种农药有分解作用[1]，见表1。

微生物降解农药的主要方式

农药降解主要方式有2种，即酶促反应与非酶促反应。酶促反应指的是微生物以细胞内酶类或分泌的胞外酶直接作用于农药，经过一系列生理生化反应过程，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。酶促反应是微生物降解农药的主要形式。如莠去津作为假单胞菌ADP菌株的唯一碳源，有3种酶参与莠去津的降解反应（A tzA、A tzB、A tzC）[6]；但是，降解酶在土壤中容易因受非生物变性、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，这些都限制了降解酶在实际生产中的应用。

非酶促反应指的是微生物通过代谢作用来改变农药环境的离子浓度、pH值等物理、化学性质，从而间接促使农药降解的过程，主要包括脱卤作用、氧化作用、胺及酯的水解、还原作用、环裂解、甲基化和去甲基化等。在微生物降解农药时，其体内并不是只进行单一的反应，多数情况下是多个反应协同作用来完成对农药的降解过程。目前，已明确了微生物降解途径的农药有对硫磷、DDT、毒死蜱等，具体见表2。

表1 农药降解微生物类群

研究热点

近年来，科研工作者围绕微生物降解农药残留开展了大量研究工作，研究热点主要集中在以下几个方面。

固定化微生物技术

在微生物降解过程中需要确保降解菌或降解酶的活性，因此固定化微生物技术被大量研究和应用。该技术将选定的参与降解的微生物固定在相应的载体上，实现微生物高度密集，并保持较高活性和可重复利用性，从而实现快速、大量的降解功能。其特点是可保持菌种的高效性，而且二次污染小，具有良好的发展前景。

基因工程技术

基因工程技术是将改组或重组的目的基因插入到载体中，经拼接后转入全新的宿主细胞内，构建目标工程微生物，使得不同的遗传基因重新组合，进而实现目的基因在工程菌中的复制与表达。一般都是通过使用随机同源基因体外拼接，重组污染物跨膜转运基因及表面活性剂编码基因，重组有利于微生物适应环境的编码基因，或者通过加强启动子来提高降解酶基因的表达，使得菌株的代谢途径朝着有利于降解污染物的方向发展，优化菌株的降解活性，达到有效降解农药的目的。

表2 微生物降解农药的主要类型

多菌株复合体系的构建

在农业生产中，农药往往是多种类型混合使用，使得农药残留成分十分复杂，单个微生物无法完成对残留的降解。想要达到良好的降解效果，就需要构建多菌株复合体系，通过多种类型微生物的相互协作，经过系列反应实现对于农药残留的彻底降解。多菌种复合体系不仅具有更强的降解作用，而且能够适应更加复杂的环境，对于一些复杂成分残留的降解有着明显的优势，因此越来越受到研究人员的关注。

微生物表面展示技术

微生物表面展示技术是将外源蛋白（或具有酶活性的蛋白质结构域）在微生物表面以融合蛋白形式进行展示，被展示的多肽或蛋白质可以保持相对独立的空间结构和生物活性，发挥其特定功能。该技术优点是降解微生物与农药残留直接接触，省去了繁琐的蛋白质纯化过程，提高了降解酶的降解效果。

藻类系统

通过人工强化培养的高浓度活性藻类，能有效地富集和降解农药残留。试验表明，活性藻超浓度培养能明显加速氮、磷等营养物及其他有机物的去除。但到目前为止，藻类超浓度培养仅限于小规模试验，大规模超大型浓度培养技术尚不成熟。

应用实例

由南京农业大学生命科学院微生物学系李顺鹏教授首创与开发的“农药残留微生物降解技术”，利用筛选的特定微生物菌株，在蔬菜、水稻等农作物与土壤喷洒农药后使用，能有效地降解土壤和作物植株表面的有机磷类、菊酯类、有机氮类等农药残留，从而使农产品基本达到无农药残留，是一种发展无公害和绿色食品的有效技术。该技术获国家重点新产品和农业部肥料登记证，能够高效降解土壤与植株中的农药残留，改善土壤品质，生产绿色农产品。南京市江宁区土桥镇连续使用该技术3年，所生产的无公害大米经中国绿色食品测试中心检测无农药残留，达到出口标准，获得南京市第一个绿色食品证书。该技术自1995年开始在江苏省大面积推广应用，目前已在江苏、安徽、山东、河北、山西等全国多个省市推广应用20万hm2以上，获得绿色农产品品牌6个，累计增加经济效益达5亿元。

技术难题及其解决办法

微生物降解活性的表达

在实验室研发阶段被纯化的单一菌株很可能降解活性很强，但在实际环境条件下可能无法存活或降解效果不佳；因此，亟待开发和利用高效降解菌，建立高效降解菌的种子库，充分开发降解菌的特异降解活性及其存活能力。

微生物降解机制、代谢途径研究

农药被降解后可能是彻底失去毒性，也可能是分解产物毒性很大，还有可能就是降解后的产物有毒，故需对特定农药残留微生物降解的机制、代谢途径作进一步研究。

环境条件对降解作用影响

温度、水分、pH值、氧含量等自然条件直接影响微生物生长及代谢，进而影响其降解作用。克服环境因素影响，是急切要解决的重大问题。

优势菌株发掘

降解菌对受污染环境不适应，导致菌群不能成为优势菌而失去降解活性；所以，需要构建多菌株复合体系，增强微生物的抗污染性能和稳定性；另外，在被污染环境中往往会诱导出天然的优势菌株，这就需要研究相关控制措施，充分发挥土著优势降解菌的作用。

展望

随着现代生物技术发展，高效、低毒、低残留、易降解新型化学农药的研发工作虽然取得了很大进展，但已残留在环境中的化学农药的降解，以及新型化学农药带来的新污染仍不容忽视，零排放、分解彻底、低成本的微生物降解技术将是清除农药污染的主要手段。自然界中很多具降解特性的微生物有待被发现，通过筛选高效降解菌，深入研究微生物降解农药的特性，构建高效遗传的“超级工程菌”，综合治理农业环境污染，将显示出诱人的应用前景。随着微生物降解技术由实验室阶段逐步走向大田，由农药残留降解扩散至秸秆、污水、塑料等农业废弃物的治理，其市场前景广阔，且将有力助推农业清洁生产。