有机磷农药的微生物降解技术

刘一帆(苏州科技大学，江苏 苏州 215000)

0 引言

有机磷农药是我国在农业生产过程中曾经广泛使用的环境杀虫剂，其由于杀虫效果明显且广谱的优点受到了人们的欢迎，在发展过程中逐渐取代了有机氯农药。但在这种农药大范围应用的过程中，其对环境产生的负面影响也日渐突出，在水体和土壤环境当中残留的有机磷农药在物理迁移和化学转化之后，会逐渐随着食物链进入人体和其他生物体内产生影响。

1 有机磷农药的微生物降解概述

作为农业大国，我国每年由于有害昆虫、杂草等病原微生物造成的平均损失能够达到25%。化学防治手法通常是农民的首选，主要原因在于这种防治方式具有药品种类多、药效好且见效快的优势，同时应用范围很广，适用于大部分农作物和虫害防治。大量使用有机磷农药在保障病害杀灭率，提升粮食产量的同时也导致了比较严重的环境问题。

有机磷农药降解技术属于解决农药对食物和环境污染的主要途径，当下可用的方法有很多，即化学降解、物理降解和生物降解等。传统的化学和物理降解效果较高，其明显的弊端就是需要投入较高成本，且使用不当很容易产生二次污染。在此种技术的处理下，有机磷农药最终会降解为水、二氧化碳等低环境负担物质，不仅成本低，且对环境也不会产生二次污染。

2 降解有机磷农药的微生物分类

最早在受到有机磷农药污染的土壤当中，分离出的微生物是黄杆菌，这种微生物能够对硫、磷产生明显的降解作用，这种微生物也是最初发现的降解菌。后续又有技术人员在受有机磷农药污染的土壤当中分离出了假单胞杆菌，同样对硫、磷有明显的降解作用。到目前为止，在自燃环境中发现的能有机磷农药降解微生物包括细菌、真菌等种类已经十分繁多，其中应用率最高的有黄杆菌属、芽孢杆菌等。需要注意的是，一般情况下在自然界中分离出来的降解有机磷真菌数量较少，尤其是与细菌相比，但真菌对有机磷的降解效果要明显优于细菌，且遗传形状也比较稳定，并不会由于传代产生解磷活性降低的情况。

3 有机磷农药微生物降解途径

微生物对有机磷农药的降解方式可以分为两种，其中一种是与酶产生相互反应达到降解目的，即将降解菌直接用于受污染土壤，在一系列酶促反应之后，就能够达到将有机磷转化分解成无毒物质的目的，也就是常见的微生物降解农业。另一种则是非酶促降解，指的是微生物自身活动引发环境变化，间接达到降解有机磷农药的效果，常见的有矿化作用和生物浓缩等。

针对不同的作用方式，还可以将微生物的酶促降解划分成三种，首先是部分微生物可以利用农药或者分子中的部分作用作为能源被微生物利用。其次是微生物能够通过共生作用实现对有机磷农药的降解，需要注意的是一旦遇到结构比较复杂的农药，就需要依靠两种以上微生物共同产生作用达到降解目的。最后是部分微生物会在保护自身的过程中降解有机磷农药，常见的有机磷农药当中含有磷酸三酯，磷在于双键和氧或者硫相互结合达到降解目的。简单讲就是若农药当中的磷酯键水解，则有机磷农药的污染性和毒性都能够得到大幅度降低[1]。

4 有机磷农药的微生物降解技术

4.1 降解菌种类

当下人们分离出的能够对有机磷农药产生降解作用的微生物菌群已经有很多，且可选种类也十分多样。

众所周知，细菌适应性很强，且有可能在降解过程中诱发突变菌株，因此在微生物降解工作当中受到的重视程度始终很高。至今为止已经被发现和分离出的细菌主要由假单胞菌属、不动杆菌属、沙雷氏菌属等。

真菌的主要优势在于降解能力很强，在实际应用当中也比较常见，常用的有曲霉属、木霉属等。我国曾有技术人员在长期摇床驯化培养过程中，从受到有机磷农药污染的土壤当中筛选出了能够在高浓度氧化环境当中正常生长的曲霉菌株。这种菌株在28 ℃高浓度氧化乐果环境下对有机磷的降解率能够达到70%左右。

除上述内容外，部分藻类也能够对有机磷农药产生良好的降解作用，如小球绿藻属就能够对硫磷和甲拌磷等有机磷种类产生明显的降解效果。

4.2 降解菌来源

我国当下获得能够对有机磷农药产生反应的微生物途径主要有三种：首先是在已经受到有机磷农药污染的土壤、水体和污水处理厂当中，采取合理手段筛选、驯化、富集以及分离，就能够得到有效降解有机磷农药的菌株。具体筛选方式可以研究人员的日常工作为例。如：某研究人员使用室内培养的方法在含有乐果的土壤当中分离出了能够在高浓度乐果中生长，甚至能够将乐果作为碳源的铜绿假单胞菌株，实验表明这一菌株对乐果的平均降解量能够达到1 306.33 mg/L·60 h。另一研究人员在正常土壤当中也分离出了头状葡萄球菌和粪产碱菌，这两种菌株在甲胺磷浓度500 mg/L，30 ℃环境下，180 r/min的摇床上培养了72 h，最终检测发现对甲胺磷的降解效果能够分别达到58.49%和65.80%，效果较好。再如：某研究团队从农业生产废水当中分离出了以马拉硫磷作为碳源和磷源的细菌共五株，其中四株属于产气肠杆菌，一株是苏云金芽孢杆菌[2]。

其次是定向培育优良菌种的方式，这也是近年来我国的重点研究方向之一。这种方式就是在人为影响下多次施药，最终在土壤当中培育分离出能够降解有机磷农药的微生物，具体可以研究人员的日常工作为例。如：某工作人员使用受到甲胺磷污染的废水，分离出细菌样品，最终找出了能够将甲胺磷作为唯一碳源实现降解的巨大芽孢杆菌。经过气相色谱检验之后，研究人员发现这一菌株对甲胺磷的降解效果十分明显，在48 h和96 h内分别能够达到49.24%和98.20%的降解率，效果良好，在使用时注意延长时间即可。

最后是通过化学诱变剂获取新的降解菌株，依旧以研究人员的工作过程为例，某研究人员在紫外诱变育种的技术辅助下，在假单胞菌当中筛选出了S-232。经过实验发现，S-232在30 ℃，同时摇床220 r/min的环境下静置6 d，对甲胺磷的降解率能够达到74%，和假单胞菌的降解率相比有所提高。

4.3 微生物降解机理

微生物对有机磷农药的降解方式具体分为两种，一种是将微生物直接作用于有机磷农药，本质上就是粗没反应，具有氧化、还原、水解等作用，需要使用本身就含有能够降解有机磷的酶系基因。虽然微生物原本没有能够降解有机磷农药的酶系，但在农药的影响下，微生物自身的基因逐渐产生改变，形成了新的降解酶系。如：某次实验发现，大肠杆菌产生的磷酸酯酶能够打开P=S键。实验小组中的研究成员也分离出了能够在不同程度上大段甲胺磷P=N、P=S和P=O键的菌株，并能够将其完全转化，最终成为PO43-。

在分离到的抗辐射不动杆菌降解甲基对硫磷的过程中发现，整个反应降解过程都不产生中间产物，因此他认为这种不动杆菌USTB-04能够促使苯环上的C-C键断裂，并不是直接作用于P=O键。

另一种是指微生物活动能够改变环境功能，从而产生降解有机磷农药的效果。常见的有三种方式，第一是矿化作用。如某研究人员使用长期使用“毒死蜱”土壤进行试验，发现DLL-1能够在24 h之内完全降解100 mg/L的毒死蜱，效果极好。第二是共代谢作用。如某研究人员用菌株L3，以共代谢的方式降解乐果，结果显示，在120 h内对了过的降解率在29.9%，有一定效果。第三是种间协同代谢，即在同一环境当中，多种微生物联合对某种有机磷农药产生降解作用，常用的方式是培养混合菌。

4.4 微生物降解广谱性

当前已经有研究结果显示，一种有机磷农药可以被多种微生物降解。且我国农业生产过程中常用的有机磷农药结构基本相同，因此大部分微生物都能够对多种农药达到降解效果。

需要注意的是有机磷农药的种类繁多，通常不会在环境中单独存在，因此寻找广谱性降解有机磷农药的微生物菌群是未来相关研究的主要方向之一。

如节杆菌B-5具有降解异唑磷、毒死蜱、苯硫磷等多种有机磷农药的效果，具体速度会根据底物不同产生变化。这种节杆菌对异唑磷的降解效果最好，能够在1 h内使10 mg/L的异唑磷完全降解。

5 结语

微生物降解有机磷农药的应用前景十分广泛，但当下产生的研究成果大部分是在实验室条件下完成的，后续工作的重点就是打破推广局限性，同时将继续研究的重点集中在寻找高效降解有机磷的菌种以及提高降解效率。因此，有机磷农药微生物降解技术的商品化和普及是该技术发展的必然结果。