农药残留降解技术研究现状

杨 霞，荆常亮，余佳敏，杜秀春，苟春苗，余祥文，杨 伟，徐海波，李义强，李 斌*

(1.中国烟草总公司四川省公司，四川成都 610000；2.中国农业科学院烟草研究所，山东青岛 266101；3.四川省烟草科学研究所，四川成都 610000；4.山东青岛烟草有限公司，山东青岛 266000；5. 四川烟草复烤有限责任公司，四川成都 610000)

农药在农业生产当中扮演着重要的角色，可直接作为调节剂控制作物生长，间接作为辅助剂、增效剂来提高药剂效力从而影响作物生长，在农作物增产、质量保障以及病害防控等方面有不可取代的意义[1-2]。农药具有效果显著、生效迅速、强稳定性、价格便宜等优点，在防治农作物病虫害方面是目前利用率最高的措施之一[3]。但伴随农药的大量应用，农药残留问题在农产品销售中的影响日趋严重。农药残留含有农药原体、有毒代谢物、降解物和杂质，指农药使用后生物体、农副产品和环境中的残存部分[3]。它首先会造成环境污染、影响生物生长，食用此类农作物更可能会危害人体健康，这已引起国内外的高度重视。

现阶段的研究表明，农药残留的降解方法分为：物理法、化学法和生物法[4]。其中物理方法包括洗涤、超声波技术、电离辐射和夹带法等，化学方法包括水解、氧化分解和光化学降解等，生物方法有微生物降解、酶降解和工程菌降解等，而随着微生物的研究作为热点，利用微生物降解农药在近年来也受到广泛关注[5]。该研究对农药残留降解的研究现状和进展进行了综述，为农药残留控制新技术的研究奠定基础。

1 物理降解

农药的物理降解主要包括洗涤、超声波降解、电离辐射和夹带等多种方法，其原理是利用农药的一些物理和化学特性，如水溶性、热不稳定性和光不稳定性等去除农药残留[6]。

1.1 洗涤洗涤是研究和使用最多的物理降解农药残留的技术。采用清水洗涤农产品后，水溶性的农药残留会得到很好的去除，脂溶性农药的降解率较低，可选择洗涤剂加入清水中以加速其溶解。除清水外，盐水、碱水、酸性水均可以作为农产品中农药残留的洗涤剂。不同洗涤剂对农药残留都有一定程度的去除效果，但不同洗涤剂对不同农药的降解效果也有差异。有研究用5种洗涤剂处理不同菜叶上的农药残留，试验结果显示不同洗涤剂对菜叶农药残留均能降解，但降解效率有所差异，5‰的盐水降解效率最高[7]。刘伟森等[8]利用不同洗涤剂(超声波水泡、清水、食用碱、洗洁精)处理娃娃菜，采用气相色谱检测敌敌畏和乐果含量，结果同样显示不同的处理方法均可以获得不同程度的农药降解效果，洗洁精降解效率最高，对乐果和敌敌畏的降解率分别为76.11%和84.38%。

洗涤类型和温度、溶解度、残留时间和位置等因素都会导致洗涤法处理农药残留的不同降解效果[9]。另外，洗涤剂的不当使用可能会造成更大的危害，如部分碱性洗涤剂处理农药残留后的毒性会扩大10倍以上，所以在洗涤剂酸碱性难以区分时应尽量不用；而部分合成洗涤剂因强吸附性，难处理反而造成二次污染[10]。

1.2 超声波降解法超声波降解法是通过超声波辐射把污染物分解为小分子的方法[11]。超声波技术因高强度、高频率的振荡特点比其他农药处理方法的溶出速率快、缩短了时长[12]。Golash等[13]研究发现，降解效果受反应器类型的影响，且声强与敌敌畏的降解率呈正相关；用频率为20 kHz、声强为0.34～0.68 W/mL的超声波辐照120 min后废水中敌敌畏可完全降解。Farooq等[14]用超声波降解农药废水溶液中的氧乐果的降解率可达96%以上，且在20～70 ℃范围内，超声波降解氧乐果的效率几乎不受温度影响。目前应用超声波处理农药残留降解仍处于实验室阶段，缺乏系统研究，要想大规模利用超声波降解技术，必须解决在工业上适用性、经济性、放大性等困难[15]。

1.3 电离辐射电离辐射也是由大分子降解成小分子的过程，主要通过放射性同位素所释放的各种高能射线产生能量使农药的各种化学键断裂[12]。电离辐射法通常作用于常温常压下，操作简单、广泛应用、安全无污染，且速率高、见效快、反应完全。不同辐照剂量处理不同农药的效果也有差异。陈梅红等[16]用电离辐射方法对4种农药(甲基对硫磷、溴氰菊酯、氧化乐果、三氯杀螨醇)进行处理，研究发现农药降解率受辐照剂量的影响，但二者关系并不一定是呈正相关，前2种农药的降解率随着辐射量的增加而增大，而氧化乐果降解效率基本不变，后者降解率随辐射量增加而减小。黄志勇等[17]研究发现，不同辐照剂量处理对绿茶农药残留均有一定的降解效果，且辐照后的绿茶鲜叶和干叶的农残降解率均有不同程度降低，效果最好的处理组降低了39.63%。但电离辐射在农产品上的应用效果并不好，比如短波辐射会大幅缩短果品贮藏期且损害果品质量。

1.4 夹带法利用具备吸附性的物质(如活性炭、石英砂等)将农药残留吸附或夹带的方法称为夹带法[18]。活性炭有比表面积大、孔隙率高、吸附性好和安全性高的优点，涉及气液体的分离精制、水处理、空气净化以及资源回收等方面[18]。活性炭的吸附效果受农药浓度、温度、pH及其他有机物竞争吸附等因素限制[19]。活性炭添加量为15%，吸附时间为1 min，硅藻土添加量为6.3%时，可使浓缩苹果汁中的甲胺磷残留量达到1 mg/kg，农药降解效率最高[20]。

2 化学降解

使用对应化学官能团的化学试剂与其发生反应，完成农药残留降解的方法称为化学降解[21]，典型方法有水解、氧化分解和光化学降解等。

2.1 水解水解反应因农药结构分子差异在酸、碱作用下均可进行[21]。肖乾芬等[22]发现，三唑磷农药在中性及酸性作用下的水解速率明显低于碱性。汤涛等[23]研究了异恶唑草酮分别在pH 4、pH 7和pH 9条件下的水解速率，发现在pH 9时最快。

2.2 氧化分解次氯酸盐、臭氧、过氧化氢等化学物质在食品行业中已广泛应用，它们是强氧化剂，能和农产品上残留的农药发生反应，生成相应的无毒、易被接受的酸、醇、胺或其氧化物等小分子化合物，从而达到对农药残留的降解。研究发现，在臭氧浓度为7.0 mg/L时，5 min后对百菌清的降解率可达100 ℃[24]。过氧化氢溶液也能提高植物表面甲胺磷、毒死蜱、久效磷的降解效果,其中10 mL/L过氧化氢降解效果达到最佳[25]。

2.3 光化学降解光化学降解能将有机污染物降解为H2O和CO2等无害物质[26]，在光和催化剂的作用下将光能转化为化学能[27]。增加电荷分离和运输、减少复合是对理想光催化剂的要求[28]，TiO2因无毒、成本低、效率高、性质稳定、反应条件易达到等优点而成为最具研究前景的半导体之一[29]。以矿化作用控制农药的剧毒是TiO2降解作用的途径[30]。Chen等[31]用TiO2光催化对草甘膦废水进行处理，研究发现控制其他因素不变，光催化剂用量由1.0 g/L提升至6.0 g/L时，草甘膦降解率提升了近40%。

3 生物降解

早期生物降解被认为是需氧微生物对天然和合成有机物的破坏或矿化作用，主要来自土壤、水体和废水生物处理系统[32]。随着研究水平的发展，生物降解的含义拓展为利用生物将污染物分解成小分子化合物的过程，生物类型有各种微生物、高等植物和动物[33]。

生物方法的降解速率比物理、化学方法慢，但仍有很多优点[34-35]：①可利用环境中存在的微生物进行土壤和水体农药修复，操作简便且不破坏环境；②降解农药的微生物来源于自然，成本低、分布广泛且种类繁多；③农药在修复过程中可被微生物利用，在降低环境毒性的同时生成的产物低毒甚至无毒，减少环境二次污染；④微生物对于所有农药污染物均可突变形成相应的降解微生物，适用性和突变性强、广谱性高[34,36-37]。生物法农药残留降解具有广阔的应用前景[38]。

生物降解农药残留主要是通过微生物降解、酶降解、工程菌降解来进行的。

3.1 微生物降解酶促反应和非酶促反应是微生物降解的2种途径[39]。酶促反应是指微生物通过细胞内酶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将农药完全降解成分子量、毒性都很小的化合物的过程[40]。非酶促反应是指微生物通过代谢改变农药的物理、化学性质(如环境离子浓度、pH)间接促使降解农药的过程[41]。微生物降解农药主要是通过酶促反应[40]。研究发现，杂色革盖菌(Coriolusversicolor)、毛韧革菌(Stereumhirsutum)在42 d后对敌草隆、莠去津和特丁津的降解率在86%以上[42]。陈振德等[43]发现叶面施海藻多糖稀土配合物对小白菜、甘蓝、芹菜中毒死蜱、氧化乐果、敌敌畏等有机磷农药残留具有明显的降解作用。高熳熳等[44]研究发现，有机磷水解酶(OPH)对多种农药均有不同程度的降解效果，其中对甲基对硫磷的降解效果最好，高达99%；对敌敌畏和喹硫磷的降解率也可达82.2%～98.7%；对其他农药的降解率则偏低。

3.2 酶降解利用酶降解农药残留是最具有潜力的方法，共生或单一微生物对农药的降解作用都是在酶参与下完成的[40]。隋程程等[45]通过施用叶面肥改变作物酶活性或微生物活性，提高烟叶上4种杀虫剂残留降解效果，且叶面肥稀释1 000 倍处理效果最佳。吴昊等[46]使用壳聚糖稀土复合物涂膜刺激植物体内酶活，对毒死蜱农药降解率超过73%。研究表明，酯酶在降解中起着重要作用，用合适的基质固定化酶的活性位点更易暴露于农药中，比游离酶降解效果更好[47]。Horne等[48]用香豆磷和蝇毒磷作为磷源，分离到菌株P.monteilliC11，从中鉴定出另一种新型对有机磷酸酯和硫酯有广泛的底物专一性的磷酸三酯酶。Richins等[49]构建了与纤维素结合区融合的OPH，利用融合蛋白一步纯化并固定于纤维素类基质上的特性提高酶的使用效果。

3.3 工程菌降解农药降解酶由于含量低、天然菌株较少、生产成本较高等因素限制了产品的应用[5]。随着分子生物学和基因工程技术的发展，将表达高效降解农药的酶的基因构建到载体中，经转化获得工程菌来提高起降解作用的特定蛋白或酶的表达水平，使其在农药降解中发挥作用[41]。Schofield等[50]将OPH基因的特定密码子突变，发现对马拉硫磷的降解活性经载有突变OPH基因的大肠杆菌增强了1 800倍，对内吸磷的降解活性增强了177倍。通过对硫磷水解酶adpB基因构建高效工程菌处理对硫磷残留，降解速率可达90%[51]。Jiang等[52]将外源甲基对硫磷水解酶基因mpd整合到呋喃丹降解菌Sphingomonassp.CDS-1的165 rRNA基因(rDNA)位点，构建了能同时降解甲基对硫磷和呋喃丹且遗传稳定、不含外源抗性的工程菌株。Lan等[53]通过在载体pETDuel中同时表达有机磷水解酶OPH基因opd和酯酶B1基因b1，构建了一株能够同时降解有机磷农药、氨基甲酸酯类农药以及拟除虫菊酯类农药的基因工程菌。

4 结语

物理、化学和生物3种方法是降解农药残留的主要形式。物理降解和化学降解经济方便、相对成熟、稳定，但在农药残留的低浓度降解方面受到限制。目前生物降解在农药降解菌的富集分离、降解途径、降解酶以及微生物降解的农药基因操作方面做了大量的探索和研究[32]，但降解效率成为阻碍发展的限制性因素。近年来随着分子生物学和基因工程技术的发展，通过构建高效工程菌提高降解效率成为研究热点。对微生物降解技术深入研究，可为农药残留降解技术提供支撑，为解决农产品和环境中农药污染奠定基础。