邱 露，李昆太，程 新，彭帥英*

二甲戊靈微生物降解研究進展

邱 露1，李昆太2，程 新1，彭帥英1*

（1. 江西農(nóng)業(yè)大學 生物科學與工程學院，江西 南昌 330045；2. 廣東海洋大學 食品科技學院，廣東 湛江 524088）

二甲戊靈是一種廣譜、高效的二硝基苯胺類除草劑。由于人們對其大量的生產(chǎn)和使用，該農(nóng)藥殘留已經(jīng)成為重要的環(huán)境問題。傳統(tǒng)物理化學方法降解農(nóng)藥殘留成本高、效率低、易造成二次污染等問題，生物法因具有高效、安全、無污染等優(yōu)勢在農(nóng)殘降解方面有巨大的發(fā)展前景。為推動二甲戊靈生物降解的研究，文中綜述了二甲戊靈微生物降解菌株、降解代謝途徑、降解相關基因的研究進展，并對現(xiàn)階段二甲戊靈微生物降解研究存在的問題及未來研究方向進行了討論，以期為微生物降解二甲戊靈殘留的深入研究提供參考。

二甲戊靈；二硝基苯胺類除草劑；微生物降解；代謝途徑；降解基因

二甲戊靈是一種二硝基苯胺類的選擇性除草劑，具有除草譜廣、穩(wěn)定性好、除草效率高等特點，在世界范圍內(nèi)運用廣泛[1]。然而，二甲戊靈的大量使用也使其作為污染物在土壤、空氣、水等環(huán)境中被檢測出來，且殘留于環(huán)境的二甲戊靈極易被動植物吸收，進入食物鏈與食物網(wǎng)，并通過生物累積效應對其他生物造成危害[2-5]。此外，有研究表明長期接觸二甲戊靈將增加人類心血管疾病、慢性腎臟病、癌癥等疾病的發(fā)生概率[6-8]。因此，解決二甲戊靈殘留問題迫在眉睫。農(nóng)藥殘留的降解方法主要有物理法、化學法與生物法。物理法是通過萃取、吸附、膜分離等手段去除農(nóng)藥的方法，其本質(zhì)是將農(nóng)藥吸收轉(zhuǎn)移，無法根除農(nóng)藥，并且具有成本高，處理效率低下等問題[9]?；瘜W法是通過投入化學試劑（如臭氧），使農(nóng)藥發(fā)生化學反應，進而發(fā)生分解的方法[10]。此法能徹底去除農(nóng)藥，并具有反應速率快，處理效率高等優(yōu)點；但化學試劑的使用將導致處理成本提高、二次污染等問題?；谖锢矸ㄅc化學法的種種缺點，人們將目光轉(zhuǎn)向了生物法。生物法又名生物修復法，是指利用各種生物體（如微生物、植物）的作用降解農(nóng)藥為無毒小分子物質(zhì)的方法[11]。相較于物理與化學方法，生物法具有降解效率高、成本低、綠色無污染、對環(huán)境友好等優(yōu)點，而微生物因其體積小、繁殖快、適用性強等優(yōu)點在生物降解方面具有獨特的優(yōu)勢。因此，目前對于各類農(nóng)藥微生物降解的研究越來越多[12-16]。本文綜述了目前國內(nèi)外關于二甲戊靈微生物降解菌株、降解代謝途徑、降解相關基因的研究進展，并指出了現(xiàn)階段二甲戊靈微生物降解研究可能存在的問題及未來發(fā)展方向，旨在為后續(xù)微生物降解二甲戊靈殘留的研究提供參考。

1 二甲戊靈的微生物降解菌株

二甲戊靈上市超過40年，在這期間，國內(nèi)外研究者從環(huán)境中分離得到了大量的二甲戊靈降解微生物菌株，主要分為細菌、真菌、放線菌三大類[17-18]。菌株類型豐富多樣，種屬分布非常廣泛，具體分類見表1。

表1 二甲戊靈降解菌株及其降解效率

續(xù)表1 二甲戊靈降解菌株及其降解效率

由表1可知，二甲戊靈降解細菌主要來源于芽孢桿菌屬與假單胞菌屬，降解真菌主要集中在青霉菌屬、曲霉菌屬與鐮孢菌屬，而降解放線菌極少，目前僅有sp.42、及Isolate A。此外，不同種屬菌株對二甲戊靈的降解能力也有差異。例如，Ni等[41]從活性污泥中分離出了一株能以二甲戊靈為唯一碳源生長的芽孢桿菌Y3（Y3），該菌在培養(yǎng)2.5 d后幾乎能完全降解100 mg/L的二甲戊靈。Han等[39]從連續(xù)施用二甲戊靈的土壤中篩選出了熱帶假絲酵母XSP6（XSP6），該菌5 d內(nèi)對300 mg/L二甲戊靈降解率達到66.2%。綜上，雖然目前獲得了大量的二甲戊靈降解菌株，但高效降解菌株資源仍然稀缺，因此，發(fā)掘高效的二甲戊靈降解菌仍是當前二甲戊靈微生物降解研究的重要方向[18,42]。

2 二甲戊靈的微生物降解途徑

農(nóng)藥的微生物降解是指微生物改變農(nóng)藥分子結(jié)構(gòu)使其失活，最終轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌鼰o害物質(zhì)的過程，具體降解途徑非常復雜。目前國內(nèi)外研究人員主要通過色譜、紅外光譜、質(zhì)譜和核磁共振等技術鑒定微生物降解二甲戊靈過程中產(chǎn)生的代謝物，進而分析其降解二甲戊靈的具體方式，以此推測微生物內(nèi)部二甲戊靈降解的完整過程。研究表明，微生物降解二甲戊靈的方式包括硝基還原、氧化N端脫烷基、環(huán)化、芳甲基氧化等[35,43]，且不同類型菌株降解二甲戊靈的方式不盡相同。圖1展示了部分菌株代謝二甲戊靈的過程。

在圖1中，Kole等[43]發(fā)現(xiàn)褐球固氮菌（）降解二甲戊靈的途徑包含以下3種：一是通過硝基還原反應將二甲戊靈轉(zhuǎn)化為6-氨基二甲戊靈；二是通過氧化N端脫烷基反應先將二甲戊靈轉(zhuǎn)化為2，6-二硝基-3，4-二甲基苯胺，再經(jīng)硝基去除反應或乙?；饔棉D(zhuǎn)化為3，4-二甲基-6-硝基苯胺或N（2，6-二硝基-3，4-二甲基）苯乙酰胺；三是先通過芳甲基基團氧化的方式將二甲戊靈轉(zhuǎn)化為2-甲基-4，6-二硝基-5-[(1-乙基丙基)氨基]苯甲醇，再經(jīng)部分硝基還原、N端脫烷基及環(huán)化反應將前者進一步轉(zhuǎn)化為2-甲基-4-硝基-5-N-（1-環(huán)丙基）-6-亞硝基苯甲醇。除硝基還原與氧化N端脫烷基反應外，環(huán)化產(chǎn)生苯并咪唑也是微生物代謝二甲戊靈的常見方式，有研究探索了這類化合物的形成機理。例如：岳紋龍[26]推斷在芽孢桿菌WL-6（sp. WL-6）降解二甲戊靈過程中5種咪唑類的化合物的形成過程如下：在芽孢桿菌WL-6中，二甲戊靈經(jīng)硝基還原反應生成6-氨基二甲戊靈，之后與細菌內(nèi)部的甲酸結(jié)合，在N-烷基化酶作用下反應生成酰胺，由于酰胺苯環(huán)上與異丙烷相連的氨基易發(fā)生環(huán)羥化，因此進一步轉(zhuǎn)化為苯并咪唑類物質(zhì)（圖1）。

此外，研究發(fā)現(xiàn)，新型降解菌株中還存在著新型的二甲戊靈代謝途徑。例如，Ni等[41]發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌Y3（Y3）先通過硝基還原作用將二甲戊靈轉(zhuǎn)化為6-氨基二甲戊靈，再通過硝基還原和羧化作用進一步代謝為5-氨基-2-甲基-3-亞硝基-4-(戊烷基-3-氨基)-苯甲酸，最后通過環(huán)化與羥基化作用生成8-氨基-2-乙基-5-(羥甲基)-1,2-二氫喹喔啉-6-羧酸，展示出不同于其它微生物的代謝途徑。

綜上，微生物代謝二甲戊靈的方式非常多樣，較常見的是硝基還原反應與氧化N端脫烷基化反應，有研究表明這兩種反應是微生物解除二甲戊靈毒性的關鍵步驟，許多微生物如腐皮鐮孢菌（）、列城芽孢桿菌XJU（XJU）、環(huán)狀芽孢桿菌（）等降解二甲戊靈的過程均涉及這兩種反應，產(chǎn)生6-氨基二甲戊靈、2，6-二硝基-3，4-二甲基苯胺等代謝物[24]。此外，隨著新型降解菌株的發(fā)掘，二甲戊靈的微生物降解代謝途徑也在不斷豐富。然而，大部分研究仍停留于二甲戊靈降解的前三步反應，對二甲戊靈完整礦化途徑的研究亟待解決。

3 二甲戊靈降解相關基因的研究

隨著二甲戊靈降解菌株資源的不斷豐富，二甲戊靈微生物降解的分子機制研究也有了一定進展，但目前關于二甲戊靈降解基因的報道仍較少。

朱魯生等[20]通過堿裂解法提取出了芽孢桿菌HB-7中的質(zhì)粒，該質(zhì)粒能夠產(chǎn)生降解二甲戊靈的酶系。2005年，More等[44]首次從環(huán)狀芽孢桿菌（）中分離純化出二甲戊靈硝基還原酶，該酶以NADPH為輔因子，能夠催化還原多種硝基苯胺類除草劑。Ni等[25]從芽孢桿菌Y3中分離得到2種二甲戊靈硝基還原酶，分別為PNR與LNR，并且克隆得到了相應的基因與。研究表明，LNR與PNR均能將二甲戊靈還原為6-氨基二甲戊靈，基因缺陷株會喪失30%硝基還原活性，基因缺陷株則會損失60%。表明PNR蛋白與LNR蛋白均參與芽孢桿菌Y3的硝基還原反應，且LNR蛋白起主要作用。此外，當兩種基因同時被敲除時，菌株仍可保留10 %的硝基還原反應活性，說明菌株內(nèi)部仍存在其他類型的硝基還原酶基因，但目前未被發(fā)現(xiàn)，還有待進一步探究。

綜上，二甲戊靈降解基因與酶主要來源于其高效降解菌株中，開發(fā)相關降解基因與酶能夠為高效農(nóng)藥降解工程菌的構(gòu)建提供直接可利用的資源，對于生物法降解農(nóng)藥殘留的研究發(fā)展有一定幫助。然而目前微生物降解二甲戊靈分子機制的研究尚在起始階段，相關基因與酶的報道較少。

4 總結(jié)與討論

作為世界第三大常用除草劑，二甲戊靈在世界范圍內(nèi)運用廣泛。與此同時，大量未被利用的二甲戊靈殘留于環(huán)境中，對環(huán)境及各種生物都產(chǎn)生了不利影響[3,45]。在農(nóng)藥殘留治理領域中，微生物降解法因其綠色、安全、環(huán)保、無污染的特點展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳?，國?nèi)外已經(jīng)獲得了大量的二甲戊靈降解菌株，闡明了部分菌株的降解代謝途徑，降解分子機制的研究也有了一定進展，但現(xiàn)階段二甲戊靈微生物降解研究仍然存在一定問題，具體有以下幾點：（1）現(xiàn)有高效降解菌株資源少[19,42]；（2）未完全探明微生物體內(nèi)降解二甲戊靈的完整途徑[34,38]；（3）未評估二甲戊靈降解過程中部分中間代謝物的生態(tài)毒性[26,46]；（4）二甲戊靈降解基因研究進展緩慢[25]。針對這些問題，未來可以從以下幾個方向進行二甲戊靈微生物降解的研究：①深入挖掘二甲戊靈高效降解菌株資源；②對菌株降解二甲戊靈的代謝過程進行深入研究，闡明完整的降解途徑；③對二甲戊靈降解過程產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物進行生態(tài)毒性評估；④對微生物降解二甲戊靈涉及的基因進行進一步研究，揭示微生物降解二甲戊靈殘留的分子機制。此外，除草劑降解酶或脫毒酶資源不僅可以用于農(nóng)殘生物降解領域，在我國抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物研究方面也有一定價值[47-48]。目前發(fā)展較為成熟的是抗草甘膦轉(zhuǎn)基因作物，但其大量種植及長期使用卻帶來了嚴重的雜草抗性問題，新型的除草劑降解酶基因的開發(fā)迫在眉睫[49-51]。而二甲戊靈作為一種使用范圍廣，性能優(yōu)良的除草劑，可作為轉(zhuǎn)基因工程領域的靶標農(nóng)藥，與之相關的降解酶或脫毒酶基因在抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物研究領域有著良好的發(fā)展前景[18]。因此，目前有關二甲戊靈微生物降解的完整礦化途徑摸索，降解分子機制解析，降解相關基因與酶開發(fā)等研究還需進一步深入，以期用于實際的農(nóng)殘生物降解或抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物研發(fā)領域。

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Progress of Microbial Degradation of Pendimethalin

QIU Lu1，LI Kuntai2，CHENG Xin1，PENG Shuaiying1*

(1. School of Bioscience and Bioengineering, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China; 2. College of Food Science and Technology, Guangdong Ocean University, Zhanjiang, Guangdong 524088, China)

Pendimethalin is a broad-spectrum, highly effective aniline herbicide. Due to its widespread production and use, pendimethalin pollution has become a critical environmental problem. The traditional physical and chemical methods to degrade pesticide residues exhibit disadvantages such as high cost, low efficiency, and secondary pollution. However, biological method has great development prospects in pesticide residue degradation due to its high efficiency, safety and pollution-free advantages. In order to promote the study of pendimethalin biodegradation, the research progress of pendimethalin microbial degradation strains, degradation metabolic pathways, and degradation-related genes were summarized. Moreover, the possible problems and future research directions on pendimethalin microbial degradation researches were also discussed. All of this aimed to provide a reference for the further research on the microbial degradation of pendimethalin residues.

pendimethalin;; microbial degradation; metabolic pathway; degradation gene

X592

A

2095-3704（2021）04-0397-07

邱露, 李昆太, 程新, 等. 二甲戊靈微生物降解研究進展[J]. 生物災害科學, 2021, 44(4): 397-403.

2021-09-27

2021-10-20

邱露（1998—），女，碩士生，主要從事微生物資源開發(fā)與利用研究，1518213411@qq.com；

通信作者：彭帥英，講師，博士，psyinjxnd@jxau.edu.cn。