氯代乙酰类除草剂的微生物降解研究进展

摘 要：氯代乙酰类除草剂是一类具有高效性、高选择性的芽前除草剂，它们在全球范围内被广泛使用。由于其具有水溶性高、土壤残留期长的特点，很容易在地表水和土壤中残留，不仅影响后茬作物生长，还容易造成了生态污染，利用微生物降解这类农药已成为近年来的研究热点。该文综述了微生物降解氯代乙酰类除草剂的研究进展。

关键词：氯代乙酰类除草剂；降解途径；鞘酯菌；N-脱烷基酶

中图分类号 Q93-42 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）11-0036-03

Progress of Biodegradation of Chloroacetamide Herbicides by Microorganism

Tian Xiaosi1 et al.

（1Centre Testing International Pinbiao （Shanghai） Co.，Ltd，Shanghai 201206，China）

Abstract：Chloroacetamide herbicides are a class of pre-emergence herbicide with high efficiency and high selectivity，which are used worldwide to control broadleaf weeds and annual grasses.Because of their high water solubility and long persistence in the soil，the residues of chloroacetamide herbicides not only injure the subsequent rotation crops，but also contaminate the ecological environment. Microbial degradation of chloroacetamide has received increasing attention in recent years.This research process on the microbial degradation of Chloroacetamide herbicides was reviewed in this paper.

Key words：Chloroacetamide herbicides；Degradating-pathway；Sphingomonad；N-dealkylation

氯代乙酰类除草剂是一类触杀型除草剂，因此类除草剂分子结构中含有氯乙酰基团而得名。氯代乙酰类除草剂具有高效性、高选择性，在世界范围内应用越来越广泛。氯代乙酰类除草剂年产量与使用面积居世界第三位，仅次于草甘膦和磺酰脲类除草剂[1]。由于氯代乙酰类除草剂易溶于水，其大量使用很容易造成在土壤和地表水中的残留，从而带来了一系列的环境问题[2]。虽然氯乙酰类除草剂对人畜毒性较低，但是对水生动物有很强的毒性，例如，研究表明，乙草胺对稀有鮈鲫幼虫和成虫中甲状腺激素相关基因的表达产生明显影响，其中幼虫的甲状腺受体蛋白α、脱碘酶、苹果酸酶和钠碘转运体表达水平明显降低，而成虫中编码甲状腺激素合成的基因表达量明显上升[3]。花背蟾蜍蝌蚪接触乙草胺后，其细胞中单链DNA断裂现象显著增加[4]。Lasheidani等研究表明丁草胺不仅降低鱼精子的数量，还降低了精子的质量[5]。Zafeiridou等使用乙草胺、2，4，5-三氯苯氧乙酸和2，4-二氯苯氧乙酸3种除草剂处理青蛙坐骨神经，发现乙草胺处理后，青蛙坐骨神经复合动作受到了严重的影响[6]。

氯代乙酰类除草剂对哺乳动物的危害也同样不容忽视，2008年美国环保局将甲草胺和乙草胺定为B-2致癌物质，丁草胺和异丙甲草胺定为L2和C类致癌物，并且把饮水中甲草胺的最大残留限量定为<2μg·L-1[7]。因此，世界卫生组织和联合国粮农组织已对它们在坏境和农产品中的残留作出严格的限量。利用微生物降解农药具有成本低、效率高、无二次污染、生态恢复性好等优点，被认为是环境污染治理最有效、最可行和最可靠的方法，已成为当前环境科学研究的热点[8-9]。本文综述了国内外在氯代乙酰类农药残留的微生物降解方面取得的研究成果，并对今后的研究方向进行了展望，对加强该类农药环境行为研究具有重要警示作用。

1 降解微生物的种类

光解、水解和植物动物降解是农药在环境中非常重要的降解方式，但是氯代乙酰类除草剂通过光解、水解、植物动物降解所占比例很少，研究发现微生物在氯代乙酰类除草剂的生物降解过程中起着最主要的作用。由于氯代乙酰类除草剂在20世纪50年代就开始使用，很多报道很早就有关于从土壤和水体中分离到降解该类农药的微生物。综述相关文献可以看出已分离筛选到的降解微生物分布多个种属，细菌的种类和数量最多，其次是真菌，放线菌只有很少的菌株。

2 降解途径的研究

降解氯代乙酰类除草剂的微生物种类繁多，这也导致了其代谢途径的多样性。农药微生物代谢途径的研究主要是通过液相和质谱等方法来鉴定降解的中间产物，并以此为依据分析代谢途径，但是由于产物的不稳定性、复杂性及菌体产生的次级代谢产物的影响，导致了中间产物的鉴定困难。因此，微生物代谢氯代乙酰类除草剂的完整途径到目前为止尚不清楚。现在报道的微生物降解氯代乙酰类除草剂的途径主要有3种：谷胱甘肽介导脱氯、侧链脱烷基途径和混合降解途径。

2.1 谷胱甘肽介导脱氯 氯代乙酰类除草剂通过谷胱甘肽转化，最初被认识是因为在动物和植物中发现的较多，而在原核生物中发现的较少，直到二氯甲烷脱氯酶的发现，才使细菌中的谷胱甘肽S-转移酶研究得到重视。Feng研究发现乙草胺在土壤中首先与谷胱甘肽形成乙草胺-谷胱甘肽结合物，再转化成乙草胺S-半胱氨酸结合物，最终在土壤中形成酸性代谢物[10]。甲草胺的微生物初始代谢步骤是通过谷胱甘肽转移酶与谷胱甘肽取代氯原子形成甲草胺-谷胱甘肽复合物，该复合物通过γ-谷氨酰转肽酶、羧肽酶类、半胱氨酸-β-裂解酶最后通过氧化酶氧化成含硫和不包含硫的代谢物[11]。Stamper等在研究氯乙酰类除草剂降解时发现，微生物体内的谷胱甘肽-S-转移酶能够亲核攻击甲草胺、异丙甲草胺和毒草胺的2-氯基团并形成谷胱甘肽-乙酰胺中间态，然后进一步形成无除草活性的乙烷磺酸ESA[12]。

2.2 侧链的脱烷基途径 侧链上脱烷基途径是氯代乙酰类除草剂微生物降解的主要方式之一，氯代乙酰苯类农药的完全降解需要多个菌株共同作用，而单独矿化该类农药的降解菌很少见报道。Li等通过分离筛选到菌株Sphingobium sp.DC-2和Sphingobium sp.DE-13，这2个菌株联合作用后可以矿化乙草胺，首先Sphingobium sp.DC-2将乙草胺降解为2-甲基-6-乙基-苯胺 （MEA），然后Sphingobium sp.DE-13通过对位的羟基化将MEA转化成2-甲基-6-乙基-氨基苯酚（MEAOH），MEAOH羟基氧化生成2-甲基-6-乙基对苯醌亚胺（MEBQI），MEBQI最后被完全降解[13]。Hou等分离到T3-1、T3-6和MEA3-1等3个菌株通过共同作用可完全降解乙草胺：菌株T3-1从乙草胺分子的侧链N上脱烷基，形成中间产物CMEPA；然后菌株T3-6作用于CMEPA，切断酰胺键形成MEA和氯乙酸；最后菌株MEA3-1将MEA完全降解[14]。Zhang等研究了Paracoccus sp.FLY-8降解丁草胺的代谢途径，发现丁草胺首先被降解成甲草胺，甲草胺从N上脱烷基形成CDEPA，水解CDEPA形成DEA，以苯胺为中间产物，降解生成邻苯二酚，继而开环直至完全矿化[15]。

2.3 混合降解途径 部分菌株对氯代乙酰类除草剂的降解机制是非常复杂的，其中夹杂着多种反应，例如脱氯、羟基化、N-脱烷基、O-脱烷基、C-脱烷基、环化、羧化和脱羧等。其中，最为典型的是Pseudomonsa oleovorans sp.L Ca2、Fusarium solani 和 Catellibacterium caeni sp.DCA-1降解氯代酰胺类除草剂的代谢途径。研究发现Pseudomonsa oleovorans sp.LCa2 降解乙草胺的途径涉及的反应有脱氯作用、脱氢作用、羟基化、N-脱烷基和C-脱烷基[16]。Fusarium solani 在降解丁草胺过程中检测出的中间产物超过30种。Zheng等研究发现Catellibacterium caeni sp. DCA-1降解丁草胺的代谢途径：首先丁草胺在相关酶的作用下脱去丁氧甲基支链中的丁基，然后脱去氯原子，最后产物进一步脱掉甲基，因此，DCA-1 降解丁草胺涉及的反应有脱氯作用、N-脱烷基、O-脱烷基、C-脱烷基作用。

3 微生物降解的机制研究

脱烷基反应的实质是C-N键的断裂，大量的研究结果表明，断开C-N键的酶主要是酰酶、脱甲基酶和脱烷基酶，目前国内外报道的关于氯代乙酰类除草剂代谢的功能基因论文很少。Li等利用鸟枪-显色法（苯胺类物质显色剂氨基比林和铁氰化钾反应显红褐色为筛选标记），从乙草胺降解菌株Sphingobium sp.DC-2中克隆到一个酰胺酶基因cmeH，CmeH 能够水解CMEPA （CDEPA） 酰胺键生成 MEA （DEA），这是最早报道有关乙草胺微生物降解的基因[13]。Wang等通过蛋白纯化从 Delftia sp.T3-6 中克隆到降解 CDEPA 的基因 DamH，该基因编码的蛋白与 Li 等报道的CmeH蛋白相似，同样不能水解丁草胺的酰胺键[18]。然而，通过采用突变株和野生株的基因组信息比对的方法，Chen等从 Sphingomonads DC-6 和 DC-2 乙草胺降解菌株中克隆到一个三组分的N-脱烷基的基因簇 CndABC，该基因簇属于非血红素铁硫蛋白氧化酶 （RHO） 家族，三组分编码的蛋白可以催化降解甲草胺、乙草胺和丁草胺[19]。

4 展望

环境中氯代乙酰类除草剂的代谢，土壤微生物在其中起主要作用。当前已经获得了多种降解氯代乙酰类除草剂的微生物资源，包括细菌、真菌和放线菌等。氯代乙酰类除草剂的微生物降解在降解菌的分离筛选和生理特性方面已有较多研究，对其代谢途径有了一定的认识，但对影响降解的关键酶有待进一步研究。综上所述，以往研究还不够深入，还有很多问题没有得到阐明，该类除草剂降级的酶和基因、降解途径的代谢调控机理及其遗传控制机制尚不清楚，今后应加强这方面的研究。

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