氟乐灵对氮循环的影响以及微生物降解研究进展.pdf

青海农林科技专 题 综 述 年第 期收稿日期:基金项目:青海省自然科学基金面上项目()作者简介:王 蕾()女在读硕士 :.通讯作者:李 玮()男博士 :.氟乐灵对氮循环的影响以及微生物降解研究进展王 蕾李 玮(.青海大学农林科学院青海 西宁.农业农村部西宁作物有害生物科学观测实验站青海 西宁.青海省农业有害生物综合治理重点实验室青海 西宁)摘 要:氟乐灵是农业生产中普遍使用的一种二硝基苯胺类芽前除草剂因其具有众多优点而广泛应用于农业生产中由于其在土壤中不易挥发和移动容易对农田造成难以降解的污染 微生物降解已经成为降解氟乐灵的重要途径 文章论述氟乐灵对土壤中微生物和氮循环的影响以及目前国内外对氟乐灵降解菌株的筛选、降解菌株的降解代谢途径、影响降解菌降解效率的原因等研究为筛选降解氟乐灵残留降解性能显著的降解菌株提供理论依据关键词:氟乐灵氮循环微生物降解中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:氟乐灵概述氟乐灵()又名特氟力、茄科宁、氟利克、氟乐宁等化学名称为 二硝基 二丙基 三氟甲基苯胺分子式为 化学结构式如图 橘黄色晶体是一种二硝基苯胺类选择性芽前除草剂目前已经被广泛使用于 年由陶氏公司开发生产氟乐灵在实际农业生产应用一般被制作成一种乳油制品除了在农田广泛应用在水产养殖中也被广泛使用 氟乐灵具有安全、高效、除草防治谱广等优点被广泛应用于农田生产全世界每年的消耗量都在万吨以上 氟乐灵易溶于大多数有机溶剂例如正己烷、乙醇、乙腈、乙酸乙酯、二甲苯、丙酮等自然条件下的氟乐灵易挥发易光解而在土壤中氟乐灵通常会因为土壤胶体的吸附作用而被固定到土壤中导致其不易移动和挥发图 氟乐灵的化学结构式氟乐灵除草的作用方式大多数是其通过禾本科杂草的芽鞘结构进入杂草细胞而对于部分的双子叶杂草则会通过下胚轴来吸收氟乐灵植物中的微管蛋白能够聚合并参与细胞分裂氟乐灵进入细胞后首先抑制植物细胞微管蛋白组织的发育破坏了杂草细胞正常的代谢活动阻碍了杂草细胞的有丝分裂进程从而使杂草死亡 氟乐灵对于一年生禾本科杂草的防除效果比较明显例如牛筋草、狗尾草、马唐等其对一部分双子叶杂草例如苋菜等也有一定的防除效果氟乐灵对于棉花、花生、蚕豆、大豆等农作物应用的较为广泛而对多年生杂草例如龙葵、苍耳等杂草几乎没有防除效果对已经出土的杂草也没有太大的防除效果张大弟等研究发现在喷施过氟乐灵两个月后的农田里氟乐灵在土壤中的残留量仍然高于土壤卫生标准而且土壤残留的氟乐灵会危及敏感作物因此氟乐灵不能施用于农药敏感作物例如高粱、谷子等由于氟乐灵淋溶性差在土壤中易与土壤有机质中的活性基团相互作用形成难以测定的结合态化合物不易降解从而对土壤造成延缓污染危害后茬作物的生长发育 氟乐灵还会毒害和影响哺乳动物的基因其致癌性被划分到 类 美国国家环境保护局把氟乐灵归类为持久性生物积聚有毒物质 一些欧洲国家已经限制甚至禁止使用氟乐灵 但氟乐灵的性价比较高所以其仍是我国常用的农业除草剂 氟乐灵对土壤微生物以及氮循环的影响农药的使用显著提高了我国农业生产效率 等研究了农药在环境中的去向结果发现只有少量的农药能够直接用于防治杂草而高达 以上的农药会直接或者间接的释放到自然环境中这些释放到自然环境中的农药又会通过大气循环、水循环等汇集到地表水中影响生态环境甚至对生活用水的安全造成了威胁这其中还会有很大一部分农药被土壤胶体吸附在土壤中在土壤中经历微生物等各因素的降解与转化 氟乐灵在我国农业生产上发挥着至关重要的作用但是氟乐灵的大量使用已经成为我国土壤污染的重要原因之一 氟乐灵对土壤微生物的影响也是不容忽视的具体表现在影响土壤微生物数量和分布、改变土壤微生物的群落结构、降低土壤微生物的代谢活性以及抑制土壤中某些酶的活性 姜虎生等研究了氟乐灵对土壤脱氢酶活性的抑制作用结果发现氟乐灵的浓度越高对土壤脱氢酶活性的抑制作用越强李玮研究发现氟乐灵对土壤中的脲酶和过氧化氢酶的活性均有短期的抑制作用并且这个抑制作用对两种酶有一定的规律性和差异性而这种对氟乐灵动态响应的差异性可能与土壤中微生物的分布和数量有关 等研究发现在牛肉膏蛋白胨培养基上加入氟乐灵能够增加培养基里细菌的数量 宋小娜等在种植马铃薯的土壤中发现氟乐灵能够促进土壤中细菌的生长 闵航研究中发现氟乐灵对土壤微生物的某些活性有一定的抑制作用并且能够影响甚至杀死土壤中的蚯蚓 研究了氟乐灵对土壤微生物的影响发现土壤中氟乐灵的浓度较低时能促进土壤中微生物的数量增加、菌落增大而氟乐灵浓度在 以上时对蚯蚓有毒害作用 这些研究表明氟乐灵的使用能够影响土壤微生物的种群数量和土壤功能产生影响所以有必要系统的研究氟乐灵对土壤微生物的影响某些土壤微生物对 循环有着重要作用而氟乐灵会抑制微生物对 循环的相关功能基因最终会对土壤健康产生影响 目前氟乐灵对土壤微生物功能影响的研究主要是集中在影响 循环方面 氮肥是土壤肥力的一个重要指标土壤中的 素可以通过微生物所主导的 循环为植物的生长发育提供氮肥土壤中 循环主要包括将有机氮转化为铵态氮铵态氮又会通过硝化微生物的作用转化为硝态氮硝态氮通过反硝化细菌的作用将硝态氮还原为氮气在整个氮素循环过程中一些关键微生物的作用是不可小觑的 固氮菌是连接大气中的 素和土壤中的 素的枢纽其能够将大气中的 固定转化为为作物生长发育提供充足的 素这是土壤中 素的一个重要来源之一 素形式只有是 的时候才能被作物所吸收利用土壤中的 只有在硝化微生物的作用下转化成 才能被作物吸收利用所以说土壤微生物在土壤 循环过程中的作用是至关重要的氟乐灵影响土壤中与 循环相关的功能微生物时土壤中的 循环必然会受到一定的影响氟乐灵作为外来污染物对土壤微生物的影响已经被很多学者研究证实关于氟乐灵对土壤中 循环的影响研究也有很多 王维静在研究中发现氟乐灵能够抑制土壤中的蔗糖酶、过氧化氢酶和脲酶而对过氧化物酶则有促进作用这说明氟乐灵能够影响土壤中的碳循环和氮循环而且对土壤生物有毒害作用 等研究发现氟乐灵能够刺激固氮菌 和 的 生 长 等利用集装箱种植木本植物观察氟乐灵对其土壤生态系统的影响结果发现氟乐灵处理过的土壤中氮的量明显减少 辛明远等研究发现氟乐灵影响大豆发芽、根瘤的形成和抑制固氮活性 闵航在研究中发现氟乐灵分解脱落的 还原成 对固氮酶合成产生抑制作用 李汉昌在研究中发现氟乐灵对大豆根瘤菌共生体系有抑制作用随着氟乐灵浓度增加抑制作用越明显 在田间常用量下氟乐灵会抑制大豆根系生长 并 使 有 效 结 瘤 减 少 氟乐灵微生物降解 微生物降解研究现状氟乐灵可以通过物理、化学或生物反应得以降解在试验条件下氟乐灵在土壤中降解的途径主要有光解、挥发、淋溶等氟乐灵的光解和挥发是两个重要的降解途径但在土壤深度为 以下的氟乐灵难以光解和挥发主要靠微生物的降解作用微生物的降解是氟乐灵降解最主要的途径 目前国内外已经研究报道了几株氟乐灵降解菌如 从连续施用 年氟乐灵的土壤中筛选分离出 株氟乐灵降解菌株并检测了这些菌株对氟乐灵的降解能力最后筛选到了 株对氟乐灵降解效果较显著的菌株分别为克雷伯氏菌()、乌头内生菌()和两株芽孢杆菌降解率分别为、和 等从土壤中分离出两株氟乐灵降解菌并检测了这两株细菌对氟乐灵的降解能力 倪海燕从土壤中分离出一株枯草芽孢杆菌 并从中提取了功能基因 验证了此基因可以降解氟乐灵 季丽等从水产养殖的水体中分离到了一株对氟乐灵有降解作用的菌株 等分离到 种对氟乐灵有降解作用的细菌和真菌目前对氟乐灵微生物降解的研究主要集中在细菌上氟乐灵细菌降解的实质是酶反应即化合物以某种方式进入细菌体内然后在各种酶的作用下通过一系列生理生化反应最终将氟乐灵分解成无毒或毒性 较 小 的 小 分 子 化 合物 降解途径氟乐灵在土壤中的半衰期较长一般在 个月易富集自然分解速度较慢 利用同位素标记法检测 和 三株真菌降解氟乐灵的途径以及产物经过 的降解培养基中检测出至少五种产物具体反应过程包括烷基化和硝基还原反应 安琼研究也认为氟乐灵与微生物可以发生脱烷基化和硝基还原反应生成硝基苯胺、苯二胺和苯三胺类化合产物这些化学反应过程受微生物的种类种群以及活性的影响化合产物则受到土壤条件的严格控制 陈贝贝研究发现蜡状芽孢杆菌降解氟乐灵发生了脱烷基化反应、脱氨基反应、环化反应和硝基还原反应而且根据氟乐灵的化学结构和代谢产物的化学结构推测出蜡状芽孢杆菌降解氟乐灵有两种完全不同的降解途径 由于脱烷基化和硝基还原反应均为苯环上的 原子获得电子的过程所以有利于还原性微生物生长的条件或有利于还原反应的条件都将促进氟乐灵的降解 大量的研究结果表明大部分土壤中残留的氟乐灵是通过土壤中存在的一些降解微生物而消解的 倪海燕从一株枯草芽孢杆菌 中克隆到编码硝基还原酶的功能基因 并验证了此功能基因能够通过硝基还原作用降解氟乐灵该基因第一步通过硝基还原作用将氟乐灵苯环上的其中一个硝基还原成氨基氟乐灵转换为 硝基 氨基 二丙基 三氟甲基苯胺第二步继续发生硝基还原作用苯环上另一个硝基被还原成氨基生成 二氨基 二丙基 三氟甲基苯胺 催化氟乐灵的降解途径如图 图 催化的氟乐灵硝基还原作用 在已公开报道的氟乐灵微生物降解途径中氟乐灵的 个对称的硝基基团能够被菌株 连续催化还原成氨基栖瘤胃拟杆菌短亚种()和多对毛螺菌()可以分别通过硝基还原和 端氧化脱烷基两种途径来降解氟乐灵而经过产碱杆菌属菌株()和莫拉菌属菌株()降解后不仅检测到硝基还原产物和脱烷基产物还检测到了环化产物苯并咪唑说明了这两株菌可以通过多种途径来降解氟乐灵 已报道的氟乐灵降解菌株降解产物及反应类型如表 所示表 微生物降解氟乐灵降解产物以及反应类型产物反应类型降解菌株参考文献硝基还原 .脱烷基、硝基还原 .续表产物反应类型降解菌株参考文献脱烷基、硝基还原 脱烷基、羧化 .环化、硝基还原.氧化作用 影响微生物降解的因素微生物对氟乐灵的降解在液体发酵下是属于一系列酶促反应的过程酶促反应受到很多因素影响主要包括接种量、温度、底物浓度等接种量的多少直接影响微生物降解效率的高低接种量过少会导致培养时间延长降低了降解时间和效率接种量过多容易造成溶氧不足抑制产物合成也可能会导致代谢废物过多 在培养过程中要保证接种量在临界浓度保证溶氧浓度平衡确保微生物对氟乐灵的充分利用以提高微生物对氟乐灵降解效率 温度主要通过影响微生物的内环境从而影响代谢与降解只有研究出微生物的最适宜降解温度才能达到其最高降解效率 能直接影响到微生物细胞的酶活性进而影响微生物的降解效率 底物浓度对降解率影响比较显著浓度过高可能导致微生物死亡浓度过低会导致微生物缺乏营养影响其正常生长发育繁殖降解能力下降 季丽等利用一株 菌降解氟乐灵时探究了氟乐灵的初始浓度、温度、以及接种量对菌株降解效率的影响研究表明氟乐灵初始浓度为 /时可利用性差降解率较低而浓度在 /时对降解菌株的生长代谢有抑制作用导致降解率下降浓度在 /时菌株代谢能力最强降解率高 在、和下菌株的降解率分别为 、和 由此表明温度在 左右时是降解菌株生长代谢最适宜的温度菌株的降解率较高 而在 为 、时降解率分别为 、在这三个 下菌株的降解效率无明显差异说明对此菌株在 范围内降解能力最强 菌株最佳接种量为 但在实际应用中需要考虑经济性和安全性等多方面因素菌株的接种量不宜过大 及以下的接种量更加适宜 展望氟乐灵在我国是一种应用广泛的高效除草剂其在土壤环境中的残留对生态环境和人类健康具有潜在危害 微生物因其数量、种类和代谢类型的多样性、适应性强以及繁殖力高等特性而在氟乐灵的降解中占据举足轻重的位置 目前国内外已经研究筛选出很多氟乐灵的降解菌株资源但是当前对氟乐灵的微生物降解机理研究还比较浅 不仅对降解菌株的降解特性研究的较少有高效降解能力的菌株资源也较少 对于氟乐灵在环境中的降解方式与类型的研究也不够彻底有研究已经发现微生物降解氟乐灵主要通过脱烷基化和硝基还原反应但是氟乐灵在自然条件下还存在光解、挥发等降解方式对于这些降解方式中产生的降解产物是否对生态安全有害还需要进一步的研究 通常筛选、培养和鉴定氟乐灵降解菌研究其特性和降解机理等的时候研究地点主要是实验室和在实际农田应用有一定区别 自然状态下土壤中存在多种多样的微生物这些微生物与降解菌之间可能存在拮抗或者协同作用不同种类的微生物可能会共同降解土壤中残留的氟乐灵所以在实验室中筛选出的降解菌应用到自然环境中可能出现菌种降解活性大大降低的现象 土壤的物理条件例如温度、湿度等土壤中所含的抑制物以及土壤中可能存在的捕食者等都会影响降解菌的降解能力因此需要研究降解菌在农田实际应用下的降解活性农药微生物降解的研究应该着重在基因工程和分子生物学方向 等利用大肠杆菌构建出一种能够高效的降解有机磷农药的基因工程菌并且这种菌能与环境相容的较好因此可以通过研究构建基因工程菌等方式来降解难以降解的氟乐灵 等在研究氟乐灵降解菌株的时候发现氟乐灵降解菌双氧酶基因的表达产物能与某些菌株通过共代谢作用来共同降解氟乐灵因此在研究降解菌株的时候也应该着重研究培养复合菌体系将降解菌与某些协同菌构建出联合体系这种联合体系也有很好的前景参考文献:季丽吴伟.氟乐灵降解菌株的分离鉴定及降解特性研究.江苏农业科学.():.叶承道唐洪元.国外二硝基苯胺类除草剂研究进展.农药工业译丛.():.():.张大弟张晓红徐正泰.除草剂氟乐灵在土壤中的残留降解.上海环境科学.():.():.陈其勇郑文杰肖亚兵等.果蔬中二甲戊乐灵、氟乐灵、双丁乐灵残留测定.食品研究与开发.():.()./():.():.霍江莲李军葛毅强等.二硝基苯胺类除草剂残留检测技术的研究进展.农药.():.().():.杜柳涛邬惠琼杨杏芬等.氟乐灵对大鼠肝、肾微粒体酶的影响.中国职业医学.():.():.:.():.():.姜虎生王宏燕.除草剂对土壤脱氢酶活性及呼吸强度的影响.吉林农业科学.():.李玮.种除草剂对青海高原农田土壤脲酶和过氧化氢酶活性的影响.现代农业科技.():.():.宋小娜郭青云朱海霞等.种除草剂对马铃薯地土壤微生物群落的影响.广东农业科学.():.闵航赵宇华陆贻通等.氟乐灵对土壤微生物和蚯蚓的影响.农村生态环境.():.():.王维静杨理程苏思文等.氟乐灵对土壤微生物、酶活性及作物生长的影响.农药.():.:.辛明远张英武牛建泽.氟乐灵对作物影响的研究.植物保护学报.():.李汉昌.除草剂氟乐灵()对大豆根瘤菌共生体系的作用的研究.黑龙江八一农垦大学学报.():.():.():.倪海燕.二甲戊灵降解菌株分离鉴定、降解途径分析及硝基还原酶基因克隆.南京:南京农业大学.()():.王聪颖和文祥何敏超等.酶在土壤农药污染修复中的研究进展.农业环境科学学报.():.王家玲.环境微生物学实验.北京:高等教育出版社.王绘三李志刚韩栋等.棉田化学除草如何安全使用“氟乐灵”.中国棉花.():.():.安琼.氟乐灵在土壤中的降解及其影响因素的研究.应用生态学报.():.陈贝贝.氟乐灵降解细菌 的分离、鉴定与降解特性的研究.阿拉尔:塔里木大学.():.():.():.():.():.:.:()():.