1  微生物降解有机磷农药

有机磷农药(organophosphorus pesticides，OPs)是农药中很重要的一类，具有高效的杀虫能力，为增加粮食生产、防治疾病传播作出了巨大贡献。但是，有机磷农药的生产、运输和大量使用对生态环境中其他非靶标生物乃至土壤、水、大气整个生态系统产生的负面影响日益严重，尤其是果蔬等农产品中的农药残留通过食物链在生物体内富集对人类造成严重危害更不容忽视。

有机磷农药污染降解技术可分为热降解、光降解、化学降解和生物降解。生物降解( biodegra- dation)是通过生物的作用将农药分解为无毒或低毒小分子化合物，并最终降解为水、C02和矿物质的过程。相对于物理、化学降解技术，生物降解具有高效、彻底、无二次污染的优势，20世纪40年代后已经成为研究热点。作物本身、微生物都能够降解有机磷农药残留，但植物的降解很缓慢，周期很长，微生物由于其强大的代谢多样性，在有机磷农药残留降解中具有更大的优势。

2  有机磷农药降解酶

微生物对于农药的降解可分为酶促和非酶促反应。所谓酶促反应是指微生物以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，最终将农药完全降解或分解成分子量较小的无毒或毒性较小的化合物的过程。而非酶促形式指的是微生物通过代谢改变农药的环境离子浓度、pH等物理、化学性质，从而间接促使降解农药的过程。酶促反应是微生物降解农药的主要形式，微生物本身含降解农药的酶系基因，或本身虽无该酶系基因，但是经诱导或环境存在选择压，基因发生重组或改变产生了新的降解酶系。

20世纪80年代，Munnecke等发现有机磷农药降解酶比产生这类酶的微生物菌体更能忍受异常环境条件，如来源于假单胞菌的降解酶在10%的无机盐、1%的有机溶剂、50~C下都能保持高活性，而该酶的产生菌在同样的条件下却不能生长，而且，酶的降解效果远远胜于微生物本身，特别是对低浓度的农药更有效。因此，人们的思路从应用微生物菌体净化农药污染转向利用有机磷农药降解酶。因此，有机磷农药降解酶目前已被公认为是消除农药残留的最有潜力的新方法。常见的有机磷农药降解酶（Organophosphorus hydrolase）主要是水解酶类，包括磷酸酶、对硫磷水解酶、酯酶、硫基酰胺酶、裂解酶等，它们主要通过裂解P-O键、C-P键、P-S键降解有机磷农药。由于各种有机磷农药都有类似的结构，只是取代基不同，所以一种有机磷农药降解酶往往可降解多种有机磷农药。

第1个有机磷农药降解酶是1974年Munneck等从假单胞杆菌中检测出磷酸酯酶的活性，发现其对对硫磷具有降解作用，同时对甲基对硫磷、二嗪农、毒死蜱等7种有机磷农药均能有效降解，在22~C时降解效率比化学降解快1 000 -2 450倍，且该酶不为农药及农药制剂中溶剂所抑制，对环境条件有较宽的忍受范围。1979年，Brown等就对来源于黄杆菌(ATCC27551)的有机磷农药降解酶进行了部分纯化并对酶的性质进行了初步研究，发现酶反应的最适pH范围为8-10;酶的活性不受金属离子的影响，被非离子去污剂抑制。1989年，Mulbry等从3株革兰氏阴性菌中提取到3个对硫磷水解酶，分别测定了分子量，并对酶学性质做了研究。这3个酶分子量不同，对不同底物的作用也不同。同年，Dumas等纯化得到来源于假单胞菌的有机磷农药降解酶，发现此酶是单体球蛋白，分子量为39x106，有一个锌离子，被巯基试剂抑制，金属螯合剂、EDTA等可使其失活。1991年，Deffank等从一株嗜盐细菌中纯化得到一种有机磷农药降解酶，分子量为60xl06，可被Mg2+和C02+激活，对含磷氟键的有机磷化合物作用较好，对含磷氧键的有机磷化合物作用不好。1993年，Cheng等从单胞菌中纯化得到一种有机磷农药降解酶，分子量为53X106，最佳pH为8.0，最适温度为55℃，对含磷氟键和磷碳键的有机磷化合物作用较好。Mageong等报道大肠杆菌产生的磷酸i酯酶能打开甲胺磷的P-S键。1996年，Van- hooke等对来源于黄杆菌(ATCC27551)的有机磷降解酶进行X光晶体衍射分析，发现此酶在自然条件下是二聚体，每个单体上含有2个锌离子，构成酶催化反应所需要的双金属中心。以上这些研究使人们对有机磷农药降解酶无论是在结构上还是在作用机理上都有了进一步的了解。

我国近年来也在有机磷降解酶菌种筛选方面做了很多工作。楚晓娜等[，]从假单胞菌中筛选到对甲基对硫磷有很好降解活性的降解酶，并对菌生长条件做了研究，该菌在pH7-8，温度23-30~C条件下生长良好，对甲基对硫磷的耐受浓度在单纯无机盐培养基中可达800 mg/L，在含有葡萄糖的培养基中可达2 000 mg/L。刘玉焕等从曲霉菌中分离纯化出有机磷农药降解酶，此酶对有机磷农药乐果具有较好的降解作用，最适反应温度45C，最适反应pH7.2，对热稳定，并能在pH6~ 10保持活性。重金属、Cu2+对该酶具有明显的促进作用，而SDS对其具有抑制作用。刘阳等对来源于米曲霉LY-128的有机磷农药水解酶的性质进行了分析，结果表明：该酶不仅可以作用于含P-O键的有机磷农药，而且也能水解含P-S键的有机磷农药。

由此可看出，已纯化和鉴定的几种有机磷农药水解酶在底物特异性、对化学物质的敏感性和分子量大小等方面存在明显差异。

3  有机磷农药降解酶的酶促作用机理

Yonezawa等认为，当微生物对有机磷农药的降解作用是由其细胞内的酶引起时，微生物降解的整个过程可以分为3个步骤：首先是有机磷在微生物细胞膜表面的吸附，这是一个动态平衡：其次是吸附在细胞膜表面的有机磷农药进入细胞膜内；最后是有机磷进入微生物细胞膜内与降解酶结合发生酶促反应，这是一个快速的过程，一般认为该过程不会成为限速步骤。

微生物降解有机磷农药的酶促生化反应类型主要有：

1)氧化反应，包括醇、醛氧化成酸；甲基氧化成羧基；氨氧化成亚硝酸、硝酸基；硫、铁的氧化；脂、酯类的p一氧化；氧化去烷基化；硫醚氧化；过氧化；苯环羟基化、苯环裂解、杂环裂解、环氧化等。

2)还原作用，包括乙烯基还原；醌类还原：双键、三键还原。

3)基团转移，包括脱羧作用；脱氨基作用；脱卤作用；脱烃作用；脱氢卤作用；脱水作用。

4)水解作用，包括酯类水解；胺类水解：磷酸酯水解；腈水解；卤代烃水解去卤。

5)酯化作用、缩合反应、氨化反应和乙酰化反应等。

目前，微生物对有机磷农药的代谢途径研究比较清楚的是甲基对硫磷。微生物代谢甲基对硫磷，初始反应一般为水解反应，产物为二甲基硫代磷酸( dimethylthiophosphoric acid，DMTP)和对硝基苯酚(p-nitrophenol，PNP)，DMTP为无毒化合物，对DMTP进一步降解的研究意义不大，有关报道较少。PNP的毒性与其母体甲基对硫磷相比下降了100倍，但由于其含有苯环结构，残留期很长，对环境和人类的健康毒性也很大，因而对PNP的微生物降解引起了广泛重视。柏文琴等对甲基对硫磷降解途径进行了研究，他们采用了薄层层析(TLC)、紫外吸收光谱分析以及气谱一质谱(GC- MS)等方法分析了苍白杆菌(Oehrobacterum sp. B2)降解甲基对硫磷的中间产物。结果如图2，B2水解甲基对硫磷产生DMTP和PNP，PNP可以进一步代谢，先使PNP羟基化产生4一硝基邻苯二酚（4 -nitrocatechol，4-NC），然后氧化脱硝基产生l，2，4一苯三酚(1，2，4- benzenetriol)，1，2，4一苯三酚在环切割双氧酶的作用下生成4一氧代-2-己烯二酸(maleylacetate)，继而被进一步代谢成B一酮己二酸，该菌可以以PNP和4-NC为碳源生长，并将其完全降解。但也有不同于该途径的报道，如崔中利等分离到可共代谢的细菌Bacillus cereus J5,该菌株在降解甲基对硫磷的过程中没有产生PNP，而是检测到一紫外吸收波长为242.5 nm的代谢中间产物．该物质的化学性质还未知。

4有机磷农药降解酶的基因工程研究

有机磷农药降解酶在原始天然菌株中含量太低，难以大量生产，且生产成本高昂。应用有机磷农药降解酶制剂就必须解决一个关键性的问题——如何工业化廉价生产有机磷农药降解酶制剂，这也是目前商品化生产的有机磷农药降解酶产品及在生产实践上推广应用的关键原因。近年来随着分子生物学及基因工程的发展，为有机磷降解酶制剂的基因工程大规模廉价生产奠定了基础，人们试图构建高效生物反应器来提高有机磷农药降解酶的表达量。

目前已从不同的微生物中分离到各种有机磷农药降解基因，下表列出了近年来国内外报道的几种有机磷农药降解基因的情况。

oph及opdA由于具有广泛的底物范围和极高的催化效率，是至今最有应用前景的有机磷降解酶。1985年Serdar等首次尝试在大肠杆菌中表达有机磷农药降解酶，表达产物虽具有生物学活性，但表达量还未到原始天然菌株的1/10，随后1989年他们又将此酶基因前的SD序列及信号肽编码序列去除后再在大肠杆菌中表达，表达量有所提高，Cheng等之后又从Alteromonas sp.中克隆到一个有机磷农药降解酶编码基因，并在大肠杆菌中尝试表达，Ohshiro K等从Arthrobacter sp.B-5中分离到有机磷农药降解酶基因oph，也在大肠杆菌中尝试表达，Richins等将脂蛋白(Lpp)的信号序列的前9个氨基酸连到外膜蛋白(OmpA)的跨膜区，构建成Lpp-OmpA基因融合系统，将oph展示定位到E．coli的表面。表面表达oph的细胞可有效水解对硫磷和对氧磷，而不受细胞膜扩散限制，比胞内同样oph表达水平的细胞水解活性高7倍，表面表达oph的培养物有很长的货架寿命，在没有任何营养源的缓冲液中1个月仍保持100%的活性将非生长的细胞通过简单吸附固定到非织物聚丙烯材料上，可有效、快速水解近100%的对氧磷、二嗪磷、蝇毒磷和甲基对硫磷，此方法把细胞培养与细胞固定和解毒过程分开，培养后不需无菌环境，为建立有效、简单、廉价的有机磷化合物脱毒技术奠定了基础。闫艳春等用抗性库蚊酯酶基因，引入原核表达载体pRL439转化E.coli HBI01细胞并获得高效表达。上述都是通过构建工程菌来提高降解酶的表达量，从而提高对农药的降解能力。南京农业大学刘智等通过鸟枪法克隆到1个大小为25 000个碱基对左右的甲基对硫磷水解酶基因，并将其转化至大肠杆菌中。同时他还构建了能降解有机氯及有机磷和同时降解3种以上有机磷农药的降解菌各1株，能同时高效降解甲基对硫磷和呋喃丹农药的工程菌1株，在实验室条件下降解性能显著，酶活性提高6倍，获得既有农药降解能力又有生物防治功能的工程菌株。崔中利等将克隆到的甲基对硫磷水解酶基因mpd转入E．eoli得到了高效表达。中国农科院生物技术研究所范云六院士、伍宁丰研究员从被有机磷农药污染的土壤中筛选出能够降解多种有机磷农药的细菌，从中克隆出了有机磷降解酶的编码基因，并成功的利用“毕赤酵母”高效表达了有机磷降解酶的表达量为6 g/L，酶活性为1.6x104 U/mL，该成果已在3 t发酵罐的中试水平上确立了基因工程酵母菌生产有机磷降解酶的稳定的发酵工艺，其商品“比亚蔬菜瓜果农药降解酶”生物制剂也已进入市场。

此外，天然菌株中的有机磷农药降解酶，大多对有机磷农药的降解率较低或作用较慢，不能达到期望的效果，可以通过基因工程或蛋白质工程的办法，改造降解酶的催化活性。0PH的254和257位组氨酸残基位于每个单体双金属活性位点的附近，这些残基决定了活性位点与底物的相互作用。Sioudi等利用基因工程技术定点改造oph，产生的突变体H254R、H257L、H254R/H257L的每个活性位点只含有1个金属离子，改变后的酶对内吸磷( demeton)（P-S健）的水解作用提高了2-30倍，而对二异丙基氟磷酸（P-F键）水解作用下降．H257L和H254R/H257L突变体对NPPMP (soman的类似物)水解能力分别提高了11倍和18倍。这些结果表明，通过对H254和／或H257位点的定点修饰可以改变OPH对底物的专一性，这意味着对金属含量要求的改变增加了酶分子结构的灵活性，使得大底物易进入到活性位点，同时降低对小底物的催化效率，从而改变了酶的催化特性。另外，酶的随机改造也被应用于改变OPH水解活性。Cho等为提高OPH对某些底物的活性，采用DNA shuf- fling技术筛选到几个突变体，其中之一22A11水解甲基对硫磷活性比野生型提高了25倍。

综上所述，在已知的有机磷降解酶中，各种降解酶的酶学性质、底物范围等方面存在差异，在不同的污染环境中，可以选择不同的降解酶，或者多种降解酶联合处理。

刘建利（北方民族大学生物科学与工程学院  宁夏银川  750021）

生物学通报2010.5