微生物催化转化酰胺类除草剂的生物降解模型

AidanParti

摘要利用微生物降解残余农药是治理农药污染的一种有效手段。从微生物催化转化农药的机理、降解特性等方面着手，构建出微生物降解除草剂残余物的动力学模型。
关键词微生物；除草剂；降解；动力学模型
中图分类号 X172 文献标识码A文章编号 1007-5739（2011）09-0011-02
KineticModelforBioegradationofAcetanilideHerbicides
ZHAO Guang-hui
（Panjin Research Academy of Environment Sciences in Liaoning Province，Panjin Liaoning 124010）
AbstractUsing microbial degradation of pesticide residues is an effective tool to control pesticide pollution.Biodegradation kinetic model of herbicides was built by analyzing the mechanism of microbial transformation of pesticides and other aspects of degradation characteristics.
Key wordsmicrobiology；herbicides；degradation；kinetic model
我国是一个农业大国，农药的生产与使用量占世界总产量的1/10，均居前列，其中除草剂占很大比重。我国研制和投产的除草剂已达数十种，乙草胺（C14H2OClNO2）、甲草胺、丁草胺（C17H26ClNO2）等已经成为我国农业除草的主要手段和工具。除草剂的广泛使用，也凸显了农药残留污染问题。农药污染问题已成为全球关注的热点。因此，加强农药的降解研究及解决农药对环境、食物的污染问题，是人类当前面临的共同难题。除草剂在土壤、水体中的降解主要包括光化学、化学降解、微生物降解等3种形式，其中微生物降解是近年来关注的热点。微生物降解农药的实质是通过微生物的新陈代谢作用将污染物稳定化和无机化，从而改变污染物的环境功能属性，降低或消除其对环境的影响。对于微生物降解除草剂方面的研究，多集中于菌种筛选和降解条件优化，而涉及农药降解动力学模型的研究则较少[1-6]。因此，本文主要通过对自然界中降解除草剂的微生物进行筛选，并用于除草剂的降解，研究降解机理及降解机制的动力学模型，在减少和消除除草剂对环境和人类带来的负面影响方面具有重要的意义。
1微生物降解除草剂的机理
微生物对农药的作用方式可分为两大类，一类是微生物直接作用于农药，通过酶促反应降解农药，常说的农药微生物降解多属于此类，其主要方式包括氧化、还原、水解、缩合等几种反应类型；另一类是通过微生物的活动改变化学和物理的环境而间接作用于农药，其常见的作用方式有矿化作用、共代谢作用、生物浓缩或累积作用和微生物对农药的间接作用。
2降解酰胺类除草剂的微生物种类及筛选
由于乙草胺在土壤及水体中存留的时间比较长，许多微生物经过自然驯化，即可将其作为碳源和能源物质加以分解利用，因此可以从受乙草胺严重污染的土壤中提取具有降解乙草胺特性的菌种，并加以培养、驯化、筛选出高效菌株，目前所知的降解乙草胺的微生物包含细菌、真菌、放线菌、藻类等，大多数来自于土壤微生物类群。细菌由于生化上的多种适用能力以及易诱发突变等特性而占主要地位。其中，假单胞菌属菌株是最活跃的菌株，对多种农药等化合物有分解作用。
3酰胺类除草剂的微生物降解模型的构建
微生物降解农药残余物的过程动力学包括：基质降解动力学、微生物生长动力学和产气动力学。也可将其概括地分为2类，即一类是利用Monod的动力学模型；另一类是利用一级反应的动力学模型[1]。在废水处理中，动力学表达为群体动力学，去除土壤中农药残余物是生物处理的基本任务，而微生物的生长是基质去除的结果。
3.1基质降解动力学
由于微生物的生长是较为缓慢的，因此人们考虑最多的是基质降解动力学模型。在基质降解速率模型中，Monod方程是最常用的，考察微生物增殖速率与底物浓度之间的关系，是用纯种微生物在单一底物培养基中进行试验，若用于混合基质，有时可能会造成误差较大。在实际用中，一般根据曲线的吻合程度来选择模型[7-8]。
作如下假设：
（1）反应器在在整个过程中处于平衡状态，即控制农药残余量不变，微生物处于平衡生长状态。
dX/dt=0及dS/dt=0（1）
式（1）中：X为反应器中微生物的平均浓度；S为反应器中机制的平均浓度。
（2）整个反应过程中不存在其他毒物。
（3）整个反应器中的微生物浓度和基质浓度不随位置变化，维持一个常量。
用底物降解速率表示Monod方程如下：
式（2）中：u为底物的降解速率；qS，max为底物的最大比降解速率；cx为菌体浓度（moL/L）；KS为饱和常数，其值为当μ=1/2 μmax时的底物浓度，也称为半饱和常数或半速度常数；cS为底物浓度（moL/L）。
对于式（2），可以考虑2种极限状态，一种是当土壤中的酰胺类农药残余量较大时，即cS＞KS，式（2）可简化为：
可见，当底物浓度较大时，底物的降解速率与底物浓度无关，呈零级反应关系。另一种是当土壤中含有微量的残余除草剂时，即cS＜KS时，式（3）可简化为：
可见，在微量底物的条件下，底物的降解速率与浓度呈现一级反应关系。在实际测定中，土壤中的农药残余量很低，因此土壤中残余的除草剂降解与微生物生长满足一级反应关系。
3.2乙草胺降解动力学模型
土壤中的乙草胺在土壤中的存在方式是吸附于土壤颗粒表面或者被包裹在土壤内部，很难被光降解，而且土壤中是非溶液物质，乙草胺在土壤中也很难水解；故残余的乙草胺主要靠微生物降解。用下面反应式表示乙草胺分解反应式：
S+X→αP+βX （5）
式（5）中：S为基质（乙草胺）；X为微生物；P为产物。
根据化学计量式，可以得出，每消耗1 moL的基质（乙草胺），就会产生α moL 的产物P，同时增加β moL的微生物量，从而可得基质（乙草胺）的降解速率方程：
式（6）中，Kv为反应速度常数。
假设基质（乙草胺）的初始浓度为cS 0，微生物的初始数量为cX0。当部分基质（乙草胺）被消耗掉，土壤中剩余的乙草胺浓度为cS，则增加的微生物数量可以表示为β（cS0-cS），此时总的微生物数量为：cX0+β（cS0-cS），将之代入（6）式得：
记K1=KV×β，通过试验，即可得出u和K1的值。
3.3酰胺类除草剂共代谢降解动力学模型
微生物降解多种有机污染物的过程中，包括顺次利用、同时利用和竞争性抑制[9-10]。顺次利用产生于分解代谢物的抑制。底物的同时利用可能会使微生物菌体生长，也可能抑制其生长，不支持微生物细胞生长的底物的同时利用称为共代谢。共代谢过程是在生长底物存在下的非生长底物的微生物降解转化。这里主要讨论微生物主要把酰胺类除草剂作为生长底物和能量底物的情况。Criddle在前人的基础上，认为将下述3式两两组合即可得到共代谢反应模型：
在（8）~（10）式中：qc为非生长底物的比消耗速率（非生长底物与细菌的质量之比）；Kc为生长底物不存在时非生长底物最大比消耗速率常数；KSc为非生长底物的半饱和系数；Sc为非生长底物浓度；X为活性微生物浓度；b为-1级内源衰减常数；T为单位生物量转化的非生长基质的质量，其中包括毒物的影响。
由（10）式可得，生物量转化容量是一个常数，但（9）式的qc除以u可以获得与非生长底物浓度相关的生物量转化容量。
可见，当非生长底物浓度很小时（Sc≤KSc），生物量转化容量随着非生长底物浓度增加呈线性增加；当Sc≥KSc时，生物量转化容量则为一个常数，即：
将（8）式和（9）式组合构成模型1；（8）式和（10）式组合构成模型2；（9）式和（10）式构成模型3，在模型1和模型3中，由于没有生长底物，μ=-b（常数），而对于模型2，则有下式：
式（13）表示非生长底物浓度增加时，细胞损失率随之增加。该模型反映了高浓度的乙草胺对细胞的生长具有抑制或毒性作用。表1具体介绍了3种模型在不同浓度底物条件下的适用情况。
4参考文献
[1] 董文庚，邓晓丽，刘长春，等.乙草胺与共存有机膦酸的对甲基苯磺酰氯衍生物反相高效液相色谱分离[J].理化检验：化学分册，2001，37（11）：481-483.
[2] 李萍，刘俊新.废水中难降解有机污染物的共代谢降解[J].环境污染治理技术与设备，2002，3（11）：43-46.
[3] 伍宁丰，梁果义，邓敏捷，等.有机磷农药降解酶及其基因工程研究进展[J].生物技术通报，2003（5）：9-12.
[4] 徐宝泉，孔致祥，张树蔚，等.有机磷农药氧化乐果在土壤中降解规律的实验研究[J].农业环境保护，2001，20（4）：249-251.
[5] 周军英，林玉锁，徐亦钢，等.邻单胞菌DLL-1对土壤中甲基对硫磷的降解[J].中国环境科学，2002，22（3）：231-234.
[6] 郭明，龚明福，闫志顺，等.土壤农药残留的生物修复初探[J].农业环境科学学报，2003，22（2）：228-231.
[7] 郝黎仁，李宝麟，何凤兰，等.Mathcad 2001及概率统计应用[M].北京：中国水利水电出版社，2000.
[8] 黄国强，李凌，李鑫钢.农药在土壤中迁移转化及模型方法研究进展[J].农业环境保护，2002，21（4）：375-377.
[9] 臧荣春，夏风毅.微生物动力学模型[M].北京：化学工业出版社，2004.
[10] 石成春，徐升，郭养浩，等.氧化乐果曲霉降解特性和中间产物的研究[J].中国环境科学，2004，24（2）：180-183.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文