假单胞菌介导的芒果园土壤中噻虫嗪生物降解机制及土壤健康修复研究

《BMC Environmental Science》：Biodegradation of thiamethoxam in mango orchards by Pseudomonas spp.: a study on soil health and sustainability

本研究针对芒果园中广泛使用的噻虫嗪(TMX)农药残留导致的土壤污染问题，通过分离筛选具有TMX降解能力的假单胞菌菌株，系统评估了其在液体培养基、灭菌土壤和非灭菌土壤中的降解效率。研究发现Pseudomonas aeruginosa strain A2和Pseudomonas sp. strain C1能有效降解TMX（最高达99.04%），并通过酶定位实验证实降解关键酶为膜结合酶。该研究为TMX污染环境的生物修复提供了新型菌种资源和技术支撑。

　　

在现代化农业生产中，新烟碱类杀虫剂噻虫嗪(Thiamethoxam, TMX)因其卓越的杀虫效果而被广泛应用于芒果园病虫害防治。然而，这种高效杀虫剂的高水溶性、持久性和生态毒性特征，使其成为潜在的环境威胁。TMX在土壤中可残留长达210天，不仅影响土壤微生物群落结构，还可能通过食物链累积对人类健康造成风险。更值得关注的是，长期过量使用TMX会导致土壤健康恶化，微生物多样性减少，进而影响芒果园的可持续发展。

为了解决这一严峻问题，Pradeep Kumar Shukla等研究人员在《BMC Environmental Science》上发表了最新研究成果，他们从芒果园根际土壤中成功分离出两株具有TMX降解能力的假单胞菌菌株，并系统评估了其在多种环境条件下的降解效能及对土壤生化指标的改善作用。

本研究主要采用了以下关键技术方法：首先通过富集培养技术从芒果园根际土壤分离TMX耐受菌株；利用超快速液相色谱(UFLC)和超高效液相色谱-质谱联用(UHPLC)定量分析TMX残留；通过酶定位实验确定降解关键酶的细胞分布位置；采用动力学模型研究降解规律；并测定脱氢酶活性(DHA)和荧光素二乙酸酯(FDA)水解等土壤健康指标。

分子鉴定和系统发育分析

通过16S rRNA基因测序和系统发育分析，研究人员将分离得到的两株最具降解潜力的菌株鉴定为Pseudomonas spp.，其中C1菌株的NCBI登录号为OP678013，A2菌株为OP597530。这些菌株不仅具有TMX降解能力，还表现出多种植物促生特性，为后续应用奠定了基础。

PGPR活性

研究发现这两株假单胞菌具有显著的植物促生 rhizobacterial (PGPR) 活性。A2菌株表现出磷酸盐溶解能力(0.85mg P/mg Protein)、IAA产生(9.05μg IAA/mg Protein)、赤霉素产生(421.22μg gibberellic acid/mg Protein)和氨产生(73.11μg ammonia/mg Protein)等多种促生特性。C1菌株同样表现出优异的PGPR活性，包括磷酸盐溶解能力(0.88mg P/mg Protein)和植物激素产生能力。这些特性表明这些菌株在降解农药的同时，还能促进植物生长，具有双重应用价值。

MSM、灭菌和非灭菌土壤中TMX的微生物降解

研究人员系统评估了菌株在不同环境条件下的TMX降解效率。在MSM培养基中，经过210天培养，C1菌株在0.2、0.5和1.0g L^-1浓度下的降解率分别达到98.33%、96.67%和95.92%，而A2菌株的降解率分别为96.15%、95.83%和89.79%。相比之下，对照组仅达到41.18%、33.33%和25.53%的降解率，充分证明了两株菌的降解能力。

在灭菌土壤中，A2菌株在0.2、0.5和1.0g kg^-1浓度下的降解率分别为97.06%、92.00%和73.91%，C1菌株分别为93.75%、95.65%和54.17%。非灭菌土壤中的降解效果更为显著，A2菌株的降解率达到97.50%、99.09%和79.55%。这些结果表明，菌株在真实土壤环境中仍能保持高效的降解能力。

TMX降解的动力学研究

动力学分析显示，TMX降解符合准一级动力学模型。在MSM培养基中，A2和C1菌株处理的TMX半衰期范围为49.50-138.60天，而对照组高达346.50-693.00天。在灭菌土壤中，菌株处理的半衰期为53.31-138.60天，非灭菌土壤中为53.31-173.25天。这些数据表明，两株菌能显著加速TMX的降解过程，降低其在环境中的持久性。

TMX降解酶的定位

通过系统的酶定位实验，研究人员发现TMX降解活性主要存在于细胞膜组分（包括外膜和内膜）以及细胞质组分中。细胞外培养上清液中几乎检测不到降解活性，说明TMX降解是一个需要细胞参与的吸收过程。这一发现为理解微生物降解TMX的分子机制提供了重要线索。

TMX对灭菌和非灭菌土壤酶的影响

土壤酶活性测定结果显示，在低浓度TMX(0.2和0.5g kg^-1)条件下，DHA和FDA活性保持相对稳定，而在高浓度(1.0g kg^-1)下，这两种酶活性显著降低。特别是在非灭菌土壤中，菌株处理能有效维持土壤酶活性，表明这些菌株不仅能降解TMX，还能减轻农药对土壤微生物功能的抑制作用。

不同TMX剂量对细菌数量的影响

微生物计数结果显示，在低浓度TMX条件下，细菌数量保持稳定，而高浓度TMX会抑制微生物生长。在非灭菌土壤中，A2菌株在0.2g kg^-1浓度下能维持较高的菌落形成单位(CFU)，说明该菌株对TMX具有较好的耐受性。

本研究首次从芒果园根际土壤中分离出具有TMX降解能力的假单胞菌菌株，并系统评估了其在不同环境条件下的降解效能。研究发现这些菌株不仅能有效降解TMX，还具有多种植物促生特性，为开发兼具农药降解和植物促生功能的微生物制剂奠定了基础。通过酶定位实验明确了TMX降解的关键酶主要位于细胞膜和细胞质中，为后续降解机制的深入研究提供了方向。

该研究的创新性在于首次报道了从芒果园根际土壤中分离TMX降解菌，并系统阐明了其降解特性与土壤健康改善作用的关联性。研究成果为TMX污染土壤的生物修复提供了新的菌种资源和技术方法，对推动农业可持续发展具有重要意义。特别是在芒果园等长期使用新烟碱类杀虫剂的果园生态系统中，这些菌株的应用潜力尤为突出，为实现化学农药减量和农田生态环境保护提供了新的解决方案。