综述：生物系统中农药生物转化的分子机制、组学见解及环境可持续性生物技术进展

《ACS Omega》：Biotransformation of Pesticides across Biological Systems: Molecular Mechanisms, Omics Insights, and Biotechnological Advances for Environmental Sustainability

本综述系统阐述了农药在微生物、植物和动物系统中的生物转化（Biotransformation）分子机制，重点解析了关键酶类（如水解酶、氧化还原酶、转移酶）的作用及环境影响因素。文章整合了组学技术（Omics）在揭示代谢通路中的最新突破，并探讨了合成生物学（Synthetic Biology）在增强降解能力方面的应用前景，同时评述了转化产物（Transformation Products）的环境归趋与风险评估，为开发可持续的污染缓解策略提供了全面视角。

　　

农药在现代农业中的广泛应用导致其在土壤、水体和食物链中持续存在，引发了对持久性、生物累积性及对非靶标生物不利影响的担忧。生物转化（Biotransformation）作为生物体通过酶促反应修饰外源化合物（Xenobiotics）的过程，在农药的降解与解毒中扮演核心角色。本综述从分子机制、组学洞察到生物技术进展，全面探讨了农药在不同生物系统中的转化路径、关键酶系及环境可持续性意义。

2. 农药生物转化途径

生物转化过程可分为两个阶段：Phase I反应（如氧化、还原、水解）通过引入或暴露功能基团实现农药分子的功能化；Phase II反应则通过共轭作用（如与谷胱甘肽、硫酸盐、葡萄糖醛酸结合）增强其水溶性和排泄能力。在植物中，这一过程进一步细化为“绿色肝脏”模型的三阶段代谢：Phase I（活化）、Phase II（共轭）和Phase III（区室化）。细胞色素P450单加氧酶（CYPs）、谷胱甘肽S-转移酶（GSTs）和UDP-葡萄糖基转移酶（UGTs）等酶系协同作用，将农药转化为可储存于液泡或细胞壁的无害代谢物。

3. 微生物农药降解机制

微生物通过氧化转化（如单加氧酶、双加氧酶）、还原转化（如还原脱卤）、水解降解（如酯酶、磷酸三酯酶）及共代谢（Cometabolism）等途径分解农药。关键微生物类群如假单胞菌属（Pseudomonas）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）和白色腐烂真菌（White-rot fungi）通过酶系多样性实现农药的完全矿化（Mineralization）为CO₂、NH₄⁺等无机物。环境因素（如pH、温度、营养条件）及微生物群落结构显著影响降解效率。

4. 动物与人类农药生物转化

在动物和人体内，农药代谢主要发生于肝脏，涉及Phase I（CYPs介导的氧化）和Phase II（共轭反应）过程。然而，代谢活化可能产生更高毒性的中间体，如有机磷农药（Organophosphates）的氧衍生物（Oxons）可抑制乙酰胆碱酯酶（AChE），引发神经毒性。遗传多态性（如GSTs、UGTs基因变异）导致个体对农药毒性易感性差异，需通过生物监测（如尿液代谢物TCPy）评估暴露风险。

5. 农药转化产物的环境行为与风险

农药转化产物（TPs）如TCPy（氯吡硫磷代谢物）或去乙基阿特拉津（DEA）可能比母体更持久或更具毒性。其环境行为受溶解度、分配系数（K_ow）等理化性质影响，部分TPs可渗入地下水或生物累积。高分辨率质谱（HRMS）和稳定同位素示踪（SIP）等技术助力TPs识别，但风险评估仍需完善，尤其关注混合物效应及气候变化的潜在影响。

6. 分析技术与整合修复策略

液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）、核磁共振（NMR）及多组学（Multi-omics）整合应用揭示了农药代谢通路的全景。基于此，生物修复（如生物刺激、生物强化）、植物修复（Phytoremediation）与化学氧化（如高级氧化工艺AOPs）相结合的策略，以及人工湿地、纳米材料（如nZVI）等技术创新，为农药污染环境提供了可持续治理方案。

7. 结论与展望

农药生物转化研究通过揭示分子机制与组学洞察，推动了风险评估与修复技术的进步。然而，转化产物的毒理学特性、剂量依赖性代谢转换及复杂环境中的归趋仍需深化探索。未来需结合计算生物学（如QSAR模型、分子对接）和政策调控，构建预测性框架，以实现农药管理的环境可持续性目标。