第一节 农药降解酶 行业 产业链概述
农药降解酶
行业
产业链简图
第二节 农药降解酶上游 行业 发展状况 分析
有机磷农药降解微生物的筛选方法较多，目前最常用的方法是从长期遭受农药污染的土壤或水体中采集样品，经富集培养、平板划线等操作，分离得到单菌落；然后经驯化培养，或紫外化学诱变等方法获取高效降解菌株；或通过细胞工程、基因工程等技术手段构建工程菌株。目前已经分离出多种有机磷农药降解微生物，包括细菌、真菌、放线菌和藻类等。其中，以细菌的种类最多。且根据资料显示，有机磷农药降解细菌大多属于假单胞菌属，如假单胞菌可降解甲胺磷、对硫磷、甲基对硫磷、马拉硫磷、敌敌畏以及甲拌磷等多种农药，表明假单胞菌在农药降解中占有重要地位；真菌也具有卓越的农药降解能力，如青霉属真菌可降解对硫磷、马拉硫磷、地虫磷以及敌百虫等多种农药；藻类降解有机磷农药的 研究 报道较少，但藻类的农药降解能力正在日益引起人们的重视，如小球藻可有效地去除污水中的有机物质，包括农药、烷烃、酚类以及邻苯二甲酸酯等，且小球藻还含有丰富的叶绿素、叶黄素和其他类胡萝卜索、丰富的蛋白质、碳水化合物、维生素以及必需氨基酸等。
第三节 农药降解酶下游 行业 发展情况 分析
一、下游主要 行业 发展情况 分析
（一）下游主要 行业 发展概述
1、我国农业发展概述
2009年，虽然北方地区，特别是吉林省和内蒙自治区发生了历史罕见的旱情，持续时间长，受旱面积大，高峰时受旱农作物面积达到1.5亿亩，且主要发生在粮食产量形成的关键时期，重旱区的粮食生产受到较大的影响。但是，2009年粮食播种面积增加较多，特别是玉米、水稻等高产作物播种面积增加明显。比较而言，南方地区虽然也发生了较为严重的旱情，但主要发生在丘陵山区的旱地和非粮食主产区，持续时间短，受旱面积小，对农业生产的影响相对较小。受到国家惠农支农政策措施的激励，2009年农民发展农业生产的积极性普遍很高。
2009年，全国夏粮产量12335万吨，比上年增产260万吨，增长2.2%，连续6年增产。多数省份秋粮增产。全年粮食有望获得好收成，连续6年保持增产。据农业部农情调查，夏收油菜籽总产1300万吨以上，创历史新高。同时，全年生猪、禽蛋、奶类、水产品等呈现出稳定发展态势。
我国生产规模稳步增长。20世纪80年代中期以来，特别是90年代，随着全国农业结构调整步伐的加快和人们生活水平的提高，蔬菜生产规模不断扩大。据中国农业统计资料显示，我国瓜菜播种面积在上世纪80年代年均增长近10%，90年代年均增长14.5%，本世纪前7年平均增长1.9%，到2007年达到2.94亿亩，总产量6.41亿吨。其中，蔬菜2.6亿亩，5.65亿吨，人均占有量427公斤。设施蔬菜发展更快，1980年设施蔬菜不足10万亩，到2007年达到5050多万亩，增长504倍。另据fao统计，2006年我国蔬菜产量占世界的49.6%，居世界第一。
供应状况明显改善。随着交通运输状况的改善和全国鲜活农产品“绿色通道”的开通，依托气候、区位优势，沿路、沿海、沿边建立规模蔬菜生产基地，逐步向优势区域集中，华南、长江上中游冬春蔬菜基地和黄土高原、云贵高原夏秋蔬菜基地稳步发展，设施蔬菜特别是节能日光温室快速增长，形成大生产、大市场、大流通的格局，使我国冬春和夏秋淡季蔬菜消费，由过去的有什么吃什么变为吃什么有什么，缓解了供需矛盾，基本实现了周年均衡供应。据农业部统计，2007年蔬菜播种面积列前10位的省区（由大到小的顺序依次为山东、河南、河北、广东、四川、江苏、湖南、广西、湖北、安徽）播种面积都在1000万亩以上，共计1.68亿亩，占全国的64.6%；产量共计3.86亿吨，占全国的68.4%。
2、环境保护 行业 发展
1990年以来，全球污水处理表观消费量以年均6%的速度增长，而九十年代的十年间，我国污水处理表观消费量年均增长率达到17.73%，是世界年均增长率的2.9倍。进入二十一世纪，我国污水处理产业高速增长。2000年—2004年，我国污水处理消费量从188万吨增长到447万吨，增加了2.3倍，年平均增长率在27%以上。其中，2001年，我国污水处理表观消费量达到225万吨，超过美国成为世界第一污水处理消费大国。同时，污水处理进口也大幅度增加。1998年，我国污水处理进口100万吨，由此成为世界上最大的污水处理进口国。2004年与1998年比，污水处理进口增长幅度年均达到27.14%。预计2005年，中国污水处理表观消费量将达到500万吨，进口仍将保持在300万吨左右。
伴随着污水处理市场的快速发展，我国污水处理产量也结束了长期徘徊的局面，实现了高速增长。我国污水处理产量从2000年的46万吨增长到2004年的236万吨，年平均增长率在82.6%，占国内市场需求的比重也由2000年的24.47%提高到2004年的52.80%。而同期，世界污水处理产量则仅以6%左右的速度增长。
从总体上看，我国污水处理正在经历由规模小、水平低、品种单一、严重不能满足需求到具有相当规模和水平、品种质量显著提高和初步满足国民经济发展要求的深刻转变，污水处理需求将逐步实现自给。
二、下游主要 行业 对农药降解酶的应用现状 分析
（一）环境污染监测
有机磷农药降解酶制剂可以水解广泛的有机磷化合物，释放出容易检测的硝基酚、氟化物或氢离子，国外现在已经基于OPH开发了光学、电势计和安培计生物传感器，可以快速、敏感、有选择性地直接检测有机磷化合物。
（二）有机磷污染物的脱毒
固定化有机磷农药降解酶制剂，制成的酶反应器已用于用于污水处理中，可以重复使用，而且避免极端条件下酶变性。用于土壤异位修复中可避免土壤吸附、失活以及水解蛋白的微生物降解。
第四节 上、下游 行业 对农药降解酶 行业 发展的影响 分析
农药降解酶上游的降解酶菌株产品的供应情况会影响农药降解酶产品的生产成本，若菌株的开发进度延后，则有可能影响农药降解酶产品的研发速度，同时菌株的开发成本过高，则可能提升农药降解酶产品的成本压力，农药降解酶公司应通过适当调整产品售价，加大研发力度，降低产品成本等措施用以减轻成本上升的压力。
第五节 农药降解酶基本生产技术、工艺或流程
微生物降解有机磷农药残留常见的作用方式有3种：(1)矿化作用：指微生物将有机磷农药作为生长基质利用，完全将有机磷农药分解成为PO43-、NH3、CO2和H2O等无机物的过程。尽管矿化作用是清除农药残毒的理想方式。但 研究 表明自然界中此类微生物的种类和数量还很少。(2)共代谢作用：指微生物在有其可利用的生长基质存在时，对其原来不能利用的有机磷农药也可分解代谢的现象。共代谢反应中产生的既能代谢转化生长基质又能代谢转化有机磷农药的非专一性酶。是微生物共代谢反应的关键。(3)种间协同代谢：指同一环境中的几种微生物联合代谢某种有机磷农药。
第六节 农药降解酶新技术研发、应用情况
2006年3月14日，由中国农业科学院生物技术 研究 所主持完成、由国家“863”计划项目支持的“有机磷农药降解酶制剂的研制”项目成果通过了专家鉴定。受农业部科教司委托，中国农科院科技局袁学志副局长主持了鉴定会，科技部生物技术发展中心王德平处长，中国农科院翟虎渠院长、范云六院士以及我院生物技术所的领导和有意受让该项成果的企业负责人等参加了鉴定会。
由金鉴明院士等专家组成的鉴定委员会，认真听取了课题主持人伍宁丰 研究 员的技术报告，仔细审阅了相关技术资料，一致认为:
1、该 研究 从被污染的土壤中筛选了一株能够降解多种有机磷农药的细菌C2-1，经鉴定为假产碱假单胞菌（Pseudomonaspseudoalcaligenes），分离纯化了其分泌的有机磷降解酶OPHC2，此酶具有优良的酶学性质。
2、从筛选到的有机磷降解菌中克隆了有机磷降解酶的编码基因ophc2，其核苷酸序列与已发表的同类基因相比最高同源性只有46.4%，表明是一个新的有机磷降解酶基因，具有自主独立知识产权。此基因已申请国家发明专利。
3、本 研究 在国际上首次成功地利用毕赤酵母(Pichiapastoris)来高效表达有机磷降解酶，可通过高细胞密度发酵低成本生产有机磷降解酶制剂。其优势在于：(1)高效表达，有机磷降解酶的表达量达到6g/L，酶活性为1.6X104U/mL发酵液，这是国内外目前报道的有机磷降解酶最高的表达量。(2)表达有机磷降解酶的重组毕赤酵母具有良好的安全性，无抗药性标记，培养过程中不分泌有毒物质和热源。(3)利用分泌表达载体使有机磷降解酶成功分泌到胞外，简化了酶的后加工工艺，降低了成本。上述工艺技术已申请国家发明专利。
4、在中试水平上(3吨发酵罐)确立了利用基因工程酵母菌生产有机磷降解酶的稳定的发酵工艺，其发酵方法简单易行，发酵原料易得，技术指标优越，产率高，为下一步的有机磷降解酶的产业化奠定了基础。
5、重组毕赤酵母表达的有机磷降解酶具有良好的酶学性质，最适反应温度为65℃，最适反应pH为9.0。有机磷降解酶的应用实验表明，对多种有机磷农药制剂和军用神经毒剂均具有明显的降解效果，其中对甲基对硫磷和氧化乐果的降解率达到95%以上，具有很好的应用潜力。
鉴定委员会专家一致认为，该项目 研究 方法科学合理、技术路线正确、资料齐全、数据可信，思路严谨清晰，实验扎实细致，成绩出色显著，该成果居国际领先水平。这项拥有我国自主知识产权科研创新成果，结合理论与实践，结合前瞻性 研究 与解决国计民生问题，并从解决食品安全延伸扩大到解决生态环境安全，对我国食品安全和生态环境保护具有巨大的应用前景。
第七节 农药降解酶国外技术发展现状
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。
有机磷农药降解酶基
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等倒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十分之一。随后1989年Serdar等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Alteromonassp中克隆到一个有机磷农药降解酶编码基因，并在在大肠杆菌中尝试表达,OhshiroK从Arthrobactersp．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)的信号序列的前九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Ecoli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一个月仍保持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。
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。OPH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一个金属离子，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DNAshuffling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。
第八节 农药降解酶技术开发热点、难点 分析
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、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。
第九节 农药降解酶未来技术发展趋势
目前国内外对有机磷农药降解微生物的 研究 已相当广泛，但有机磷农药的生物降解仍然存在种种不稳定性，导致真正用于实际生产的并不多见。根据当前的 研究 现状，以下几方面将成为 研究 重点：
1、进一步分离筛选有机磷农药降解微生物，加强生理生化与分子生物学鉴定工作，构建菌种库。
2、深入了解有机磷农药微生物降解机理，结合色谱和质谱技术 分析 农药代谢途径。
3、加强有机磷降解酶的酶学性质以及应用 研究 ，逐步解决酶在实际生产中的瓶颈问题，优化发酵工艺，提高酶稳定性。
4、通过细胞工程、基因工程等技术手段，构建工程菌株，拓宽降解谱，提高降解能力。
5、开展环境评估工作， 分析 降解微生物的生态行为，促进可持续发展。
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