Chapter 2
Bioremediation of Pesticides: An
Eco-Friendly Approach for Environment
Sustainability
Anju Sehrawat, Manisha Phour, Rakesh Kumar, and Satyavir S. Sindhu
Contents
2.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2
Categorization of Pesticides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3
Pesticides and Their Toxic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 Impact of Pesticides on Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2 Impact on Soil and Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.3 Impact of Pesticides on Human Beings . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . 30
2.3.4 Effect of Pesticides on Natural Biodiversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.5 Effect of Insecticides on Plant Growth Promoting Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4
Microorganisms Involved in Degradation of Pesticides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.1 Pesticide Degradation by Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.2 Algae and Cyanobacterial Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.3 Degradation by Fungi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5
Factors Affecting Microbial Degradation of Pesticides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5.1 Effect of Microbial Species, Metabolic Activity, and Adaptability . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5.2 Effect of Pesticide Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5.3 Soil Organic Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.4 Environmental Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6
Removal of Pesticides Through Phytoremediation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.7
Integrated Remediation Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.7.1 Surfactant-Enhanced Bioremediation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.7.2 Enhanced Phytodegradation by Plant Growth Promoting Bacteria . . . . . . . . . . . . . . 46
2.8
Mechanisms and Enzymes Involved in Pesticide Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.8.1 Oxidoreductases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.8.2 Hydrolases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.8.3 Lyases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.8.4 Synthetic Reactions and the Formation of Immobilized Residues . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.9
Genetic Engineering of Microbes to Enhance Degradation of Pesticides . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.9.1 Adaption and Development of New Degradation Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.9.2 Mobilization of Genes to Enhance Catabolic Steps in Pesticide Degradation
Pathway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.9.3 Modification of Substrate Specificity by Manipulations of Enzymes . . . . . . . . . . . 58
2.9.4 Rapid Evolution Through Duplicated Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
A. Sehrawat · M. Phour · R. Kumar · S. S. Sindhu (*)
Department of Microbiology, CCS Haryana Agricultural University, Hisar, Haryana, India
e-mail: sindhuss@hau.ac.in
© The Author(s), under exclusive license to Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2021
D. G. Panpatte, Y. K. Jhala (eds.), Microbial Rejuvenation of Polluted Environment,
Microorganisms for Sustainability 25, https://doi.org/10.1007/978-981-15-7447-4_2
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Bioremediation of Pesticides: An
Eco-Friendly Approach for Environment
Sustainability
Anju Sehrawat, Manisha Phour, Rakesh Kumar, and Satyavir S. Sindhu
Contents
2.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2
Categorization of Pesticides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3
Pesticides and Their Toxic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 Impact of Pesticides on Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2 Impact on Soil and Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.3 Impact of Pesticides on Human Beings . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . 30
2.3.4 Effect of Pesticides on Natural Biodiversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.5 Effect of Insecticides on Plant Growth Promoting Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4
Microorganisms Involved in Degradation of Pesticides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.1 Pesticide Degradation by Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.2 Algae and Cyanobacterial Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.3 Degradation by Fungi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5
Factors Affecting Microbial Degradation of Pesticides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5.1 Effect of Microbial Species, Metabolic Activity, and Adaptability . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5.2 Effect of Pesticide Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5.3 Soil Organic Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.4 Environmental Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6
Removal of Pesticides Through Phytoremediation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.7
Integrated Remediation Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.7.1 Surfactant-Enhanced Bioremediation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.7.2 Enhanced Phytodegradation by Plant Growth Promoting Bacteria . . . . . . . . . . . . . . 46
2.8
Mechanisms and Enzymes Involved in Pesticide Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.8.1 Oxidoreductases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.8.2 Hydrolases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.8.3 Lyases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.8.4 Synthetic Reactions and the Formation of Immobilized Residues . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.9
Genetic Engineering of Microbes to Enhance Degradation of Pesticides . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.9.1 Adaption and Development of New Degradation Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.9.2 Mobilization of Genes to Enhance Catabolic Steps in Pesticide Degradation
Pathway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.9.3 Modification of Substrate Specificity by Manipulations of Enzymes . . . . . . . . . . . 58
2.9.4 Rapid Evolution Through Duplicated Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
A. Sehrawat · M. Phour · R. Kumar · S. S. Sindhu (*)
Department of Microbiology, CCS Haryana Agricultural University, Hisar, Haryana, India
e-mail: sindhuss@hau.ac.in
© The Author(s), under exclusive license to Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2021
D. G. Panpatte, Y. K. Jhala (eds.), Microbial Rejuvenation of Polluted Environment,
Microorganisms for Sustainability 25, https://doi.org/10.1007/978-981-15-7447-4_2
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