多环芳烃降解菌的研究进展

收稿日期:2019-04-04
作者简介:陈铮(1994-),男,浙江台州人,浙江万里学院生物工程专业2016级硕士研究生,研究方向:生物工程。

多环芳烃降解菌的研究进展
陈铮袁陈勇
(浙江万里学院,浙江宁波315100)
摘要:多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons ,PAHs )是环境中普遍存在的有机污染物,由于具毒性、突变性、诱变性、致癌性和难降解等特性,造成环境潜在的危害。

多环芳烃可通过吸附、挥发、光降解和化学氧化等进行降解。

微生物降解多环芳烃污染物是一种温和、高效和经济的方法,但受制于环境因素,如微生物群落种类和PAHs 化学特性等。

目前有关多环芳烃降解代谢路径、降解基因调控及酶等已取得重大研究成果,尤其是近年来随着遗传学、基因组、蛋白质组学和代谢组学技术的快速发展,促进PAHs 环境修复技术的进步。

本文旨在总结细菌、嗜盐古生菌、真菌对多环芳烃转化和降解的最新研究进展,展望环境生物修复技术的发展。

关键词:生物降解;多环芳烃(PAHs );细菌;真菌
中图分类号:F427文献标识码:A 文章编号:1671-2250(2019)03-0066-05
0引言
多环芳烃(PAHs )是指具有两个或两个以上苯环的一类有机化合物。

因具有毒性、遗传毒性、突变性和致癌性,使其成为人们高度关注的一类有机污染物。

随着其环数增加、化学结构的变化和疏水性的增强,其电化学稳定性、持久性、抗生物降解能力和致癌性会增大,挥发性也会随着其分子量的增加而降低
[1]。

多环芳烃在自然界许多生物链都存在生物积累效应,其在自然界中的含量相当惊人[2],因此也被认定为影响人类健康的主要有机污染物[3]。

化石燃料中含有大量的多环芳烃,在不完全燃烧情况下,在石油运输、使用或储存过程之中意外泄露事故等造成大量PAHs 释放到环境中[4,5]。

在空气、土壤、海洋、沉积物、地表水以及地下水等环境中都有PAHs 的分布[6]。

自然界和人为产生的多环芳烃会随着全球大气的流动分散到各地,多环芳烃从大气中进入植被,最终导致在食物链中富集[2]。

将多环芳烃(PAHs )从环境中去除被认为是恢复污染环境最重要的方法。

许多物理处理和化学处理
方法已经尝试过,其中包括焚烧法、碱催化脱氯、紫外线氧化、固定、溶剂萃取等[7],但这类方法存在成本高、较复杂、难以进行调控等弊端。

此外,这些传统环境修复技术在许多情况下难以将这些污染物完全去除,而只是把它们从一个环境中转移到另一种环境中或者形成另一种污染物。

为了解决这个严峻问题,研究人员提出一种高效环保的清洁技术,即生物修复技术。

目前该技术正在逐步完善以便解决环境污染问题。

微生物修复技术是利用生物体的解毒能力,将有害有机废物转化为无害的二氧化碳和水[8]。

目前微生物修复已经成为修复环境和去除包括多环芳烃在内许多污染物的重要技术。

与高分子量多环芳烃相比,低分子量的多环芳烃相对稳定性较差,更易溶于水,因此也更易被微生物降解。

低分子量的多环芳烃如萘、蒽和菲广泛存在于环境中,其作为典型的多环芳烃化合物通常是多环芳烃化合污染物检测的主要目标对象。

萘是多环芳烃化合物中结构最简单的,而蒽和菲的化学结构在许多致癌多环芳烃中存在。

第3期
陈铮,陈勇:多环芳烃降解菌的研究进展
1细菌和嗜盐古细菌对PAHs的降解
1.1细菌对多环芳烃的降解
细菌经过三十亿年的进化已经具备代谢几乎所有化合物获取能量的能力,并已被视为自然的终极清除剂。

由于细菌具有较强的适应性,已被广泛用于降低或修复污染环境的危害。

目前已发现的多环芳烃降解菌有很多种,其中萘和菲降解菌的研究更为广泛。

多环芳烃降解的代谢路径在有氧和无氧条件下是截然不同的。

在有氧条件下的多环芳烃代谢过程,氧不仅是最终电子受体也是一个羟基化和多环芳烃开环裂解的反应底物。

相反,在无氧条件下多环芳烃的降解是完全不同的代谢路径,主要是进行还原反应[9]。

细菌通常在有氧条件下降解PAHs,主要通过加氧酶进行代谢,加氧酶主要包括单加氧酶或双加氧酶。

细菌降解PAHs的第一步是通过双加氧酶使苯环上的碳原子发生羟基化作用形成顺式二氢醇,在二醇脱氢酶的作用下形成二醇中间体,通过内源或外源双加氧裂解酶通过邻位裂解或次裂解途径将二醇中间体雌二醇进行裂解反应形成中间体(如儿茶酚),最终转化为TCA循环中间体[4]。

能够降解多环芳烃的细菌在自然界中普遍存在,许多萘降解细菌降解萘的代谢途径、酶的机制和基因调控已有详细报道[2]。

恶臭假单胞菌G7的质粒NAH7上的萘降解基因是最具特色的[10]。

除了假单胞菌属外还发现大量的鞘氨醇单胞菌属菌株也同样具有降解多环芳烃的能力,其中主要包括鞘氨醇菌属、鞘氨醇单胞菌、新鞘氨醇杆菌。

鞘氨醇单胞菌对多环芳烃也具有较强的分解代谢能力,能够降解多种天然和人造化合物包括高分子量多环芳烃[11]。

多环芳烃降解菌中红球菌属是非常独特的,具有很强的降解PAHs能力。

与通常具有成簇萘降解基因的假单胞菌和其他革兰氏阴性菌相比,革兰氏阳性菌红球菌通常只表达三个结构基因(narAa,narAb, narB)降解萘[8]。

通常将环数超过三个的多环芳烃化合物称为高分子量PAHs,其中常见的有荧蒽和苯并荧蒽。

由于其稳定性高难降解、高毒性、致突变性和致癌特性,因此在环境治理领域备受关注[2]。

在过去的几十年里,有关高分子量多环芳烃的微生物降解研究有明显的发展,包括许多降解高分子量PAHs的相关菌株[4]。

1.2嗜盐尧耐盐细菌和古细菌对多环芳烃的降解
由于人类活动造成的环境污染已蔓延到所有类型生态系统中,其中也包括海洋生态系统。

高盐生态系统通常也被含有有机污染物多环芳烃的工业废水和城市污水污染。

尤其是石油工业产生的废水中含有大量包括PAHs污染物,是环境中芳烃化合物污染物主要来源之一。

在高盐的极端环境下微生物对PAHs 污染物的降解在近年也越来越被重视。

最初人们认为具有PAHs降解能力的细菌种类是特定的,与样品最初来源没有关系。

但是随着研究的深入,表明多环芳烃降解菌的种类远远超过之前的预期。

目前大量研究已表明,具有PAHs降解功能的细菌、古生菌主要有:琢-变形菌纲、β-变形菌纲、γ-变形菌纲、放线菌、厚壁菌门和嗜盐古生菌。

1.3真菌对多环芳烃的降解
近年来有关真菌对PAHs的生物降解研究已很广泛,报道了很多真菌对PAHs污染物的代谢[2]。

许多真菌不能以唯一的碳源和能源对PAHs进行利用,但是真菌能够通过共同代谢作用将PAHs代谢为多种氧化产物或者二氧化碳。

细菌降解PAHs主要通过双加氧酶的酶或者单加氧酶对其进行降解反应。

真菌对PAHs的降解作用主要通过单加氧酶进行降解。

然而,真菌对PAHs的降解作用只是限于特定的菌株和生长条件才有效。

能够降解多环芳烃的真菌主要有两类:木质素降解菌(白腐真菌)和非木质素降解菌。

木质素降解真菌能够产降解木材木质素的漆酶(lignin peroxidase,LiP)和锰过氧化物酶(manganese peroxidase,MnP)。

非木质素降解真菌通过产细胞色素P450单加氧酶进行PAHs降解反应,不产生过氧化物酶或漆酶[12]。

2多环芳烃生物修复的影响性因素
环境中影响多环芳烃降解效率的影响因素主要有温度、pH和氧气等。

2019年5月浙江万里学院学报
2.1温度
温度是污染环境中PAHs的生物降解的主要影响因素,因为环境中的温度不可能一直维持在微生物生长所需的温度。

当温度升高时PAHs的溶解性也会随着增加,从而会增加PAHs的生物利用度。

但是随着温度的升高溶解氧水平会降低,导致好氧微生物的代谢活性会降低。

有一些称为嗜冷菌的微生物可在较低温度条件下进行代谢作用,高温嗜热菌则相反。

2.2pH
pH在PAHs生物降解过程中扮演非常关键的角色。

通常微生物对环境pH是比较敏感的,一般在中性条件下(6.5-7.5)更有利于大多数微生物的正常代谢。

2.3氧气
包括PAHs在内的有机污染物可以好氧或者厌氧条件下被微生物降解。

但是大多数PAHs生物降解的研究是在有氧的条件下进行的,其中氧气作为辅和底物是限制代谢效率的关键因素。

2.4营养物质
营养物质是能否有效修复多环芳烃污染环境的一个主要影响因素。

微生物生长需要碳源、氮源、磷源、钾、铁等多种元素才能维持正常生长代谢。

在营养物质匮乏的污染环境中需要通过添加营养物质来刺激“土著”微生物的生长,从而提高对污染物的生物修复作用[13]。

2.5生物转化率
在生物系统中,生物转化率定义为在实验过程中可被生物体吸收或转化的化学物质的量。

生物转化率在传质参数的影响下会发生变化,其中包括溶解、解吸和扩散的物理化学过程、混合过程以及最终的吸收和代谢过程。

生物转化率是影响污染物生物修复中最关键因素之一。

3分子生物学技术在PAHs降解中的研究进展及发展方向
目前随着遗传、基因组、蛋白质组学和代谢组学技术的研究发展和该技术在有机污染物生物修复领域中的应用,大大丰富了关于生理学、生态学、生物化学和微生物代谢途径调控机制各个方面的知识。

该研究成果的实际应用非常有必要。

通过处理和重建来提高自然发生进程。

因此开发更有效的生物催化剂用于各种生物技术领域非常重要,其中包括降解环境中的污染物和将有毒的化学物质转化成无害的产物或其他化学物质[14]。

近代微生物生态学中的一个重大进步是实现了基于特定的保守序列对特定的一组微生物进行分类,尤其是根据16S rRNA和18S rRNA基因可以预测一个特定环境中微生物种群的进化特征。

在生物修复领域该技术是一项重大发明,因为通过确定污染环境微生物种群中某些特定微生物便可预测生物修复潜力。

随着变性梯度凝胶电泳(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis,DGGE)技术的出现,现在可以更精确地分析一个特定环境中微生物群落结构和动态[15]。

另外一项荧光原位杂交(FISH)技术在该领域也非常实用,并经常用于实践中[16]。

一般来说,污染物去除相关基因的相对丰度与生物修复效率之间存在着正相关的联系。

然而,有时会出现具有污染物清除有关基因但不进行表达的可能。

因此,通过荧光定量PCR技术检测关键分解代谢mRNA基因越来越受到人们的关注。

此外,转录组学,DNA同位素探针,单细胞基因组学和DNA芯片技术也相继应用于生物修复领域[17]。

DNA芯片是一种高通量DNA杂交技术,可以同时检测数量巨大的基因。

目前该技术在多环芳烃生物降解领域达到了应用。

基因组测序技术的发展促使生物修复领域发生了巨大变革。

现在通过全基因组测序技术可以更加详细地研究与污染物去除相关的微生物遗传生理学。

通过分析微生物全基因组序列或基因草图发现,许多可培养微生物具有潜在的代谢活性。

最近宏蛋白质组学和代谢组学技术已被用来开展环境微生物学的各个领域,其中包括微生物环境修复领域。

蛋白质组学是一项可以有效识别蛋白质及功能的技术,而代谢组学可以用来鉴定多环芳烃生物降解过程中产生的代谢物。

在不久的将来,宏蛋白质组学、代谢组学、功能基因组学的研究、环境转录组学和DNA芯片将成为阐明环境中多环芳烃降解机理的重要工具并且将提
第3期
陈铮,陈勇:多环芳烃降解菌的研究进展
供更多与降解PAHs有关的不可培养微生物相关信息。

目前,芯片生物学正逐步应用于生物修复领域的各个方面。

4总结与展望
目前多环芳烃的生物修复研究取得了很大进展,已分离出许多具有多环芳烃分解潜能的功能微生物,许多与降解多环芳烃有关的降解酶得以发现,阐明了多环芳烃降解的不同代谢途径,许多PAHs的代谢操纵子已完成测序,多环芳香烃降解的调节机制也已明确。

随着基因、基因组、蛋白质组学和代谢组学研究技术在有机污染物的分解代谢领域的应用,目前PAHs降解微生物的生理、生态学和生物化学方面研究已取得了重大成果。

但是,在各种PAHs生物修复方面仍然存在许多未知和研究不足的问题,需要持续详尽的深入研究。

此外基因工程可用于促进微生物生物修复过程中的代谢效率。

可以通过在单个宿主细胞中重组不同的生物降解基因用来创造独特的多环芳烃代谢途径。

通过构建完整通路,甚至在自然界中未曾发现的代谢途径以提高对底物的特异性降解变得完全可能,这样就能够将顽固的化合物进行矿化并避免有毒产物的积累。

但是在将转基因生物释放到环境中之前必须彻底评估、检查这些转基因生物可能产生的副作用,并且必须确保转基因生物比目前的微生物更安全、更有效、更便宜。

参考文献院
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Research Progress of Microbial Degradation of Polycyclic
Aromatic Hydrocarbons
CHEN Zheng,CHEN Yong
(Zhejiang Wanli University,Ningbo Zhejiang315100)
Abstract:Polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs)is a kind of common organic pollutants in our life. Due to its traits such as toxic,carcinogenic and mutagenic and difficulty to degrade,it causes potential endanger to environment and public health.PAHs can be degraded by adsorption, volatilization,photodegradation and chemical oxidation.Microbial degradation of PAHs pollutants is a mild,efficient and economical method.However,it is subject to environmental factors such as microbial community types and PAHs chemical characteristics.Currently,research about PAHs degradation pathway,degradation gene regulation and enzymes achieve much progress.Especially in recent years,with the development of genetics,genome,proteomics and metabolomics technology, PAHs environmental remediation technology has been developed.This paper focuses on summarizing not only the latest research progress regarding transformation and degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons by bacteria,halophilic archaea and fungi but also trend of research in future.
Key words:biodegradation;polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs);bacteria;fungi
(责任编辑:刘阳雄)。