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。