多环芳烃微生物降解机理研究进展

土壤(Soils),2010,42(6):876~881多环芳烃微生物降解机理研究进展①唐婷婷,金卫根*（东华理工大学化学生物与材料科学学院，江西抚州344000）摘要：主要阐述了微生物降解PAHs的机理，比较了典型微生物种类芽孢杆菌（Bacillus）和分支杆菌（M.vanbaaleniiPYR-1）对同种PAHs菲的代谢过程不同之处，并分析了分支杆菌（M.vanbaaleniiPYR-1）对菲和芘的代谢机理，指出微生物氧化降解PAHs主要从其K区和湾区开始，而K区氧化是有毒PAHs降解的主要可能途径，资料显示真菌比细菌对苯并[a]芘的降解能力更强，同时给出了微生物代谢菲、芘和苯并[a]芘的降解图，以便做进一步研究。关键词：PAHs；微生物降解；机理中图分类号：X53多环芳烃（PAHs）是环境中普遍存在的一类持久性污染物，它具有慢性毒性和致癌、致畸、致突变的“三致”作用，对人类健康和生态环境造成了巨大危害[1-2]，PAHs染土壤修复已成为当前国内外环境科学界的共同话题和主攻热点，利用微生物降解土壤PAHs是目前控制土壤PAHs污染的主要途径。污1微生物降解PAHs的机理微生物降解PAHs的基本过程是：PAHs通过两种途径进入微生物（包括真菌和细菌）细胞中，一种是真菌氧化，真菌在其胞内酶细胞色素酶CytP-450作用下先将一个氧原子加到PAHs的C-C键上形成C-O键，然后再以同样的方式加入另外一个氧原子，从而生成芳烃氧化物，芳烃氧化物在非酶促结构重组中失去一个氧原子变成酚类，并在环氧化物水解酶作用下还原形成反-二醇；另一种是氧分子在细菌双加氧酶作用下同时将两个氧原子加到PAHs上，将PAHs氧化成芳烃过氧化物，在芳烃过氧化物上加H得到顺-二醇，两种过程产生的二羟基化合物——顺反二醇都代谢生成重要的中间产物邻苯二酚，接着经过脱水等作用而使C-C键断裂、苯环断开，进一步代谢为柠檬酸循环的中间产物醛或酸，如琥珀酸、乙酸、丙酮酸和乙醛。有氧氧化是PAHs降解的主要方式[3]，这些中间产物最终会在微生物细胞中被氧化分解为H2O和CO2（图1）。ROH多环芳烃oOHRROHHOHHROHHHOHROHOH真菌+O2CytP-450单加氧酶环氧化物氧化酶H2O非酶促结构重组O-葡萄糖苷O-葡萄糖苷酸O-硫酸盐细菌+O2双加氧酶酚反-二醇顺-二醇邻苯二酚苯环断开辅酶NADH+脱氢酶辅酶NADH+H芳烃氧化物图1微生物氧化降解PAHs的过程[4]Fig.1ProposedpathwaysfordegradationofPAHsbymicroorganism2微生物对菲的降解2.1芽孢杆菌（Bacillus）对菲的降解细菌降解菲的两种不同途径过程中，都须先将菲降解为中间物质1-羟基-2萘酸，再降解1-羟基-2-萘酸的过程就分化成两种途径，如假单胞菌属（Pseudomonas）降解1-羟基-2萘酸是通过萘异化途径进行的，而气单胞菌属（Aeromonas）、产碱杆菌属（Alcaligens）、微球菌属（Micrococcussp.）则是通过邻苯二甲酸经由原儿茶酸途径降解的，芽孢杆菌（Bacillussp.）通过后一种途径降解菲，过程如图2所示，从图2中降解产物可以看出芽孢杆菌（Bacillus①基金项目：江西省教育厅科技项目（GJJ10276）资助。*通讯作者（[e-mail]）作者简介：唐婷婷(1984—)，女，湖北枣阳人，硕士研究生，主要从事环境生态学方面研究。E-mail:[e-mail]第6期唐婷婷等：多环芳烃微生物降解机理研究进展877sp.）只是从3,4位开始降解菲，降解位点较少，但是可以将菲完全降解掉。菲1-羟基-2萘酸1-羟基-2萘酸降解酶2-羧基苯甲醛2-羧基苯甲醛脱氢酶邻苯二甲酸原儿茶酸原儿茶酸双加氧酶4-羧基-2-羟基粘康半醛OHCOOHCOOHCHOCOOHCOOHOHOHCOOH123456HOOCCHOCOOHOH芽孢杆菌（Bacillussp.）降解菲过程中有3种酶表现出很高的活性，即1-羟基-2萘酸降解酶（1-hydroxy-2-naphthoatedegradationenzyme）、2-羧基苯甲醛脱氢酶（2-carboxybenzaldehydedehydrogenase）、原儿茶酸双加氧酶（protocatechuatedioxygenase），其中3种原儿茶酸双加氧酶中原儿茶酸-4,5-双加氧酶（protocate-chuate-4,5-dioxygenase）活性最高，其他两种均未表现出酶活性[5]。Zeinali等[6]第一次报道N.otitidiscaviarumstrainTSH1降解菲过程中检测到苯酸、4-羟基苯乙酸、邻羟基苯乙酸等中间物质，且N.otitidiscaviarumstrainTSH1降解菲的过程与已知芽孢杆菌（Bacillus）类似。贾玉红等[7]在一株伯克霍尔德氏菌（Burkholderiasp.AFF）降解菲的实验中得到了邻苯二酚-2,3-双加氧酶的粗提物，并进行了分离纯化，回收到了27.6%的蛋白质，表明邻苯二酚可以在邻苯二酚-2,3-双加氧酶作用下失去毒性，并形成二甲氧基邻苯二酚。2.2M.vanbaaleniiPYR-1对菲的降解与芽孢杆菌（Bacillussp.）降解菲不同的是，M.vanbaaleniiPYR-1对菲的降解，包括邻位切割（ortho-cleavage）与间位切割（meta-cleavage）两种环开裂反应，即可以从3个位点1,2位、3,4位、9,10位开始降解菲，这样就会产生大量二羧酸物质[8]，MycobacteriumPYR-1对菲的主要降解位点是9,10碳位的K区氧化[9]，而芽孢杆菌（Bacillussp.）对菲的降解是湾区氧化的结果，湾区双氧化是低环PAHs的主要氧化方式，也是报道较多的典型的双加氧方法。M.vanbaaleniiPYR-1对菲的降解形式受到不同碳位的影响，PAHs主要降解途径是微生物通过K区的氧化方式即间位切割（meta-cleavage）环开裂[8]，PAHs的K区在被微生物降解后，其毒性消失，微生物可以彻底地将其氧化分解，即无K区的PAHs氧化分解是微生物细胞对PAHs的主要降解方式。M.vanbaaleniiPYR-1对菲的降解过程如图3所示，分别从1,2位、3,4位、9,10位3个位点开始降解菲，主要降解位点还是3,4碳位和9,10碳位[9]，M.vanbaaleniiPYR-1在3,4位降解菲是其湾区氧化的结果[10-11]，9,10位为菲的K区结构，4,5位是菲的湾区结构，也是其形成环状氧化物的位点，具有致癌作用，其中菲经9,10位间位切割环开裂即K区降解后形成单环芳烃，已经没有致癌作用，其他位点的降解产物均为二环以上芳烃，K区或湾区结构还存在，对生物还有“三致”作用，由此可以看出K区氧化方式是有毒PAHs降解的主要途径。2-羧基苯甲醛脱氢酶图2芽孢杆菌(Bacillus)降解菲的可能途径[5]Fig.2ProposedpathwaysfordegradationbyBacillussp.58671091243OHOHHHCOOHCOOHCOOHCOOHOHOHHHOHOHOHCOOHoOHCOOHCOOHCOOHOHOHOHHHOCH3OCH3OHOHOHOCH3OHOH菲菲-9,10-二氢二醇菲-9,10-二醇邻苯二甲酸2-2'-联苯二羧酸1-萘酚1-羟基-2-萘甲酸顺-4-(1-羟基萘-2-甲基)-2-氧代丁-3-烯酸菲-3,4-二醇1,2-萘二甲酸菲3,4-二氢二醇菲-1,2-二氢二醇1,2-二醇基菲1-甲氧基-2-羟基菲1,2-二甲氧基菲图3M.vanbaaleniiPYR-1降解菲的可能途径[9]Fig.by3微生物对芘的降解M.vanbaaleniiPYR-1从芘的4,5位3ProposedpathwaysfordegradationofphenanthreneM.vanbaaleniiPYR-1芘是一种4环PAHs，和1,2位开始降解，其中4,5位是芘的K区结构，这两个位点分别双加氧后，都会形成一种芘的二氢二878土壤第42卷醇化合物，这种二氢二醇芘会转化成一种有毒中间体二醇芘，与M.vanbaaleniiPYR-1对菲的降解相似，芘1,2位通过形成不代谢的二甲氧基芘来解除二醇芘的毒性[9]，芘4,5位K区氧化后间位开裂为三环化合物菲-4,5-二羧酸（phenanthrene-4,5-dicarboxylicacid），M.vanbaaleniiPYR-1接着从菲9,10位的K区将其间位开裂和湾区邻位开裂后的3,4位开始降解，最终将芘降解为邻苯二甲酸，从而再次证明PAHs的K区氧化是其失去毒性并最终从环境中消失的主要途径。M.vanbaaleniiPYR-1之所以从K区和湾区降解PAHs，主要是因为其要以K区和湾区的碳作为碳源和能源生长[9]，M.vanbaaleniiPYR-1降解芘的主要过程如图4所示。86710945213OHOHHHOHOHHOOCCOOHOHHOOCOHHOOCOHOHHHOHHOOCOHOHCOOHCOOHOHHOOCOHCOOHHOOCOHCOOHCOOHHOOCOHOHHHOOCOHOH芘芘-4,5-二氢二醇芘-4,5-二醇4,5-二羧基-菲4-菲甲酸菲-3,4-二醇邻苯二甲酸4-羧基菲-5-酚4-羧基-5-羟基-菲-9,10-二氢二醇4-羧基菲-5,9,10-三羟基2,6,6'-三羧基-2'-羟基联苯2,2'-二羧基-6,6'-二羟基联苯菲-3-氢-4-羧基-3,4-二醇图4M.vanbaaleniiPYR-1降解芘的可能途径[9]Fig.4PriiPYR-1相同PAH[a]芘的降解）的细菌很少，报道较多的oposedpathwaysfordegradationofpyrenebyM.vanbaalenMycobacterium菌属对芘的中间代谢产物除与菲的以外还产生菲-4,5-二羧酸（phenanthrene-4,5-dicarboxylicacid）、Z-9-羧甲基芴-1-羧酸（Z-9-carboxy-methylenefluorene-1-carboxylicacid）等三环化合物[8]。菲-4,5-二羧酸（phenanthrene-4,5-dicarboxylicacid）等中间代谢产物比未降解的原始PAHs具有更大的反应能力和生物可利用性[12]，PAHs代谢产生的联苯甲酸（diphenicacid）和6,6′-二羟基-2,2′-联苯二羧酸（6,6′-dihydroxy-2,2′-biphenyldicarboxylicacid）等这些联苯化合物，其微生物的降解机理还不是很清楚[13-14]。对于联苯的降解机理，近来也有一些突破[15-16]。s降解过程的第一步就是微生物细胞中编码双加氧酶的加氧酶基因组件启动，编码出双加氧酶使PAHs形成二氢二醇结构，有研究人员[15]第一次报道了SphingobiumyanoikuyaeB1可以编码联苯的双加氧酶基因。鞘鞍醇单胞菌（Sphingomonasaromaticivororanssp.）的表面细胞中有种特别的膜结构称为“超级通道”[17]，可以简化大分子进入细胞的程序，加快细胞对PAHs的降解速率。4微生物对苯并4.1细菌对苯并[a]芘的降解能够降解苯并[a]芘（B[a]P就是Mycobacteriumsp.菌属[9,18]，毛健等[19-20]筛选出的一株副球菌也可高效降解苯并[a]芘，细菌的细胞色素酶CytP-450对苯并[a]芘的矿化没起到重要作用，但可以显示苯并[a]芘的氧化水平[18]，细菌对苯并[a]芘的降解率最高不超过50%[21]，说明毒性最大的苯并[a]芘对细菌的活性产生了巨大的影响，苯并[a]芘的主要降解位点有4,5位，7,8位，9,10位，其中7,8位，9,10位降解后都形成了一种芘的酸性化合物。细菌对苯并[a]芘的降解过程如图5所示