多氯联苯的生物降解探究

1引言生物降解是指有机化合物在生物所分泌的各种酶的催化作用下，通过氧化、还原、水解、脱氢、脱卤、芳烃羟基化和异构化等一系列的生物化学反应，使复杂的有机化学物转化为简单的有机物质。多氯联苯（polychlorinatedbiphenyls,简称PCBs）通过废物排放、储油罐泄露和干、湿沉降等过程进入环境中，并通过植物和水生生物进入食物链。孙红斌刘亚云陈桂珠微生物降解多氯联苯的研究进展[J]。ChineseJournalofEcology生态学杂志.2006,25(12):1564～1569。因其高度持久性、半挥发性、生物积累性、亲脂憎水性、长距离迁移性和高毒性,被列入优先污染物POPs的首批行动计划名单。PCBs即使在极低浓度下也可对人的生殖、内分泌、神经和免疫系统造成不利影响。对PCBs污染的修复方法主要包括:高温处理、化学降解、利用紫外光降解和生物降解,其中生物降解法PCB污染的生物修复费用低,降解彻底,不造成二次污染,被认为是最有前景的手段[2]AbramowiczDA.AerobicandanaerobicbiodegradationofPCBs:areview[J].Crit.Rev.Biotechnol.,1990,10(3):241-251。2PCBs的生物降解PCBs根据降解所用的主体可分为微生物降解、植物降解、植物-微生物联合降解和土壤-动物联合降解等。2.1PCBs的微生物降解微生物降解PCBs有2种方式,一种是无机化,即在好氧或厌氧条件下以PCBs为碳源或能源,降解的同时满足自身的生长和繁殖的需要;另一种是共代谢,即微生物生长代、谢过程中以另外一种基质作为碳源或能源,同时转化目标污染物[16]。[16]BorjiaJ,TaleonDM,AureseniaJ,etal.2005.Polychlorinatedbiphenylsandtheirbiodegradation[J].ProcessBiochem.,401999～2013.:PCBs的微生物降解包括厌氧降解和好氧降解。2.1.1PCBs的厌氧脱氯参与厌氧脱氯的微生物通过催化还原反应把脂肪族和芳香族的氯代化合物从高氯(≥5个氯)转化为低氯或无氯的物质,。芳香族化合物的厌氧脱氯具有如下共性:①脱氯过程需要诱导酶催化;②这些诱导酶具有明显的底物专一性;③芳香族脱氯微生物共生群落中执行脱氯功能,其功能可能依赖于这些群落;④芳香族脱氯微生物在从还原脱氯过程中获得代谢能量[16]。微生物对PCBs的脱氯作用在厌氧沉积物中非常普遍。厌氧还原减少了氯取代的数量和位点,降低了PCBs的毒性而使之更易被好氧微生物降解。PCBs的厌氧降解速率与氯化程度成正比,氯的取代数量和取代位点决定了PCBs的降解速率[46]。高氯代的PCBs同系物比低氯代的PCBs同系物更容易脱氯[40];还原脱氯的主要还原位点在间位和对位[10,51],导致邻位同系物的累积[10,40],但也有PCBs邻位脱氯的报道[49,55]。另外,Natarajan等[43]用实验室筛选的厌氧微生物颗粒脱掉了Aroclor1254所有的氯,反应的终产物是联苯。不同微生物产生的脱氯酶不同,因而脱氯活性和脱氯途径也不同。微生物群落的组成及群落中非脱卤和脱卤微生物之间复杂的相互作用决定着脱氯的速率、程度和途径。而微生物群落组成又受环境因素如:碳源的可利用性、氢原子或电子供体,其它电子受体的存在与否,温度、pH值等影响[9,16]。增强微生物脱氯能力的一种方法是在容易脱氯的基质中培养微生物,降低底物的专一性,产生酶和协同因子,从卤代化合物中脱掉卤素原子。研究发现,一些PCBs同系物有效地激活或引导微生物脱氯,不同的同系物引导的脱氯方式各不相同[54]。除了PCB同系物,其它的卤代芳香族化合物也可引导脱卤过程,如溴代联苯[14]、溴代苯甲酸[22]及有氧代谢降解产生的氯代苯甲酸[36]。在不同来源的厌氧污泥中PCBs的脱氯程度不同,产甲烷条件硫酸盐还原条件反硝化条件[17]。Fafa等[26]认为硫酸盐还原菌和产甲烷菌可能参与了PCBs脱氯。同时,在脱氯过程中加入醋酸盐、乳酸盐、丙酮酸盐和氯化铁可缩短延迟期,提高脱氯效率[17]。还有研究采用在厌氧过程中加入脂肪酸的方法[45],主要是增加碳源并提高PCBs的溶解性,在一定程度起到缩短延迟期的作用,增加脱氯的初始速率,而PCBs脱氯的总体速率并未增加。Kim等[33]的研究表明,底泥的性质和有机碳的成分在选择脱氯菌种时不起作用。很难用传统的分离技术鉴定参与PCBs还原脱氯的微生物,近年来,非培养微生物群落基因指纹图谱方法在还原脱氯的培养物中应用较多。Hou等[29]对参与PCBs对位和间位脱氯的微生物群落进行了研究,发现这些微生物群中基因序列与梭菌属(Clostridium)相关的菌株很丰富,虽然还没有足够的证据说明这种菌参与PCBs脱氯,但有报道表明梭菌产生的酶能使过氯乙烯脱氯[48]。虽然参与PCBs还原脱氯的微生物的纯培养技术还不成功,但有2种菌团的成分已经被分析得较透彻。这2种菌团,一种参与PCBs的邻位脱氯[20],另一种参与两侧氯取代的间位和对位脱氯[57]。前者经16SrDNA分析,发现一种被命名为0-17的细菌的序列与Dehalococcoidesethenogenes的序列具有相似性,这种细菌可利用2,3,5,6四氯联苯为生长基质并脱氯。而Dehalococcoidesethenogenes是首次报道的可以使氯苯完全脱氯的纯培养物[11],这种细菌能使三氯乙烯完全脱氯[42]。PCBs经过脱氯,可以从两方面降低环境风险:一是从高氯转化为低氯的PCBs可进一步被好氧菌降解;二是脱氯把高氯同系物转化为不易被富集到食物链的低氯联苯,降低了生物富集力,如22氯联苯和2,2’2二氯联苯的生物富集度只是三氯、四氯联苯的1/450[10],同时也降低了致癌性和二恶英类似物的毒性。212PCBs的好氧降解尽管低氯的PCBs化学性质相当稳定,但在有氧条件下,它们还是能被微生物降解或转化。这些微生物包括Burkholderiasp.,Pseudomonassp.,Sphingomonassp.,Rhodococcussp.,Microccussp.,Achromobactersp.,Norcardiasp.,Alcale2genessp.,Arthrobactersp.,Acinetobactersp.Janibactersp.,Bacillussp.以及Corynebacteriumsp.的一些菌株[3～5,16,23,27,31,32,41,56,58]。_殭8_?__歿PCBs