嗜鹽/耐鹽微生物對(duì)多環(huán)芳烴污染修復(fù)的研究進(jìn)展

胡錦程

（河南大學(xué)邁阿密學(xué)院，河南開封 475004）

1 多環(huán)芳烴污染現(xiàn)狀

多 環(huán) 芳 烴（Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是石油、有機(jī)大分子化合物等不完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的一種揮發(fā)性碳?xì)浠衔?，穩(wěn)定性高、疏水性強(qiáng)，在環(huán)境中不斷積累，具有“三致”效應(yīng)，嚴(yán)重影響公共環(huán)境和人類健康。PAHs污染高發(fā)于油田與濱海地區(qū)。油田開采中，原油的散落往往會(huì)產(chǎn)生大量含鹽量較高的廢水[1]。土壤鹽堿化在我國西北和東北地區(qū)極為嚴(yán)重。西北的克拉瑪依油田、吐哈油田、青海油田和東北的大慶油田、吉林油田、遼河油田都是鹽堿化非常嚴(yán)重的地區(qū)。中部地區(qū)中，中原油田與大港油田附近土壤含鹽量約為7 g/kg，勝利油田含鹽量為8～18 g/kg[2]；而海洋石油污染大多來自于每年的石油泄漏和海上油輪事故。1973—2006年，中國沿海共發(fā)生大小船舶溢油2 635起，其中50 t以上重大船舶溢油事故69起，溢油總量37 077t[3]。2010年7月16日在我國大連新港發(fā)生的中石油污染，波及海域430萬平方千米，其中重度污染海域達(dá)12萬平方千米[4]。由于石油污染中的多環(huán)芳烴易累積，難以被生物降解，易發(fā)生遷移，因此近海土壤中PAHs污染也應(yīng)當(dāng)引起足夠重視。近年來，土壤鹽堿地PAHs污染修復(fù)越來越受到人類重視，其修復(fù)方式常包括物理、化學(xué)、生物修復(fù)，微生物修復(fù)技術(shù)因其環(huán)保效能好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛關(guān)注[1]。因此，綜述多環(huán)芳烴微生物修復(fù)的機(jī)理及嗜鹽/耐鹽微生物降解多環(huán)芳烴的影響因素，為嗜鹽/耐鹽微生物的多環(huán)芳烴修復(fù)提供理論支持和研究方向。

2 嗜鹽/耐鹽微生物對(duì)多環(huán)芳烴的降解

2.1 鹽堿地中可降解PAHs的微生物

微生物修復(fù)法是指微生物利用有機(jī)污染物，通過降解、吸收等方式使得高毒或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)污染物降到人類可接受的水平。與傳統(tǒng)的理化方法相比，微生物修復(fù)對(duì)多環(huán)芳烴污染的修復(fù)效果更好，對(duì)人類和環(huán)境影響更小。隨著世界各地鹽堿化程度的加重，降解多環(huán)芳烴的耐鹽和嗜鹽微生物的分離篩選得到了廣泛關(guān)注。目前已分離的能在鹽堿環(huán)境下降解PAHs的菌株集中在Bacillus、Halomonas、Cycloclasticus、Mycobacterium和Pseudoalteromonas等菌屬[5-6]。在高鹽環(huán)境下，嗜鹽微生物與非嗜鹽微生物降解PAHs的酶成分和降解途徑相似，微生物對(duì)PAHs的降解主要以好氧和厭氧方式為主[7]。

2.2 微生物對(duì)多環(huán)芳烴好氧降解機(jī)理

微生物的好氧降解又稱有氧呼吸，是指微生物在氧氣的參與下降解污染物的過程，也是目前土壤微生物修復(fù)中最重要的手段。對(duì)于多環(huán)芳烴的降解，細(xì)菌在氧分子的參與中分泌雙加氧酶，從而在PAHs上同時(shí)加上兩個(gè)氧原子，然后經(jīng)一系列代謝作用形成鄰苯二甲酸、龍膽酸等中間產(chǎn)物，最終轉(zhuǎn)化為二羥基化合物，進(jìn)入三羧酸（TCA）循環(huán)。

低環(huán)多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)分子簡(jiǎn)單、水溶性較好，多數(shù)降解菌可以將其完全礦化。萘是分子量最小的多環(huán)芳烴，目前研究中可以將其作為唯一碳源進(jìn)行降解的菌 屬 有 Alcaligenes、Burkholderia、Mycobacterium、Pseudomonas、Ralstonia、Rhodococcus和Streptomyces等[8]。降解機(jī)理為用1,2-雙加氧酶將萘轉(zhuǎn)化為順-二氫二醇，然后用多種酶合成水楊酸。然而在之后的降解過程中形成分歧：有的可以通過水楊酸羥化酶形成鄰苯二酚，再經(jīng)鄰苯二酚1,2-雙加氧酶開環(huán)，進(jìn)入TCA循環(huán)；另一種則可以通過水楊酸轉(zhuǎn)化為龍膽酸，再經(jīng)龍膽酸1,2-雙加氧酶作用完成開環(huán)，進(jìn)入TCA循環(huán)。而三環(huán)多環(huán)芳烴菲的結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)“灣”和“K”區(qū)，具有嚴(yán)重的致癌性，因此菲的微生物降解主要包括K區(qū)氧化和灣區(qū)氧化。Bacillus、Aeromonas、Alcaligens和Micrococcus等都是發(fā)生灣區(qū)氧化的菌屬，起始發(fā)生在3、4點(diǎn)位，灣區(qū)氧化后經(jīng)一系列轉(zhuǎn)化形成1-羥基-2-萘甲酸。在此之后，原兒茶酸由水合醛縮酶和鄰苯二甲酸雙加氧酶形成，然后被原兒茶酸3,4-雙加氧酶開環(huán)，進(jìn)入TCA循環(huán)。而M.vanbaalenii PYR-1具有許多初始降解位點(diǎn)，可以在1,2位、3,4位、9,10位開始降解菲，其中9,10位的K區(qū)氧化是M.vanbaalenii PYR-1的主要降解模式。菲的9,10點(diǎn)位在雙加氧酶的作用下轉(zhuǎn)化為9,10-二氫二醇，后經(jīng)過一系列酶的作用形成鄰苯二甲酸，完成上述鄰苯二甲酸降解途徑。與灣區(qū)氧化相比，K區(qū)氧化可以實(shí)現(xiàn)間位切割，形成單環(huán)芳烴，沒有致癌作用；而灣區(qū)氧化優(yōu)先形成雙環(huán)芳烴，毒性也較大，因此K區(qū)氧化是微生物降解有毒多環(huán)芳烴的主要途徑[9]。

隨著分子量增加，多環(huán)芳烴的疏水性和生物利用性進(jìn)一步降低。目前，可以利用四環(huán)多環(huán)芳烴芘為唯一碳源的菌屬主要集中在Mycobacterium、pseudomonas等[10]。芘的降解主要從4,5點(diǎn)位起始發(fā)生K區(qū)氧化，經(jīng)一系列酶作用形成鄰苯二甲酸，完成上述鄰苯二甲酸降解途徑[9]。而五環(huán)的苯并[a]芘，由于化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、辛醇-水分配系數(shù)較高，較難降解，可以降解的微生物主要集中在Mycobacterium菌屬。微生物可通過4,5位、7,8位、9,10位和11,12位實(shí)現(xiàn)對(duì)苯并[a]芘的降解，降解過程中可以形成芘和?的酸性化合物及環(huán)氧化物以降低毒性，然而在降解過程中其衍生物的毒性還有待進(jìn)一步研究[10]。

2.3 微生物對(duì)多環(huán)芳烴的厭氧降解機(jī)理

與好氧處理相比，厭氧處理的應(yīng)用較少，可行性和適用性有限。厭氧土壤、含水層、沉積物和污泥中的多環(huán)芳烴污染是一個(gè)世界性問題。在缺氧條件下，微生物可以利用硫酸鹽、硝酸鹽高價(jià)金屬離子和二氧化碳作電子受體，將有機(jī)物降解為CO2和CH4。厭氧降解與好氧降解不同，PAHs需要與其他物質(zhì)結(jié)合發(fā)生羧化反應(yīng)、甲基化反應(yīng)、羥基化反應(yīng)和還原反應(yīng)。羧化反應(yīng)指外源碳原子添加到PAHs某一位點(diǎn)形成相應(yīng)的脂肪酸；羥基化反應(yīng)指通過羥基化作用最終形成酚類物質(zhì)；甲基化反應(yīng)通常是外源引入富馬酸最終形成酚類物質(zhì)；還原反應(yīng)指對(duì)PAHs加成從而最終形成開環(huán)。

目前對(duì)多環(huán)芳烴的厭氧降解研究主要集中在對(duì)于萘和菲的研究上。例如，Zhang等[11]通過13C標(biāo)記的萘進(jìn)行示蹤降解實(shí)驗(yàn)，得到萘的代謝產(chǎn)物2-萘甲酸。結(jié)果表明，羧化反應(yīng)是萘厭氧降解的初次激活反應(yīng)，再通過加氫輔酶兩次對(duì)苯環(huán)加氫，然后進(jìn)行羧基化開環(huán)作用，使得萘最終變?yōu)橐妆晃⑸锝到獾慕Y(jié)構(gòu)。而萘的另一種降解途徑則是通過引入富馬酸，對(duì)PAHs甲基化后經(jīng)過脫氫輔酶使之形成2-萘甲酸，最終合并到2-萘甲酸的降解途徑。菲的降解主要集中在硫酸還原菌的厭氧降解。有研究表明，菲首先通過羧化反應(yīng)形成2-菲甲酸，之后同2-萘甲酸的降解途徑類似[12]。而Tsai等[13]發(fā)現(xiàn)，菲首先會(huì)轉(zhuǎn)化為甲酚，其次通過羥基化作用形成對(duì)羥基苯甲醇、對(duì)羥基苯甲醛，對(duì)羥基苯甲醛隨后通過脫氫酶、水合作用和脫羧反應(yīng)形成苯酚，最終轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜幔敝镣耆纸?，然而此?shí)驗(yàn)并未說明菲的初始激活反應(yīng)。目前，微生物對(duì)于四環(huán)及四環(huán)以上多環(huán)芳烴的厭氧降解能力較弱，對(duì)高環(huán)多環(huán)芳烴的厭氧降解機(jī)理尚不清楚。

3 影響嗜鹽/耐鹽微生物降解PAHs的因素

盡管國內(nèi)外已有諸多研究者已經(jīng)分離篩選出能夠高效降解PAHs的單一菌株，然而在實(shí)際微生物修復(fù)中，會(huì)受到很多其他因素的影響。例如，加入的微生物會(huì)對(duì)原有土著性微生物產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)性關(guān)系，降低降解效率；專性降解菌對(duì)于所處環(huán)境的不適應(yīng)也會(huì)在一定程度上影響降解效率。

3.1 PAHs性質(zhì)

多環(huán)芳烴隨著環(huán)數(shù)增加，其憎水性顯著增強(qiáng)，揮發(fā)性減小，從而使得微生物可利用性顯著降低。Arulazhagan等[14]在印度金奈的海洋附近分離出一株Ochrobactrum VA1菌種，其在30 g/L濃度的NaCl條件下，對(duì)蒽（三環(huán)）降解率為88%，而苯并[e]芘降解率僅為50%。Vila等[15]從木餾油污染土壤中分離獲得的Mycobacterium菌屬在海水鹽度培養(yǎng)基中60 d對(duì)熒蒽、芘、苯并蒽的降解效率分別為85%、70%和30%。有研究表明，通過加入表面活性劑，可以提高生物對(duì)PAHs的利用性，從而有效降解PAHs[16]。

3.2 外加營養(yǎng)物

嗜鹽/耐鹽微生物在進(jìn)行高環(huán)多環(huán)芳烴的降解時(shí)，往往需要外源添加營養(yǎng)物進(jìn)行共代謝，因?yàn)楣泊x通過添加共基質(zhì)為微生物提供充足碳源，并誘導(dǎo)其產(chǎn)生降解PAHs的關(guān)鍵酶。石杰[17]篩選出一株名為AD3的Martelella sp.菌種，發(fā)現(xiàn)添加酵母粉可使該菌株對(duì)于芴、苊、苊烯的降解效率顯著增加。王慧等[18]篩選出的一株Thalassospira sp.菌種，發(fā)現(xiàn)蛋白胨可以顯著影響該菌屬對(duì)于20 mg/L芘的降解，而酵母粉影響不大。盧仕嚴(yán)等[19]發(fā)現(xiàn)在外加碳源葡萄糖或水楊酸的作用下，均會(huì)使菌株對(duì)芘的降解率降低。李康[6]用0.6 mg/L、60.0 mg/L、120.0 mg/L的酵母粉作為外加碳源，發(fā)現(xiàn)120 mg/L酵母粉對(duì)于芘的降解率提高影響最大，6.0 mg/L和60 mg/L的酵母粉對(duì)于降解率的提高作用相差不大。這些試驗(yàn)結(jié)果表明，外源添加營養(yǎng)物對(duì)于微生物降解多環(huán)芳烴會(huì)有一定影響，且取決于營養(yǎng)物的種類和濃度。

3.3 外加電子受體

根據(jù)電子受體的不同，厭氧降解體系可以分為反硝化還原體系、硫酸還原體系、產(chǎn)甲烷還原體系和金屬離子反應(yīng)還原體系[20]。因此厭氧條件下添加電子受體，可能會(huì)有效提高微生物降解多環(huán)芳烴的效率。Murphy等[21]在缺乏硝酸鹽作電子受體的環(huán)境下添加硝酸鹽，發(fā)現(xiàn)多環(huán)芳烴可以被顯著去除。Tang等[22]發(fā)現(xiàn)在污染沉積物中添加硫酸鹽可以顯著提高微生物對(duì)萘的降解。而在某些體系下，某種電子受體的大量富集，使得再添加其他電子受體或營養(yǎng)物對(duì)于多環(huán)芳烴的降解沒有提高。例如，Johnson等[23]發(fā)現(xiàn)富含大量硫酸鹽的沉積物中，外源添加硝酸鹽對(duì)于多環(huán)芳烴的降解沒有影響。同樣在硫酸鹽作電子受體的沉積物中，添加四價(jià)錳作電子受體，顯著抑制了對(duì)于多環(huán)芳烴的降解。

3.4 植物-微生物聯(lián)合修復(fù)鹽堿地PAHs

近年來，微生物-植物聯(lián)合修復(fù)作為一種高效、環(huán)保的方式已經(jīng)引起了國內(nèi)外諸多學(xué)者的關(guān)注[24]。微生物-植物聯(lián)合修復(fù)主要是依靠植物的根系分泌物共同促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和繁殖[25]。紫松果菊、紫花苜蓿、翅堿蓬和紫茉莉等植物可以通過植物-微生物聯(lián)合修復(fù)方式有效降解多環(huán)芳烴。然而由于大多數(shù)植物難以在鹽堿地中存活，目前僅有翅堿蓬植物在鹽堿地中與微生物聯(lián)合修復(fù)被研究。例如宋立超[26]發(fā)現(xiàn)添加AD-3菌與翅堿蓬聯(lián)合作用可以顯著提升多環(huán)芳烴的微生物修復(fù)效果。鑒于我國鹽堿化和石油污染程度嚴(yán)重，更多可以耐受高鹽環(huán)境下的植物與微生物聯(lián)合修復(fù)的高效降解菌亟待研究。

4 展望

隨著研究的不斷開展與深入，嗜鹽/耐鹽微生物對(duì)于部分多環(huán)芳烴的降解研究已經(jīng)不斷成熟，然而在以下4個(gè)方面仍有需要進(jìn)步的空間。（1）微生物對(duì)于低環(huán)多環(huán)芳烴的降解往往可以完全礦化，然而對(duì)于高環(huán)多環(huán)芳烴的降解研究中，好氧降解的中間代謝產(chǎn)物尚不清楚，厭氧降解的起始激活反應(yīng)尚不明晰。（2）外加營養(yǎng)物對(duì)于微生物多環(huán)芳烴的降解可能存在著促進(jìn)、抑制與無影響3種情況，然而營養(yǎng)物種類以及濃度對(duì)于微生物降解多環(huán)芳烴的原理尚不明確。（3）由于目前發(fā)現(xiàn)的能夠在高鹽環(huán)境下降解PAHs的菌株不多，同時(shí)越來越多的PAHs積累于高鹽環(huán)境中，因此更多關(guān)于嗜鹽PAHs降解菌的降解途徑需要得到深入研究。（4）聯(lián)合修復(fù)作為一種可以顯著提高微生物降解效率的手段，需要針對(duì)其群落結(jié)構(gòu)組成，尋求更高效的菌群降解組合以進(jìn)行更深層次的研究。