十溴聯(lián)苯醚微生物降解的研究進(jìn)展

蔡慶濤，趙 苒

（1.廈門大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，福建 廈門 361102；2.上海市金山區(qū)疾病預(yù)防控制中心，上海， 201500）

多溴聯(lián)苯醚 （polybrominated diphenyl ethers，PBDEs）是一類常用的溴代阻燃劑 （brominated flame retardants，BFRs），因其阻燃效率高、熱穩(wěn)定性好、添加量少、對(duì)材料性能影響小和產(chǎn)品價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子、電器、化工、紡織以及建筑等領(lǐng)域［1－2］。PBDEs的化學(xué)通式為 C12H（0～9）Br（1～10）O，根據(jù)苯環(huán)上 Br的個(gè)數(shù)和位置 的不同，可分為10個(gè)同系組、209種單體化合物。商品化的PBDEs主要有五溴聯(lián)苯醚 （Penta－BDEs）、八溴聯(lián)苯醚（Octa－BDEs）和十溴聯(lián)苯醚（Deca－BDEs 或 BDE－209）3種。

1999年瑞典研究者［3］分別從人體脂肪和肝組織中檢出PBDEs，且其含量呈逐年上升趨勢(shì)，PBDEs全球性污染問(wèn)題受到廣泛關(guān)注，并成為近10年環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。研 究［4－5］表 明：Penta－BDEs和 Octa－BDEs對(duì) 神 經(jīng)、 內(nèi)分泌和免疫系統(tǒng)具有毒性作用，已于2009年5月被列入斯德哥爾摩公約，正式禁止生產(chǎn)和使用。雖然，歐盟于2008年已禁止在電子電氣產(chǎn)品中使用BDE－209，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署亦將其歸為潛在致癌物質(zhì)，并于2013年底禁止其生產(chǎn)和銷售，但在未找到新型阻燃劑之前，BDE－209仍是全球使用量最大的溴代阻燃劑，且使用量有逐年增加的趨勢(shì)。我國(guó)目前尚無(wú)相關(guān)規(guī)定禁止或限制BDE－209的生產(chǎn)和使用。

BDE－209作為一種非反應(yīng)添加型阻燃劑，缺少化學(xué)鍵的束縛，其在生產(chǎn)、運(yùn)輸和添加到產(chǎn)品以及在廢棄物的存放和處理過(guò)程中會(huì)不同程度地釋放并進(jìn)入環(huán)境中［6］。據(jù)報(bào)道，英國(guó)倫敦的空氣［7］、挪威的土壤［8］、美國(guó)五大湖流域［9］和我國(guó)廣東、香港等地的大氣［10］、珠江三角洲近岸沉積物［11］甚至青藏高原的土壤［12］樣品中均檢出 BDE－209的污染。環(huán)境穩(wěn)定性、高親脂性和生物易積累等特點(diǎn)使其在生物體的蛋白質(zhì)和脂肪中蓄積，并可通過(guò)食物鏈傳播到高級(jí)生物體中［13］。研究［14］表明：十溴聯(lián)苯醚不僅對(duì)機(jī)體存在一定的神經(jīng)毒性和內(nèi)分泌干擾作用，還可在復(fù)雜的環(huán)境條件下脫溴生成毒性更強(qiáng)的Penta－BDEs和Octa－BDEs等低溴代聯(lián)苯醚同系物［15］。因此，如何處理BDE－209以促進(jìn)其在環(huán)境中的降解和轉(zhuǎn)歸正日益受到重視。BDE－209的處理方法主要有光降解［16－17］、化學(xué)降解［18］和微生物降解。本文作者對(duì)近年來(lái)BDE－209微生物降解的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，重點(diǎn)闡述好氧和厭氧微生物降解的現(xiàn)狀及展望，以期為BDE－209在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化研究及其污染處理提供科學(xué)參考。

1 BDE－209的微生物降解

1.1 好氧微生物降解 BDE－209化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)中的醚鍵增加了熱穩(wěn)定性，故而難以完成酶切反應(yīng)［19］，因此研究多集中在降解率和脫溴率等方面。王婷等［20］在對(duì)蠟狀芽孢桿菌 （XPB和XPC）復(fù)合菌降解BDE－209的研究中發(fā)現(xiàn)：復(fù)合菌對(duì)BDE－209具有良好的脫溴性能，反應(yīng)1d時(shí)其最高脫溴量可達(dá)1.18mg·L－1，脫溴率至少為14.16%；加入低濃度重金屬后，不但明顯抑制降解過(guò)程中酚類物質(zhì)的生成，且脫溴率幾乎未受影響，仍保持在13.92%以上；上清液的降解產(chǎn)物亦不含低溴代聯(lián)苯醚產(chǎn)物，可見(jiàn)該復(fù)合菌對(duì)BDE－209的降解具有一定安全性，可望應(yīng)用于BDE－209污染區(qū)域的生物修復(fù)。Deng等［21］從 BDE－209污染區(qū)分離到1株具有脫溴功能的好氧菌Lysinibacillus fusiformis strain DB－1，首次報(bào)道了土著菌對(duì)BDE－209的降解作用。史廣宇等［22］發(fā)現(xiàn)：銅綠假單胞菌對(duì)BDE－209的降解主要?dú)w因于胞內(nèi)酶的作用，胞內(nèi)酶粗提液在12h內(nèi)對(duì)1mg·L－1BDE－209降解率達(dá)到69.22%，降解速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于菌體，且降解率受酶濃度、底物濃度、pH和環(huán)境溫度的影響，例如當(dāng)BDE－209濃度為1mg·L－1時(shí)，BDE－209最適酶促降解反應(yīng)條件：溫度30℃、反應(yīng)pH＝7.5，降解率隨著酶濃度的增加而增大。趙宇等［23］從廣東貴嶼鎮(zhèn)電子垃圾拆解地采集的沉積物樣品中分離的BDE－209高效好氧降解菌證實(shí)為短短芽孢桿菌 （Brevibacillus brevis），其降解最佳菌齡為36h，最佳氮源為 （NH4）2SO4，降解率受Cu2＋和Cd2＋濃度的影響。

由于BDE－209在水中的溶解度 （lgKow為10）非常低，故其在水中的有效濃度是影響其生物可利用度的主要因素。Zhou等［24］發(fā)現(xiàn)：在增溶劑Tween 80和環(huán)糊精的作用下，白腐菌對(duì)BDE－209的降解作用加強(qiáng)，當(dāng)Tween 80的濃度為500mg·L－1時(shí)，10d內(nèi) BDE－209的降解率為96.5%，但該文作者同時(shí)提出高濃度Tween 80對(duì)BDE－209的降解和白腐菌的生長(zhǎng)均具有明顯的抑制作用，具體機(jī)制不詳。表面活性劑也可促進(jìn)好氧菌對(duì)BDE－209的降解。王芳芳等［25］觀察到：低濃度鼠李糖脂、蔗糖脂肪酸酯和茶皂素存在時(shí)，能使蘇云金芽孢桿菌J－1對(duì)BDE－209的降解率明顯升高，最高可將BDE－209的降解率分別提高23.18%、16.47%和12.64%，但中、高濃度鼠李糖脂、蔗糖脂肪酸酯和茶皂素均對(duì)J－1降解BDE－209有抑制作用。好氧微生物能夠利用BDE－209作為自身代謝的能量來(lái)源，目前篩選得到的好氧菌株可進(jìn)行甲基化、羥基化或在芳香烴接合處發(fā)生鍵斷裂等反應(yīng)，從而生成新的溴代化合物［26－29］，這些新產(chǎn)生的溴代化合物可作為微生物生長(zhǎng)的碳源，在酶的作用下可發(fā)生開(kāi)環(huán)降解，進(jìn)入三羧酸循環(huán) （TCA）或者徹底分解成CO2和H2O，從而降解低溴代聯(lián)苯醚。見(jiàn)表1和圖1。

表1 BDE－209好氧降解菌及其降解特性Tab.1 Aerobic degrading strains of BDE－209and their degradation characteristics

1.2 厭氧微生物降解 BDE－209厭氧降解是1個(gè)緩慢的過(guò)程，通過(guò)催化還原脫溴，使BDE－209得到電子的同時(shí)釋放出溴離子，轉(zhuǎn)化為低溴代的同系物后再進(jìn)一步降解。厭氧還原通過(guò)改變同系物的分布來(lái)減少溴取代的數(shù)量和位點(diǎn)，降低疏水性而使其更易被好氧微生物降解?，F(xiàn)有的研究主要圍繞BDE－209在厭氧條件下的降解半衰期和降解產(chǎn)物展開(kāi)。2005年，Gerecke等［31］首次報(bào)道了厭氧菌經(jīng)過(guò)238d的富集培養(yǎng)后能使BDE－209發(fā)生間位和對(duì)位脫溴反應(yīng)，生成BDE－207和BDE－208。He等［32］研究表明：在厭氧微生物Sulfurospirillum multivorans的作用下，BDE－209可被降解為七溴和八溴聯(lián)苯醚，而脫鹵球菌 （Dehalococcoides）能夠?qū)虽迓?lián)苯醚降解為二溴至七溴聯(lián)苯醚。雖然脫鹵球菌對(duì)BDE－209沒(méi)有降解作用，但該研究間接證明BDE－209是其他低溴代聯(lián)苯醚污染的重要來(lái)源。Tokarz等［33］利用沉積物中的微生物和生物模擬系統(tǒng)研究BDE－209時(shí)發(fā)現(xiàn)：其可被迅速脫溴生成毒性更強(qiáng)的低溴代聯(lián)苯醚（如Penta－BDEs和Octa－BDEs）。Qiu等［34］在厭氧條件下向培養(yǎng)基加入不同的電子供體 （methanol，ethanol，acetate，lactate and pyruvate），經(jīng)過(guò)90d的培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中BDE－209的含量降低，而六溴、八溴和九溴聯(lián)苯醚含量增加；進(jìn)而利用微生物群落分析，分離鑒定出1株對(duì)BDE－209有明顯降解作用的優(yōu)勢(shì)菌Pseudomonas spp.。陳桂蘭等［35］利用電子垃圾污染河床沉積物為種源富集馴化獲得的菌群Cf3，同樣具有較高的BDE－209降解率，可達(dá)80.03%，推測(cè)除脫溴反應(yīng)外，羥基化、甲基化或醚鍵直接斷裂等其他代謝降解途徑也可能參與其中。

圖1 BDE－209降解途徑示意圖Fig.1 Schematic diagram of degradation pathway of BDE－209

BDE－209厭氧降解的特點(diǎn)：①在厭氧細(xì)菌作用下，溴代聯(lián)苯醚同系物的降解速率與溴化程度成正比，高溴代聯(lián)苯醚同系物比低溴代聯(lián)苯醚同系物更易脫溴［36］；②厭氧微生物降解通常遵循一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，脫溴的難易程度與溴離子在苯環(huán)上的取代位點(diǎn)有關(guān)，即脫溴反應(yīng)更易發(fā)生在間位和對(duì)位，臨位不易發(fā)生脫溴［37］。

2 BDE－209的光－微生物降解

光降解是多溴聯(lián)苯醚環(huán)境污染的一個(gè)重要處理方法，紫外光可以誘發(fā)產(chǎn)生有活性的自由基離子，破壞持久性有機(jī)污染物復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)。Shih等［38］研究表明：陽(yáng)光和紫外光的照射下可使BDE－209發(fā)生脫溴反應(yīng)，且這種反應(yīng)遵從準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，在紫外光的照射可發(fā)生連續(xù)的脫溴反應(yīng)。Chou等［39］將光降解和微生物好氧降解2種方法同時(shí)作用于BDE－209，在以BDE－209為唯一碳源的黏土／水培養(yǎng)系統(tǒng)中，有紫外光照射的實(shí)驗(yàn)組降解率明顯高于無(wú)紫外光照射的對(duì)照組的降解率，最終在紫外光和好氧降解菌的同時(shí)作用下，十溴聯(lián)苯醚共脫溴生成12種低溴代聯(lián)苯醚，該研究結(jié)果提示：將光降解和微生物降解2種方法結(jié)合在BDE－209污染修復(fù)領(lǐng)域有良好發(fā)展前景。

表2 BDE－209厭氧降解菌及其降解特性Tab.2 Anaerobic degrading strains of BDE－209and their degradation characteristics

3 BDE－209的納米級(jí)零價(jià)鐵－微生物降解

鹵代芳香族有機(jī)污染物在厭氧條件下能夠被零價(jià)鐵晶體還原脫鹵［40－41］，但該作用尚存在一定的局限性［42］。納米級(jí)零價(jià)鐵由于具有較大的表面積、較強(qiáng)的活性和可作用于較廣的有機(jī)污染物的特點(diǎn)，因此被認(rèn)為是一種有潛力的BDE－209污染處理方法。但無(wú)論是零價(jià)鐵還是納米級(jí)別的零價(jià)鐵，作用于BDE－209均會(huì)產(chǎn)生低溴代聯(lián)苯醚，對(duì)于清除有機(jī)污染物質(zhì)均并非理想的方法。Kim等［43］研究了零價(jià)鐵和微生物聯(lián)合作用對(duì)PBDEs的降解，結(jié)果顯示：零價(jià)鐵作用20d后，BDE－209還原脫溴生成低溴代的九溴聯(lián)苯醚到三溴聯(lián)苯醚，再加入Sphingomonas sp.PH－07微生物降解菌培養(yǎng)4d后，生成溴酚等結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的代謝產(chǎn)物。這種利用納米級(jí)零價(jià)鐵的還原作用與微生物氧化作用相結(jié)合處理BDE－209污染的方法不僅高效，而且解決了低溴代聯(lián)苯醚的殘余危害，為高鹵代有機(jī)污染物修復(fù)的研究提供了新的思路。

4 總結(jié)與展望

盡管PBDEs的生產(chǎn)和使用受到越來(lái)越多的限制，但作為尚未被禁止的BDE－209生產(chǎn)和使用大國(guó)，我國(guó)的BDE－209污染情況及其環(huán)境行為、健康危害等均應(yīng)得到學(xué)者的足夠重視。BDE－209微生物降解研究尚在起步階段，其脫溴機(jī)制和降解途徑未明，因此在分離選育BDE－209高效降解微生物的基礎(chǔ)上，還應(yīng)進(jìn)一步揭示其脫溴降解機(jī)制和分子基礎(chǔ)，并注意在今后的研究和實(shí)踐中將光降解、零價(jià)鐵降解及微生物降解等方法有機(jī)結(jié)合，為PBDEs的環(huán)境修復(fù)提供更多方向。

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