PBDEs好氧微生物降解動力學過程及熱力學機制研究①

程吟文，谷成剛，劉總堂，朱夢榮，劉 暢，葉 茂，卞永榮，楊興倫，蔣 新

(1 中國科學院土壤環(huán)境與污染修復重點實驗室(南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學院大學，北京 100049)

PBDEs好氧微生物降解動力學過程及熱力學機制研究①

程吟文1,2，谷成剛1*，劉總堂1,2，朱夢榮1,2，劉 暢1,2，葉 茂1，卞永榮1，楊興倫1，蔣 新1

(1 中國科學院土壤環(huán)境與污染修復重點實驗室(南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學院大學，北京 100049)

多溴聯(lián)苯醚 (PBDEs)是一種曾在全球范圍內(nèi)被廣泛使用的溴代阻燃劑，具有半揮發(fā)性、生物蓄積性、神經(jīng)毒性和內(nèi)分泌干擾效應(yīng)等，嚴重威脅生態(tài)環(huán)境和人體健康安全。本研究選擇典型好氧降解菌伯克氏菌屬LB400，對環(huán)境中普遍檢出的中低溴聯(lián)苯醚開展了降解動力學過程研究，探討了外加碳源作為共代謝底物對降解性能的影響，模擬計算了降解中關(guān)鍵反應(yīng)路徑熱力學狀態(tài)函數(shù)性質(zhì)變化，以揭示其與表觀降解速率常數(shù)k之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：聯(lián)苯作為共代謝底物時PBDEs的去除效率最高，在降解菌的作用下，0 ~ 120 h內(nèi)中低溴代PBDEs均能夠發(fā)生降解，降解過程符合一級反應(yīng)動力學。羥基化反應(yīng)可能是PBDEs微生物降解過程的速控步驟，相比于間/對位取代，活性氧自由基如·OH更傾向于攻擊苯環(huán)碳原子的鄰/間位置，這為揭示PBDEs好氧微生物降解的分子作用機制，促進土壤中高效好氧降解菌的選育與污染修復應(yīng)用提供了科學依據(jù)。

多溴聯(lián)苯醚；共代謝；降解動力學；羥基化；熱力學機制

多溴聯(lián)苯醚(PBDEs) 作為一種典型的添加型溴代阻燃劑，由于其熱穩(wěn)定性好、價格低廉等優(yōu)點，曾被大量應(yīng)用于各種電子電器、建材紡織和石油化工等工業(yè)領(lǐng)域中[1–2]。然而，隨著溴代阻燃劑使用量的不斷上升，目前全球范圍內(nèi)包括土壤、水、大氣、沉積物與底泥，以及不同生物組織等多種環(huán)境介質(zhì)中均有PBDEs的檢出[3–8]。PBDEs化學性質(zhì)穩(wěn)定，具有半揮發(fā)性和生物蓄積性，可通過食物鏈傳遞作用進入人體并產(chǎn)生生物累積與生物放大效應(yīng)[9–10]。據(jù)大量文獻報道，PBDEs作為一種典型的內(nèi)分泌干擾物[11]，可干擾生物體雌激素和甲狀腺激素代謝水平[9–10]，且具有神經(jīng)毒性[12–16]、生殖毒性和胚胎毒性等[17–19]，嚴重威脅人體健康安全。由于商用五溴聯(lián)苯醚和八溴聯(lián)苯醚在2009年《斯德哥爾摩公約》中被新增列入“持久性有機污染物(POPs)”受控名單，PBDEs污染所帶來的環(huán)境問題備受關(guān)注。

微生物降解是環(huán)境中有機污染物自然消減的主要方法，也是PBDEs污染消除的重要途徑之一，包括好氧、厭氧與混合功能微生物降解技術(shù)[20–25]。其中，好氧微生物降解周期短、成本低、能夠徹底開環(huán)并礦化完全，已成為微生物降解研究領(lǐng)域的新熱點。研究表明，好氧微生物如鞘氨醇單胞菌Sphingomonas sp. PH-07[26]、銅綠假單胞菌Pseudomonas aeruginosa[27]、紅球菌Rhodococcusjostii RHA1和伯克氏菌Brkholderia xenovorans LB400[28]均可在聯(lián)苯醚等不同碳源存在的情況下，發(fā)生共代謝降解PBDEs，其降解性能除受底物水溶性、溫度、pH和外加碳源種類的影響外[29]，更取決于PBDEs中溴原子取代位置和數(shù)量：隨著溴取代基數(shù)目的增加，PBDEs降解性能下降，且降解開環(huán)反應(yīng)更容易發(fā)生在沒有溴原子取代的苯環(huán)上[28]。與結(jié)構(gòu)相似的多氯聯(lián)苯(PCBs)類似，PBDEs好氧微生物降解過程亦可能受聯(lián)苯代謝基因(bph途徑)及其編碼酶——聯(lián)苯雙加氧酶(BPDO)的催化調(diào)控而優(yōu)先羥基化，繼而脫氫，環(huán)裂解和水解礦化為小分子物質(zhì)[30–31]。然而，由于現(xiàn)已分篩的PBDEs高效降解菌相對匱乏，加之實際降解過程復雜、影響因素繁多而使得降解產(chǎn)物和中間體捕獲鑒定分析困難，PBDEs好氧降解機理的認識還處于初始階段，尤其羥基化反應(yīng)的發(fā)生機制與意義也不清晰。因此，本研究選擇對中低溴代聯(lián)苯醚具有一定降解能力的伯克氏菌Brkholderia xenovorans LB400，開展典型 PBDEs好氧微生物降解動力學過程和底物影響研究，模擬計算關(guān)鍵反應(yīng)路徑的熱力學函數(shù)性質(zhì)變化，探討微生物表觀降解性能與羥基化、脫氫等反應(yīng)熱力學函數(shù)變化之間的關(guān)系，并闡釋相關(guān)作用機制，以期從熱力學受控性角度反映羥基化反應(yīng)對于整個好氧降解通道的決定性意義，從而為PBDEs高效好氧降解菌的選育與污染修復應(yīng)用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑

試驗選取6種典型PBDEs，包括2-一溴聯(lián)苯醚(BDE-1)，2,2'-二溴聯(lián)苯醚(BDE-4)，2,4,4'-三溴聯(lián)苯醚(BDE-28)，2,2',4,4'-四溴聯(lián)苯醚(BDE-47)，2,2',3, 4,4'-五溴聯(lián)苯醚(BDE-85)和 2,2',3,4,4',5'-六溴聯(lián)苯醚(BDE-138)，純度均為99.5%，購于美國AccuStandard公司；色譜純正己烷購于德國Merck KgaA公司；試驗中使用的無水乙醇、乙酸乙酯、丙酮、無水硫酸鈉等試劑，均為分析純，購于國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 菌種與培養(yǎng)條件

實驗用菌種選擇對PCBs具有廣譜降解能力的優(yōu)勢菌B. xenovorans LB400[32]，購自德國菌種保藏中心(DSMZ no. 17367)。LB400菌株活化和培養(yǎng)采用胰蛋白胨大豆肉湯培養(yǎng)基(TSB)作為碳源，購自青島希望生物技術(shù)有限公司。稱取6 g TSB，加水200 ml配制TSB液體培養(yǎng)基，滅菌后取少量加入安瓿瓶內(nèi)，活化LB400凍干粉末。稱取6 g TSB、3 g 瓊脂，加入200 ml水于三角燒瓶中，滅菌冷卻后于超凈工作臺中倒平板，制作TSB固體培養(yǎng)基。用平板劃線法將菌株接種至 TSB固體培養(yǎng)基，置于30℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。3 d后，取一環(huán)單菌落至TSB液體培養(yǎng)基中進行放大培養(yǎng)(30℃ 恒溫水浴，150 r/min)。當微生物生長至對數(shù)生長期時，取菌液離心(20 min、3 000 r/min)，并用磷酸鹽緩沖溶液清洗2遍，接種至無機鹽培養(yǎng)基(DSMZ medium no.457)中，加入共代謝底物在恒溫水浴中條件下繼續(xù)培養(yǎng)(30℃，150 r/min)。培養(yǎng)基中其他無機鹽化合物均為分析純，購自南京化學試劑有限公司。所有培養(yǎng)基在使用前均經(jīng)過 121℃、20 min高溫高壓滅菌處理。菌液生長的對數(shù)期通過紫外可見分光光度計在600 nm波長下測定吸光度值(OD600)獲得。

1.3 PBDEs共代謝底物篩選與降解動力學實驗

PBDEs好氧微生物降解一般是通過外加碳源共代謝的方式來完成的。分別以10 mmol/L的聯(lián)苯、乙醇和乙酸乙酯作為外加碳源加入降解體系中，并設(shè)置一組不加共代謝底物的空白對照。設(shè)置BDE-47在降解體系中的初始濃度為100 μg/L，分別在降解體系建立后的0、3、9、24、48、72 h進行取樣，測定溶液體系中 BDE-47隨時間變化的降解殘留，并計算BDE-47在不同底物存在下的去除效果。

在PBDEs好氧降解動力學實驗體系中，以10 mmol/L的聯(lián)苯作為底物，利用好氧降解菌LB400對BDE-1、BDE-4、BDE-28、BDE-85和BDE-138進行降解動力學研究。實驗中選用單標化合物溶于異辛烷中并調(diào)節(jié)溶液濃度為50 μg/ml，用移液槍移取10 μl于12 ml玻璃樣品瓶中，置通風櫥中待溶劑揮發(fā)。5 min后，接種無機鹽培養(yǎng)基中處于對數(shù)生長期的菌液(OD600約為0.26 ~ 0.27)5 ml于樣品瓶中，無菌透氣封口膜封口，降解初始濃度為100 μg/L。設(shè)置空白對照組，在污染物中加入5 ml滅菌后的無機鹽培養(yǎng)基，使?jié)舛韧瑯訛?00 μg/L。為了避免偶然誤差，所有處理組和對照組均設(shè)置3個平行。所有的樣品置于恒溫水浴中振蕩培養(yǎng)(30℃，150 r/min)[28]。由于不同溴代模式PBDEs降解周期不同，對于每種化合物的取樣時間點設(shè)置也不相同。

1.4 測定方法

降解體系中PBDEs殘留的提取采用正己烷(1︰1，v/v)液–液萃取方法。待萃取完全，轉(zhuǎn)移2 ml有機相至離心管中，加入0.5 ml無水硫酸鈉，12 000 r/min下離心1 min以去除水分和細菌殘留，靜置30 min，轉(zhuǎn)移1 ml至GC棕色進樣瓶中，等待進樣測定。PBDEs定量分析采用Aglilent 7890A-ECD氣相色譜儀。選擇DB-5毛細管色譜柱(30.0 m ′ 0.32 mm ′ 0.25 μm)，進樣口和檢測器的溫度分別設(shè)為265℃ 和 300℃，設(shè)計升溫程序如下：初始溫度為140℃，保持2 min；后以 5℃/min的速度升至 180℃，保持 5 min；再以5℃/min的速度升至 260℃，保持 2 min；最后以15℃/min的速度升至315℃，保持 21 min。載氣為N2，采用不分流進樣，進樣量 1 μl。試驗中 PBDEs的殘留濃度采用外標法測定，獲得各單標PBDEs化合物標準曲線，R2均大于0.999。溶液體系中PBDEs的回收率在84% ~ 128%。

1.5 理論計算與數(shù)據(jù)分析

為揭示PBDEs好氧微生物降解過程的熱力學受控性，圍繞降解過程中關(guān)鍵反應(yīng)步驟，假定鄰(ortho)/間(meta)位-、間(meta)/對(para)位–雙加氧，即羥基親核加成反應(yīng)和脫氫反應(yīng)歷經(jīng)通道分別如圖1(a ~ c)，采用量子化學半經(jīng)驗分子軌道 AM1計算方法對PBDEs與活性氧自由基HO·以及反應(yīng)中間體IM1、IM2和 IM1￠等(圖 1)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率分析，并計算熱力學狀態(tài)函數(shù)——反應(yīng)吉布斯自由能變化(ΔrG)，即ortho/meta-羥基化和脫氫反應(yīng)吉布斯自由能變ΔrG1和ΔrG2，以及 meta/para-羥基化反應(yīng)吉布斯自由能變ΔrG1。其中，ΔrG為產(chǎn)物吉布斯自由能與反應(yīng)物吉布斯自由能的差值，即ΔrG=Σ(ε0+Gcorr)products–Σ (ε0+Gcorr)reactants(ε0和Gcorr分別為總電子能和吉布斯自由能校正值)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率分析以Gaussian 03軟件完成[33]。實驗數(shù)據(jù)差異性比較分析采用t檢驗或單因子方差分析方法(ANOVA)，以SPSS19.0統(tǒng)計分析軟件完成。

圖1 PBDEs好氧降解中理論假定起始反應(yīng)通道Fig. 1 Initial reaction routes theoretically hypothesized for PBDEs aerobic biodegradation

2 結(jié)果與討論

2.1 PBDEs好氧微生物降解的底物選擇性與降解動力學

前人研究表明，選擇合適的外加碳源作為共代謝底物能夠顯著提高微生物對PBDEs的降解效率[34]。10 mmol/L聯(lián)苯、乙醇和乙酸乙酯分別作為底物時，BDE-47的加標回收率分別在87.1% ~ 93.7%，如表1所示。方差分析顯示，3種底物對BDE-47的回收率不存在顯著性差異(P>0.05)，表明加入底物不會對PBDEs的提取效率造成顯著影響。然而，加入底物能夠?qū)?BDE-47的降解效率產(chǎn)生顯著影響。在 72 h范圍內(nèi)，較BDE-47為唯一碳源時，加入不同的底物能夠提高BDE-47的降解效率(圖2)，這可能是由于BDE-47的水溶性較低，LB400難以直接利用其作為生長底物而進行自身代謝增殖，相反加入水溶解度較大的乙醇等底物時，可以作為能量碳源而為微生物生長利用，促進BDE-47的降解。不同底物相較而言，聯(lián)苯最能提高BDE-47的降解效率(53.07%)，其次分別為乙醇(37.39%)和乙酸乙酯(25.28%)(表1)，這可能是由于聯(lián)苯作為代謝底物時，其與BDE-47的結(jié)構(gòu)相似性能夠激發(fā)微生物降解反應(yīng)中相關(guān)酶的活性，從而提高降解效率[34]。

表1 共代謝底物選擇對BDE-47降解效率的影響(%)Table 1 Degradation ratios of BDE-47 under different substrates

圖2 降解周期內(nèi)BDE-47在不同共代謝底物作用下的降解動力學Fig. 2 Biodegradation kinetics of BDE-47 under different substrates in its degradation period

在未經(jīng)微生物處理的空白對照組中，對不同時間點下PBDEs殘留量進行了測定。根據(jù)單因素方差分析，隨著時間推移，各空白對照組溶液體系中PBDEs的殘留量沒有顯著性變化(P>0.05，圖 3)，說明實驗周期內(nèi)PBDEs的化學轉(zhuǎn)化與揮發(fā)作用等因素可以忽略不計；相反，在微生物處理下PBDEs的殘留變化，可推斷其源自微生物的降解作用。LB400處理下，不同PBDEs異構(gòu)體化合物的殘留濃度隨時間延長而顯著下降(P<0.05)，其降解動力學過程如圖4所示。圖4顯示，PBDEs好氧微生物降解過程在120 h范圍內(nèi)均能夠達到平衡狀態(tài)；然而，隨著溴代程度的提高，降解平衡時間延長，降解效率下降，如從 BDE1到BDE138，降解效率從100% 降低為48.4%，與前人的研究結(jié)果相一致[28]。這可能是由于溴原子取代使PBDEs分子體積增大，與聯(lián)苯雙加氧酶BphA1蛋白接觸并發(fā)生有效親合作用的難度增大，從而導致降解效率降低，降解周期相對延長。

圖3 微生物空白對照組PBDEs殘留變化方差分析P值Fig. 3 p values given by One-way ANOVA of PBDEs concentration in control group

前人研究發(fā)現(xiàn)[34]，好氧降解菌施氏假單胞菌Pseudomonas stutzeri BFR-01能夠有效降解BDE-47，兩周內(nèi)的降解效率達 97.94%，降解過程符合一級反應(yīng)動力學規(guī)律。為此，本研究以一級反應(yīng)動力學方程ln(C/C0)= –kt+a(式中：t為降解時間，h；C0和 C分別為PBDEs初始與時間t下的濃度，μg/L；k為一級反應(yīng)動力學常數(shù)，h–1；a為常數(shù)項)對 LB400降解PBDEs動力學過程進行了擬合。從線性擬合結(jié)果來看，一級反應(yīng)動力學方程能夠較好地反映菌株對PBDEs的降解趨勢(線性擬合決定系數(shù)R2在0.910 ~ 0.991，圖4)，LB400 對PBDEs的降解過程符合一級反應(yīng)動力學特征，BDE-1、BDE-4、BDE-28、BDE-47、BDE-85和BDE-138降解速率常數(shù)k分別為0.754、0.218、0.028、0.009 7、0.007 5和0.006 2 h–1。與溴代數(shù)目的相關(guān)性分析可以看出，降解速率與溴代數(shù)目呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)關(guān)系(R2達 0.998)，即隨溴代數(shù)的增加，呈現(xiàn)一級指數(shù)衰減趨勢。

圖4 PBDEs好氧微生物降解動力學過程及線性擬合Fig. 4 Process of aerobic biodegradation kinetics of PBDEs and their linear fit analyses

2.2 PBDEs好氧微生物降解的熱力學受控性

受聯(lián)苯調(diào)控途徑 bph基因及其編碼酶的酶促作用，PBDEs好氧微生物降解過程中也可能起始發(fā)生ortho/meta-位、meta/para-位羥基化和脫氫反應(yīng)，為此本研究計算了 PBDEs及其不同位置羥基化和脫氫反應(yīng)中間體的熱力學性質(zhì)和標準摩爾生成吉布斯自由能，并由此得到相應(yīng)的活化吉布斯自由能變 ΔrG。根據(jù) PBDEs好氧微生物降解反應(yīng)通道的理論假定，起始反應(yīng)步驟的吉布斯自由能變計算值見表2。

表2 PBDEs好氧降解過程中羥基化與脫氫反應(yīng)ΔrG計算值(kJ/mol)Table 2 Calculation of ΔrG of hydroxylation and dehydrogenation of PBDEs in aerobic biodegradation

PBDEs好氧微生物降解是由一系列復雜的基元反應(yīng)組成的，其表觀降解速率常數(shù)k是各基元反應(yīng)降解速率常數(shù)的線性或非線性組合。然而，由于調(diào)控各基元反應(yīng)發(fā)生的蛋白酶結(jié)構(gòu)不同、功能各異，其對活化能降低和整個降解過程速率的調(diào)節(jié)與貢獻也各不相同。類似于一般化學反應(yīng)，PBDEs好氧微生物降解具有熱力學受控性。根據(jù)反應(yīng)過渡態(tài)理論[35]，基元反應(yīng)吉布斯自由能變與其反應(yīng)速率常數(shù) lnkn之間呈線性關(guān)系，即 ，其中，n =1，2，…，是常數(shù)。

因此，以基元反應(yīng)過程的活化吉布斯自由能變來表征其反應(yīng)速率并探討與表觀速率常數(shù)之間的關(guān)系，量化其對表觀速率常數(shù)的貢獻，可從熱力學角度揭示降解途徑中各反應(yīng)步驟對總反應(yīng)速率的影響，有助于明晰降解途徑的分子作用機制。研究表明，bph上游基因編碼酶 BphA調(diào)控羥基化的過程是 PBDEs好氧微生物降解的起始反應(yīng)[36]。當 PBDEs苯環(huán)的ortho/meta-位置被羥基自由基進攻時，生成溴代2,3-二羥基聯(lián)苯醚，其活化吉布斯自由能變ΔrG1與表觀速率常數(shù)lnk的關(guān)系如圖5a所示。從圖5a中可以看出，二者之間有著較強的線性關(guān)系，R2達到了0.981，暗示 ortho/meta-位羥基化反應(yīng)速率與表觀速率密切相關(guān)，對 PBDEs好氧微生物降解反應(yīng)的限制與調(diào)控，具有重要意義。這可能是由于BphA，尤其是α亞基BphA1的底物選擇范圍通常窄于降解途徑中的其他酶，從而限制了羥基化反應(yīng)的進行。PBDEs雙加氧的過程還需催化脫氫反應(yīng)步驟。由表2可知，催化脫氫反應(yīng)步驟的活化吉布斯自由能變相對較小，意味反應(yīng)進行所需翻躍的勢能壘較低，反應(yīng)速率較快。催化脫氫活化吉布斯自由能變ΔrG2與表觀反應(yīng)速率常數(shù)lnk之間的關(guān)系，如圖5B所示。由圖5B分析可知，催化脫氫活化吉布斯自由能變與 lnk間無顯著的負相關(guān)關(guān)系，說明催化脫氫反應(yīng)步驟進行較快，對表觀速率常數(shù)的影響較弱而不屬限速步驟；相較而言，ortho/meta-位羥基化反應(yīng)可能屬于限速步驟。

圖5 PBDEs好氧微生物降解表觀反應(yīng)速率常數(shù)與吉布斯自由能變的相關(guān)關(guān)系Fig. 5 Correlations between aerobic biodegradation kinetics constants of PBDEs and Gibbs free energy change

若 PBDEs苯環(huán)的 meta/para-位置發(fā)生羥基自由基的進攻反應(yīng)，其反應(yīng)活化吉布斯自由能變 ΔrG1￠與表觀速率常數(shù)lnk之間沒有很好的線性相關(guān)關(guān)系，R2僅為0.008，如圖5C，說明PBDEs好氧微生物降解速率與meta/para-位羥基化反應(yīng)速率的相關(guān)性較差。值得注意的是，當圖5C中將BDE-138化合物剔除時，其他5種PBDEs羥基化反應(yīng)吉布斯自由能變與其lnk間的線性關(guān)系大為改善。從結(jié)構(gòu)上可以看出，相比于其他BDE化合物，BDE-138溴代程度更高、立體空間位阻更大，從而使其與BphA1蛋白的活性位點接觸難度變大；且 BDE-138的 meta-位有兩個位置被Br原子取代，而其他化合物中只有 BDE-85有一個meta-位被取代，·OH很難與苯環(huán)碳原子發(fā)生親核加成，導致meta-位羥基化反應(yīng)很難發(fā)生。

因此，從羥基化反應(yīng)活化吉布斯自由能變與lnk的線性負相關(guān)關(guān)系來看，ortho/meta-位羥基化反應(yīng)發(fā)生的可能性明顯優(yōu)于meta/para-位取代模式，這在一定程度上與PBDEs好氧微生物降解中2,3-二羥基-4-苯氧基-4,6-己二烯產(chǎn)物的檢出很好地吻合[26]?？梢酝茢啵琍BDEs好氧微生物降解過程中，活性氧自由基如·OH可攻擊苯環(huán)碳原子而發(fā)生親核加成并優(yōu)先在ortho/meta-位發(fā)生羥基化反應(yīng)，隨后發(fā)生催化脫氫反應(yīng)。其中，羥基化反應(yīng)為整個降解途徑各基元反應(yīng)的限速步驟。

3 結(jié)論

1) 利用LB400好氧降解菌，聯(lián)苯作為共代謝底物時，PBDEs的降解去除效率最高。LB400作用下，中低溴代PBDEs均能夠發(fā)生不同程度的降解，降解過程符合一級化學反應(yīng)動力學，且降解效率隨著溴取代基數(shù)目的增加而降低。

2) PBDEs好氧微生物降解的熱力學受控性分析表明，羥基化反應(yīng)是PBDEs微生物降解反應(yīng)的速控步驟，這可能是由于聯(lián)苯雙加氧酶的 α亞基-BphA1的底物選擇范圍通常窄于降解途徑中的其他酶，在一定程度上阻礙了反應(yīng)的快速進行。

3) 相比于間/對位取代，活性氧自由基如·OH更傾向于攻擊苯環(huán)的鄰/間位置而發(fā)生親核加成反應(yīng)，與 PBDEs好氧微生物降解中關(guān)鍵產(chǎn)物的檢出相吻合。這為明晰PBDEs好氧微生物降解的分子作用機制，進而促進高效好氧降解菌的選育與污染修復應(yīng)用提供了科學依據(jù)。

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Research on Aerobic Biodegradation Kinetics Process and Thermodynamic Mechanism of PBDEs

CHENG Yinwen1,2, GU Chenggang1*, LIU Zongtang1,2, ZHU Mengrong1,2, LIU Chang1,2, YE Mao1, BIAN Yongrong1, YANG Xinglun1, JIANG Xin1
(1 Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) are typified as kinds of brominated flame retardants which are widely used around the world. They have some characteristics like semi-volatilization, bioaccumulation, neurotoxicology and endocrine disrupting effects, which severely threaten the ecological system and human health. In this study, a typical aerobic biodegradation strain LB400 was chosen for the performance of degradation kinetics process of lower and middling PBDEs congeners, which are widely detected in the environment. The influence of extra carbon sources as the co-metabolism substrates on degradation performance was discussed. With the simulative computation of variation of thermodynamical state function of key reaction path during degradation, the relationship between the calculated thermodynamics and biodegradation kinetics constant was revealed as well. It is indicated that the highest degradation rate would be obtained if biphenyl were added as the carbon source. Within 0–120 h, all tested PBDEs could be effectively degraded by LB400, and the process could be well described by the first-order kinetics. Relatively, the initial hydroxylation of PBDEs might be the rate-limiting step in the degradation process, and such reactive oxygen radicals as ·OH prefers the nucleophilic addition at ortho/meta position to that occurred at meta/para sites of benzene ring. This study could help deeply understand the molecular mechanics of PBDEs aerobic biodegradation, provide some scientific proofs on the selection of highly efficient degradation strains in the soil as well as the application in the soil contaminated remediation.

PBDEs; Co-metabolism; Degradation kinetics; Hydroxylation; Thermodynamic mechanism

X13；X592

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.01.016

國家自然科學基金項目(21377138)、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2014CB441105)、國家自然科學基金項目(41271327和41271464)和中科院“一三五”計劃和領(lǐng)域前沿項目(ISSASIP1618)資助。

* 通訊作者(cggu@issas.ac.cn)

程吟文(1992—)，女，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向為PBDEs好氧微生物降解及其分子作用機制。E-mail: ywcheng@issas.ac.cn