根際土壤微生物對多氯聯(lián)苯的降解及環(huán)境意義

卓勝

[摘要]：在目前的土壤植物修復(fù)研究之中，由植物介導(dǎo)的根際修復(fù)無疑是備受關(guān)注的熱點(diǎn)課題之一。在降解有機(jī)物污染的過程中，植物在向根際釋放根系分泌物時(shí)所產(chǎn)生的某些分泌物都能夠?yàn)橄鄳?yīng)微生物的存活、生長提供條件?；诖耍疚闹饕透H土壤微生物對多氯聯(lián)苯的降解及環(huán)境意義這一課題進(jìn)行了系統(tǒng)分析與探究。

[關(guān)鍵詞]：根際土壤微生物；多氯聯(lián)苯；降解；環(huán)境意義

1、 前言

根際是指植物根系與土壤之間的微界面，是圍繞于植物活根的土壤微宇宙，其范圍通常只有幾微米到幾毫米。根際環(huán)境深受根系及其所關(guān)聯(lián)的微生物活動(dòng)的影響，是土壤-植物根系-微生物三者相互作用的場所，因此其物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)等與非根際土壤有巨大的差異。同時(shí)根際是土壤水分和礦物質(zhì)進(jìn)入根系參與生物循環(huán)的門戶，也是根系自身生命活動(dòng)和代謝對土壤影響最直接、最強(qiáng)烈的區(qū)域。在不同環(huán)境條件下，植物根系可以分泌有機(jī)陰離子、質(zhì)子和酶等來改變根際微環(huán)境的生物化學(xué)性質(zhì)，改變根際微環(huán)境中養(yǎng)分和污染物的化學(xué)形態(tài)和生物有效性，并最終影響植物對養(yǎng)分和污染物的吸收與積累。

多氯聯(lián)苯（PCBs）是一組由一個(gè)或多個(gè)氯原子取代苯分子中的氫原子而形成的氯代芳香族化合物，其結(jié)果復(fù)雜，理論上有209種同系物。PCBs曾因其有優(yōu)良的穩(wěn)定性、熱傳導(dǎo)性和絕緣性被廣泛應(yīng)用與電力、化工等行業(yè)，但由于對環(huán)境的危害性和對生物的致癌性，上世紀(jì)八十年代中期已被停止生產(chǎn)。

但PCBs是持久性有機(jī)污染物，其對環(huán)境、對生物的影響至今還是很嚴(yán)重。近年來，隨著對PCBs危害的重視程度提高，越來越多學(xué)者進(jìn)入研究PCBs如何降解的行列當(dāng)中，其中利用微生物來降解是研究的熱點(diǎn)。本文將從根際土壤微生物的角度來闡述PCBs降解的研究進(jìn)展及其環(huán)境意義。

2、 根際微生物降解PCBs的機(jī)理

根際微生物對PCBs的降解涉及到植物的重要影響，植物與根際微生物聯(lián)合作用促進(jìn)根際微生物加速對PCBs的降解。因此植物與根際微生物的聯(lián)合作用是修復(fù)有機(jī)污染物中非常重要的一個(gè)途徑，也是當(dāng)今研究比較多的一個(gè)方向。一方面，植物在生長發(fā)育的過程中，根系分泌的有機(jī)物和酶類進(jìn)入土壤，使根際的微生物數(shù)量顯著提高，活性也隨之大大增強(qiáng)，從而加速了有機(jī)污染物的礦化。另一方面，根際環(huán)境中微生物作用可促進(jìn)植物的生長，從而加速對降解產(chǎn)物的吸收。這一共存體系的共同作用，將在很大程度上加速污染土壤的生物修復(fù)速度。此外，植物還可以向根區(qū)輸送O2，使根區(qū)的好氧作用得以順利進(jìn)行。

Singer等（2003）在被污染的土壤中，以香琴酮和水楊酸等作為酶誘導(dǎo)劑，然后栽種蕓苔，再與未栽種蕓苔的處理進(jìn)行對比。結(jié)果表明，栽種了蕓苔的處理，經(jīng)過9個(gè)星期，表層6cm PCBs的去除率達(dá)61%；而未栽種蕓苔的處理，PCBs的去除率在表層0～2cm和2～6cm分別為43%和14%。由此可見，栽種了蕓苔植物后，PCBs的去除率明顯升高。

通過研究煙草、山葵、龍葵和紫花苜蓿的根際微生物代謝PCBs時(shí)研究人員發(fā)現(xiàn)，山葵和龍葵都有較強(qiáng)代謝轉(zhuǎn)化PCBs的能力。實(shí)驗(yàn)表明兩周內(nèi)，90%以上的2-氯苯甲酸和20～40% 的二氯苯甲酸被轉(zhuǎn)化。

綜上例子，直接降解PCBs的生物體以微生物為主，據(jù)現(xiàn)有的報(bào)道表明，多氯聯(lián)苯的微生物修復(fù)可分為厭氧脫氯、好氧降解和真菌的酶降解三大途徑。

2.1 厭氧脫氯

PCBs的脫氯主要是發(fā)生在間位和對位，也有少數(shù)鄰位脫氯，其脫氯的易難程度按取代位置為：間位>對位>鄰位，且兩個(gè)氯原子分別處于兩個(gè)苯環(huán)比在同一苯環(huán)上更容易被脫去。這是因?yàn)槁仍又脫Q在不同位置的分子總能量E，焓H和自由能G數(shù)值不同，其順序?yàn)椋?（6）位>>3（5）位>4位（Wang等， 2005）。

由此可見，氯的取代基越多，厭氧脫氯顯得越容易。對于高氯代聯(lián)苯的脫氯是以厭氧條件下的還原脫氯為主，因?yàn)镃l原子強(qiáng)烈的吸電子性使環(huán)上的電子云密度下降，當(dāng)Cl的取代個(gè)數(shù)越多，環(huán)上電子云密度越低，氧化越困難，表現(xiàn)出的生化降解性能低；相反，在厭氧或缺氧的條件下，環(huán)境的氧化還原電位低，電子云密度較低的苯環(huán)在酶的作用下越容易受到還原劑的親核攻擊，Cl容易被取代（高軍等，2005）。

因此，厭氧脫氯是降解PCBs的關(guān)鍵一步，然而PCBs在脫氯轉(zhuǎn)化為低氯代的化合物后，就很難再繼續(xù)脫氯，接下來的脫氯任務(wù)通常由好氧降解來完成。脫氯功能可能是由共生的微生物群落實(shí)現(xiàn)，原因在于脫氯有賴于微生物群落提供的電子供體、營養(yǎng)成分和維持最優(yōu)的氫濃度。幾種脫氯微生物同時(shí)或者順序代謝不同的PCBs同系物及其代謝產(chǎn)物獲得了更好的降解效果，即某種微生物PCBs的代謝終產(chǎn)物可能作為另一種微生物的生長基質(zhì)。艾尼瓦爾等（2000）總結(jié)了前人研究的PCBs的厭氧降解過程（表1）。

2.2 好氧降解

與厭氧微生物主要通過還原脫氯對PCBs降解不同，好氧細(xì)菌能通過加氧氧化開環(huán)反應(yīng)來繼續(xù)降解PCBs（趙曦等，2007）。

對于經(jīng)厭氧脫氯的低氯聯(lián)苯連續(xù)的酶反應(yīng)機(jī)制以及包括其生物降解過程，目前基本已形成了共識。該途徑包括如下過程：

（1） 聯(lián)苯被聯(lián)苯雙加氧酶（bphA）催化為聯(lián)苯二氫二醇，1，2 位加氧和3，4 位加氧，以前者居多。

（2） 聯(lián)苯二氫二醇被聯(lián)苯二氫二醇脫氫酶催化為2，3-二羥基聯(lián)苯。

（3） 2，3-二羥基聯(lián)苯被2，3-二羥基聯(lián)苯雙加氧酶催化為2-羥基-6-氧-6-苯基己-二烯酸。

（4） 2-羥基-6-氧-6-苯基己-二烯酸被2-羥基-6-氧-6-苯基己-二烯酸水解酶通過間位開環(huán)方式催化為氯苯甲酸。

但也有研究認(rèn)為在降解的第一步是2，3 位加氧，有國外研究人員研究了在SIRAN固定床上，將細(xì)菌細(xì)胞固定化。對于2，4，4-三氯聯(lián)苯的降解過程是首先對氯原子較少環(huán)上的2，3 位進(jìn)行氧化親核攻擊，利用細(xì)菌生成代謝物為3-氯-2-羥基-6-氧-6-苯-2，4-二烯酸，最終生成2，4-二氯-苯甲酸。

有些研究表明，厭氧-好氧聯(lián)合作用可使PCBs完全礦化。如起始濃度為59mg/g PCB污染的風(fēng)化土壤，經(jīng)4個(gè)月厭氧處理和28天的好氧處理，PCBs濃度降為20μg/g，顯示厭氧-好氧聯(lián)合處理對多氯聯(lián)苯污染土壤修復(fù)的巨大潛力。通過控制供氧方式形成偶聯(lián)的厭氧-好氧環(huán)境，并與特定厭氧還原和好氧降解微生物相結(jié)合，幾乎能將Aroclor 1242完全礦化。因此，厭氧-好氧的聯(lián)合作用正受到更廣泛的青睞。

2.3 真菌的酶降解

目前已知白腐真菌能降解PCBs，白腐真菌降解PCBs的研究始于1985年，之后許多白腐真菌已被用于研究它們的PCBs降解能力，都能礦化PCBs（殷培杰等，2005）。有些真菌對PCBs氯取代位置的選擇傾向?yàn)猷徫?gt;間位>對位，這與細(xì)菌取代傾向不同。白腐真菌分泌的木質(zhì)素酶能夠用于轉(zhuǎn)化或礦化與木質(zhì)素結(jié)構(gòu)相似的有機(jī)污染物；而其分泌的漆酶可將PCBs代謝過程中產(chǎn)生的羥基氯聯(lián)苯脫氯和脫毒。

研究表明外生菌根真菌也能跟白腐真菌一樣產(chǎn)生許多與PCBs降解有關(guān)的酶催化開環(huán)反應(yīng)。研究還表明，栽培了植物的土壤比未栽培植物的對照其真菌數(shù)量明顯要多，這可能與PCBs降解水平的提高有關(guān)。

3 、根際微生物降解多氯聯(lián)苯的環(huán)境意義

PCBs是持久性有機(jī)污染物，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，自然條件下不易降解，在水中的半衰期超過2個(gè)月，在土壤和沉積物中大于6個(gè)月（宋春蓮，2007）。PCBs可通過食物鏈傳播與累積，經(jīng)皮膚、呼吸道和消化道而被機(jī)體所吸收（其中消化道的吸收率很高），PCBs被吸收后，廣泛分布于全身組織，以脂肪中含量最多，對人類和動(dòng)物造成非常嚴(yán)重的潛在危害。

歸納起來，PCBs的生物毒性主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

⑴ 致癌性：國際癌癥國際癌癥研究中心已將多氯聯(lián)苯列為人體致癌物質(zhì)，“致癌性影響”代表了多氯聯(lián)苯存在于人體內(nèi)達(dá)到一定濃度后的主要毒性影響。

⑵ 生殖毒性：PCBs能使人類精子數(shù)量減少、精子畸型的人數(shù)增加；人類女性的不孕現(xiàn)象明顯上升；有的動(dòng)物生育能力減弱。

⑶ 神經(jīng)毒性：PCBs能對人體造成腦損傷、抑制腦細(xì)胞合成、發(fā)育遲緩、降低智商。

⑷ 干擾內(nèi)分泌系統(tǒng)：比如使得兒童的行為怪異，使水生動(dòng)物雌性化。

鑒于PCBs對環(huán)境對生物具是以上的負(fù)面影響，因此能有效降解多氯聯(lián)苯將是一個(gè)對生物圈有重大貢獻(xiàn)的技術(shù)。植物根際微生物修復(fù)技術(shù)作為一個(gè)潛在的、能有效修復(fù)PCBs的技術(shù)，必將在此方面有重大突破。

4、 結(jié)論

多氯聯(lián)苯作為一類對生態(tài)環(huán)境和人類社會(huì)有嚴(yán)重危害的持久性有機(jī)污染物，已備受世界各國的關(guān)注。目前有很多研究人員正致力于PCBs的修復(fù)工作，其中根際微生物修復(fù)的研究已初見成效，其生物化學(xué)行為以及一些降解機(jī)理也有一定的認(rèn)識。雖然當(dāng)今此項(xiàng)修復(fù)技術(shù)已日趨成熟，但仍然存在一些問題：

⑴ 目前大多數(shù)有效的生物修復(fù)還處于實(shí)驗(yàn)階段，能實(shí)際應(yīng)用的還較少。

⑵ 多氯聯(lián)苯的微生物降解是一個(gè)涉及許多酶和微生物種類的分步過程，很難被徹底降解，只是轉(zhuǎn)化成毒性較低的中間產(chǎn)物。

因此今后的研究重點(diǎn)可能是添加一些高效的外源微生物群和植物組成更高效的降解群體，使PCBs能徹底地降解成無毒性物質(zhì)。同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用前對生物尤其是微生物過程進(jìn)行全面跟蹤，形成一個(gè)完整的生態(tài)評價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評估。

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