多環(huán)芳烴的厭氧生物降解反應(yīng)體系

齊小輝++曹雪杰++閆建芳

摘要：指出了多環(huán)芳烴（PAHs）是一類(lèi)廣泛分布于自然界中的典型持久性有機(jī)污染物，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人體健康具有極大的危害。微生物降解是環(huán)境中去除多環(huán)芳烴污染的有效途徑，厭氧降解更因其具有低毒性、分解徹底而受到人們的關(guān)注。主要闡述了多環(huán)芳烴在厭氧條件下的代謝途徑以及主要的還原反應(yīng)體系，希望為多環(huán)芳烴污染的生物修復(fù)研究與實(shí)踐提供有效參考。

關(guān)鍵詞：多環(huán)芳烴；生物降解；污染修復(fù)

中圖分類(lèi)號(hào)：X703.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）16019204

1引言

多環(huán)芳烴（PAHs）是一類(lèi)廣泛分布于自然界中的有機(jī)化合物，因具有持久性、生物累積性、長(zhǎng)距離遷移性和高生物毒性被美國(guó)環(huán)境保護(hù)署列為優(yōu)先控制污染物[1，2]，對(duì)人類(lèi)健康及生態(tài)系統(tǒng)造成潛在危害。生物降解多環(huán)芳烴具有綠色、快速、安全、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而成為多環(huán)芳烴污染修復(fù)的有效途徑。生物降解多環(huán)芳烴的方式因最終電子受體的不同分為好氧呼吸和厭氧呼吸代謝兩種方式。好氧代謝過(guò)程中微生物易培養(yǎng)、降解效率高，一直受到人們的青睞，但同時(shí)也存在著產(chǎn)生有毒中間代謝產(chǎn)物、難再降解等致命的缺點(diǎn)[3]，甚至?xí)l(fā)生更嚴(yán)重的二次污染。相比于好氧環(huán)境，厭氧條件下降解多環(huán)芳烴所產(chǎn)生的中間產(chǎn)物結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、毒性小、分解更完全，而且大多數(shù)多環(huán)芳烴污染的環(huán)境，如土壤、沉積物、海底均處于缺氧或厭氧狀態(tài)，因此厭氧降解逐漸成為多環(huán)芳烴污染治理的另一有效途徑[4]。目前，好氧條件下微生物降解多環(huán)芳烴已得到較深入的研究和討論，多集中在好氧降解菌的篩選、鑒定、降解條件的優(yōu)化及降解途徑的研究上。而厭氧條件下對(duì)實(shí)際污染的環(huán)境介質(zhì)中多環(huán)芳烴的降解和修復(fù)研究卻相對(duì)較少。因此，探明環(huán)境中厭氧微生物降解多環(huán)芳烴的反應(yīng)體系及降解機(jī)制，揭示影響多環(huán)芳烴降解效率的關(guān)鍵因子都具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2多環(huán)芳烴的厭氧代謝途徑

多環(huán)芳烴由兩個(gè)或多個(gè)苯環(huán)以線(xiàn)性、彎接或簇聚方式構(gòu)成的疏水性碳?xì)浠衔颷5，6]，主要由化石燃料燃燒、垃圾焚燒、煤氣和石油精煉以及煤和石油等天然燃料的不完全燃燒產(chǎn)生。多環(huán)芳烴厭氧代謝的初始反應(yīng)機(jī)理已有報(bào)道，主要是延胡索酸鹽結(jié)合反應(yīng)、羧化反應(yīng)、羥基化及甲基化反應(yīng)等。其中，延胡索酸鹽結(jié)合反應(yīng)是由烴的碳原子攻擊延胡索酸鹽的雙鍵，生成相應(yīng)的琥珀酸鹽，再經(jīng)β氧化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的輔酶A。羧化反應(yīng)是由外源碳原子添加到多環(huán)芳烴的苯環(huán)上，生成相應(yīng)的脂肪酸。至于羥基化和甲基化反應(yīng)，主要是羥基或甲基結(jié)合在多環(huán)芳烴的苯環(huán)上，生成相應(yīng)的酚類(lèi)物質(zhì)[7]。不同還原條件下厭氧微生物對(duì)各種類(lèi)型多環(huán)芳烴的厭氧降解機(jī)制差異較大。近年來(lái)研究比較清楚的代謝途徑也只有萘、菲等低分子量的多環(huán)芳烴，對(duì)于四環(huán)和四環(huán)以上多環(huán)芳烴的厭氧微生物降解途徑至今仍是環(huán)境微生物代謝組學(xué)研究領(lǐng)域的難點(diǎn)。對(duì)萘的厭氧降解途徑進(jìn)行了總結(jié)，如圖1所示。

3多環(huán)芳烴的厭氧降解反應(yīng)體系

3.1硝酸鹽還原體系

厭氧降解多環(huán)芳烴的研究中，以硝酸鹽為基礎(chǔ)的微生物修復(fù)可替代以氧氣為基礎(chǔ)的微生物修復(fù)，是處理沉積物中有機(jī)化合物污染較為經(jīng)濟(jì)高效的方法之一[8]。硝酸鹽既可作為微生物的氮源，也可在厭氧條件下作為微生物常用的電子受體。1988年首次發(fā)現(xiàn)反硝化還原反應(yīng)體系對(duì)萘的降解現(xiàn)象后，Mcnally等[9]研究了3株假單胞菌在反硝化條件下對(duì)蒽、菲、芘的降解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三株菌均表現(xiàn)出良好的降解效果，其中菌株SAG-R在12 h內(nèi)就可以使最大溶解度的菲完全降解。同樣，Lu等[10]研究了主要由γ-變形菌門(mén)和放線(xiàn)菌門(mén)組成的混合菌在硝酸鹽濃度變化的條件下對(duì)萘降解的影響，發(fā)現(xiàn)在硝酸鹽濃度為1.0和5.0 mmol/L時(shí)，萘的降解率分別達(dá)到了91.7%和96.3%。還有報(bào)道指出，與好氧降解相比，在產(chǎn)生自由能相同的情況下，硝酸鹽還原體系代謝產(chǎn)生的多環(huán)芳烴降解產(chǎn)物的可溶性比有氧條件下高出10000倍[11]。這些現(xiàn)象表明硝酸鹽還原體系比好氧降解多環(huán)芳烴有更高的降解效率和降解效果。然而以硝酸鹽為電子受體的微生物降解主要集中在低分子量多環(huán)芳烴上，高分子量多環(huán)芳烴的降解仍需要進(jìn)一步研究。硝酸鹽還原反應(yīng)體系的基本步驟如圖 2所示。

3.2硫酸鹽還原體系

硫酸鹽在自然環(huán)境特別是海洋沉積物中含量豐富，因此，研究硫酸鹽還原對(duì)海洋沉積物中多環(huán)芳烴的降解至關(guān)重要。硫酸鹽還原條件下，對(duì)厭氧微生物降解多環(huán)芳烴的可行性展開(kāi)了諸多研究。Kraig[12]的研究發(fā)現(xiàn)，以硝酸鹽為電子受體時(shí)，并沒(méi)有增強(qiáng)多環(huán)芳烴的降解效果，但以硫酸鹽為電子受體時(shí)，微生物對(duì)多環(huán)芳烴的降解效率大大提高。Chang[13]在報(bào)道中還指出，即使在硝酸鹽還原電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硫酸鹽還原電位的情況下，多環(huán)芳烴的降解速率在硫酸鹽還原條件下[0.14～0.586/（L·d）]仍是硝酸鹽還原條件下[0.005～0.083/（L·d）]的10倍。Zhang和Rabus[14，15]提出，硫酸鹽還原與好氧降解相比，降解多環(huán)芳烴產(chǎn)生的中間產(chǎn)物更簡(jiǎn)單、毒性更小、分解更完全，最終的代謝產(chǎn)物均為H2O和CO2。硫酸鹽還原反應(yīng)體系的基本步驟如圖3所示[16]。

3.3鐵（Ⅲ）還原體系

目前將金屬離子作為電子受體的報(bào)道較少，主要集中在Fe（Ⅲ）的研究上。鐵還原是處理地下水污染、垃圾填埋場(chǎng)和缺氧沉積物中多環(huán)芳烴污染的關(guān)鍵過(guò)程。

Umakanth[17] 的報(bào)道指出，在地下環(huán)境中，還原鐵起到了重要作用。其分離的菌株UKTL是可降解芳香烴的

產(chǎn)芽孢厭氧鐵還原菌，附屬于Desulfitobacterium屬。Li等人[18]的研究表明，添加Fe（Ⅲ）有助于芳香烴的降解，而且在降解單芳三環(huán)二萜烴和多環(huán)芳烴中起著舉足輕重的作用。Yan 等[19]研究發(fā)現(xiàn)，向太湖底泥中添加額外的氫氧化鐵240 d后，厭氧微生物對(duì)菲和芘的最大降解率約可達(dá)到99% 和94%。還有人提出檸檬酸鐵相對(duì)于磷酸鐵而言更有助于微生物降解多環(huán)芳烴，但具體原因并不清楚，需要進(jìn)一步研究。這也說(shuō)明，鐵還原條件下的微生物降解效果與添加的Fe（Ⅲ）的形式密切相關(guān)。endprint

3.4其它氧化還原體系

在某些情況下，錳（Ⅱ）、二氧化碳和碳酸鹽均可作為微生物的電子受體降解沉積物中的有機(jī)化合物。此外，產(chǎn)甲烷還原體系也是另一種多環(huán)芳烴的降解體系，多分布在高有機(jī)碳負(fù)荷的環(huán)境中，且具有良好的多環(huán)芳烴降解能力[20]。

4展望

近年來(lái)微生物降解多環(huán)芳烴的研究廣泛，但與好氧代謝研究相比厭氧降解多環(huán)芳烴降解機(jī)理的研究仍不完善，如高分子量多環(huán)芳烴的厭氧降解途徑或在不同還原條件下不同類(lèi)型多環(huán)芳烴的分解代謝等仍需深入研究。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，全新的代謝組學(xué)研究手段為闡明多環(huán)芳烴的代謝通路提供了新的思路。

（1） 采用宏基因組學(xué)測(cè)序方法尋找多環(huán)芳烴厭氧代謝過(guò)程中的關(guān)鍵酶，推測(cè)多環(huán)芳烴厭氧代謝中的關(guān)鍵步驟并進(jìn)行分子調(diào)控。

（2） 結(jié)合宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究方法確認(rèn)多環(huán)芳烴代謝過(guò)程中中間產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，推測(cè)多環(huán)芳烴的降解途徑，進(jìn)而拼接相對(duì)完整的代謝通路。

（3） 多環(huán)芳烴的污染修復(fù)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮不同電子受體不同還原體系的降解效率，篩選最佳反應(yīng)體系進(jìn)行實(shí)際修復(fù)。

2017年8月綠色科技第16期

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Anaerobic Biodegradation Reaction System ofPolycyclic Aromatic Hydrocarbons

Qi Xiaohui， Cao Xuejie， Yan Jianfang

（College of Life Sciences， Dalian Nationalities University， Dalian， Liaoning 116600， China）

Abstract： Polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs） is one kind of representative priority organic pollutants in the environment. The increased threaten on ecosystem and public health of PAHs raised peoples' concern about its pollution remediation. Biodegradation is an effective process of removing PAHs which characterized by low cost， high effectiveness and environment kindness. In this article， thepathway of anaerobic biodegradation of PAHs and main

reduction reaction systems were summarized with an aim to facilitate the management of PAHs pollution.

Key words： PAHs； biodegradation； pollution remediationendprint