劉小娜,李 彪,唐 晨,吳夏芫,周 俊,賈紅華,雍曉雨

(南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院,江蘇 南京 211800)

多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是一類具有高毒性和半揮發(fā)性的，且容易導(dǎo)致長期殘留和生物蓄積的有機污染物，能夠通過各種介質(zhì)(生物體、大氣、水體和土壤等)進行長距離遷移，在環(huán)境中分布極廣，又難以降解，嚴重威脅自然環(huán)境與人類健康[1]。因此，近幾十年來PAHs的污染治理始終都是全球性環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點之一。

萘(C10H8)是最典型的多環(huán)芳烴污染物，與其他多環(huán)芳烴物質(zhì)一樣具有極其嚴重的“三致”效應(yīng)，即致癌性、致畸性及致突變性[2]。因此，萘被美國環(huán)境保護署列為須優(yōu)先控制的16種多環(huán)芳烴類污染物之一，同時也成為多環(huán)芳烴降解的首要模型物及研究目標。

萘可以通過多種方法去除，如化學(xué)氧化、化學(xué)吸附、植物富集和生物降解等[3]。在上述幾種方法中，生物降解由于具有操作簡單、經(jīng)濟實用和不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，已逐漸成為近年來該領(lǐng)域的研究熱點，也逐漸成為治理萘乃至多環(huán)芳烴污染的主要手段之一[4-5]。表1列舉和比較了上述幾種不同方法的原理與優(yōu)缺點，其中萘的微生物降解通常又可以分為2種：一種是微生物，以有機萘為唯一碳源對其進行代謝；另一種是微生物將有機萘與其他有機質(zhì)進行共代謝。

表1 萘的不同去除方法

1 萘降解菌株的分離

根據(jù)實際需求從不同生態(tài)環(huán)境中分離出萘降解菌株，對其降解效率及降解途徑與機制的研究具有極其重要的科研價值和實際環(huán)保應(yīng)用意義。表2為已經(jīng)被分離、鑒定及廣泛研究的常見萘降解菌株。目前分離到的萘降解菌株主要是細菌，如假單胞菌屬(Pseudomonas)、紅球菌屬(Rhodococcus)、氣單胞菌屬(Aeromonas)、芽孢桿菌屬(Bacillus)[10]等。

表2 不同環(huán)境中分離的萘降解菌株及其降解特征

1.1 自然環(huán)境中分離的萘降解菌株

在各種土壤、水體(包括湖泊、地下水)、植物根部甚至是極端條件等自然環(huán)境中廣泛存在著萘降解菌株。2017年，孟建宇等[15]從來自內(nèi)蒙古烏梁素海的樣品中分離得到了氫噬胞菌X12，培養(yǎng)90 h后，該菌的萘降解率最高達到(93.93%)。王以斌等[11]以萘為唯一碳源從南極海洋水樣中篩選出可低溫降解萘(0～10 ℃)的動球菌屬菌株P(guān)lanococcussp. NJ41，該菌對萘的降解效率最高達到50%左右。此研究對于低溫環(huán)境下的多環(huán)芳烴污染物降解及生物修復(fù)具有重要意義。Hadibarata等[20]從印尼熱帶雨林的土壤中也分離到一株同時具有降解萘和分泌木質(zhì)素分解酶能力的白腐真菌(Pleurotuseryngii)。2014年，Kashir等[19]從美洲黑楊的根部分離篩選到一株具有萘降解能力的芽孢桿菌Bacillussp. SBER3，培養(yǎng)6 d后該菌的萘降解效率達75.1%。該菌在植物根部生長的過程中能夠產(chǎn)鐵載體和ACC脫氨酶，因此既可以促進植物生長又能降解萘。此外，土壤的肥沃程度也能夠影響菌株降解萘的能力，Nakamura等[21]在含有豐富的有機物、生物碳及微生物的亞馬遜中部原始土地上用萘豐富土壤進行微生物降解實驗，發(fā)現(xiàn)含有生物碳的黑土地會提高萘的降解率。這可能是由于生物碳自身的多孔性，能夠吸收大量微生物所需要的營養(yǎng)物質(zhì)和水分及分布在周圍的多環(huán)芳烴萘，為降解菌的生長提供了一個良好的生態(tài)環(huán)境[22]。

1.2 萘污染原位樣品中分離的萘降解菌株

一些石油化工加工企業(yè)排放的廢水及土壤中也分布著多環(huán)芳烴降解菌。宋昊等[12]從生活餐廚油煙污染的土壤中分離得到一株帕氏氫噬胞菌LHJ38，該菌在初始質(zhì)量濃度為2 000 mg/L的萘選擇培養(yǎng)基中培養(yǎng)96 h，萘降解率能達到98%；2011年，Plotnikova等[13]從俄羅斯彼爾姆地區(qū)的鹽礦中分離到一株海旋菌ThalassospirapermensisSMB34T，能在濃度質(zhì)量分數(shù)為11%的鹽中與紅球菌屬(Rhodococcus)一起降解萘，降解率高達100%；Rahbari等[18]從Zayanderood河、Karon河以及伊斯法罕城市污水與活性淤泥中分離到一些能降解萘的假單胞菌株，其中銅綠假單胞菌P.aeruginosaSA86在降解萘的同時能有效清除與萘共存高毒污染物(甲基叔丁基醚)，體現(xiàn)了該菌株的多功能性。張一博等[16]在油田石油污染土壤中分離到的一株高效萘降解菌伯克霍爾德菌Burkholderiasp.TN，該菌株能利用細胞壁上的活性基團富集Pb2+，適用于被萘和Pb2+雙重脅迫的土壤修復(fù)。姜巖等[17]從廢油中分離的一株約式不動桿菌在2 000 mg/L的萘選擇培養(yǎng)基中能夠100%降解萘，該菌株還具有潤濕反轉(zhuǎn)無機雜質(zhì)的能力。2016年Huang等[14]從某石化企業(yè)排放廢水中分離出一株假單胞菌LZ-E在降解萘的同時還可以還原重金屬鉻，是一株很好的復(fù)合污染修復(fù)菌株。一般來說，原位污染環(huán)境對菌株有長期的馴化，萘降解菌株能夠成為該生態(tài)位中的優(yōu)勢菌株，因此降解萘的活性和效率也相對要高一些[23]。

2 不同因素對萘降解菌降解萘的影響

微生物對萘的降解受很多因素影響，這些因素通常都是對菌株的生長產(chǎn)生影響，例如外加營養(yǎng)物質(zhì)、pH、溫度和接種量等[24]。因此，針對萘降解菌株，對其培養(yǎng)的生長環(huán)境及條件進行研究與優(yōu)化，可以優(yōu)化目標菌株對萘的降解速率，從而使菌株的萘降解效率達到最大。

2.1 外加營養(yǎng)物質(zhì)對生物降解萘的影響

目前，很多研究結(jié)果表明[25-27]，添加適當?shù)耐庠礌I養(yǎng)物質(zhì)能夠顯著促進微生物對萘的降解率。賈燕等[26]發(fā)現(xiàn)向100 mg/L含萘水樣中加入0.1 g NH4NO3、0.15 g KH2PO4、0.3 g K2HPO3、0.2 mL微量元素液，假單胞菌N7對萘的降解率提高23.65%。陳弘昊等[27]從遼寧盤錦紅海灘地區(qū)翅堿蓬根系土壤及沿海灘涂土壤中分離出3株耐鹽降解菌，分別為微桿菌屬(Microbacteriumsp.S1)、惡臭假單胞菌(PseudomonasputidaY3)和劉志恒菌(Zhihengliuellsp. G12)，當培養(yǎng)基中添加1.0 g/L葡萄糖時，3株菌對萘的降解率均達到最高值，且相對于對照分別提高了44.06% (S1)、70.56% (Y3) 和50.98% (G12)。孟建宇等[15]發(fā)現(xiàn)外加適量混合維生素對萘降解菌株生長及降解效率都有不同程度的促進作用。添加的營養(yǎng)鹽、微量元素和生長因子等可以提供微生物生長的底物、代謝的能源物質(zhì)、輔酶和調(diào)節(jié)細胞生長的因子等，顯著提高菌株的有效生物量，從而從根本上提高菌株對萘的降解率[28]。

2.2 表面活性劑對生物降解萘的影響

萘的生物降解速率首先取決于其從固相向液相的遷移率。表面活性劑是具有固定親水和親油基團的兩性分子，可以在溶液表面規(guī)則排列，防止油水之間的相互排斥。因此，表面活性劑因為自身結(jié)構(gòu)的特殊性，可以降低有機萘分子的毛細管表面張力，提高疏水性物質(zhì)在水相中的溶解度,增加其生物可利用性，進而提高萘的降解速率[29]。臧振遠等[30]發(fā)現(xiàn)在添加質(zhì)量濃度范圍0.1～0.3 g/L的Tween-80能提高銅綠假單胞菌AEO-9對萘的降解速率。某些微生物在降解萘過程中能產(chǎn)生一定內(nèi)源性的生物表面活性劑，其以糖脂形式(鼠李糖脂)存在，比外源表面活性劑的促進效果更優(yōu)。這可能是由于自身產(chǎn)生的表面活性劑與微生物菌體的相適性較強，加快多環(huán)芳烴從固相到液相的遷移率，因此可以更快地促進萘的降解和微生物的生長[31]。

2.3 外加電子受體對生物降解萘的影響

呼吸是細胞將復(fù)雜的有機物逐漸分解成更小的化合物并最終生成CO2，釋放出電子，同時驅(qū)動二磷酸腺苷(ADP)轉(zhuǎn)化為三磷酸腺苷(ATP)的過程，釋放的電子被電子受體捕獲才能使這個過程持續(xù)進行[32]。在微生物好氧降解萘的過程中,O2作為氧化反應(yīng)的終端電子受體(通過羥基化使萘開環(huán))。因此，外通氧加大了電子受體的供應(yīng)，使底物能夠充分與優(yōu)先電子受體氧接觸，從而加快萘降解速率；另外適當?shù)难鯕夂恳部梢源龠M微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的攝取，加快微生物的生長[26]。賈燕等[26]研究發(fā)現(xiàn)把1 mL假胞單菌N7菌液接種到100 mg/L的萘選擇培養(yǎng)基中，培養(yǎng)72 h，通氧量范圍3.6～4.3 mg/L時，萘的降解率隨著通氧量的增加不斷升高，但當通氧量高于4.3 mg/L時，萘的降解率逐漸趨于平緩并保持平穩(wěn)并態(tài)。因此，外源電子受體的供給量過高或過低都會影響降解率。另外，Kashir等[33]采用化學(xué)氧化法，在油田污染的地下水中加入1 750 kg的Na2S2O8等氧化劑后，SO42-濃度升高，萘降解可達到86%。證明外加氧化劑過硫化鈉作為氧化反應(yīng)的終端電子受體，可以加快萘的降解速率。

2.4 基本培養(yǎng)條件對微生物降解萘的影響

溫度、pH、接種量和萘初始濃度等基本因素也顯著影響微生物降解萘的效率。溫度對于維持微生物體正常生命活動起關(guān)鍵作用。一方面，它能夠影響微生物的生長速度及降解酶活性的高低來調(diào)節(jié)對外源物質(zhì)的降解速度；另一方面，溫度會通過影響底物的理化性質(zhì)來影響底物運輸速度[34]。雒曉芳等[35]發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌對萘的降解效果隨著溫度的升高得到提高，在培養(yǎng)溫度為35 ℃時，降解效率最大，當培養(yǎng)溫度繼續(xù)升高時，降解率反而下降。因此，應(yīng)該選擇在最適溫度下優(yōu)化目標菌株對萘的降解效果。施氏假單胞菌YC-YH1在pH為7.0和8.0時降解率分別為100%和94.3%，在pH為5.0和9.0時的降解效率僅為19.3%和25.4%[36]。分析可能因為萘在降解過程中會產(chǎn)生少量有機酸并電離產(chǎn)生H+，導(dǎo)致溶液的pH值變小，過低的pH會引起微生物蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子電荷及原生質(zhì)膜的電荷變化，影響輔酶和底物的解離程度，從而影響酶分子對底物分子的結(jié)合和催化；而pH過高又會對微生物吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力和降解酶的分泌不利，最終影響微生物的生長速度及其代謝速率。同樣，接種量對微生物降解萘也會產(chǎn)生很大影響。當接種量較少時，菌體生長遲緩期較長，降解速率也會相應(yīng)較低；當菌體接種量較大時，會導(dǎo)致個別菌體吸收不到足夠的碳源和能源，發(fā)生種內(nèi)競爭抑制，從而使降解速率偏低。

3 萘的微生物降解途徑

1964年Davies等[37]首次報道了微生物降解萘可能的途徑，指出萘可以被微生物代謝生成多種降解中間產(chǎn)物，并最終被徹底降解成CO2和H2O。到目前為止，國內(nèi)外報道微生物對萘的降解主要有3種途徑，分別是水楊酸途徑[38]、龍膽酸途徑[39]和鄰苯二甲酸途徑[40](圖1)。

Ⅰ—萘雙加氧酶；Ⅱ—順式萘二氫二醇脫氫酶；Ⅲ—1,2-二羥基萘雙加氧酶；Ⅳ—2-羥基-2H-苯并吡喃-2-羧基異構(gòu)酶；Ⅴ—順-o-羥基苯脫萘丙酮酸水合-醛縮酶；Ⅵ—水楊醛脫氫酶；Ⅶ—水楊酸羥化酶；Ⅷ—鄰苯二酚-2,3-雙加氧酶；Ⅸ—鄰苯二酚-1,2-雙加氧酶；Ⅹ—水楊酸5-羥化酶；Ⅺ—1,2-雙加氧酶；Ⅻ—異構(gòu)酶/水解酶；ⅩⅢ—裂解酶；ⅩⅣ—雙加氧酶/醛縮水合酶/脫氫酶)圖1 萘的3種不同降解途徑分析Fig.1 Three different degradation pathways of naphthalene

3.1 水楊酸途徑

水楊酸途徑是萘降解菌采用的最為常見的途徑，多在假單胞菌屬中發(fā)現(xiàn)。史延華等[24]以萘為唯一碳源分離出一株施氏假單胞菌YC-YH1，并且首次使用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)和化學(xué)需氧量(COD)的檢測方法明確了施氏假單胞菌中萘降解產(chǎn)生的主要中間代謝產(chǎn)物，證明了其降解途徑即為水楊酸途徑(圖1)。在由萘轉(zhuǎn)化為水楊酸的上游代謝途徑中，萘首先在萘雙加氧酶的催化作用下開環(huán)形成順-萘雙氫二醇，然后被順-萘雙氫二醇脫氫酶催化形成l,2-二羥基萘，接著被l,2-二羥基萘雙加氧酶催化轉(zhuǎn)化為2-羥-2H-苯并吡喃-2-羧酸，并在2-羥-2H-苯并吡喃-2-羧基異構(gòu)酶作用下再生成順-o-羥基-苯亞甲基-丙酮酸，然后在順-o-羥基苯脫萘丙酮酸水合-醛縮酶催化下形成水楊醛，最后水楊醛在水楊醛脫氫酶催化作用下生成水楊酸[41]。由于水楊醛脫氫酶的活性較低，因此該酶成為水楊酸途徑中的關(guān)鍵酶和限速酶。萘降解下游途徑中，水楊酸在水楊酸羥化酶催化下轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚，鄰苯二酚可以通過兩種不同的代謝方式：一是在間位裂解酶鄰苯二酚-2,3-雙加氧酶的作用下開環(huán)形成己二烯半醛酸，最后形成乙醛和丙酮酸；二是在鄰位裂解酶鄰苯二酚-1,2-雙加氧酶的催化作用下開環(huán)生成己二烯二酸，最后形成琥珀酸和乙酰輔酶A。上述2種不同路徑所產(chǎn)生的產(chǎn)物最終進入三羧酸循環(huán)(TCA)后生成CO2和H2O[42]。

3.2 龍膽酸途徑

龍膽酸途徑也是萘降解的一條重要途徑，其研究已有50多年的歷史，截至目前已從最初細菌生化水平、酶學(xué)水平發(fā)展到近十幾年的分子生物學(xué)水平揭示了微生物龍膽酸代謝途徑和調(diào)控機制。青枯菌RalstoniaU2是龍膽酸降解途徑的主要代表菌[43]。U2菌株能以萘作為唯一碳源生長,降解過程為萘在雙加氧酶作用下降解成水楊酸(此過程與3.1章節(jié)水楊酸途徑類似)，隨后水楊酸在水楊酸5-羥化酶[44]的催化作用下生成龍膽酸，并進入龍膽酸途徑。龍膽酸在1,2-雙加氧酶的催化作用下開環(huán)，生成中間產(chǎn)物順丁烯二酸-單酰丙酮酸，然后在異構(gòu)酶和水解酶的作用下形成丙酮酸和反丁烯二酸，接著進入TCA循環(huán)生成CO2和H2O[45](圖1)。

3.3 鄰苯二甲酸途徑

在鄰苯二甲酸途徑中，萘首先在萘雙加氧酶的催化下轉(zhuǎn)化成順式萘-二氫二醇，然后在順式萘二氫二醇脫氫酶作用下生成1-2-二羥基萘并開環(huán)形成1-羥基-2-萘甲酸，然后以鄰苯二甲酸途徑代謝，隨后在TCA循環(huán)中形成CO2和H2O[46](圖1)。Abo-State等[47]以萘為唯一碳源篩選出一株博德特氏菌MAM-P22，用GC-MS分析萘降解中間產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)了鄰苯二甲酸的存在。在Bacillusfusiformis[48]、Bacillusthermoleovorans中[49]，也證實了鄰苯二甲酸途徑的存在。另外還有實驗表明：羥基鄰苯二甲酸是一種僅在鄰苯二甲酸途徑中產(chǎn)生的中間代謝產(chǎn)物(如銅綠假單胞菌)，總體而言，鄰苯二甲酸微生物萘降解途徑仍然在繼續(xù)解析中。

4 萘的關(guān)鍵降解酶及其編碼基因

截至目前，對萘降解菌降解途徑中的關(guān)鍵酶及其編碼基因的研究已經(jīng)非常廣泛。其中萘雙加氧酶是催化萘降解途徑第1步反應(yīng)所需要的關(guān)鍵酶，且是3個途徑中的必要酶。該酶由4個亞基構(gòu)成，分別為萘雙加氧酶鐵氧還蛋白、萘雙加氧酶還原酶、萘雙加氧酶Fe-S蛋白大亞基以及萘雙加氧酶Fe-S蛋白小亞基[50]。萘雙加氧酶由nahAaAbAcAd基因編碼，有研究表明所有的萘降解菌株都含nahAc基因[51]。萘趨化蛋白基因nahY同樣發(fā)揮著重要的作用，它可以使細菌向萘及其代謝中間產(chǎn)物泳動，促進其對萘的降解，從而加快降解速率[52]。在萘降解的水楊酸途徑中，催化鄰苯二酚間位裂解的酶基因是鄰苯二酚2,3-雙加氧酶基因nahH[53]，催化鄰苯二酚鄰位裂解的酶基因是鄰苯二酚1,2-雙加氧酶基因catA[54]。水楊醛脫氫酶由nahF編碼形成，其催化水楊醛脫氫生成重要中間產(chǎn)物水楊酸，是萘降解上游途徑操縱子的關(guān)鍵基因。nahG是萘降解途徑下游操縱子的第1個基因,它編碼的水楊酸羥化酶催化水楊酸羥化生成鄰苯二酚。2006年，李永君等[51]從污水處理廠的活性污泥和石油工業(yè)廢水中各分離出24株萘降解菌，分別提取這些菌株的總DNA，然后與各種萘降解基因雜交。發(fā)現(xiàn)來自工業(yè)廢水的萘降解菌株均含有萘雙加氧酶的鐵硫蛋白大亞基基因nahAc、水楊醛脫氫酶基因nahF及其重復(fù)基因nahV、水楊酸羥化酶基因nahG及其重復(fù)基因nahU、兒茶酚2,3-雙加氧酶基因nahH、兒茶酚1,2-雙加氧酶基因catA以及萘趨化蛋白基因nahY。而來自活性污泥的萘降解菌株只含有nahAc、nahF、nahG和catA，不含有nahY、nahV、nahU和nahH。來自石油廢水的萘降解菌株降解活力和穩(wěn)定性明顯比污水中的降解菌株強。另外具有重復(fù)降解基因nahV和nahU的細菌對環(huán)境具有更好的適應(yīng)能力。Bosch等[55]發(fā)現(xiàn)在若干P.stutzeri菌株中都存在水楊酸羥化酶基因nahG及重復(fù)基因nahW,因此推測所有萘降解菌中可能都存在該重復(fù)基因。

2017年馬鵬等[56]用萘選擇培養(yǎng)基對淮東石油污染的土壤中萘降解菌進行富集培養(yǎng)，采用萘雙加酶基因通用引物對該目標基因片段進行擴增、測序及比對分析，驗證了篩選出來的菌株是萘降解菌株。以上研究表明：可以選擇萘降解途徑中的關(guān)鍵酶基因?qū)赀M行PCR擴增或DNA雜交來初步判斷、篩選萘降解菌株，并可以通過對關(guān)鍵代表性的功能基因進行序列比對分析初步推斷該目標菌株的萘降解途徑，表3為關(guān)鍵酶基因引物序列。

表3 萘微生物降解途徑中關(guān)鍵基因的引物序列

5 萘微生物降解的實際應(yīng)用

萘作為優(yōu)先控制的環(huán)境污染物，其微生物降解技術(shù)在環(huán)境治理及資源利用等方面的實際應(yīng)用尤為重要。李春霞[59]從吉林省松原油田污染的土壤中分離篩選出一株降解萘的綠膿假單胞菌(P.aeruginosa)，將該菌株應(yīng)用在實際污染土壤樣品中，研究發(fā)現(xiàn)該菌株對萘的降解率為60.4%，這一研究對降低或消除環(huán)境中萘污染的生物修復(fù)起了一定的推動作用。2015年，廉景燕等[60]從大慶油田石油污染土樣中分離得到了一株高效降解萘的假單胞菌屬(Pseudomonassp.)DQ-1，并通過室內(nèi)模擬修復(fù)實驗對該菌株的土壤修復(fù)能力進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)：加入DQ-1菌液明顯提高了土壤中萘的降解速率，且菌株對重金屬有一定的耐受性，在萘和重金屬復(fù)合污染的土壤修復(fù)中有一定的實用價值?？傮w而言，萘微生物降解的研究目前主要局限于實驗室中，亟須要將該研究轉(zhuǎn)化為有實際應(yīng)用價值的技術(shù)。

6 萘微生物降解研究存在的問題及展望

至今為止，科學(xué)家們對萘微生物降解的研究內(nèi)容已十分廣泛。已從萘降解菌株的篩選、分離、培養(yǎng)條件及降解性能的優(yōu)化和降解途徑的挖掘，逐步轉(zhuǎn)移到萘降解關(guān)鍵基因及酶功能解析、降解調(diào)控因子及其分子遺傳機制的理論研究中。

在筆者看來，該領(lǐng)域的研究還需要借助現(xiàn)代高通量測序及生物信息學(xué)分析，在基因組、轉(zhuǎn)錄組及代謝組學(xué)水平將菌株生長、代謝和降解等功能途徑有機整合，進一步從合成生物學(xué)角度建立降解功能元器件模塊、構(gòu)建萘降解底盤高效微生物。同時，目前對于厭氧條件下萘降解的研究相對較少。厭氧萘降解菌株廣泛分布在于植物根際、地下沉積物、海洋和極地土壤中，它們憑借多樣的類型、高效的代謝能力與多功能的生理特性在環(huán)境保護及資源利用等方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

因此，應(yīng)該加大對萘微生物厭氧降解的研究，以達到對一些被污染的特殊生境的修復(fù)。最后，應(yīng)當加快萘污染場地微生物修復(fù)的工程化應(yīng)用研究，在處理實際問題的過程中解決微生物修復(fù)技術(shù)所面臨的菌株存活難、修復(fù)周期長和穩(wěn)定性差等問題，提高萘微生物降解的實際應(yīng)用效果與價值。