靳家齊

（河南大學(xué)邁阿密學(xué)院 河南·開封 475004）

0 引言

多環(huán)芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs)是指具有2個(gè)及2個(gè)以上苯環(huán)以線性或簇聚等方式結(jié)合形成的有化合物。美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局所公布的優(yōu)先控制污染物中有16種多環(huán)芳烴，其中有致癌可能的PHAs有7種。PHAs是工業(yè)生產(chǎn)中常見的污染物。在北京某工業(yè)場(chǎng)地的130個(gè)土壤樣本的分析中，煤炭燃燒源和冶煉源對(duì)PAHs平均含量的加和貢獻(xiàn)率為99.07%，PAHs含量大于污染臨界值0.2 mg/kg。同時(shí)，由于其具有較穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，較強(qiáng)的疏水性和生物蓄積性，PAHs在環(huán)境中往往難以降解，且容易在土壤和生物體中積累。

微生物修復(fù)治理土壤PHAs污染的主要手段。因?yàn)槠湎啾扔谖锢砗突瘜W(xué)修復(fù)，微生物修復(fù)具有低成本、耗能小、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)環(huán)保的修復(fù)技術(shù)。對(duì)此，本文總結(jié)歸納了土壤中不同類PHAs的降解菌的菌屬、降解機(jī)理以及影響降解的因素，旨在進(jìn)一步為PAHs土壤污染的微生物修復(fù)研究的提供思路與深入點(diǎn)。

1 微生物降解PAHs的途徑

一般來說，多環(huán)芳烴的降解的難度隨苯環(huán)數(shù)量的增加而增大，高環(huán)PAHs（如芘和苯并芘等）的降解過程往往涉及到多種微生物的協(xié)作，而且降解難度大。微生物在降解高環(huán)PAHs的過程中，往往首先將其拆解為低環(huán)，然后再采用降解低環(huán)PAHs的方式實(shí)現(xiàn)完全礦化。

1.1 萘的降解途徑

萘是分子量最小的多環(huán)芳烴。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其降解難度比相比其他分子量較大的PAHs低，降解途徑單一，常被當(dāng)作生物降解的典型PAHs來研究。

萘的降解途徑相對(duì)比較單一。首先通過萘雙加氧酶的作用形成順式二氫萘，然后通過萘雙脫氫酶的作用形成 1，2二羥基萘，隨后經(jīng)過一系列多種催化反應(yīng)形成水楊酸。對(duì)于水楊酸存在兩種轉(zhuǎn)化形式，一種為脫羧形成鄰苯二酚。鄰苯二酚進(jìn)入TCA循環(huán)進(jìn)一步氧化。最后，苯環(huán)完全降解為二氧化碳和水。另一種為羥基化形成龍膽酸，最終實(shí)現(xiàn)開環(huán)降解。

1.2 菲的降解途徑

菲是三環(huán)PAHs，是致癌PAHs的最小單元。它由“灣”區(qū)和“K”區(qū)，這與PAHs的其他衍生物類似，具有中等致癌性。因?yàn)槠涮厥獾奈：π裕瞥蔀榱搜芯縋AHs中最常見的化合物。

菲的降解途徑主要為兩種:第一種是水楊酸途徑，這與萘的降解途徑較為相似，因?yàn)樗畻钏嵋彩禽恋慕到猱a(chǎn)物。第二種是鄰苯二甲酸途徑。首先，在雙加氧酶的作用下，菲被轉(zhuǎn)化為成順-3，4-二氫二羥基菲，再開環(huán)形成1-羥基-2-萘甲酸。之后的降解過程分為兩條途徑。其一是先前提到的水楊酸路線，其二是鄰苯二甲酸路線。可以單獨(dú)降解萘和菲的菌株能通過水楊酸途徑進(jìn)行對(duì)1-羥基-2-萘甲酸進(jìn)行降解。而對(duì)于其他菌株，則通過鄰苯二甲酸途徑進(jìn)行降解，即通過相關(guān)酶先前產(chǎn)物催化為1，2-二羥萘，隨后進(jìn)一步開環(huán)進(jìn)入到TCA循環(huán)生成水和二氧化碳。

1.3 芘降解的途徑

以芘作為唯一碳源進(jìn)而實(shí)現(xiàn)完全降解的PAHs的細(xì)菌很少，需要多次的篩選和馴化或者添加額外碳源才能獲得。

芘首先在在雙氧加氫酶的作用下轉(zhuǎn)化為順式-4，5-二氫二醇芘，隨后被水解為反式-4，5-二氫二醇芘。經(jīng)過一系列酶促反應(yīng)開環(huán)生成4-羧基菲，然后脫羧生成3，4-二羥基菲，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為萘的酚類衍生物，再裂解為苯的各種酸性衍生物，最后進(jìn)入TCA循環(huán)。

1.4 苯并[a]芘降解的途徑

苯并[a]芘是一種典型的高環(huán)PAHs。大量研究表明，幾乎沒有細(xì)菌可以將苯并[a]芘作為唯一的碳源，其降解往往需要多種微生物的協(xié)作來共同完成。

微生物可以從不同化學(xué)鍵的位點(diǎn)來進(jìn)攻苯并[a]芘，以完成第一個(gè)開環(huán)。苯并[a]芘的分解會(huì)因初始開環(huán)點(diǎn)位的不同而形成三種降解途徑。途徑名稱以其初始產(chǎn)物來命名，分別為芘的酸性化合物途徑，屈的酸性化合物途徑和環(huán)氧化物途徑。以兩種酸性化合物途徑為例，在雙加氧酶和脫氫酶的共同作用下，苯并芘轉(zhuǎn)化為順－二醇化合物，隨后在一系列的酶促反應(yīng)中苯環(huán)斷裂，進(jìn)而生成芘的和屈的酸性化合物。

2 微生物降解PAHs的影響因素

微生物的種類及所處土壤環(huán)境的溫度、濕度、PH值等均對(duì)有機(jī)污染物的降解有影響。但作為微生物新陳代謝基本條件，這些因素在降解PAHs中代表性不強(qiáng)。在實(shí)際污染治理中會(huì)有很多其他因素的影響。

2.1 共代謝營(yíng)養(yǎng)物

共代謝營(yíng)養(yǎng)物可以為細(xì)胞提供較PAHs更容易攝取的碳源，并促進(jìn)降解PAHs關(guān)鍵酶的大量產(chǎn)生。常見的營(yíng)養(yǎng)物有葡萄糖、蔗糖、果糖、蛋白胨、蘋果酸和乳酸等等。尤其是在微生物在降解高環(huán)多環(huán)芳烴的過程中，會(huì)因?yàn)榄h(huán)境中的共代謝產(chǎn)物較少，導(dǎo)致降解途下降甚至停止，造成中間產(chǎn)物的大量積累。在一項(xiàng)海洋微生物BAP5菌株降解PAHs的研究中，在30天的培養(yǎng)后，以水楊酸作為單獨(dú)共代謝物的組中，BAP5的降解受到了抑制，而在熒蒽組的PAHs降解率從25.20%提高到了51.27%。王慧等發(fā)現(xiàn)蛋白胨可以顯著提高Thalassospira sp.耐鹽菌對(duì)于20mg/L芘的降解速度的，但是酵母粉對(duì)其影響甚微。

2.2 表面活性劑

表面活性劑可以降低液體的表面張力，從而提高PAHs的溶解度，已達(dá)到提高其降解率的目的。常見的表面活性劑有：非離子、離子、混合型和生物表面活性。其中混合型表面活性劑因?yàn)榭垢蓴_能力強(qiáng)而被廣泛應(yīng)用。袁影影等在對(duì)比多種表面活性劑對(duì)PAHs降解的影響中發(fā)現(xiàn)，微乳液淋洗劑對(duì)PAHs的去除率最高，為89.7%，但是微生物對(duì)該試劑的耐受性沒有清楚的研究說明。楊倫等研究指出雖然低于100mg/L的皂角苷會(huì)對(duì)假單胞菌的生長(zhǎng)起到抑制作用，但是該菌可高效降解溶液中的菲，降解率為77.9%。在歐陽(yáng)科等的實(shí)驗(yàn)中，在250 g/mL分別加入十二烷基磺酸鈉、吐溫-20及不加試劑的三種情況下，在6天的生物降解后，分別降解了50.4，111.3和36 g/mL。從其中不難看出表面活性劑的對(duì)降解的促進(jìn)作用。

2.3 植物-微生物聯(lián)合修復(fù)

不少種類的植物和微生物在消除PAHs污染中存在緊密的協(xié)作關(guān)系，如苜蓿、紫茉莉、紫松果菊和翅堿蓬等。其一、植物根系分泌的營(yíng)養(yǎng)物促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和繁殖。其二、在厭氧環(huán)境下，植物能在提供一定量的電子受體，進(jìn)而加速降解菌對(duì)多環(huán)芳烴的消除。趙媛媛等的實(shí)驗(yàn)表明相比植物和菌群的單獨(dú)作用，PAHs降解菌群與植物紫茉莉協(xié)同修復(fù)可以顯著提高芘的降解速率，修復(fù) 90天后芘污染土壤的降解率高達(dá)81.1%。謝曉梅等的實(shí)驗(yàn)表明黑麥草的根系分泌物可改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，隨著根系分泌物濃度的提高，芘污染土壤中的革蘭氏陰性菌的數(shù)量明顯增加。此外，當(dāng)根系分泌物濃度為32.75 mg TOC·kg-1處理時(shí)，催化PAHs脫氫反應(yīng)的胞內(nèi)酶——脫氫酶達(dá)到了最佳的激活效果。

3 展望

近年來，隨著對(duì)各類PAHs的降解途徑和影響因素研究的不斷深入，PAHs污染的微生物修復(fù)已經(jīng)形成一套較為完整的系統(tǒng)，但是在以下方面仍有完善之處研究的空間。（1）高環(huán)PAHs的降解途徑通常涉及到多個(gè)菌群的協(xié)作，其中對(duì)具體中間產(chǎn)物、相關(guān)酶的作用以及微生物群落中協(xié)作關(guān)系的研究較少。（2）PAHs好氧降解因效率高，研究也比較全面。然而對(duì)于厭氧降解、特別是高環(huán)PAHs的厭氧降解的研究缺乏，其降解的可行性有待進(jìn)一步確認(rèn)。（3）表面活性劑種類和濃度對(duì)微生物的抑制作用的機(jī)理目前不是十分清楚，針對(duì)不同菌種降解的最適宜的濃度有待確認(rèn)。（4）植物-微生物聯(lián)合修復(fù)在較為復(fù)雜的自然環(huán)境中，比如鹽分含量高的干旱土壤中，往往難以實(shí)施。針對(duì)不同環(huán)境的聯(lián)合修復(fù)手段有待進(jìn)一步完善。