萘的微生物降解研究進(jìn)展

發(fā)布時間：2020-04-17所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要:萘是一類具有嚴(yán)重三致效應(yīng)(致癌、致畸、致突變)的多環(huán)芳烴類有機(jī)化合物，嚴(yán)重威脅人類健康。萘的微生物降解由于具有操作簡單、經(jīng)濟(jì)實用及不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，近年來成為治理萘污染的主要手段之一。對不同環(huán)境中篩選的萘降解菌的系統(tǒng)生物學(xué)分類、培養(yǎng)

　　摘要:萘是一類具有嚴(yán)重“三致”效應(yīng)(致癌、致畸、致突變)的多環(huán)芳烴類有機(jī)化合物，嚴(yán)重威脅人類健康。萘的微生物降解由于具有操作簡單、經(jīng)濟(jì)實用及不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，近年來成為治理萘污染的主要手段之一。對不同環(huán)境中篩選的萘降解菌的系統(tǒng)生物學(xué)分類、培養(yǎng)條件對萘微生物降解效率的影響、萘的微生物降解途徑、關(guān)鍵基因和酶及其實際應(yīng)用方面進(jìn)行了綜述，指出了目前萘微生物降解研究領(lǐng)域存在的問題，并對未來的研究方向做出了展望。

　　關(guān)鍵詞:萘;微生物降解;分類;降解途徑;關(guān)鍵基因

　　多環(huán)芳烴(polycyclicaromatichydrocarbons，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(jī)污染物，能夠通過各種介質(zhì)(生物體、大氣、水體和土壤等)進(jìn)行長距離遷移，在環(huán)境中分布極廣，又難以降解，嚴(yán)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(yán)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(hù)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(biāo)。

　　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(jì)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(jī)萘為唯一碳源對其進(jìn)行代謝;另一種是微生物將有機(jī)萘與其他有機(jī)質(zhì)進(jìn)行共代謝。

　　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(jī)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(xì)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。

　　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)90h后，該菌的萘降解率最高達(dá)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(dá)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)6d后該菌的萘降解效率達(dá)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(jìn)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(jī)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(jìn)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2000mg/L的萘選擇培養(yǎng)基中培養(yǎng)96h，萘降解率能達(dá)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?jǐn)?shù)為11%的鹽中與紅球菌屬(Rhodococcus)一起降解萘，降解率高達(dá)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(xì)胞壁上的活性基團(tuán)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2000mg/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(jī)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(jìn)行研究與優(yōu)化，可以優(yōu)化目標(biāo)菌株對萘的降解速率，從而使菌株的萘降解效率達(dá)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(dāng)?shù)耐庠礌I養(yǎng)物質(zhì)能夠顯著促進(jìn)微生物對萘的降解率。賈燕等[26]發(fā)現(xiàn)向100mg/L含萘水樣中加入0.1gNH4NO3、0.15gKH2PO4、0.3gK2HPO3、0.2mL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(dāng)培養(yǎng)基中添加1.0g/L葡萄糖時，3株菌對萘的降解率均達(dá)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(jìn)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(xì)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(tuán)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(jī)萘分子的毛細(xì)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(jìn)而提高萘的降解速率[29]。臧振遠(yuǎn)等[30]發(fā)現(xiàn)在添加質(zhì)量濃度范圍0.1～0.3g/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(jìn)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(qiáng)，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(jìn)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(xì)胞將復(fù)雜的有機(jī)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(jìn)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(dāng)?shù)难鯕夂�量也可以促進(jìn)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1mL假胞單菌N7菌液接種到100mg/L的萘選擇培養(yǎng)基中，培養(yǎng)72h，通氧量范圍3.6～4.3mg/L時，萘的降解率隨著通氧量的增加不斷升高，但當(dāng)通氧量高于4.3mg/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1750kg的Na2S2O8等氧化劑后，SO42-濃度升高，萘降解可達(dá)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(dāng)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(biāo)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(jī)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(dāng)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(dāng)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。

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