十溴聯(lián)苯醚微生物降解的研究進展

蔡慶濤，趙 苒

（1.廈門大學公共衛(wèi)生學院，福建 廈門 361102；2.上海市金山區(qū)疾病預防控制中心，上海， 201500）

多溴聯(lián)苯醚 （polybrominated diphenyl ethers，PBDEs）是一類常用的溴代阻燃劑 （brominated flame retardants，BFRs），因其阻燃效率高、熱穩(wěn)定性好、添加量少、對材料性能影響小和產(chǎn)品價格適中等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于電子、電器、化工、紡織以及建筑等領(lǐng)域［1－2］。PBDEs的化學通式為 C12H（0～9）Br（1～10）O，根據(jù)苯環(huán)上 Br的個數(shù)和位置 的不同，可分為10個同系組、209種單體化合物。商品化的PBDEs主要有五溴聯(lián)苯醚 （Penta－BDEs）、八溴聯(lián)苯醚（Octa－BDEs）和十溴聯(lián)苯醚（Deca－BDEs 或 BDE－209）3種。

1999年瑞典研究者［3］分別從人體脂肪和肝組織中檢出PBDEs，且其含量呈逐年上升趨勢，PBDEs全球性污染問題受到廣泛關(guān)注，并成為近10年環(huán)境科學領(lǐng)域的研究熱點。研 究［4－5］表 明：Penta－BDEs和 Octa－BDEs對 神 經(jīng)、 內(nèi)分泌和免疫系統(tǒng)具有毒性作用，已于2009年5月被列入斯德哥爾摩公約，正式禁止生產(chǎn)和使用。雖然，歐盟于2008年已禁止在電子電氣產(chǎn)品中使用BDE－209，美國環(huán)境保護署亦將其歸為潛在致癌物質(zhì)，并于2013年底禁止其生產(chǎn)和銷售，但在未找到新型阻燃劑之前，BDE－209仍是全球使用量最大的溴代阻燃劑，且使用量有逐年增加的趨勢。我國目前尚無相關(guān)規(guī)定禁止或限制BDE－209的生產(chǎn)和使用。

BDE－209作為一種非反應(yīng)添加型阻燃劑，缺少化學鍵的束縛，其在生產(chǎn)、運輸和添加到產(chǎn)品以及在廢棄物的存放和處理過程中會不同程度地釋放并進入環(huán)境中［6］。據(jù)報道，英國倫敦的空氣［7］、挪威的土壤［8］、美國五大湖流域［9］和我國廣東、香港等地的大氣［10］、珠江三角洲近岸沉積物［11］甚至青藏高原的土壤［12］樣品中均檢出 BDE－209的污染。環(huán)境穩(wěn)定性、高親脂性和生物易積累等特點使其在生物體的蛋白質(zhì)和脂肪中蓄積，并可通過食物鏈傳播到高級生物體中［13］。研究［14］表明：十溴聯(lián)苯醚不僅對機體存在一定的神經(jīng)毒性和內(nèi)分泌干擾作用，還可在復雜的環(huán)境條件下脫溴生成毒性更強的Penta－BDEs和Octa－BDEs等低溴代聯(lián)苯醚同系物［15］。因此，如何處理BDE－209以促進其在環(huán)境中的降解和轉(zhuǎn)歸正日益受到重視。BDE－209的處理方法主要有光降解［16－17］、化學降解［18］和微生物降解。本文作者對近年來BDE－209微生物降解的研究進展進行綜述，重點闡述好氧和厭氧微生物降解的現(xiàn)狀及展望，以期為BDE－209在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化研究及其污染處理提供科學參考。

1 BDE－209的微生物降解

1.1 好氧微生物降解 BDE－209化學結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)中的醚鍵增加了熱穩(wěn)定性，故而難以完成酶切反應(yīng)［19］，因此研究多集中在降解率和脫溴率等方面。王婷等［20］在對蠟狀芽孢桿菌 （XPB和XPC）復合菌降解BDE－209的研究中發(fā)現(xiàn)：復合菌對BDE－209具有良好的脫溴性能，反應(yīng)1d時其最高脫溴量可達1.18mg·L－1，脫溴率至少為14.16%；加入低濃度重金屬后，不但明顯抑制降解過程中酚類物質(zhì)的生成，且脫溴率幾乎未受影響，仍保持在13.92%以上；上清液的降解產(chǎn)物亦不含低溴代聯(lián)苯醚產(chǎn)物，可見該復合菌對BDE－209的降解具有一定安全性，可望應(yīng)用于BDE－209污染區(qū)域的生物修復。Deng等［21］從 BDE－209污染區(qū)分離到1株具有脫溴功能的好氧菌Lysinibacillus fusiformis strain DB－1，首次報道了土著菌對BDE－209的降解作用。史廣宇等［22］發(fā)現(xiàn)：銅綠假單胞菌對BDE－209的降解主要歸因于胞內(nèi)酶的作用，胞內(nèi)酶粗提液在12h內(nèi)對1mg·L－1BDE－209降解率達到69.22%，降解速度遠遠大于菌體，且降解率受酶濃度、底物濃度、pH和環(huán)境溫度的影響，例如當BDE－209濃度為1mg·L－1時，BDE－209最適酶促降解反應(yīng)條件：溫度30℃、反應(yīng)pH＝7.5，降解率隨著酶濃度的增加而增大。趙宇等［23］從廣東貴嶼鎮(zhèn)電子垃圾拆解地采集的沉積物樣品中分離的BDE－209高效好氧降解菌證實為短短芽孢桿菌 （Brevibacillus brevis），其降解最佳菌齡為36h，最佳氮源為 （NH4）2SO4，降解率受Cu2＋和Cd2＋濃度的影響。

由于BDE－209在水中的溶解度 （lgKow為10）非常低，故其在水中的有效濃度是影響其生物可利用度的主要因素。Zhou等［24］發(fā)現(xiàn)：在增溶劑Tween 80和環(huán)糊精的作用下，白腐菌對BDE－209的降解作用加強，當Tween 80的濃度為500mg·L－1時，10d內(nèi) BDE－209的降解率為96.5%，但該文作者同時提出高濃度Tween 80對BDE－209的降解和白腐菌的生長均具有明顯的抑制作用，具體機制不詳。表面活性劑也可促進好氧菌對BDE－209的降解。王芳芳等［25］觀察到：低濃度鼠李糖脂、蔗糖脂肪酸酯和茶皂素存在時，能使蘇云金芽孢桿菌J－1對BDE－209的降解率明顯升高，最高可將BDE－209的降解率分別提高23.18%、16.47%和12.64%，但中、高濃度鼠李糖脂、蔗糖脂肪酸酯和茶皂素均對J－1降解BDE－209有抑制作用。好氧微生物能夠利用BDE－209作為自身代謝的能量來源，目前篩選得到的好氧菌株可進行甲基化、羥基化或在芳香烴接合處發(fā)生鍵斷裂等反應(yīng)，從而生成新的溴代化合物［26－29］，這些新產(chǎn)生的溴代化合物可作為微生物生長的碳源，在酶的作用下可發(fā)生開環(huán)降解，進入三羧酸循環(huán) （TCA）或者徹底分解成CO2和H2O，從而降解低溴代聯(lián)苯醚。見表1和圖1。

表1 BDE－209好氧降解菌及其降解特性Tab.1 Aerobic degrading strains of BDE－209and their degradation characteristics

1.2 厭氧微生物降解 BDE－209厭氧降解是1個緩慢的過程，通過催化還原脫溴，使BDE－209得到電子的同時釋放出溴離子，轉(zhuǎn)化為低溴代的同系物后再進一步降解。厭氧還原通過改變同系物的分布來減少溴取代的數(shù)量和位點，降低疏水性而使其更易被好氧微生物降解。現(xiàn)有的研究主要圍繞BDE－209在厭氧條件下的降解半衰期和降解產(chǎn)物展開。2005年，Gerecke等［31］首次報道了厭氧菌經(jīng)過238d的富集培養(yǎng)后能使BDE－209發(fā)生間位和對位脫溴反應(yīng)，生成BDE－207和BDE－208。He等［32］研究表明：在厭氧微生物Sulfurospirillum multivorans的作用下，BDE－209可被降解為七溴和八溴聯(lián)苯醚，而脫鹵球菌 （Dehalococcoides）能夠?qū)虽迓?lián)苯醚降解為二溴至七溴聯(lián)苯醚。雖然脫鹵球菌對BDE－209沒有降解作用，但該研究間接證明BDE－209是其他低溴代聯(lián)苯醚污染的重要來源。Tokarz等［33］利用沉積物中的微生物和生物模擬系統(tǒng)研究BDE－209時發(fā)現(xiàn)：其可被迅速脫溴生成毒性更強的低溴代聯(lián)苯醚（如Penta－BDEs和Octa－BDEs）。Qiu等［34］在厭氧條件下向培養(yǎng)基加入不同的電子供體 （methanol，ethanol，acetate，lactate and pyruvate），經(jīng)過90d的培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中BDE－209的含量降低，而六溴、八溴和九溴聯(lián)苯醚含量增加；進而利用微生物群落分析，分離鑒定出1株對BDE－209有明顯降解作用的優(yōu)勢菌Pseudomonas spp.。陳桂蘭等［35］利用電子垃圾污染河床沉積物為種源富集馴化獲得的菌群Cf3，同樣具有較高的BDE－209降解率，可達80.03%，推測除脫溴反應(yīng)外，羥基化、甲基化或醚鍵直接斷裂等其他代謝降解途徑也可能參與其中。

圖1 BDE－209降解途徑示意圖Fig.1 Schematic diagram of degradation pathway of BDE－209

BDE－209厭氧降解的特點：①在厭氧細菌作用下，溴代聯(lián)苯醚同系物的降解速率與溴化程度成正比，高溴代聯(lián)苯醚同系物比低溴代聯(lián)苯醚同系物更易脫溴［36］；②厭氧微生物降解通常遵循一級反應(yīng)動力學，脫溴的難易程度與溴離子在苯環(huán)上的取代位點有關(guān)，即脫溴反應(yīng)更易發(fā)生在間位和對位，臨位不易發(fā)生脫溴［37］。

2 BDE－209的光－微生物降解

光降解是多溴聯(lián)苯醚環(huán)境污染的一個重要處理方法，紫外光可以誘發(fā)產(chǎn)生有活性的自由基離子，破壞持久性有機污染物復雜的化學結(jié)構(gòu)。Shih等［38］研究表明：陽光和紫外光的照射下可使BDE－209發(fā)生脫溴反應(yīng)，且這種反應(yīng)遵從準一級反應(yīng)動力學方程，在紫外光的照射可發(fā)生連續(xù)的脫溴反應(yīng)。Chou等［39］將光降解和微生物好氧降解2種方法同時作用于BDE－209，在以BDE－209為唯一碳源的黏土／水培養(yǎng)系統(tǒng)中，有紫外光照射的實驗組降解率明顯高于無紫外光照射的對照組的降解率，最終在紫外光和好氧降解菌的同時作用下，十溴聯(lián)苯醚共脫溴生成12種低溴代聯(lián)苯醚，該研究結(jié)果提示：將光降解和微生物降解2種方法結(jié)合在BDE－209污染修復領(lǐng)域有良好發(fā)展前景。

表2 BDE－209厭氧降解菌及其降解特性Tab.2 Anaerobic degrading strains of BDE－209and their degradation characteristics

3 BDE－209的納米級零價鐵－微生物降解

鹵代芳香族有機污染物在厭氧條件下能夠被零價鐵晶體還原脫鹵［40－41］，但該作用尚存在一定的局限性［42］。納米級零價鐵由于具有較大的表面積、較強的活性和可作用于較廣的有機污染物的特點，因此被認為是一種有潛力的BDE－209污染處理方法。但無論是零價鐵還是納米級別的零價鐵，作用于BDE－209均會產(chǎn)生低溴代聯(lián)苯醚，對于清除有機污染物質(zhì)均并非理想的方法。Kim等［43］研究了零價鐵和微生物聯(lián)合作用對PBDEs的降解，結(jié)果顯示：零價鐵作用20d后，BDE－209還原脫溴生成低溴代的九溴聯(lián)苯醚到三溴聯(lián)苯醚，再加入Sphingomonas sp.PH－07微生物降解菌培養(yǎng)4d后，生成溴酚等結(jié)構(gòu)更為簡單的代謝產(chǎn)物。這種利用納米級零價鐵的還原作用與微生物氧化作用相結(jié)合處理BDE－209污染的方法不僅高效，而且解決了低溴代聯(lián)苯醚的殘余危害，為高鹵代有機污染物修復的研究提供了新的思路。

4 總結(jié)與展望

盡管PBDEs的生產(chǎn)和使用受到越來越多的限制，但作為尚未被禁止的BDE－209生產(chǎn)和使用大國，我國的BDE－209污染情況及其環(huán)境行為、健康危害等均應(yīng)得到學者的足夠重視。BDE－209微生物降解研究尚在起步階段，其脫溴機制和降解途徑未明，因此在分離選育BDE－209高效降解微生物的基礎(chǔ)上，還應(yīng)進一步揭示其脫溴降解機制和分子基礎(chǔ)，并注意在今后的研究和實踐中將光降解、零價鐵降解及微生物降解等方法有機結(jié)合，為PBDEs的環(huán)境修復提供更多方向。

［1］Alcock RE， Sweetman AJ， Prevedouros K， et al.Understanding levels and trends of BDE－47in the UK and North America：an assessment of principal reservoirs and source inputs［J］.Environ Int，2003，29 （6）：691－698.

［2］de Wit CA.An overview of brominated flame retardants in the environment［J］.Chemosphere，2002，46 （5）：583－624.

［3］MeironytéD，Norén K.Analysis of polybrominated diphenyl ethers in Swedish human milk.A time－related trend study，1972—1997 ［J］.J Toxicol Environ Health A，1999，58（6）：329－341.

［4］Raff J，Hites R.Deposition versus photochemical removal of PBDEs from lake superior air ［J］.Environ Sci Technol，2007，41 （19）：6841－6846.

［5］萬 斌，郭良宏.多溴聯(lián)苯醚的環(huán)境毒理學研究進展 ［J］.環(huán)境化學，2011，30 （11）：143－152.

［6］王亞韡，蔡亞岐，江桂斌.斯德哥爾摩公約新增持久性有機污染物研究進展 ［J］.中國科學：化學，2010，40 （2）：99－123.

［7］Birgul A，Katsoyiannis A，Gioia R，et al.Atmospheric polybrominated diphenyl ethers （PBDEs）in the United Kingdom ［J］.Environ Pollut，2012，169：105－111.

［8］Hassanin A，Breivik K， Meijer SN，et al.PBDEs in European background soils：levels and factors controlling their distribution ［J］. Environ Sci Technol， 2004，38 （3）：738－745.

［9］Song W，Li A，F(xiàn)ord J，et al.Polybrominated diphenyl ethers in the sediments of the Great Lakes ［J］.Environ Sci Technol，2004，38 （12）：3286－3293.

［10］Shang H，Wang P，Wang T，et al.Bioaccumulation of PCDD／Fs，PCBs and PBDEs by earthworms in field soils of an E－waste dismantling area in China ［J］.Environ Int，2013，54：50－58.

［11］邱孟德，鄧代永，余樂恒，等.典型電器工業(yè)區(qū)河涌沉積物中的十溴聯(lián)苯醚空間和垂直分布 ［J］.環(huán)境科學，2012，33 （2）：580－586.

［12］謝 薇，孫天河，韓 鵬，等.青藏高原中部地區(qū)表層土壤中多溴聯(lián)苯醚的分布特征及影響因素 ［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2012，26 （5）：917－925.

［13］Meng X，Zeng E，Yu L，et al.Assessment of human exposure to polybrominated diphenyl ethers in China via fish consumption and inhalation environ ［J］.Sci Technol，2007，41 （14）：4882－4887.

［14］Viberg H， Fredriksson A， Jakobsson E， et al.Neurobehavioral derangements in adult mice receiving decabrominated diphenyl ether（PBDE 209）during a defined period of neonatal brain development［J］.Toxicol Sci，2003，76 （1）：112－120.

［15］Mai BX，Chen SJ， Luo XJ，et al. Distribution of polybrominated diphenyl ethers in sediments of the pearl river delta and adjacent South China Sea ［J］.Environ Sci Technol，2005，39 （10）：3521－3527.

［16］Eriksson J，Green N， Marsh G，et al.Photochemical decomposition of 15polybrominated diphenyl ether congeners in methanol／water ［J］. Environ Sci Technol，2004，38 （11）：3119－3125.

［17］祖耕武，文 晟，傅家謨，等.顆粒物上十溴聯(lián)苯醚的光降解反應(yīng) ［J］.生態(tài)環(huán)境學報，2009，18 （1）：205－209.

［18］明磊強，何義亮，章 敏，等.零價鐵降解多溴聯(lián)苯醚影響條件的研究 ［J］.凈水技術(shù)，2010，29 （2）：49－52.

［19］White GF，Russell NG，Tidswell EJ.Bacterial scission of ether bonds ［J］.Microbiol Mol Biol R，1996，60 （1）：216.

［20］王 婷，尹 華，彭 輝，等.低濃度重金屬對蠟狀芽孢桿菌復合菌降解BDE－209性能的影響 ［J］.環(huán)境科學，2008，29 （7）：1967－1972.

［21］Daiyong D， Jun G， Guoping S， et al. Aerobic debromination of deca－BDE：Isolation and characterization of an indigenous isolate from a PBDE contaminated sediment［J］.Int Biodeter Biodegr，2011，65 （3）：465－469.

［22］史廣宇，尹 華，葉錦韶，等.銅綠假單胞菌胞內(nèi)酶粗提液對十溴聯(lián)苯醚的降解 ［J］.環(huán)境科學，2013，34 （4）：1517－1523.

［23］趙 宇，尹 華，龍 焰，等.一株十溴聯(lián)苯醚高效好氧降解菌的篩選、鑒定及降解特性 ［J］.微生物學通報，2013，40 （6）：988－998.

［24］Zhou J，Jiang W，Ding J，et al.Effect of Tween 80and［beta］－cyclodextrin on degradation of decabromodiphenyl ether（BDE－209）by white rot fungi ［J］.Chemosphere，2007，70 （2）：172－177.

［25］王芳芳，尹 華，龍 焰，等.表面活性劑對蘇云金芽孢桿菌J－1降解 BDE－209的影響 ［J］.環(huán)境科學學報，2011，31 （4）：738－744.

［26］Schmidt S，Wittich RM，F(xiàn)ortnage P，et al.Metabolism of 3－methyldiphenyl ether by Sphingomonas sp.SS31 ［J］.FEMS Microbiol Lett，1992，96 （2／3）：253－258.

［27］Seigle－Murandi FM，Krivobok SM A，Steiman RL，et al.Biphenyl oxide hydroxylation by Cunningha－mella echinulata［J］.J Agric Food Chem，1991，39 （2）：428－430.

［28］Schauer F， Henning K， Pscheidl H， et al.Biotransformation of diphenyl ether by the yeast Trichosporon beigelii SBUG 752 ［J］.Biodegradation，1995，6 （2）：173－180.

［29］Ronen Z， Abeliovich A. Anaerobic－aerobic process for microbial degradation of tetrabromobisphenol A ［J］.Appl Environ Microbiol，2000，66 （6）：2372－2377.

［30］Kim YM，Nam IH，Chang YS.Biodegradation of diphenyl ether and transformation of selected brominated congeners by Sphingomonas sp.PH－07 ［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2007，77 （1）：187－194.

［31］Gerecke AC，Hartmann PC，Heeb NV，et al.Anaerobic degradation of decabromodiphenyl ether ［J］.Environ Sci Technol，2005，39 （4）：1078－1083.

［32］He J，Robrock KR，Alvarez－Cohen L.Microbial reductive debromination of polybrominated diphenyl ethers ［J］.Environ Sci Technol，2006，40 （14）：4429－4434.

［33］Tokarz JA， Ahn MY， Leng J， et al. Reductive debromination of polybrominated diphenyl ethers in anaerobic sediment and a biomimetic system ［J］.Environ Sci Technol，2008，42 （4）：1157－1164.

［34］Qiu MD，Chen X，Deng D，et al.Effects of electron donorson anaerobic microbial debromination of polybrominated diphenyl ethers （PBDEs） ［J］.Biodegradation，2012，23 （3）：351－361.

［35］陳桂蘭，陳杏娟，郭 俊，等.十溴聯(lián)苯醚降解菌群的降解特性與組成分析 ［J］.微生物學通報，2013，40 （3）：425－433.

［36］Olsman H，Hagberg J，Kalbin G，et al.Ah receptor agonists in UV－exposed toluene solutions of decabromodiphenyl ether（decaBDE）and in soils contaminated with polybrominated diphenyl ethers （PBDEs）［J］.Enviro Sci Pollut Res，2006，13 （3）：161－169.

［37］Christiansson A， Eriksson J， Teclechiel D， et al.Identification and quantification of products formed via photolysis of decabromodiphenyl ether ［J］.Enviro Sci Pollut Res，2009，16 （3）：312－321.

［38］Shih YH， Wang CK. Photolytic degradation of polybromodiphenyl ethers under UV－lamp and solar irradiations ［J］.J Hazard Mater，2009，165 （1－3）：34－8.

［39］Chou HL，Chang YT，Liao YF，et al.Biodegradation of decabromodiphenyl ether （BDE－209）by bacterial mixed cultures in a soil／water system ［J］.Int Biodeter Biodeger，2013，85：671－682.

［40］Choi H，Al－Abed SR，Agarwal S，et al.Synthesis of reactive nano－Fe／Pd bimetallic system－impregnated activated carbon for the simultaneous adsorption and dechlorination of PCBs ［J］.Chem Mater，2008，20 （11）：3649－3655.

［41］Kim JH，Tratnyek PG，Chang YS.Rapid dechlorination of polychlorinated dibenzo－p－dioxins by bimetallic and nanosized zerovalent iron ［J］.Environ Sci Technol，2008，42 （11）：4106－4112.

［42］Keum YS， Li QX. Reductive debromination of polybrominated diphenyl ethers by zerovalent iron ［J］.Environ Sci Technol，2005，39 （7）：2280－2286.

［43］Kim YM， Murugesan K，Chang YY. Degradation of polybrominated diphenyl ethers by a sequential treatment with nanoscale zero valent iron and aerobic biodegradation ［J］.J Chem Technol Biotechnol，2012，87 （2）：216－224.