根際土壤微生物對多氯聯苯的降解及環境意義

卓勝

[摘要]：在目前的土壤植物修復研究之中，由植物介導的根際修復無疑是備受關注的熱點課題之一。在降解有機物污染的過程中，植物在向根際釋放根系分泌物時所產生的某些分泌物都能夠為相應微生物的存活、生長提供條件。基于此，本文主要就根際土壤微生物對多氯聯苯的降解及環境意義這一課題進行了系統分析與探究。

[關鍵詞]：根際土壤微生物；多氯聯苯；降解；環境意義

1、 前言

根際是指植物根系與土壤之間的微界面，是圍繞于植物活根的土壤微宇宙，其范圍通常只有幾微米到幾毫米。根際環境深受根系及其所關聯的微生物活動的影響，是土壤-植物根系-微生物三者相互作用的場所，因此其物理、化學和生物學性質等與非根際土壤有巨大的差異。同時根際是土壤水分和礦物質進入根系參與生物循環的門戶，也是根系自身生命活動和代謝對土壤影響最直接、最強烈的區域。在不同環境條件下，植物根系可以分泌有機陰離子、質子和酶等來改變根際微環境的生物化學性質，改變根際微環境中養分和污染物的化學形態和生物有效性，并最終影響植物對養分和污染物的吸收與積累。

多氯聯苯（PCBs）是一組由一個或多個氯原子取代苯分子中的氫原子而形成的氯代芳香族化合物，其結果復雜，理論上有209種同系物。PCBs曾因其有優良的穩定性、熱傳導性和絕緣性被廣泛應用與電力、化工等行業，但由于對環境的危害性和對生物的致癌性，上世紀八十年代中期已被停止生產。

但PCBs是持久性有機污染物，其對環境、對生物的影響至今還是很嚴重。近年來，隨著對PCBs危害的重視程度提高，越來越多學者進入研究PCBs如何降解的行列當中，其中利用微生物來降解是研究的熱點。本文將從根際土壤微生物的角度來闡述PCBs降解的研究進展及其環境意義。

2、 根際微生物降解PCBs的機理

根際微生物對PCBs的降解涉及到植物的重要影響，植物與根際微生物聯合作用促進根際微生物加速對PCBs的降解。因此植物與根際微生物的聯合作用是修復有機污染物中非常重要的一個途徑，也是當今研究比較多的一個方向。一方面，植物在生長發育的過程中，根系分泌的有機物和酶類進入土壤，使根際的微生物數量顯著提高，活性也隨之大大增強，從而加速了有機污染物的礦化。另一方面，根際環境中微生物作用可促進植物的生長，從而加速對降解產物的吸收。這一共存體系的共同作用，將在很大程度上加速污染土壤的生物修復速度。此外，植物還可以向根區輸送O2，使根區的好氧作用得以順利進行。

Singer等（2003）在被污染的土壤中，以香琴酮和水楊酸等作為酶誘導劑，然后栽種蕓苔，再與未栽種蕓苔的處理進行對比。結果表明，栽種了蕓苔的處理，經過9個星期，表層6cm PCBs的去除率達61%；而未栽種蕓苔的處理，PCBs的去除率在表層0～2cm和2～6cm分別為43%和14%。由此可見，栽種了蕓苔植物后，PCBs的去除率明顯升高。

通過研究煙草、山葵、龍葵和紫花苜蓿的根際微生物代謝PCBs時研究人員發現，山葵和龍葵都有較強代謝轉化PCBs的能力。實驗表明兩周內，90%以上的2-氯苯甲酸和20～40% 的二氯苯甲酸被轉化。

綜上例子，直接降解PCBs的生物體以微生物為主，據現有的報道表明，多氯聯苯的微生物修復可分為厭氧脫氯、好氧降解和真菌的酶降解三大途徑。

2.1 厭氧脫氯

PCBs的脫氯主要是發生在間位和對位，也有少數鄰位脫氯，其脫氯的易難程度按取代位置為：間位>對位>鄰位，且兩個氯原子分別處于兩個苯環比在同一苯環上更容易被脫去。這是因為氯原子置換在不同位置的分子總能量E，焓H和自由能G數值不同，其順序為：2（6）位>>3（5）位>4位（Wang等， 2005）。

由此可見，氯的取代基越多，厭氧脫氯顯得越容易。對于高氯代聯苯的脫氯是以厭氧條件下的還原脫氯為主，因為Cl原子強烈的吸電子性使環上的電子云密度下降，當Cl的取代個數越多，環上電子云密度越低，氧化越困難，表現出的生化降解性能低；相反，在厭氧或缺氧的條件下，環境的氧化還原電位低，電子云密度較低的苯環在酶的作用下越容易受到還原劑的親核攻擊，Cl容易被取代（高軍等，2005）。

因此，厭氧脫氯是降解PCBs的關鍵一步，然而PCBs在脫氯轉化為低氯代的化合物后，就很難再繼續脫氯，接下來的脫氯任務通常由好氧降解來完成。脫氯功能可能是由共生的微生物群落實現，原因在于脫氯有賴于微生物群落提供的電子供體、營養成分和維持最優的氫濃度。幾種脫氯微生物同時或者順序代謝不同的PCBs同系物及其代謝產物獲得了更好的降解效果，即某種微生物PCBs的代謝終產物可能作為另一種微生物的生長基質。艾尼瓦爾等（2000）總結了前人研究的PCBs的厭氧降解過程（表1）。

2.2 好氧降解

與厭氧微生物主要通過還原脫氯對PCBs降解不同，好氧細菌能通過加氧氧化開環反應來繼續降解PCBs（趙曦等，2007）。

對于經厭氧脫氯的低氯聯苯連續的酶反應機制以及包括其生物降解過程，目前基本已形成了共識。該途徑包括如下過程：

（1） 聯苯被聯苯雙加氧酶（bphA）催化為聯苯二氫二醇，1，2 位加氧和3，4 位加氧，以前者居多。

（2） 聯苯二氫二醇被聯苯二氫二醇脫氫酶催化為2，3-二羥基聯苯。

（3） 2，3-二羥基聯苯被2，3-二羥基聯苯雙加氧酶催化為2-羥基-6-氧-6-苯基己-二烯酸。

（4） 2-羥基-6-氧-6-苯基己-二烯酸被2-羥基-6-氧-6-苯基己-二烯酸水解酶通過間位開環方式催化為氯苯甲酸。

但也有研究認為在降解的第一步是2，3 位加氧，有國外研究人員研究了在SIRAN固定床上，將細菌細胞固定化。對于2，4，4-三氯聯苯的降解過程是首先對氯原子較少環上的2，3 位進行氧化親核攻擊，利用細菌生成代謝物為3-氯-2-羥基-6-氧-6-苯-2，4-二烯酸，最終生成2，4-二氯-苯甲酸。

有些研究表明，厭氧-好氧聯合作用可使PCBs完全礦化。如起始濃度為59mg/g PCB污染的風化土壤，經4個月厭氧處理和28天的好氧處理，PCBs濃度降為20μg/g，顯示厭氧-好氧聯合處理對多氯聯苯污染土壤修復的巨大潛力。通過控制供氧方式形成偶聯的厭氧-好氧環境，并與特定厭氧還原和好氧降解微生物相結合，幾乎能將Aroclor 1242完全礦化。因此，厭氧-好氧的聯合作用正受到更廣泛的青睞。

2.3 真菌的酶降解

目前已知白腐真菌能降解PCBs，白腐真菌降解PCBs的研究始于1985年，之后許多白腐真菌已被用于研究它們的PCBs降解能力，都能礦化PCBs（殷培杰等，2005）。有些真菌對PCBs氯取代位置的選擇傾向為鄰位>間位>對位，這與細菌取代傾向不同。白腐真菌分泌的木質素酶能夠用于轉化或礦化與木質素結構相似的有機污染物；而其分泌的漆酶可將PCBs代謝過程中產生的羥基氯聯苯脫氯和脫毒。

研究表明外生菌根真菌也能跟白腐真菌一樣產生許多與PCBs降解有關的酶催化開環反應。研究還表明，栽培了植物的土壤比未栽培植物的對照其真菌數量明顯要多，這可能與PCBs降解水平的提高有關。

3 、根際微生物降解多氯聯苯的環境意義

PCBs是持久性有機污染物，其結構穩定，自然條件下不易降解，在水中的半衰期超過2個月，在土壤和沉積物中大于6個月（宋春蓮，2007）。PCBs可通過食物鏈傳播與累積，經皮膚、呼吸道和消化道而被機體所吸收（其中消化道的吸收率很高），PCBs被吸收后，廣泛分布于全身組織，以脂肪中含量最多，對人類和動物造成非常嚴重的潛在危害。

歸納起來，PCBs的生物毒性主要體現在以下四個方面：

⑴ 致癌性：國際癌癥國際癌癥研究中心已將多氯聯苯列為人體致癌物質，“致癌性影響”代表了多氯聯苯存在于人體內達到一定濃度后的主要毒性影響。

⑵ 生殖毒性：PCBs能使人類精子數量減少、精子畸型的人數增加；人類女性的不孕現象明顯上升；有的動物生育能力減弱。

⑶ 神經毒性：PCBs能對人體造成腦損傷、抑制腦細胞合成、發育遲緩、降低智商。

⑷ 干擾內分泌系統：比如使得兒童的行為怪異，使水生動物雌性化。

鑒于PCBs對環境對生物具是以上的負面影響，因此能有效降解多氯聯苯將是一個對生物圈有重大貢獻的技術。植物根際微生物修復技術作為一個潛在的、能有效修復PCBs的技術，必將在此方面有重大突破。

4、 結論

多氯聯苯作為一類對生態環境和人類社會有嚴重危害的持久性有機污染物，已備受世界各國的關注。目前有很多研究人員正致力于PCBs的修復工作，其中根際微生物修復的研究已初見成效，其生物化學行為以及一些降解機理也有一定的認識。雖然當今此項修復技術已日趨成熟，但仍然存在一些問題：

⑴ 目前大多數有效的生物修復還處于實驗階段，能實際應用的還較少。

⑵ 多氯聯苯的微生物降解是一個涉及許多酶和微生物種類的分步過程，很難被徹底降解，只是轉化成毒性較低的中間產物。

因此今后的研究重點可能是添加一些高效的外源微生物群和植物組成更高效的降解群體，使PCBs能徹底地降解成無毒性物質。同時在實際應用前對生物尤其是微生物過程進行全面跟蹤，形成一個完整的生態評價和風險評估。

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