多環芳烴的厭氧生物降解反應體系

齊小輝++曹雪杰++閆建芳

摘要：指出了多環芳烴（PAHs）是一類廣泛分布于自然界中的典型持久性有機污染物，對生態系統和人體健康具有極大的危害。微生物降解是環境中去除多環芳烴污染的有效途徑，厭氧降解更因其具有低毒性、分解徹底而受到人們的關注。主要闡述了多環芳烴在厭氧條件下的代謝途徑以及主要的還原反應體系，希望為多環芳烴污染的生物修復研究與實踐提供有效參考。

關鍵詞：多環芳烴；生物降解；污染修復

中圖分類號：X703.1

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）16019204

1引言

多環芳烴（PAHs）是一類廣泛分布于自然界中的有機化合物，因具有持久性、生物累積性、長距離遷移性和高生物毒性被美國環境保護署列為優先控制污染物[1，2]，對人類健康及生態系統造成潛在危害。生物降解多環芳烴具有綠色、快速、安全、費用低廉等優點，因而成為多環芳烴污染修復的有效途徑。生物降解多環芳烴的方式因最終電子受體的不同分為好氧呼吸和厭氧呼吸代謝兩種方式。好氧代謝過程中微生物易培養、降解效率高，一直受到人們的青睞，但同時也存在著產生有毒中間代謝產物、難再降解等致命的缺點[3]，甚至會發生更嚴重的二次污染。相比于好氧環境，厭氧條件下降解多環芳烴所產生的中間產物結構更簡單、毒性小、分解更完全，而且大多數多環芳烴污染的環境，如土壤、沉積物、海底均處于缺氧或厭氧狀態，因此厭氧降解逐漸成為多環芳烴污染治理的另一有效途徑[4]。目前，好氧條件下微生物降解多環芳烴已得到較深入的研究和討論，多集中在好氧降解菌的篩選、鑒定、降解條件的優化及降解途徑的研究上。而厭氧條件下對實際污染的環境介質中多環芳烴的降解和修復研究卻相對較少。因此，探明環境中厭氧微生物降解多環芳烴的反應體系及降解機制，揭示影響多環芳烴降解效率的關鍵因子都具有重要的理論和現實意義。

2多環芳烴的厭氧代謝途徑

多環芳烴由兩個或多個苯環以線性、彎接或簇聚方式構成的疏水性碳氫化合物[5，6]，主要由化石燃料燃燒、垃圾焚燒、煤氣和石油精煉以及煤和石油等天然燃料的不完全燃燒產生。多環芳烴厭氧代謝的初始反應機理已有報道，主要是延胡索酸鹽結合反應、羧化反應、羥基化及甲基化反應等。其中，延胡索酸鹽結合反應是由烴的碳原子攻擊延胡索酸鹽的雙鍵，生成相應的琥珀酸鹽，再經β氧化轉化為相應的輔酶A。羧化反應是由外源碳原子添加到多環芳烴的苯環上，生成相應的脂肪酸。至于羥基化和甲基化反應，主要是羥基或甲基結合在多環芳烴的苯環上，生成相應的酚類物質[7]。不同還原條件下厭氧微生物對各種類型多環芳烴的厭氧降解機制差異較大。近年來研究比較清楚的代謝途徑也只有萘、菲等低分子量的多環芳烴，對于四環和四環以上多環芳烴的厭氧微生物降解途徑至今仍是環境微生物代謝組學研究領域的難點。對萘的厭氧降解途徑進行了總結，如圖1所示。

3多環芳烴的厭氧降解反應體系

3.1硝酸鹽還原體系

厭氧降解多環芳烴的研究中，以硝酸鹽為基礎的微生物修復可替代以氧氣為基礎的微生物修復，是處理沉積物中有機化合物污染較為經濟高效的方法之一[8]。硝酸鹽既可作為微生物的氮源，也可在厭氧條件下作為微生物常用的電子受體。1988年首次發現反硝化還原反應體系對萘的降解現象后，Mcnally等[9]研究了3株假單胞菌在反硝化條件下對蒽、菲、芘的降解，結果發現三株菌均表現出良好的降解效果，其中菌株SAG-R在12 h內就可以使最大溶解度的菲完全降解。同樣，Lu等[10]研究了主要由γ-變形菌門和放線菌門組成的混合菌在硝酸鹽濃度變化的條件下對萘降解的影響，發現在硝酸鹽濃度為1.0和5.0 mmol/L時，萘的降解率分別達到了91.7%和96.3%。還有報道指出，與好氧降解相比，在產生自由能相同的情況下，硝酸鹽還原體系代謝產生的多環芳烴降解產物的可溶性比有氧條件下高出10000倍[11]。這些現象表明硝酸鹽還原體系比好氧降解多環芳烴有更高的降解效率和降解效果。然而以硝酸鹽為電子受體的微生物降解主要集中在低分子量多環芳烴上，高分子量多環芳烴的降解仍需要進一步研究。硝酸鹽還原反應體系的基本步驟如圖 2所示。

3.2硫酸鹽還原體系

硫酸鹽在自然環境特別是海洋沉積物中含量豐富，因此，研究硫酸鹽還原對海洋沉積物中多環芳烴的降解至關重要。硫酸鹽還原條件下，對厭氧微生物降解多環芳烴的可行性展開了諸多研究。Kraig[12]的研究發現，以硝酸鹽為電子受體時，并沒有增強多環芳烴的降解效果，但以硫酸鹽為電子受體時，微生物對多環芳烴的降解效率大大提高。Chang[13]在報道中還指出，即使在硝酸鹽還原電位遠遠高于硫酸鹽還原電位的情況下，多環芳烴的降解速率在硫酸鹽還原條件下[0.14～0.586/（L·d）]仍是硝酸鹽還原條件下[0.005～0.083/（L·d）]的10倍。Zhang和Rabus[14，15]提出，硫酸鹽還原與好氧降解相比，降解多環芳烴產生的中間產物更簡單、毒性更小、分解更完全，最終的代謝產物均為H2O和CO2。硫酸鹽還原反應體系的基本步驟如圖3所示[16]。

3.3鐵（Ⅲ）還原體系

目前將金屬離子作為電子受體的報道較少，主要集中在Fe（Ⅲ）的研究上。鐵還原是處理地下水污染、垃圾填埋場和缺氧沉積物中多環芳烴污染的關鍵過程。

Umakanth[17] 的報道指出，在地下環境中，還原鐵起到了重要作用。其分離的菌株UKTL是可降解芳香烴的

產芽孢厭氧鐵還原菌，附屬于Desulfitobacterium屬。Li等人[18]的研究表明，添加Fe（Ⅲ）有助于芳香烴的降解，而且在降解單芳三環二萜烴和多環芳烴中起著舉足輕重的作用。Yan 等[19]研究發現，向太湖底泥中添加額外的氫氧化鐵240 d后，厭氧微生物對菲和芘的最大降解率約可達到99% 和94%。還有人提出檸檬酸鐵相對于磷酸鐵而言更有助于微生物降解多環芳烴，但具體原因并不清楚，需要進一步研究。這也說明，鐵還原條件下的微生物降解效果與添加的Fe（Ⅲ）的形式密切相關。endprint

3.4其它氧化還原體系

在某些情況下，錳（Ⅱ）、二氧化碳和碳酸鹽均可作為微生物的電子受體降解沉積物中的有機化合物。此外，產甲烷還原體系也是另一種多環芳烴的降解體系，多分布在高有機碳負荷的環境中，且具有良好的多環芳烴降解能力[20]。

4展望

近年來微生物降解多環芳烴的研究廣泛，但與好氧代謝研究相比厭氧降解多環芳烴降解機理的研究仍不完善，如高分子量多環芳烴的厭氧降解途徑或在不同還原條件下不同類型多環芳烴的分解代謝等仍需深入研究。隨著分子生物學技術的飛速發展，全新的代謝組學研究手段為闡明多環芳烴的代謝通路提供了新的思路。

（1） 采用宏基因組學測序方法尋找多環芳烴厭氧代謝過程中的關鍵酶，推測多環芳烴厭氧代謝中的關鍵步驟并進行分子調控。

（2） 結合宏轉錄組學研究方法確認多環芳烴代謝過程中中間產物的化學結構，推測多環芳烴的降解途徑，進而拼接相對完整的代謝通路。

（3） 多環芳烴的污染修復過程中，應充分考慮不同電子受體不同還原體系的降解效率，篩選最佳反應體系進行實際修復。

2017年8月綠色科技第16期

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Anaerobic Biodegradation Reaction System ofPolycyclic Aromatic Hydrocarbons

Qi Xiaohui， Cao Xuejie， Yan Jianfang

（College of Life Sciences， Dalian Nationalities University， Dalian， Liaoning 116600， China）

Abstract： Polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs） is one kind of representative priority organic pollutants in the environment. The increased threaten on ecosystem and public health of PAHs raised peoples' concern about its pollution remediation. Biodegradation is an effective process of removing PAHs which characterized by low cost， high effectiveness and environment kindness. In this article， thepathway of anaerobic biodegradation of PAHs and main

reduction reaction systems were summarized with an aim to facilitate the management of PAHs pollution.

Key words： PAHs； biodegradation； pollution remediationendprint