真菌降解環境中有毒芳香化合物的研究進展

王晶晶，李 為，徐 昀

(合肥師范學院生命科學學院，安徽合肥 241000)

芳香化合物(Aromatic compounds)通常指一類結構中具有苯環的化合物，因性質多樣、種類繁多、化學性質穩定，在人類的生活和生產等各方面都發揮重要作用，如可以用作有機溶劑、染料、前體加工食品、醫藥、聚合物等。它們是一類難降解的有機污染物，在環境中持久滯留并可生物富集。不同種類的芳香化合物分別參與了微生物細胞個體或群體的信號傳遞、生長發育和代謝等生理過程，對環境中微生物的生命活動具有普遍影響。芳香化合物可通過多種途徑進入外界環境，不僅對自然界造成污染較大，而且嚴重影響人類健康，所以開發出高效的、環境友好型的降解芳香化合物的方法和途徑已受到越來越多的關注[1-2]。

真菌，無論是單獨作用還是和細菌或植物共同作用，其都是生物技術來修復污染的土壤、水和空氣的重要組成部分。至目前為止，真菌的生物修復并不都是成功案例，因為它往往忽視自身的生態要求，利用一些有機體與細菌競爭生存在污染菌環境中。因此，真菌在生物修復和廢物處理中的潛在用途沒有受到足夠的關注。水生和陸地棲息的真菌長期暴露于人為釋放的化學物質的環境中，其以腐生菌、酵母、地衣共生物和菌根共同作用形成植物的根部，它們也能夠彼此聯系形成內生菌根和外生菌根，進而改變土壤的結構、理化性質以及植物的生長[3]。筆者歸納總結了目前已分離到的可降解有毒芳香化合物的真菌和種屬，重點探討了其降解有毒芳香化合物的內在機理，以期進一步理解真菌參與的疾病發育機制，并為新型治療方法的建立提供參考。

1　參與芳香化合物代謝的真菌

1.1子囊菌子囊菌是水生和陸生環境中最大的真菌類群，約占真菌數量的64%，其中分布最廣的是盤菌亞門，其可以降解環境中的有機污染物[4]。例如，著色芽生菌(Cladophialophora)和外瓶霉(Exophiala)可以吸收甲苯[5]；曲霉屬(Aspergillus)和青霉菌(Penicilliumspp.)可以降解脂肪烴、氯代酚、多環芳烴、農藥、合成染料和三硝基甲苯等[3,6-8]；冬蟲夏草(Cordyceps)、鐮刀霉(Fusarium)、假阿利什霉菌(Pseudallescheriaspp.)可以降解二惡英[6,9]；除子囊菌亞門(Pezizomycotina)以外，莖點霉屬(Phomaspp.)能夠降解多環芳烴、農藥和預合成染料[3,10-12]。

1.2擔子菌擔子菌約占真菌數量的34%，主要棲息于陸地環境，很少分布于水生生境中[4]。傘菌亞門(Agaricomycotina)可利用非特異性、氧化木質素和纖維素的胞外氧化酶礦化許多有機化合物[13]。例如，木生白腐真菌的白腐菌(Phanerochaetechrysosporium)、平菇(Pleurotusspp.)和栓菌屬(Trametesspp.)可以礦化各種氯芳烴、多環芳烴和三硝基甲苯[3,8,14-15]。棲息于土壤中的擔子菌如田頭菇屬(Agrocybespp.)、大球蓋菇屬(Strophariaspp.)也具有礦化有機污染物的能力。雖然褐腐菌礦化環境化學物質并不常見，但是密粘褶菌(Gloeophyllumspp.)也具有礦化氯酚類和氟喹諾酮類抗生素的能力[15-16]。擔子菌柄銹菌亞門(Pucciniomycotina)中，屬于絲孢酵母的紅酵母屬(Rhodotorula)可代謝甲酚、原油成分、多環芳烴等，而其他屬僅可降解原油和二苯并噻吩。此外，毛霉亞門(Mucoromycotina)數量不及真菌的1%，其中毛霉(Cunninghamella)和根霉屬(Rhizopus)均可降解多環芳烴、農藥、紡織染料和三硝基甲苯等有機污染物[3,6,8]。

2　真菌對芳香化合物的降解途徑

結構簡單的芳香化合物一般是在單加氧酶的作用下，在苯環上引入一個羥基，形成鄰苯二酚或其衍生物后，再在雙加氧酶的作用下通過裂解反應開環，形成直鏈羧酸類化合物，然后逐步氧化并最終進入三羧酸循環途徑(Three carboxylic acid cycle, TCA)的基礎代謝中，氧化成二氧化碳和水[17]。研究發現，分子量較高的芳香化合物由于其結構的復雜性及較低的溶解度，難以被微生物直接降解，如菲、蒽、萘等多環芳烴降解速率隨著所含碳原子數量的增加而越來越低[17-19]。而對于一些結構較為簡單、分子量較小的芳香類化合物，如四環以內的芳香烴，其可以作為許多微生物的唯一的碳源或能源被加以利用，進而最終完全被礦化[17]。

一般來說，真菌對三環以上的多環芳烴通過共代謝的方式將其降解。近年來，對多環芳烴的代謝途徑研究比較清楚的只有一些結構較為簡單、分子量較低的芳香類化合物，其降解取決于芳香烴化學結構的復雜性和降解酶特性，芳香烴的溶解性越低、苯環數目越高越難被降解，除此之外還與芳香烴的取代基及其位置等因素有關，而且不同種類的微生物對多環芳烴的降解機制也有很大的差異[20-21]。萘是結構最簡單的多環芳烴，其生物降解途徑主要包括：首先，雙加氧酶將其氧化形成順式二羥基萘；隨后，在脫氫酶和雙加氧酶的作用下，形成水楊酸和鄰苯二酚，最終形成TCA的中間物進入有氧代謝途徑[17,22]。而四環以上、結構復雜的多環芳烴的生物降解機理還正處于研究階段。

3　真菌降解有毒物質的作用機制

研究表明，真菌一般是通過分泌胞外以及胞內產生的解毒酶來降解復雜的芳香化合物，如細胞色素單加氧酶P450、木質素氧化酶等[3]。許多真菌代謝的酶類特異性較低，這使得它們可以代謝一些屬于不同的污染物類別、結構不同的化合物，如黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)既可以降解苯、甲苯、乙苯和二甲苯等化合物，也可以降解含氮元素的硝基芳烴和雜環炸藥(TNT和RDX)，以及一些有機氯(氯酚、多氯聯苯、PCDDs等)、多環芳烴、農藥、合成染料、合成聚合物等種類繁多的化合物[23-25]。然而，大多有機污染物都具有苯環，即屬于芳香族類的化合物，其化學性質穩定，在環境中持久滯留并可生物富集。真菌細胞為了應對外界有毒的芳香化合物、提高自身的生存能力，主要通過體外分泌多種胞外酶，如漆酶、木質素過氧化物酶等木質素降解酶，以及體內合成大量的氧化酶來降解這些有毒的化合物，這可能是迫于氧化壓力的一種保護機制[3,26-27]。

4　真菌降解芳香化合物的主要酶系

4.1胞內氧化酶許多真菌的胞內酶可以參與化合物的分解，如胞內的細胞色素P450氧化酶(Cytochrome P450 proteins, CYP)、苯酚-2-單加氧酶、硝基還原酶等[28-29]。細胞色素P450普遍存在于真菌的細胞壁結構中，如子囊菌、擔子菌、壺菌等，具有催化環氧化、對大量污染物的芳香環或脂肪鏈進行羥基化處理的能力，較為突出的例子是對多環芳烴和二惡英在體內的降解[28-29]。苯酚-2-單加氧酶多分布于子囊菌亞門和擔子菌亞門中，可將不同酚類化合物的羥基氧化成對應的鄰苯二酚，對進入胞內的化合物進行氧化降解[30]。

此外，真菌胞內代謝酶的數量較多，如細胞色素P450在胞內一般存在多個基因編碼，這使得真菌木質素降解菌的類型更為多樣化，有助于大量地進行有機物質的代謝，如真菌中的細胞色素P450可以發起對二惡英、壬基酚和多環芳烴等不同外源有機物的代謝。初級代謝可能產生羥基化的代謝產物，如初級代謝產物氯酚在下一步代謝受阻的情況下不斷富集，可能會形成非生物氧化偶聯現象。然而，初級代謝產物也可以進行下一步的代謝，直到礦化完成。如果隨后的降解受到阻礙，也可能導致在不同氧化階段代謝物的過量分泌[29-31]。

4.2木質素氧化酶系自1934年首次發現降解木質素的微生物種群，人們對木質素的生物降解進行了大量的研究。真菌可利用向胞外分泌相對非特異活性的氧化還原酶來降解有機化合物，這些酶可能參與了木質纖維素的生長、解聚和木質素及其衍生物腐殖物質的去除等[32]。木質素酶即降解為其中的一種，它對木質纖維素的降解主要通過如下4種酶系來完成：木質素過氧化物酶(Lignin peroxidase，LiP)、錳過氧化物酶(Manganese peroxidase，MnP)、多功能過氧化物酶(Versatile peroxidase，VP)、漆酶(Laccase)等[33-34]。這幾種酶作為同一酶系，彼此相互協同，有時卻又分工明確，如在P.chrysosporium菌中，對于木質素起到降解作用的只有LiP和MnP，而在Tramete sp AH28-2中只有漆酶具有活性[32]。不同真菌中發揮作用的木質素降解酶不同，這是否與所處環境導致的作用機制不同有關，目前并沒有相關報道。

進一步研究發現，細胞色素P450參與抗炎藥、脂質監管、抗癲癇及抗鎮痛藥物、二苯醚類除草劑等的真菌代謝過程。當某些真菌缺乏胞外氧化酶時，細胞色素P450有助于提高真菌分解的多樣性，例如，它們使雅致小克銀漢霉(Cunninghamella elegants)氧化具有2～5環的多環芳烴[3,35]。因而，胞外和胞內均可產生對有毒芳香化合物進行降解的代謝酶，但當菌體處于有毒污染物的環境下，胞外和胞內的代謝酶是處于相互競爭狀態還是彼此協助共同代謝的狀態目前并沒有相關報道。現有的研究表明，這可能與菌體所處的具體環境有關，不同條件的環境下，胞外或胞內降解酶表達水平的高低決定它們采取的降解途徑。

5　展望

大量研究已證實，真菌獨特的生長環境和自身構造使得它們在降解環境有毒污染物方面具有重要作用，其對環境中芳香化合物的生物降解和代謝是重要的微生物生態過程，了解這些過程中真菌的作用機制有助于理解真菌參與的疾病發育機制，并為新型治療方法的建立提供參考，同時可以為新型生物技術方法的開發提供理論依據。然而，真菌要應用于環境治理還有許多問題需要研究與解決，如其在降解過程中酶的種類，以及其降解有毒芳香化合物的機理等有待更進一步的研究證實。

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