鄰苯二甲酸酯類塑化劑的生物降解研究進展

劉斌 張紅艷 張松

摘要：

塑化劑，作為塑料的重要組成成分被廣泛的添加到塑料產品中以提高產品的柔韌性與耐久性。鄰苯二甲酸酯類塑化劑作為使用最廣、用量最大的塑化劑，其重要工業價值得到廣泛認可，同時，其對人體健康及生態環境安全的威脅也受到廣泛關注。作為污染物在環境中降解的主要方式之一，微生物降解以其高效、安全且無二次污染的特點而備受關注。本文對目前鄰苯二甲酸酯類塑化劑的生物降解研究進展進行綜述，主要涉及降解微生物，降解途徑及相關分子機制，以期為鄰苯二甲酸酯類塑化劑微生物降解的研究提供重要參考。

關鍵詞：

塑化劑；鄰苯二甲酸酯；生物降解；代謝途徑；酯酶

中圖分類號：S-3

文獻標識碼：A

DOI：1019754/jnyyjs20190315002

自塑化劑被應用于工業生產，數以千計的化合物被篩選以獲得在可塑性、成本、可獲得性以及環境安全性等方面表現良好的塑化劑，其中只有少數得以商業應用，包括鄰苯二甲酸酯累（Phthalic acid esters， PAEs），對苯二甲酸酯（Terephthalates），環氧樹脂（Epoxies），雙酚類（Bisphenols）。每年約有800萬t的塑化劑被使用，且其中的絕大多數被用于聚氯乙烯制品中（Polyvinyl chloride， PVC），同時也被用于建材、醫藥、線纜、顏料添加劑、粘合劑、化妝品等[1]。在眾多的塑化劑中，鄰苯二甲酸酯類的全球使用量最大（2014年全球使用量約840萬t），占全球使用量的70%，且以鄰苯二甲酸二（2-乙基）己酯（Di-（2-ethylhexyl） phthalate，DEHP）所占比例最大（約占371%，即每年超過300萬t）。在鄰苯二甲酸酯類塑化劑大量使用的同時，其對人體健康和生態環境安全的威脅受到了廣泛的關注，大量相關毒理學實驗被開展，其毒性得到了深入、系統的闡明；由于鄰苯二甲酸酯類塑化劑本身并非直接與塑料多聚體直接連接，導致鄰苯二甲酸酯類塑化劑在使用的過程中很容易釋放到環境中，這使得此類塑化劑在不同環境中被普遍檢測到[2]。因此，鄰苯二甲酸酯類塑化劑在環境中的出現、遷移以及最終歸趨受到了廣泛關注，其環境降解/轉化是關注熱點之一。微生物降解，作為環境污染物降解的主要方式，在過去的40a中得到了深入研究，本文就鄰苯二甲酸酯類塑化劑近年來的研究進展進行綜述，主要涉及降解菌的分離、代謝途徑、相關分子機制等，以期為鄰苯二甲酸酯塑化劑的降解研究提供理論參考。

1鄰苯二甲酸酯類降解菌

鄰苯二甲酸酯類塑化劑于20世紀20年代被開發、生產，20世紀30年代進行工業化應用，經過長期的使用及環境釋放，大量可降解鄰苯二甲酸酯類的微生物菌株被分離報道。這些菌株同時包括革蘭氏陽性和陰性細菌，也包括少量的真菌和酵母。表1中列舉了部分具有代表性的鄰苯二甲酸酯類降解菌，其中，假單胞菌屬（Pseudomonas）、戈登氏菌屬（Gordonia）、紅球菌屬（Rhodococcus）和鞘氨醇單胞菌（Sphingomonas）為具有代表性的典型菌屬。

盡管已有較多的鄰苯二甲酸酯類降解菌被分離，但是菌株的降解性能及環境適應性等表現各有不同。有的菌株具有將鄰苯二甲酸酯類水解為鄰苯二甲酸的能力，但是不能將鄰苯二甲酸進一步利用，如Gordonia sp. JDC-2，可通過鄰苯二甲酸單辛酯將鄰苯二甲酸二辛酯轉化為鄰苯二甲酸，但不能利用鄰苯二甲酸進行生長[3]。同時，在環境適應性上菌株的表現也具有較大差異，但總體而言，已報道的菌株對環境的適應性均相對良好。但依然有較多問題亟待解決，包括：已報道菌株在實際修復中的應用報道相對較少；惡劣（高鹽、極端pH、極端溫度、多種污染物同時存在等）條件下降解情況報道較少；低濃度情況下的降解（較多研究關注高濃度耐受）等等。

2鄰苯二甲酸酯的微生物代謝途徑

對于物質代謝途徑的提出，主要依賴于代謝中間產物的檢測，同時，代謝途徑受物質自身理化性質的影響。就鄰苯二甲酸酯的一般代謝途徑而言，主要可以分為兩個步驟，即2個酯鍵的水解，鄰苯二甲酸的利用，同時也可能涉及具有較長的側鏈基團的氧化縮短。就鄰苯二甲酸酯2個酯鍵的水解而言，在有氧和厭氧菌株中并無明顯差異，而鄰苯二甲酸的代謝則在有氧和厭氧菌株中存在顯著差異。在有氧的情況下，鄰苯二甲酸首先被轉化為原兒茶酸，接著原兒茶酸在雙加氧酶的作用下被開環，進一步利用；鄰苯二甲酸在厭氧條件下轉化的過程報道相對較少，目前已知鄰苯二甲酸可以被轉化為苯甲酸，苯甲酸進一步被轉化為己二酸。

作為酯鍵水解后的重要代謝中間產物，鄰苯二甲酸有的時候不能被微生物所利用，進而導致微生物的生長受到限制，但鄰苯二甲酸相對于鄰苯二甲酸酯的毒性大大降低，從而達到了脫毒的目的；可以通過2種或者2種以上微生物的共同作用，實現對鄰苯二甲酸酯的徹底降解，即一種特定微生物將鄰苯二甲酸酯的酯鍵水解，另一種微生物將鄰苯二甲酸轉化利用同時為前者提供能源物質，如Gordonia sp. JDC-2和Arthrobacter sp. JDC-32可通過協同作用實現對鄰苯二甲酸二辛酯的徹底降解[3]。

3鄰苯二甲酸酯降解相關酶與分子機制

針對鄰苯二甲酸酯代謝的分子機制，同樣可以根據代謝途徑分為2個過程，即實現2個酯鍵水解的關鍵酯酶，代謝中間產物鄰苯二甲酸的利用。其中，鄰苯二甲酸的代謝相關基因已經被大量報道，因此我們在這里不進行過多的討論。一般情況下，一種酯酶可作用于鄰苯二甲酸酯，將其中的一個酯鍵水解產生鄰苯二甲酸單酯，另一種酯酶在進一步作用于鄰苯二甲酸單酯生成鄰苯二甲酸。而已報道可水解鄰苯二甲酸酯中2個酯鍵的相關酶并不多（總計14個），其中有8個可作用于第1個酯鍵，5個可作用于第2個酯鍵，僅有1個酯酶可同時作用于2個酯鍵。Ren等對這些酯酶進行總結，確定了所有的這些酯酶屬于酯酶8個家族中的4個家族，同時還包含一個未知家族[11]。

4菌株的實際應用

分離獲得的污染物降解菌，通過相關分子機制研究闡明了物質在環境中轉化的途徑，為環境污染的修復與工業廢水處理等提供了新的方法。生物修復主要指通過生物降解的途徑對環境污染物進行轉化從而達到將污染物從環境中去除或脫毒的方法。對于鄰苯二甲酸酯降解菌的實際應用報道相對較少，且多是停留在實驗室階段的模擬修復，如鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯降解菌Rhodococcus sp. WJ4就被應用于人工合成的污染土壤修復，且表現出較好的修復效果，同時土壤的水解酶活性也得到顯著提高[9]。同時，對Mycobacterium sp. YC-RL4的研究發現，菌株在降解鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯的過程中，細菌自身的細胞表面親疏水性改變，從而實現對疏水性污染物更好的吸收[10]。

5機遇與挑戰并在

盡管已有較多的鄰苯二甲酸酯降解菌被分離報道，但是需要指出的是，鄰苯二甲酸酯在環境中轉化的分子機制認識尚不足，相關的酶報道依然較少；菌株在實際應用中的報道依舊很少。因此，要通過不斷的分離獲得新菌株來豐富降解菌資源，要對已獲得的降解菌進行深入研究，闡明相關分子機制并探索菌株的實際應用，從而實現理論研究與應用研究的進一步深入并更好的服務社會發展與建設。

參考文獻

[1]

Net S， Sempéré R， Delmont A， Paluselli A， Ouddane B. Occurrence， fate， behavior and ecotoxicological state of phthalates in different environmental matrices [J]. Environmental Science and Technology， 2015， 49（7）： 4019-4035.

[2] Sayyad G， Price GW， Sharifi M， Khosravi K. Fate and transport modeling of phthalate esters from biosolid amended soil under corn cultivation [J]. Journal of Hazardous Materials， 2017（323）： 264-273.