微生物降解土壤中多環芳烴的途徑和影響因素

靳家齊

（河南大學邁阿密學院 河南·開封 475004）

0 引言

多環芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs)是指具有2個及2個以上苯環以線性或簇聚等方式結合形成的有化合物。美國國家環境保護局所公布的優先控制污染物中有16種多環芳烴，其中有致癌可能的PHAs有7種。PHAs是工業生產中常見的污染物。在北京某工業場地的130個土壤樣本的分析中，煤炭燃燒源和冶煉源對PAHs平均含量的加和貢獻率為99.07%，PAHs含量大于污染臨界值0.2 mg/kg。同時，由于其具有較穩定的化學結構，較強的疏水性和生物蓄積性，PAHs在環境中往往難以降解，且容易在土壤和生物體中積累。

微生物修復治理土壤PHAs污染的主要手段。因為其相比于物理和化學修復，微生物修復具有低成本、耗能小、綠色環保等優勢，被認為是經濟環保的修復技術。對此，本文總結歸納了土壤中不同類PHAs的降解菌的菌屬、降解機理以及影響降解的因素，旨在進一步為PAHs土壤污染的微生物修復研究的提供思路與深入點。

1 微生物降解PAHs的途徑

一般來說，多環芳烴的降解的難度隨苯環數量的增加而增大，高環PAHs（如芘和苯并芘等）的降解過程往往涉及到多種微生物的協作，而且降解難度大。微生物在降解高環PAHs的過程中，往往首先將其拆解為低環，然后再采用降解低環PAHs的方式實現完全礦化。

1.1 萘的降解途徑

萘是分子量最小的多環芳烴。由于其結構簡單，其降解難度比相比其他分子量較大的PAHs低，降解途徑單一，常被當作生物降解的典型PAHs來研究。

萘的降解途徑相對比較單一。首先通過萘雙加氧酶的作用形成順式二氫萘，然后通過萘雙脫氫酶的作用形成 1，2二羥基萘，隨后經過一系列多種催化反應形成水楊酸。對于水楊酸存在兩種轉化形式，一種為脫羧形成鄰苯二酚。鄰苯二酚進入TCA循環進一步氧化。最后，苯環完全降解為二氧化碳和水。另一種為羥基化形成龍膽酸，最終實現開環降解。

1.2 菲的降解途徑

菲是三環PAHs，是致癌PAHs的最小單元。它由“灣”區和“K”區，這與PAHs的其他衍生物類似，具有中等致癌性。因為其特殊的危害性，菲成為了研究PAHs中最常見的化合物。

菲的降解途徑主要為兩種:第一種是水楊酸途徑，這與萘的降解途徑較為相似，因為水楊酸也是萘的降解產物。第二種是鄰苯二甲酸途徑。首先，在雙加氧酶的作用下，菲被轉化為成順-3，4-二氫二羥基菲，再開環形成1-羥基-2-萘甲酸。之后的降解過程分為兩條途徑。其一是先前提到的水楊酸路線，其二是鄰苯二甲酸路線。可以單獨降解萘和菲的菌株能通過水楊酸途徑進行對1-羥基-2-萘甲酸進行降解。而對于其他菌株，則通過鄰苯二甲酸途徑進行降解，即通過相關酶先前產物催化為1，2-二羥萘，隨后進一步開環進入到TCA循環生成水和二氧化碳。

1.3 芘降解的途徑

以芘作為唯一碳源進而實現完全降解的PAHs的細菌很少，需要多次的篩選和馴化或者添加額外碳源才能獲得。

芘首先在在雙氧加氫酶的作用下轉化為順式-4，5-二氫二醇芘，隨后被水解為反式-4，5-二氫二醇芘。經過一系列酶促反應開環生成4-羧基菲，然后脫羧生成3，4-二羥基菲，進一步轉化為萘的酚類衍生物，再裂解為苯的各種酸性衍生物，最后進入TCA循環。

1.4 苯并[a]芘降解的途徑

苯并[a]芘是一種典型的高環PAHs。大量研究表明，幾乎沒有細菌可以將苯并[a]芘作為唯一的碳源，其降解往往需要多種微生物的協作來共同完成。

微生物可以從不同化學鍵的位點來進攻苯并[a]芘，以完成第一個開環。苯并[a]芘的分解會因初始開環點位的不同而形成三種降解途徑。途徑名稱以其初始產物來命名，分別為芘的酸性化合物途徑，屈的酸性化合物途徑和環氧化物途徑。以兩種酸性化合物途徑為例，在雙加氧酶和脫氫酶的共同作用下，苯并芘轉化為順－二醇化合物，隨后在一系列的酶促反應中苯環斷裂，進而生成芘的和屈的酸性化合物。

2 微生物降解PAHs的影響因素

微生物的種類及所處土壤環境的溫度、濕度、PH值等均對有機污染物的降解有影響。但作為微生物新陳代謝基本條件，這些因素在降解PAHs中代表性不強。在實際污染治理中會有很多其他因素的影響。

2.1 共代謝營養物

共代謝營養物可以為細胞提供較PAHs更容易攝取的碳源，并促進降解PAHs關鍵酶的大量產生。常見的營養物有葡萄糖、蔗糖、果糖、蛋白胨、蘋果酸和乳酸等等。尤其是在微生物在降解高環多環芳烴的過程中，會因為環境中的共代謝產物較少，導致降解途下降甚至停止，造成中間產物的大量積累。在一項海洋微生物BAP5菌株降解PAHs的研究中，在30天的培養后，以水楊酸作為單獨共代謝物的組中，BAP5的降解受到了抑制，而在熒蒽組的PAHs降解率從25.20%提高到了51.27%。王慧等發現蛋白胨可以顯著提高Thalassospira sp.耐鹽菌對于20mg/L芘的降解速度的，但是酵母粉對其影響甚微。

2.2 表面活性劑

表面活性劑可以降低液體的表面張力，從而提高PAHs的溶解度，已達到提高其降解率的目的。常見的表面活性劑有：非離子、離子、混合型和生物表面活性。其中混合型表面活性劑因為抗干擾能力強而被廣泛應用。袁影影等在對比多種表面活性劑對PAHs降解的影響中發現，微乳液淋洗劑對PAHs的去除率最高，為89.7%，但是微生物對該試劑的耐受性沒有清楚的研究說明。楊倫等研究指出雖然低于100mg/L的皂角苷會對假單胞菌的生長起到抑制作用，但是該菌可高效降解溶液中的菲，降解率為77.9%。在歐陽科等的實驗中，在250 g/mL分別加入十二烷基磺酸鈉、吐溫-20及不加試劑的三種情況下，在6天的生物降解后，分別降解了50.4，111.3和36 g/mL。從其中不難看出表面活性劑的對降解的促進作用。

2.3 植物-微生物聯合修復

不少種類的植物和微生物在消除PAHs污染中存在緊密的協作關系，如苜蓿、紫茉莉、紫松果菊和翅堿蓬等。其一、植物根系分泌的營養物促進微生物的生長和繁殖。其二、在厭氧環境下，植物能在提供一定量的電子受體，進而加速降解菌對多環芳烴的消除。趙媛媛等的實驗表明相比植物和菌群的單獨作用，PAHs降解菌群與植物紫茉莉協同修復可以顯著提高芘的降解速率，修復 90天后芘污染土壤的降解率高達81.1%。謝曉梅等的實驗表明黑麥草的根系分泌物可改變土壤微生物的群落結構，隨著根系分泌物濃度的提高，芘污染土壤中的革蘭氏陰性菌的數量明顯增加。此外，當根系分泌物濃度為32.75 mg TOC·kg-1處理時，催化PAHs脫氫反應的胞內酶——脫氫酶達到了最佳的激活效果。

3 展望

近年來，隨著對各類PAHs的降解途徑和影響因素研究的不斷深入，PAHs污染的微生物修復已經形成一套較為完整的系統，但是在以下方面仍有完善之處研究的空間。（1）高環PAHs的降解途徑通常涉及到多個菌群的協作，其中對具體中間產物、相關酶的作用以及微生物群落中協作關系的研究較少。（2）PAHs好氧降解因效率高，研究也比較全面。然而對于厭氧降解、特別是高環PAHs的厭氧降解的研究缺乏，其降解的可行性有待進一步確認。（3）表面活性劑種類和濃度對微生物的抑制作用的機理目前不是十分清楚，針對不同菌種降解的最適宜的濃度有待確認。（4）植物-微生物聯合修復在較為復雜的自然環境中，比如鹽分含量高的干旱土壤中，往往難以實施。針對不同環境的聯合修復手段有待進一步完善。