關于微生物在環境治理方面的應用研究進展——以微嗜酸寡養單胞菌為例

廣西大學資源環境與材料學院 羅子健，梁小鳳

一、微嗜酸寡養單胞菌簡介

寡養單胞菌屬是需氧性革蘭氏陰性桿菌，棲息在海洋及陸地環境中，該菌屬能夠降解環境中典型污染物。微嗜酸寡養單胞菌（Stenotrophomonas acidaminiphila）最早于20002年從上流式厭氧污泥床的污泥中被分離鑒定出來（Assih et al.，2002）。研究表明，該菌種可降解敵草隆、丁草胺、氟蟲腈、多環芳烴、脂肪烴、藍藻毒素等，并具有有效去除重金屬的能力。

二、微嗜酸寡養單胞菌在環境中的應用

（一）降解除草劑

化學除草劑在全球廣泛使用，在農業生產中有著重要意義，但由于其具有的較高毒性和較為穩定的特性對環境產生了嚴重的污染。除草劑種類繁多，主要可分為有機磷類、二苯醚類和磺酰脲類等。微生物的分解代謝被認為是環境中除草劑降解的主要途徑。近幾十年來，關于微生物降解除草劑的報道越來越多。研究表明，微嗜酸寡養單胞菌可降解氟磺胺草醚、丁草胺和敵草隆等多種除草劑。

氟磺胺草醚屬于二苯醚類除草劑，在環境中殘留時間較長。研究發現，二苯醚類除草劑可以通過光降解、化學水解和生物降解的方式降解，微生物降解是其主要的降解途徑。張清明（2013）利用富集培養技術從山東某農藥廠活性污泥中篩選到1 株具有高效降解氟磺胺草醚能力的細菌，命名為BX3。經鑒定，菌株BX3 為微嗜酸寡養單胞菌。結果表明，該菌株可以氟磺胺草醚為唯一碳源生長。在氟磺胺草醚初始濃度為100 mg /L，培養溫度為30℃，pH 值為7的條件下，降解氟磺胺草醚的效率最佳，培養5 d后對氟磺胺草醚的降解率可達到80% 以上。

丁草胺為氯乙酰胺類除草劑，氯乙酰胺類除草劑是一類分子結構中含有氯乙酰胺基團的除草劑，主要有甲草胺和乙草胺等。氯乙酰胺類除草劑的微生物降解途徑主要有兩種：谷胱甘肽－共軛脫氯途徑和N－脫烷基氧化途徑。Dwivedi等（2010）通過富集培養從被除草劑污染的小麥根際土壤中分離出丁草胺降解細菌菌株JS-1，并鑒定為微嗜酸寡養單胞菌。菌株JS-1耐受丁草胺的最大濃度為3000mg/L。HPLC分析顯示，在含6mg/kg丁草胺的土壤培養20d后，土壤中的丁草胺幾乎完全消失。敵草隆屬于苯基脲類除草劑，主要用于去除谷類作物中的各種闊葉雜草。由于其相對較高的水溶性和較低的土壤吸附能力，苯基脲類除草劑及其代謝物可在不同水環境中被檢測出來。微生物降解苯基脲類除草劑可分為兩種途徑：第一種途徑是連續的N-去甲基化，尿素側鏈裂解和最后的苯環結構裂解；第二種途徑是將尿素側鏈直接水解成其苯胺衍生物。

Egea等（2017）在受敵草隆污染的甘蔗作物土壤中分離出400株能不同程度降解敵草隆的細菌。其中，大多數分離株培養5d后可降解10%至30%的敵草隆，而嗜酸寡養單胞菌菌株TD4.7降解效率最高，降解率為87%。該菌株的降解開始于一系列N-去甲基化反應，依次釋放3,4-二氯苯基甲基脲（DCPMU）及3,4—二氯苯基脲（DCPU），然后進行酰胺鍵裂解，產生3,4-二氯苯胺（3,4-DCA），而最終的3,4-DCA只有少部分被降解。

（二）降解殺蟲劑

同樣，農業殺蟲劑的廣泛使用也會對環境造成嚴重的危害，常見的農業殺蟲劑可分為有機氯類和有機磷類等。Uniyal等(2016)從受氟蟲腈污染土壤中的玉米根際區域分離出降解氟蟲腈的細菌并鑒定為微嗜酸寡養單胞菌。氟蟲腈屬于苯基吡唑類殺蟲劑，其在土壤中的半衰期差異很大，從3天到7個月不等。該菌株降解氟蟲腈的最佳條件為pH值為7.5，溫度35℃。在最佳條件下及含25mg/L的Dorn肉湯培養基中氟蟲腈的降解率為86.1%。GLC分析結果表明，氟蟲腈通過氧化，還原和水解反應分別降解形成砜、硫化物和酰胺。

（三）降解烴類有機物

隨著煤和石油在工業生產和交通運輸中的廣泛使用，多環芳烴在環境中的積累越來越嚴重威脅人類的健康。多環芳烴化學性質穩定，不易水解，但受紫外輻射易發生光化學反應。部分微生物可降解低分子量的多環芳烴，但通常不能徹底降解。Mangwani等從咸水瀉湖水樣中分離出可降解菲和芘的微嗜酸寡養單胞菌。實驗表明，在含有100mgL菲的Tris培養基中培養7d后，以浮游方式培養的菲降解率為38.7%，而以天然生物膜方式培養的降解率高達71.1%。與菲相比，芘的降解較慢，在含有100mgL芘的Tris培養基中培養7d后，浮游培養方式的降解率為29.7%，生物膜培養方式的降解率為40%，但其降解效率仍高于其他菌屬。TLC分析表明菲和芘代謝物中分別有較多的水楊酸和兒茶酚中間體的積累。Cerqueira等從受石油污染的土壤、工業廢水和含油污泥中通過考察石油烴類降解能力初步分離出20株擁有較強降解能力的菌株，并研究了這20株菌株對不同濃度含油污泥的耐受降解能力、生物表面活性劑分泌能力及部分相關酶的酶活性，選擇出5株最有潛力的菌株，其中一株為微嗜酸寡養單胞菌。

（四）其他污染物的去除

富營養化引起藻類的大量繁殖，除造成池體缺氧的問題以外，水華藻類可產生有毒化學物質, 對人們生產生活用水造成了極大的威脅。其中，微囊藻毒素毒性最大，出現范圍最廣。劉曉文等（2010）從太湖腐爛的水華中富集篩選出1株可降解微囊藻毒素的微嗜酸寡養單胞菌。實驗表明，該菌株5d內即可將15.4mgL的微囊藻毒素100%降解。孫璐璐等（2018）在活性污泥中分離培養一株好氧脫色的微嗜酸寡養單胞菌菌株，并將其應用于偶氮染料的生物降解和固定化研究。該菌在35℃、120r/min振蕩培養18h后對初始濃度為100mg/L的顏料23脫色率達到90%以上。另外，還研究了以質量分數為1.5%的海藻酸鈉溶液作為固定化載體，5%的FeCl3作為交聯劑并接種體積分數為4%的菌懸液制成固定化小球。結果顯示，在100ml濃度為100mg/L顏料23培養液中投入最佳投加量5g的固定化小球，培養18h后顏料23脫色率達到89%。另外，有研究顯示，部分微嗜酸寡養單胞菌株對重金屬有較高的耐受性及去除效率。Mangwani等人研究了微嗜酸寡養單胞菌株NCW-702形成的生物膜成分，發現這些細胞外聚合物存在著大量多糖、氨基酸、蛋白質和脂質物質。這些胞外聚合物通常可由靜電力吸附重金屬或與之螯合。進一步研究發現，菌株NCW-702可耐受不同濃度的各類重金屬。Manohari等從受重金屬Cu污染場地中的狗牙根根際土壤中分離出一株可耐受及去除Cu2+的微嗜酸寡養單胞菌菌株MYS1。該菌株可在Cu2+濃度高達600mg/L的肉湯培養液中良好生長。在pH值為5.0，溫度為32.5℃，Cu2+濃度為250mg/L的優化條件下，該菌株可獲得最快的生長（2.87μg/mg）及最高的Cu2+去除率（94.1%），其去除效率遠高于同類報道中的其他菌屬。

三、展望

近些年，研究人員從自然環境中篩選出越來越多的微嗜酸寡養單胞菌株，并應用于降解有機農藥、處理廢水及修復污染土壤等不同領域，顯示出該菌種在環境生物修復中具有較大潛力。隨著研究的不斷深入，降解機理將逐漸明晰，有利于該菌種進一步應用于實際生產。