微生物降解土壤中多环芳烃的途径和影响因素

靳家齐

（河南大学迈阿密学院 河南·开封 475004）

0 引言

多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs)是指具有2个及2个以上苯环以线性或簇聚等方式结合形成的有化合物。美国国家环境保护局所公布的优先控制污染物中有16种多环芳烃，其中有致癌可能的PHAs有7种。PHAs是工业生产中常见的污染物。在北京某工业场地的130个土壤样本的分析中，煤炭燃烧源和冶炼源对PAHs平均含量的加和贡献率为99.07%，PAHs含量大于污染临界值0.2 mg/kg。同时，由于其具有较稳定的化学结构，较强的疏水性和生物蓄积性，PAHs在环境中往往难以降解，且容易在土壤和生物体中积累。

微生物修复治理土壤PHAs污染的主要手段。因为其相比于物理和化学修复，微生物修复具有低成本、耗能小、绿色环保等优势，被认为是经济环保的修复技术。对此，本文总结归纳了土壤中不同类PHAs的降解菌的菌属、降解机理以及影响降解的因素，旨在进一步为PAHs土壤污染的微生物修复研究的提供思路与深入点。

1 微生物降解PAHs的途径

一般来说，多环芳烃的降解的难度随苯环数量的增加而增大，高环PAHs（如芘和苯并芘等）的降解过程往往涉及到多种微生物的协作，而且降解难度大。微生物在降解高环PAHs的过程中，往往首先将其拆解为低环，然后再采用降解低环PAHs的方式实现完全矿化。

1.1 萘的降解途径

萘是分子量最小的多环芳烃。由于其结构简单，其降解难度比相比其他分子量较大的PAHs低，降解途径单一，常被当作生物降解的典型PAHs来研究。

萘的降解途径相对比较单一。首先通过萘双加氧酶的作用形成顺式二氢萘，然后通过萘双脱氢酶的作用形成 1，2二羟基萘，随后经过一系列多种催化反应形成水杨酸。对于水杨酸存在两种转化形式，一种为脱羧形成邻苯二酚。邻苯二酚进入TCA循环进一步氧化。最后，苯环完全降解为二氧化碳和水。另一种为羟基化形成龙胆酸，最终实现开环降解。

1.2 菲的降解途径

菲是三环PAHs，是致癌PAHs的最小单元。它由“湾”区和“K”区，这与PAHs的其他衍生物类似，具有中等致癌性。因为其特殊的危害性，菲成为了研究PAHs中最常见的化合物。

菲的降解途径主要为两种:第一种是水杨酸途径，这与萘的降解途径较为相似，因为水杨酸也是萘的降解产物。第二种是邻苯二甲酸途径。首先，在双加氧酶的作用下，菲被转化为成顺-3，4-二氢二羟基菲，再开环形成1-羟基-2-萘甲酸。之后的降解过程分为两条途径。其一是先前提到的水杨酸路线，其二是邻苯二甲酸路线。可以单独降解萘和菲的菌株能通过水杨酸途径进行对1-羟基-2-萘甲酸进行降解。而对于其他菌株，则通过邻苯二甲酸途径进行降解，即通过相关酶先前产物催化为1，2-二羟萘，随后进一步开环进入到TCA循环生成水和二氧化碳。

1.3 芘降解的途径

以芘作为唯一碳源进而实现完全降解的PAHs的细菌很少，需要多次的筛选和驯化或者添加额外碳源才能获得。

芘首先在在双氧加氢酶的作用下转化为顺式-4，5-二氢二醇芘，随后被水解为反式-4，5-二氢二醇芘。经过一系列酶促反应开环生成4-羧基菲，然后脱羧生成3，4-二羟基菲，进一步转化为萘的酚类衍生物，再裂解为苯的各种酸性衍生物，最后进入TCA循环。

1.4 苯并[a]芘降解的途径

苯并[a]芘是一种典型的高环PAHs。大量研究表明，几乎没有细菌可以将苯并[a]芘作为唯一的碳源，其降解往往需要多种微生物的协作来共同完成。

微生物可以从不同化学键的位点来进攻苯并[a]芘，以完成第一个开环。苯并[a]芘的分解会因初始开环点位的不同而形成三种降解途径。途径名称以其初始产物来命名，分别为芘的酸性化合物途径，屈的酸性化合物途径和环氧化物途径。以两种酸性化合物途径为例，在双加氧酶和脱氢酶的共同作用下，苯并芘转化为顺－二醇化合物，随后在一系列的酶促反应中苯环断裂，进而生成芘的和屈的酸性化合物。

2 微生物降解PAHs的影响因素

微生物的种类及所处土壤环境的温度、湿度、PH值等均对有机污染物的降解有影响。但作为微生物新陈代谢基本条件，这些因素在降解PAHs中代表性不强。在实际污染治理中会有很多其他因素的影响。

2.1 共代谢营养物

共代谢营养物可以为细胞提供较PAHs更容易摄取的碳源，并促进降解PAHs关键酶的大量产生。常见的营养物有葡萄糖、蔗糖、果糖、蛋白胨、苹果酸和乳酸等等。尤其是在微生物在降解高环多环芳烃的过程中，会因为环境中的共代谢产物较少，导致降解途下降甚至停止，造成中间产物的大量积累。在一项海洋微生物BAP5菌株降解PAHs的研究中，在30天的培养后，以水杨酸作为单独共代谢物的组中，BAP5的降解受到了抑制，而在荧蒽组的PAHs降解率从25.20%提高到了51.27%。王慧等发现蛋白胨可以显著提高Thalassospira sp.耐盐菌对于20mg/L芘的降解速度的，但是酵母粉对其影响甚微。

2.2 表面活性剂

表面活性剂可以降低液体的表面张力，从而提高PAHs的溶解度，已达到提高其降解率的目的。常见的表面活性剂有：非离子、离子、混合型和生物表面活性。其中混合型表面活性剂因为抗干扰能力强而被广泛应用。袁影影等在对比多种表面活性剂对PAHs降解的影响中发现，微乳液淋洗剂对PAHs的去除率最高，为89.7%，但是微生物对该试剂的耐受性没有清楚的研究说明。杨伦等研究指出虽然低于100mg/L的皂角苷会对假单胞菌的生长起到抑制作用，但是该菌可高效降解溶液中的菲，降解率为77.9%。在欧阳科等的实验中，在250 g/mL分别加入十二烷基磺酸钠、吐温-20及不加试剂的三种情况下，在6天的生物降解后，分别降解了50.4，111.3和36 g/mL。从其中不难看出表面活性剂的对降解的促进作用。

2.3 植物-微生物联合修复

不少种类的植物和微生物在消除PAHs污染中存在紧密的协作关系，如苜蓿、紫茉莉、紫松果菊和翅碱蓬等。其一、植物根系分泌的营养物促进微生物的生长和繁殖。其二、在厌氧环境下，植物能在提供一定量的电子受体，进而加速降解菌对多环芳烃的消除。赵媛媛等的实验表明相比植物和菌群的单独作用，PAHs降解菌群与植物紫茉莉协同修复可以显著提高芘的降解速率，修复 90天后芘污染土壤的降解率高达81.1%。谢晓梅等的实验表明黑麦草的根系分泌物可改变土壤微生物的群落结构，随着根系分泌物浓度的提高，芘污染土壤中的革兰氏阴性菌的数量明显增加。此外，当根系分泌物浓度为32.75 mg TOC·kg-1处理时，催化PAHs脱氢反应的胞内酶——脱氢酶达到了最佳的激活效果。

3 展望

近年来，随着对各类PAHs的降解途径和影响因素研究的不断深入，PAHs污染的微生物修复已经形成一套较为完整的系统，但是在以下方面仍有完善之处研究的空间。（1）高环PAHs的降解途径通常涉及到多个菌群的协作，其中对具体中间产物、相关酶的作用以及微生物群落中协作关系的研究较少。（2）PAHs好氧降解因效率高，研究也比较全面。然而对于厌氧降解、特别是高环PAHs的厌氧降解的研究缺乏，其降解的可行性有待进一步确认。（3）表面活性剂种类和浓度对微生物的抑制作用的机理目前不是十分清楚，针对不同菌种降解的最适宜的浓度有待确认。（4）植物-微生物联合修复在较为复杂的自然环境中，比如盐分含量高的干旱土壤中，往往难以实施。针对不同环境的联合修复手段有待进一步完善。