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萘的微生物降解研究进展

发布时间:2020-04-17所属分类:农业论文浏览:1

摘 要: 摘要:萘是一类具有严重三致效应(致癌、致畸、致突变)的多环芳烃类有机化合物,严重威胁人类健康。萘的微生物降解由于具有操作简单、经济实用及不产生二次污染等优点,近年来成为治理萘污染的主要手段之一。对不同环境中筛选的萘降解菌的系统生物学分类、培养

  摘要:萘是一类具有严重“三致”效应(致癌、致畸、致突变)的多环芳烃类有机化合物,严重威胁人类健康。萘的微生物降解由于具有操作简单、经济实用及不产生二次污染等优点,近年来成为治理萘污染的主要手段之一。对不同环境中筛选的萘降解菌的系统生物学分类、培养条件对萘微生物降解效率的影响、萘的微生物降解途径、关键基因和酶及其实际应用方面进行了综述,指出了目前萘微生物降解研究领域存在的问题,并对未来的研究方向做出了展望。

萘的微生物降解研究进展

  关键词:萘;微生物降解;分类;降解途径;关键基因

  多环芳烃(polycyclicaromatichydrocarbons,PAHs)是一类具有高毒性和半挥发性的,且容易导致长期残留和生物蓄积的有机污染物,能够通过各种介质(生物体、大气、水体和土壤等)进行长距离迁移,在环境中分布极广,又难以降解,严重威胁自然环境与人类健康[1]。因此,近几十年来PAHs的污染治理始终都是全球性环境领域的研究热点之一。

  萘(C10H8)是最典型的多环芳烃污染物,与其他多环芳烃物质一样具有极其严重的“三致”效应,即致癌性、致畸性及致突变性[2]。因此,萘被美国环境保护署列为须优先控制的16种多环芳烃类污染物之一,同时也成为多环芳烃降解的首要模型物及研究目标。

  萘可以通过多种方法去除,如化学氧化、化学吸附、植物富集和生物降解等[3]。在上述几种方法中,生物降解由于具有操作简单、经济实用和不产生二次污染等优点,已逐渐成为近年来该领域的研究热点,也逐渐成为治理萘乃至多环芳烃污染的主要手段之一[4-5]。表1列举和比较了上述几种不同方法的原理与优缺点,其中萘的微生物降解通常又可以分为2种:一种是微生物,以有机萘为唯一碳源对其进行代谢;另一种是微生物将有机萘与其他有机质进行共代谢。

  1萘降解菌株的分离

  根据实际需求从不同生态环境中分离出萘降解菌株,对其降解效率及降解途径与机制的研究具有极其重要的科研价值和实际环保应用意义。表2为已经被分离、鉴定及广泛研究的常见萘降解菌株。目前分离到的萘降解菌株主要是细菌,如假单胞菌属(Pseudomonas)、红球菌属(Rhodococcus)、气单胞菌属(Aeromonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)[10]等。

  1.1自然环境中分离的萘降解菌株

  在各种土壤、水体(包括湖泊、地下水)、植物根部甚至是极端条件等自然环境中广泛存在着萘降解菌株。2017年,孟建宇等[15]从来自内蒙古乌梁素海的样品中分离得到了氢噬胞菌X12,培养90h后,该菌的萘降解率最高达到(93.93%)。王以斌等[11]以萘为唯一碳源从南极海洋水样中筛选出可低温降解萘(0~10℃)的动球菌属菌株Planococcussp.NJ41,该菌对萘的降解效率最高达到50%左右。此研究对于低温环境下的多环芳烃污染物降解及生物修复具有重要意义。Hadibarata等[20]从印尼热带雨林的土壤中也分离到一株同时具有降解萘和分泌木质素分解酶能力的白腐真菌(Pleurotuseryngii)。2014年,Kashir等[19]从美洲黑杨的根部分离筛选到一株具有萘降解能力的芽孢杆菌Bacillussp.SBER3,培养6d后该菌的萘降解效率达75.1%。该菌在植物根部生长的过程中能够产铁载体和ACC脱氨酶,因此既可以促进植物生长又能降解萘。此外,土壤的肥沃程度也能够影响菌株降解萘的能力,Nakamura等[21]在含有丰富的有机物、生物碳及微生物的亚马逊中部原始土地上用萘丰富土壤进行微生物降解实验,发现含有生物碳的黑土地会提高萘的降解率。这可能是由于生物碳自身的多孔性,能够吸收大量微生物所需要的营养物质和水分及分布在周围的多环芳烃萘,为降解菌的生长提供了一个良好的生态环境[22]。

  1.2萘污染原位样品中分离的萘降解菌株

  一些石油化工加工企业排放的废水及土壤中也分布着多环芳烃降解菌。宋昊等[12]从生活餐厨油烟污染的土壤中分离得到一株帕氏氢噬胞菌LHJ38,该菌在初始质量浓度为2000mg/L的萘选择培养基中培养96h,萘降解率能达到98%;2011年,Plotnikova等[13]从俄罗斯彼尔姆地区的盐矿中分离到一株海旋菌ThalassospirapermensisSMB34T,能在浓度质量分数为11%的盐中与红球菌属(Rhodococcus)一起降解萘,降解率高达100%;Rahbari等[18]从Zayanderood河、Karon河以及伊斯法罕城市污水与活性淤泥中分离到一些能降解萘的假单胞菌株,其中铜绿假单胞菌P.aeruginosaSA86在降解萘的同时能有效清除与萘共存高毒污染物(甲基叔丁基醚),体现了该菌株的多功能性。张一博等[16]在油田石油污染土壤中分离到的一株高效萘降解菌伯克霍尔德菌Burkholderiasp.TN,该菌株能利用细胞壁上的活性基团富集Pb2+,适用于被萘和Pb2+双重胁迫的土壤修复。姜岩等[17]从废油中分离的一株约式不动杆菌在2000mg/L的萘选择培养基中能够100%降解萘,该菌株还具有润湿反转无机杂质的能力。2016年Huang等[14]从某石化企业排放废水中分离出一株假单胞菌LZ-E在降解萘的同时还可以还原重金属铬,是一株很好的复合污染修复菌株。一般来说,原位污染环境对菌株有长期的驯化,萘降解菌株能够成为该生态位中的优势菌株,因此降解萘的活性和效率也相对要高一些[23]。

  2不同因素对萘降解菌降解萘的影响

  微生物对萘的降解受很多因素影响,这些因素通常都是对菌株的生长产生影响,例如外加营养物质、pH、温度和接种量等[24]。因此,针对萘降解菌株,对其培养的生长环境及条件进行研究与优化,可以优化目标菌株对萘的降解速率,从而使菌株的萘降解效率达到最大。

  2.1外加营养物质对生物降解萘的影响

  目前,很多研究结果表明[25-27],添加适当的外源营养物质能够显著促进微生物对萘的降解率。贾燕等[26]发现向100mg/L含萘水样中加入0.1gNH4NO3、0.15gKH2PO4、0.3gK2HPO3、0.2mL微量元素液,假单胞菌N7对萘的降解率提高23.65%。陈弘昊等[27]从辽宁盘锦红海滩地区翅碱蓬根系土壤及沿海滩涂土壤中分离出3株耐盐降解菌,分别为微杆菌属(Microbacteriumsp.S1)、恶臭假单胞菌(PseudomonasputidaY3)和刘志恒菌(Zhihengliuellsp.G12),当培养基中添加1.0g/L葡萄糖时,3株菌对萘的降解率均达到最高值,且相对于对照分别提高了44.06%(S1)、70.56%(Y3)和50.98%(G12)。孟建宇等[15]发现外加适量混合维生素对萘降解菌株生长及降解效率都有不同程度的促进作用。添加的营养盐、微量元素和生长因子等可以提供微生物生长的底物、代谢的能源物质、辅酶和调节细胞生长的因子等,显著提高菌株的有效生物量,从而从根本上提高菌株对萘的降解率[28]。

  2.2表面活性剂对生物降解萘的影响

  萘的生物降解速率首先取决于其从固相向液相的迁移率。表面活性剂是具有固定亲水和亲油基团的两性分子,可以在溶液表面规则排列,防止油水之间的相互排斥。因此,表面活性剂因为自身结构的特殊性,可以降低有机萘分子的毛细管表面张力,提高疏水性物质在水相中的溶解度,增加其生物可利用性,进而提高萘的降解速率[29]。臧振远等[30]发现在添加质量浓度范围0.1~0.3g/L的Tween-80能提高铜绿假单胞菌AEO-9对萘的降解速率。某些微生物在降解萘过程中能产生一定内源性的生物表面活性剂,其以糖脂形式(鼠李糖脂)存在,比外源表面活性剂的促进效果更优。这可能是由于自身产生的表面活性剂与微生物菌体的相适性较强,加快多环芳烃从固相到液相的迁移率,因此可以更快地促进萘的降解和微生物的生长[31]。

  2.3外加电子受体对生物降解萘的影响

  呼吸是细胞将复杂的有机物逐渐分解成更小的化合物并最终生成CO2,释放出电子,同时驱动二磷酸腺苷(ADP)转化为三磷酸腺苷(ATP)的过程,释放的电子被电子受体捕获才能使这个过程持续进行[32]。在微生物好氧降解萘的过程中,O2作为氧化反应的终端电子受体(通过羟基化使萘开环)。因此,外通氧加大了电子受体的供应,使底物能够充分与优先电子受体氧接触,从而加快萘降解速率;另外适当的氧气含量也可以促进微生物对营养物质的摄取,加快微生物的生长[26]。贾燕等[26]研究发现把1mL假胞单菌N7菌液接种到100mg/L的萘选择培养基中,培养72h,通氧量范围3.6~4.3mg/L时,萘的降解率随着通氧量的增加不断升高,但当通氧量高于4.3mg/L时,萘的降解率逐渐趋于平缓并保持平稳并态。因此,外源电子受体的供给量过高或过低都会影响降解率。另外,Kashir等[33]采用化学氧化法,在油田污染的地下水中加入1750kg的Na2S2O8等氧化剂后,SO42-浓度升高,萘降解可达到86%。证明外加氧化剂过硫化钠作为氧化反应的终端电子受体,可以加快萘的降解速率。

  2.4基本培养条件对微生物降解萘的影响

  温度、pH、接种量和萘初始浓度等基本因素也显著影响微生物降解萘的效率。温度对于维持微生物体正常生命活动起关键作用。一方面,它能够影响微生物的生长速度及降解酶活性的高低来调节对外源物质的降解速度;另一方面,温度会通过影响底物的理化性质来影响底物运输速度[34]。雒晓芳等[35]发现枯草芽孢杆菌对萘的降解效果随着温度的升高得到提高,在培养温度为35℃时,降解效率最大,当培养温度继续升高时,降解率反而下降。因此,应该选择在最适温度下优化目标菌株对萘的降解效果。施氏假单胞菌YC-YH1在pH为7.0和8.0时降解率分别为100%和94.3%,在pH为5.0和9.0时的降解效率仅为19.3%和25.4%[36]。分析可能因为萘在降解过程中会产生少量有机酸并电离产生H+,导致溶液的pH值变小,过低的pH会引起微生物蛋白质、核酸等生物大分子电荷及原生质膜的电荷变化,影响辅酶和底物的解离程度,从而影响酶分子对底物分子的结合和催化;而pH过高又会对微生物吸收营养物质的能力和降解酶的分泌不利,最终影响微生物的生长速度及其代谢速率。同样,接种量对微生物降解萘也会产生很大影响。当接种量较少时,菌体生长迟缓期较长,降解速率也会相应较低;当菌体接种量较大时,会导致个别菌体吸收不到足够的碳源和能源,发生种内竞争抑制,从而使降解速率偏低。

  相关期刊推荐:《生物加工过程》(双月刊)2003年创刊,是由南京工业大学主办、中国化工学会生物化工专业委员会协办的,国内外公开发行的技术性期刊。主要刊登:生物工程研究方面的新技术、新成果和新进展;特别关注在生物技术与化工技术界面上的生物能源、生物新材料以及新医药、新食品资源等。主要内容涉及发酵工程、酶工程、细胞工程、基因工程的应用及下游分离、纯化技术等,特别欢迎有关清洁工艺及产品的研究、应用论文。

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