囵 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—５４２５．２０１６．０２．００２ ＷＷＷ．ｈｘｙｓｗｇｃ．ｃｏｍ ２０１６，ＶｏＩ ３３ Ｎｏ．０２亿亏与生物Ｚ程
Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ＆Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
多环芳烃的微生物降解机制研究进展 王 涛 －一。蓝 慧 －一。田 云 ，卢向阳 （１．湖南农业大学生物科学技术学院，湖南长沙４１０１２８； ２．湖南省农业生物工程研究所，湖南长沙４１０１２８）
摘要：多环芳烃是环境中最常见且最难降解的有机污染物之一。通过微生物降解使环境中的多环芳烃低毒化或 无毒化是当今环境修复的研究热点之一。以萘和菲为研究对象，论述了多环芳烃的微生物降解机制，并阐述了生命组学 新技术在多环芳烃降解机制研究中的应用，为深入探讨多环芳烃的微生物降解及转化机制奠定了理论基础。 关键词：多环芳烃；微生物降解；降解机制 中图分类号：Ｘ １７２ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ６７２ ５４２５（２０１６）０２—０００８ ０７
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｆｏｒ Ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃ Ａｒｏｍａｔｉｃ Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ ＷＡＮＧ Ｔａｏ ’ ，ＬＡＮ Ｈｕｉ ’。，ＴＩＡＮ Ｙｕｎ ’ ，ＬＵ Ｘｉａｎｇ—ｙａｎｇ ’。 （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｎａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０１２８，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｕｎａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｂ ０ｅ ｇ ＰＰｒ西ｚｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０１２８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃ ａｒｏｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ（ＰＡＨｓ）ａｒｅ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ ｏｒｇａｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｎｏｗａｄａｙｓ，ｌｏｗ—ｔｏｘｉｃｉｔｙ ｏｒ ｎｏｎ—ｔｏｘｉｃｉｔｙ ｏｆ ＰＡＨｓ ｂｙ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈｉｇｈｌｉｇｈｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｕｓｉｎｇ ｎａｐｈｔｈａｌｅｎｅ ａｎｄ ｐｈｅ— ｎａｎｔｈｒｅｎｅ ａｓ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ＰＡＨｓ ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ “ｏｍｉｃｓ”ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｌｉｆｅ ｓｃｉｅｎｃｅ ｆｏｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＡＨｓ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｖｉｅｗ ｌａｙｓ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ＰＡＨＳ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃ ａｒｏｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ；ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ；ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
多环芳烃（ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃ ａｒｏｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ， ＰＡＨｓ）是一类于环境中分布广泛且稳定存在的有毒 有机化合物，是由２个或２个以上的苯环以线形排列、 弯曲连接或者聚簇状的方式构成的有机污染物，分子 量较大，其水溶性和挥发性会随着分子量的增大而减 小。环境中ＰＡＨＳ主要来源于石油泄漏、汽车尾气、 农药类废物、化石燃料和生物质的不完全燃烧，土壤中 ＰＡＨｓ主要来自大气污染、污水灌溉、污泥农田等口ｊ。 据报道，ＰＡＨｓ具有致畸、致癌、致突变作用，对生态环 境和人类健康危害极大ｌ＿２］。近年来，随着工业化进程 的加快，环境中的ＰＡＨｓ污染问题日益突出，严重威 胁人类健康，如：呼吸、饮水和饮食等。据相关风险评 价调查表明：街边小吃烹饪产生的ＰＡＨｓ超出标准值 （１０ ）。以苯并［ｎ］芘（ＢａＰ）为代表物进行评价，济南 市的等效毒性ＢＥＱ值大于１０ ｎｇ·ｍ ，虽低于北京 （１６．１９ ｎｇ·ｍ ）、上海（１５．７７ ｎｇ·ｍ ），但明显高 于国外城市如英国伦敦（３．７１ ｎｇ·ｍ ）、日本富士 （１．９１ ｎｇ·ｍ ）。低环数的ＰＡＨＳ对河流中水生生
基金项目：湖南省环保厅资助项目（湘财建ｑ￣［２０１４１２８７－ｇ－） 收稿日期：２０１５—０９—１７ 作者简介：王￣（１９９１一），男，湖南株洲人，硕－－￣－￣究生，研究方向：应用微生物学，Ｅ－ｍａｉｌ：７５４５０７０５８＠ｑｑ．ｃｏｍ；通讯作者：田云，
教授，Ｅ—ｍａｉｌ：ｔｉａｎｙｕｎ７９６１６＠１６３．ｃｏｒｎ；卢向阳，教授，Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｉａｎｇｙａｎｇｃｎ＠１６３．ｃｏｍ。 王 涛等：多环芳烃的微生物降解机制研究进展／２０１６年簟２期 物健康的影响与致癌类和放射性污染物对人体健康的 毒害作用属叠加关系，而非协同与拮抗关系¨３ ；同时， ＰＡＨｓ的摄人与艾滋病及其它癌症的发病机制有着密 切的联系 ］。因此，开展对ＰＡＨｓ类物质的研究具有 极为深远的意义。 目前，ＰＡＨｓ类污染物的处理方法有物理法（如焚 烧、填埋等）、化学法（如电氧化、光氧化等）、生物修复 法（如植物吸附、微生物降解等）等三大类，物理法和化 学法操作成本高且易造成二次污染，而生物修复法无 二次污染，被公认为最经济、最有效、最环保的修复技 术。迄今为止，从土壤中分离获得对ＰＡＨｓ有降解作 用的微生物包括细菌、酵母菌、真菌。不同微生物降解 ＰＡＨｓ的过程中，其代谢关键酶、代谢产物及降解转化 行为都有所差异，其中，代谢关键酶对于高效、安全去 除ＰＡＨｓ起决定性作用＿５］。经证实，这些关键酶主要 是双加氧酶、单加氧酶、脱氢酶、羟化酶和木质素 酶 一 。 萘、菲、蒽和苯并［口］芘是研究ＰＡＨｓ微生物降解 机制的常见环境污染物的模式化合物。以模式化合物 ∞一 Ｈ 作为唯一碳源筛选、驯化获得高效降解菌并通过生理 生化、基因组学进行鉴定与分析是较常用的技术，而从 蛋白质组学、代谢组学等角度探讨ＰＡＨｓ降解途径比 较少。鉴于此，作者以萘和菲为模式化合物来阐述微 生物降解ＰＡＨｓ的分子机制并综述目前蛋白质组学、 代谢组学等生命组学新技术在ＰＡＨｓ降解机制中的 研究进展，拟为更深入探究ＰＡＨｓ降解途径提供理论 基础。
１ ＰＡＨｓ的微生物降解机制 １．１萘 萘是分子量最小的ＰＡＨｓ，其结构简单、水溶性较 好，从自然界中较易分离得到其降解菌株。目前，以萘 作为唯一碳源分离得到的菌种包括：产碱杆菌属Ａｚ— ｃａｌｉｇｅｎｅｓ、伯克氏菌属Ｂｕｒｋｈｏｌｄｅｒｉａ、分支杆菌属Ｍｙ— ｃｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、假单胞菌属Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ、劳尔氏菌属 Ｒａｌｓｔｏｎｉａ、红球菌属Ｒｈｏｄｏｃｏｃｃｕｓ、鞘氨醇单胞菌属 Ｓｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓ和链霉菌属Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓ等８类菌 属。微生物降解萘的一般途径如图１所示。
一●——————一 ¨ ｌ● —～ …一。 Ｈ。 洲ＯＨ Ｉ 间位裂解 ● Ａｃｅｔａｌｄｅｈｙｄｅ●————一Ｒｉｎ２ ｆｉｓｓｉｏｎ
Ｐｙｒｕｖａｔｅ ＇ ｔｉｃＣｉｎａｔｅ
图１微生物降解萘的一般途径 Ｆｉｇ．１ Ｇｅｎｅｒａｌ ｐａｔｈｗａｙｓ ｆｏｒ ｎａｐｈｔｈａｌｅｎｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｂｙ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍ
首先，萘在萘双加氧酶的作用下２个碳（１、２位） 被羟基化转化为顺一萘二氢二醇，再经过顺一萘二氢二 醇脱氢酶、１，２－双羟基萘双加氧酶、２一羟一２Ｈ一并吡喃一２一 羧基异构酶和脱羧酶等多种酶的作用形成水杨酸，之 后水杨酸经过儿茶酚裂解途径进入ＴＣＡ循环，其途 径可分为两种：一种为间位裂解途径，在水杨酸羟化酶 ＯＯＨ 的作用下水杨酸转化为邻苯二酚，之后邻苯二酚被邻 苯二酚一２，３一双加氧酶开环形成己二烯半醛酸，最终形 成乙醛和丙酮酸进入ＴＣＡ循环；另一种为邻位裂解 途径，即邻苯二酚被邻位裂解酶（邻苯二酚一１，２一双加 氧酶）开环形成己二烯二酸，随后乙酰辅酶Ａ和琥珀 酸形成进入ＴＣＡ循环，最后生成二氧化碳和水 。。。。
一 瓣 目前研究较多的是假单胞菌属降解萘的代谢途径。研 究表明，真菌降解萘的代谢途径中邻苯二酚在粘康酸 酯化酶和羧基粘康酸环化酶作用下生成顺，顺一粘康 酸，之后再形成粘康酸酯，最终进入ＴＣＡ循环ｕ 。 Ｎａｒａｎｃｉｃ等Ｌ１ 研究Ｐｅｓｕｄｏｍｏｎａｓ ｓｐ．ＴＮ３０ １菌 时发现，龙胆酸及邻苯二酚在邻苯二酚～２，３一双加氧酶 和邻苯二酚一１，２一双加氧酶等多种酶的作用下经一系 列连续降解反应并最终进入ＴＣＡ循环，即４一ＯＴ（４一 ｏｘａ１ｏｃｒｏｔｏｎａｔｅ ｔａｕｔｏｍｅｒａｓｅ）途径。研究表明，水杨酸 还能够通过羟化酶转化为龙胆酸进行降解ｎ引，即龙胆 酸途径，而Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ ＰＡＯ１降解萘时 有水杨酸和邻苯二酚等中间产物产生，而未发现龙胆 酸［１ ，可推测降解萘的过程中有儿茶酚途径存在而无 龙胆酸途径。由此可见，由于萘降解基因的高度保守 性ｎ ，菌株对萘的降解途径与菌株本身的降解基因相 关，而对萘的降解能力的差异性可能是菌株降解基因 的不同所致。研究Ｂｕｒｋｈｏｌｄｅｒｉａ ｓｐ．ＢＣ１菌时发现， ２一羟基一１一萘甲酸的代谢和萘的龙胆酸途径是通过不同 的酶来控制的，２一羟基一１一萘甲酸的代谢途径是先形成 ２一萘酚再形成１，２，６一三羟基一１，２一二氢萘和龙胆酸，而 萘的龙胆酸途径是先形成１，２一二羟基～１，２一二氢萘再 形成水杨酸和龙胆酸，其中２一羟基一１一萘甲酸能够被脱 羧酶诱导 。Ｄｉｏｎｉｓｉ等Ｌ１ 利用ＲＴ—ＰＣＲ对萘降解基 因簇ｎａｇＡａＧＨＡＢＡｃＡｄＢＦＣＱＥＤ和ｎａｇｌＫＬＭ中编 码经萘羟基化双加氧酶大亚基的ｎａｇＡｃ基因的引物 同降解菌株的ｎａｇＡｃ—ｌｉｋｅ基因进行实验，发现ｎａ— ｇＡｃ－ｌｉｋｅ基因是广泛存在于萘降解中的一类基因。另 外，萘降解的主要基因还有水杨酸羟化酶基因ｎａｈＧ、 儿茶酚一１，２一加氧酶基因、水杨酸脱氧酶基因、儿茶酚一 ２，３一加氧酶基因和萘双加氧酶基因ｎａｈＡｃ等。Ｍｉ— ｎｏｖｓｋａ等Ｌ１ 对４一ＯＴ途径上游筛选到的４个加氧酶 基因（其中Ｃ２３Ｏ、Ｃ１２０属于儿茶酚双加氧酶基因）进 行多样性分析时发现，ＮＡＰＨ可能与萘微生物降解相 关，并提出基因水平转移的预想：通过质粒来预测基因 去向并在一定条件下利用ＰＡＨｓ降解菌进行共培养 实现基因水平转移，从而建立高效的混合菌降解体系 以提高ＰＡＨｓ降解效率。 １．２菲 菲是致癌ＰＡＨｓ最小的结构单元，由３个环组 成，其致癌性多存在于其衍生物中，而本身不具有致癌 性。微生物对菲的降解经过一系列酶作用后分别通过 水杨酸或邻苯二甲酸途径进入ＴＣＡ循环，最终完全 降解，如图２所示。 菲在１、２位上的碳原子在双加氧酶的作用下形成 王 涛等：多环芳烃的微生物降解机制研究进展／２０１６年■２期 顺式一１，２一二氢二羟基菲，之后在脱氢酶的作用下形成 １，２一二氢菲；而菲的降解途径主要起始于３、４位碳在 双加氧酶的作用下形成顺式一３，４一二氢二羟基菲，随后 在脱氢酶的作用下形成３，４一二氢菲，再通过３，４一双羟 基菲双加氧酶、２一羟基一２Ｈ一苯芘［五］色原烯一２一羧酸盐 异构酶、外二醇双加氧酶、水合醛缩酶、１一羟一２一萘甲酸 脱氢酶等作用转化为卜羟基一２一萘甲酸，最后通过菌株 各自的途径进行降解口 。通常５，６一苯并香豆素和７， ８一苯并香豆素的快速积累能导致菲１、２位和３、４位上 的碳裂解ｌ＿２ 。 １一羟基一２一萘甲酸降解分两种途径：邻位降解途径 和间位降解途径，参与酶类有：水杨酸羟化酶、水杨酸 氧化酶、水杨醛脱氢加氧酶及其它单加氧酶和双加氧 酶等，最终进入ＴＣＡ循环并完全降解＿２¨。一般，菲在 １一羟基一２一萘甲醛羟化酶的作用下１一羟基一２一萘甲酸转 化为萘二酚，其最终降解途径与萘类似，而利用水杨酸 途径降解的菌株通常能够分别利用菲和萘作为唯一碳 源进行生长，其常见于假单胞菌属细菌中，而菲９、１０ 位上的碳则在双加氧酶的催化下生成９，１０一环氧化菲 后在单加氧酶的催化下形成顺式一９，１０一二氢二醇菲， 再经过邻位裂解途径形成邻苯二甲酸，最终通过邻苯 二甲酸双加氧酶、邻苯二甲酸二氢二醇脱氢酶、邻苯二 甲酸脱羧酶等作用转化为原儿茶酸，原儿茶酸再进一 步通过氧化开环进入ＴＣＡ循环 ，其中联苯二甲 酸能在形成联苯三酸之后通过铁氧还原蛋白酶、４，５一 邻苯二甲酸双加氧酶、４，５一氧化还原脱羧酶等的作用 生成邻苯二甲酸，最后分别进入 ｋｅｔｏａｄｉｐａｔｅ途径和 ＴＣＡ循环并最终完全降解 引。 虽然菲经过不同途径的不同酶最后进入原儿茶酸 途径和水杨酸途径，但在Ｓｔｅｎｏｔｒｏｐｈｏｍｏｎａｓ ｍａｌｔｏ— ｐｈｉｌｉａ Ｃ６菌对菲的多种代谢途径研究中发现，原儿茶 酸和水杨酸并不是主要的代谢方式，其中有部分酶对 水杨酸的代谢有一定的抑制作用口引，因此，菲的具体 代谢途径还需要结合生命组学技术进行进一步的探索 与研究。 目前，微生物对菲降解的研究比较广泛，能够降解 菲的菌种有：嗜酸菌属Ａｃｉｄｏｖｏｒａｘ、节杆菌属Ａｒ— ｔｈｒｏｂａｃｔｅｒ、短杆菌属Ｂｒｅｖｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ、伯克氏菌属 Ｂｕｒｋｈｏｌｄｅｒｉａ、丛毛单杆菌属Ｃｏｍａｍｏｎａｓ、分支杆菌 属Ｍｙｃｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、假单胞菌属Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ、鞘氨醇 单胞菌属Ｓｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓ等。利用分子杂交技术在 Ｎｏｃａｒｄｉｏｉｄｅｓ ｓＰ．ＫＰ７的染色体上定位得到２个降解 基因簇ｐｈｄｌＪＫ和ｐｈｄＥＦ－ｏｒｆ１３１一ｐｈｄＡＢ—ｏｒｆ７２一 ｐｈｄＧＨＣＤ，其中ｐｈｄＩ编码１一羟一２一萘甲酸双加氧酶、