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技术:生物降解石油源多环芳香烃的研究进展

时间:  来源:农业环境科学  作者:

石油源多环芳香烃是存在于石油中的一类致畸、致癌污染物,具有以低环(2~3环)为主且取代基比例明显高于其他来源PAHs的组分特征。石油泄露引发的PAHs污染,其降解主要依赖于微生物的活动。本文对能够降解PAHs的微生物种类、降解机理、代谢途径及编码基因进行了概述。从PAHs作为碳源的角度将微生物降解机理划分为能以PAHs为唯一碳源进行生长的降解机理和共代谢机理。对与PAHs有关的好氧和厌氧微生物降解途径及对应的编码基因簇进行了总结。自然界中细菌、放线菌、真菌及藻类都能够降解PAHs,由加氧酶催化的苯环羟基化和还原酶介导的苯环脱芳烃化是好氧和厌氧降解途径的关键步骤,与降解有关的pca,cat,paa,nah,nah-like和bcr基因簇则分别调控好氧和厌氧降解过程。这些进展有助于系统了解石油源PAHs的降解过程、微生物作用机理和分子遗传机制,为进一步利用微生物促进环境生物修复提供理论依据。

石油是一种含有多种烃类及少量其他有机物的复杂混合物。根据烃类结构特点和成分,可以将石油中的烃类物质分为饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质4种组分。石油芳香烃物质中以多环芳香烃(PAHs)对环境污染威胁最大。PAHs是指两个或两个以上的苯环以线性、弯接或簇聚方式构成的一类化学结构稳定、难于降解的烃类化合物,其中4环以上的PAHs容易被土壤或生物体富集而产生毒性,严重威胁到人类健康及生物安全。PAHs有多种来源,不同来源的PAHs在组分特征上有所差异。

石油来源的PAHs以2~3环为主,而煤炭、汽油、木材、天然气等燃料不完全燃烧产生的PAHs以4~6环为主。另外,石油来源的PAHs取代基比例明显高于其他来源的PAHs,Buddziński等发现石油中的单甲基菲含量明显高于未取代菲,而燃料燃烧产生的PAHs中单甲基和二甲基取代物的含量远远小于未被取代的化合物。石油来源的PAHs一旦进入自然环境后,光照、雨水淋滤、挥发和微生物降解等环境因素会引发降解,这种降解行为类似于环境的自我净化修复。但是微生物对石油源PAHs具有选择性,Lamberts等分离得到的29株菌株中有11株能够利用甲基菲,并发现其中仅有1株鞘氨醇单胞菌能够降解1-甲基菲和2-甲基菲,其他鞘氨醇单胞菌只能降解1-甲基菲。具有取代基的PAHs在降解开始时取代基团先被氧化,Nadali等分析了2-甲基菲和9-甲基菲的微生物降解产物,发现2-甲基菲生成2-羟甲基菲和2-菲甲醛,推测甲基基团的氧化是降解开始的第一步。取代基基团氧化后经过脱甲基化变成单体PAHs,后续的降解过程与PAHs单体的降解途径一致。Novakovi?等发现微生物修复后的土壤中单体菲/甲基菲的比例显著升高,可能原因是微生物细胞表面的“活性中心”与甲基基团相互作用促使甲基菲的脱甲基化。本文在前人研究的基础上对能降解PAHs的微生物种类、降解机理、降解途径及调控基因等方面展开综述,以期为石油来源的PAHs降解研究提供帮助。

1 降解PAHs化合物的微生物种类

微生物降解是去除环境中PAHs的最主要途径。能够降解PAHs的微生物有细菌、放线菌、真菌和藻类,其中细菌中常见有红球菌(Rhodococcus)、假单胞菌(Pseudomonas)、棒杆菌(Corynebacterium)、微球菌(Micrococcus)、产碱杆菌(Alcaligenes)、分支杆菌(Mycobacterium)以及鞘脂菌(Sphingobium)等;放线菌常见的是诺卡氏菌(Nocardia);PAHs降解真菌又分为木质素降解真菌和非木质素降解真菌,木质素降解真菌常见有平革菌(Phanerochaete)、侧耳(Pleurotus)、云芝(Trametes)等;非木质素降解真菌常见有青霉(Penicillium)、曲霉(Asprgillus)及小银克汉霉(Cunninghamella)等。部分藻类也具有PAHs降解能力,已经报道的有阿格门氏藻(Agmenellum)、颤藻(Oscillatoria)、栅藻(Scenedesmus)及月牙藻(Selenastrum)等(表1)。

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