有機(jī)氯生物降解機(jī)制研究進(jìn)展

1、有機(jī)氯生物降解機(jī)制研究進(jìn)展摘要：有機(jī)氯化合物是重要的化工原料，一旦進(jìn)入環(huán)境中，具有難降解，有毒和“三致”等有害性質(zhì)。有關(guān)有機(jī)氯化合物好氧和厭氧的研究已經(jīng)進(jìn)行30多年，取得了很多成果，本文對(duì)三種重要有機(jī)氯化合物：多氯聯(lián)苯、三氯乙烯，氯代苯酚及其衍生物的微生物降解機(jī)制進(jìn)行解釋，并簡(jiǎn)單介紹了降解有機(jī)氯微生物的分離鑒定進(jìn)展。關(guān)鍵詞：有機(jī)氯化合物，生物降解，多氯聯(lián)苯（PCBs），三氯乙烯（TCE），氯代苯酚（CPs）The Research Process on Metabolisms of Organochlorine BiodegradationAbstract: Organochlorine co

2、mpounds are significant chemical raw materials. Once discharged into environment, Organochlorine compounds are degradation-resistant, carcinogenic, mutagenic and cytotoxic. Studies about Organochlorine compounds biodegradation in aerobic and anaerobic conditions has been carried on, and have got lot

3、s of findings. The article introduces the biodegradation metabolisms of polychlorinated biphenyls, Trichloroethylene, Chlorophenols and their derivatives, and process on separation and identification of organochlorine degradation microorganisms.Key words: organochlorine, biodegradation, PCBs, TCE, C

4、Ps有機(jī)氯化合物被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、合成材料、機(jī)械等行業(yè)1，這類化合物一旦流失到環(huán)境中，由于其具有的難生物降解性使得有機(jī)氯化合物會(huì)長(zhǎng)期在環(huán)境中積累、遷移和轉(zhuǎn)化，對(duì)人類健康造成巨大威脅。30多年的研究表明，好氧微生物和厭氧微生物對(duì)有機(jī)氯化合物均具有降解作用，并利用生物降解作用對(duì)環(huán)境中的有機(jī)氯進(jìn)行降解，修復(fù)受損環(huán)境。有機(jī)氯生物降解機(jī)制可分為好氧生物降解機(jī)制和厭氧生物降解機(jī)制，它們的共同點(diǎn)是：最重要的一步都是化合物上的氯取代基的去除。本文結(jié)合多個(gè)研究成果，對(duì)三種重要有機(jī)氯化合物：多氯聯(lián)苯、三氯乙烯，氯代苯酚及其衍生物的微生物降解機(jī)制進(jìn)行解釋，并簡(jiǎn)單介紹降解有機(jī)氯微生物的分離鑒定進(jìn)展。1 多氯聯(lián)苯

5、的生物降解機(jī)制多氯聯(lián)苯（polychlorinated biphenyls，PCBs）在1881年由德國(guó)H.施米特和G.舒爾茨首先合成，美國(guó)于1929年開始工業(yè)生產(chǎn)PCBs。在30年后，PCBs在美國(guó)和全世界許多國(guó)家已經(jīng)被禁止生產(chǎn)。PCBs是一族聯(lián)苯骨架上的氫被氯取代的化合物的總稱，根據(jù)氯取代位置的不同，PCBs存在209種不同的分子結(jié)構(gòu)。PCBs包括12種世界范圍內(nèi)的持續(xù)性有機(jī)污染物2，以及15種被美國(guó)環(huán)保局（Environmental Protection Agency，EPA）列入優(yōu)先污染物名單的污染物3。PCB污染物會(huì)沉積在河流、湖泊、港口中，通過(guò)食物鏈產(chǎn)生生物累積和生物放大效應(yīng)，對(duì)人

6、類健康產(chǎn)生重大威脅4。在自然環(huán)境中發(fā)生的PCBs厭氧還原脫氯過(guò)程，耦合了好氧降解過(guò)程，不僅可以降低PCBs的毒性，而且可以完全分解PCBs5。這一過(guò)程經(jīng)常發(fā)生在水體沉積物中，但至今還無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段完全解釋其具有的脫氯潛質(zhì)6,7。通過(guò)對(duì)Woods Pond中微生物脫氯機(jī)制的研究，除了已知的N過(guò)程和P過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了另外兩種機(jī)制：鄰位脫氯過(guò)程和對(duì)位脫氯過(guò)程（圖1）。鄰位脫氯過(guò)程圖1 在Woods Pond微生物群落中246-CB的鄰位脫氯過(guò)程和對(duì)位脫氯過(guò)程Fig.1 Ortho and LP dechlorination of 246-CB observed in microcosms of Woo

7、ds Pond sediment.僅發(fā)生在少數(shù)同屬化合物中，過(guò)程是：2356-CB脫氯形成235-CB；264-CB脫氯形成24-CB，然后脫氯形成4-CB。因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程沒(méi)有在Woods Pond原位或其它有關(guān)Aroclor-1260的脫氯研究中發(fā)現(xiàn)，所以鄰位脫氯過(guò)程可能在Aroclor-1260的脫氯中不重要。但是，因?yàn)檫@一過(guò)程可以脫去24-和246-氯苯環(huán)上的鄰位氯，所以其具有更大的脫氯潛能，可以進(jìn)行許多N過(guò)程產(chǎn)物的脫氯，比如：246-24-CB24-24-CB24-4-CB4-4-CB。第二個(gè)過(guò)程對(duì)位脫氯過(guò)程從24-和246-氯苯系化合物中脫去對(duì)位氯5,8,9。Bedard發(fā)現(xiàn)對(duì)位脫氯過(guò)

8、程可以脫去4-氯苯系化合物中孤立的對(duì)位氯，還可以脫去23-、234-、235-氯苯化合物中的3號(hào)間位氯10。盡管對(duì)位脫氯過(guò)程不能很有效地對(duì)Aroclor-1260進(jìn)行脫氯，但其可以對(duì)Aroclor-1260的N過(guò)程脫氯產(chǎn)物進(jìn)行脫氯，主要形成氯鄰位取代的雙環(huán)或三環(huán)氯苯系化合物：2-2-CB, 25-2-CB, 26-2-CB。這些產(chǎn)物可以被好氧細(xì)菌降解11。在Woods Pond 的上游Housatonic River 中觀察到了這一過(guò)程，但沒(méi)有在Woods Pond中發(fā)現(xiàn)。Dehalococcoides是一類奇妙的微生物，它們能夠只通過(guò)含氯有機(jī)物的鹵呼吸進(jìn)行生長(zhǎng)。Dehalococcoides

9、是嚴(yán)格厭氧的碟形微小細(xì)胞，它們不生成囊孢和孢子，并沒(méi)有細(xì)胞壁。細(xì)胞的倍增時(shí)間大約是2天，在乙酸、氫和適宜的含氯有機(jī)物為基質(zhì)的培養(yǎng)基生長(zhǎng)的細(xì)胞密度為107108。給予16S rRNA系統(tǒng)發(fā)育分析，Dehalococcoides位于Chloroflexi門內(nèi)12。通過(guò)現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)：凝膠梯度電泳（the denaturing gradient gel electrophoresis，DGGE）和16sRNA測(cè)序技術(shù)，對(duì)接種在不同對(duì)PCB脫氯抑制或促進(jìn)的環(huán)境下高度富集的培養(yǎng)物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌o-17的生長(zhǎng)與2356-CB的脫氯有關(guān)。根據(jù)16S rRNA的系統(tǒng)發(fā)育學(xué)分析，o-17的位于Chlor

10、oflexi的一個(gè)很深的分支上，它親緣關(guān)系最近的是利用氯代乙烯作為電子受體的D. ethenogenes strain 195和利用氯代苯作為電子受體的Dehalococcoides sp. Strain CBDB1。但，因?yàn)樯儆?9%的序列，即有879bp的序列未鑒定，所以細(xì)菌o-17更有可能屬于別的屬，而不是Dehalococcoides12。2 三氯乙烯的生物降解機(jī)制三氯乙烯（Trichloroethylene，TCE）由于具有優(yōu)良的溶劑性質(zhì)，因而被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)中13。人們從20世紀(jì)20年代開始使用TCE，至今，TCE應(yīng)用于金屬去污（占總使用量的8090%），電子元件的清潔，油漆和墨

11、水的生產(chǎn)，油脂、蠟的抽提劑等等方面，全球2005年的使用量達(dá)到了4.3×105噸 14。由于使用后的TCE處理不當(dāng)造成的泄露和溢出，大量的TCE進(jìn)入環(huán)境中，成為有毒污染物。TCE是最具危險(xiǎn)性的揮發(fā)性有機(jī)物（volatile organic，VOCs）之一，已被證實(shí)具有致癌，致突變的作用，直接傷害人類健康15。TCE在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律為：進(jìn)入水體后，TCE被光氧化，這一過(guò)程非常緩慢，導(dǎo)致大量TCE進(jìn)入土壤中，在土壤中由于微生物作用使其降解，TCE在土壤中的半衰期為數(shù)月到數(shù)年不等；因?yàn)門CE具有較高的蒸汽壓，在空氣中的TCE以氣體形態(tài)存在，同時(shí)被光催化，半衰期為3-8天（夏季），14

12、天（冬季）。根據(jù)Chaudhry & Chapalamadugu 1991年的研究16，在好氧以及厭氧環(huán)境分別的TCE生物降解的機(jī)制是：在厭氧過(guò)程中，TCE分解為順式-1,2-二氯乙烯(cis-1,2-dichloroethylene，cDCE)；在好氧過(guò)程中，TCE轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)氧化物，二氯乙烯，甲酸，乙醛酸等等。Maymo-Gatell et al. 1999年提出TCE和四氯乙烯（perchloroethylene，PCE）存在另外的脫氯途徑17。TCE首先被轉(zhuǎn)化為cDCE，或者反式-1,2-二氯乙烯(tDCE)，再被轉(zhuǎn)化為一氯乙烯（vinyl chloride，VC），最后被轉(zhuǎn)化為乙

13、烯，每一步驟釋放1 mol的HCl。Chang & Alvarez-Cohen在1995年將TCE的降解解釋為一種共代謝過(guò)程，即存在一種主要基質(zhì)下，TCE作為共代謝的基質(zhì)被降解。共代謝的機(jī)制是當(dāng)主要基質(zhì)被氧化酶氧化成中間產(chǎn)物時(shí)， TCE同時(shí)被轉(zhuǎn)化為TCE環(huán)氧化物18。Anderson & McCarty（1997）研究甲烷氧化菌在甲烷和TCE共同存在下的TCE轉(zhuǎn)化的機(jī)制19，根據(jù)Chang & Alvarez-Cohen的理論，TCE在轉(zhuǎn)化為環(huán)氧化物后，被甲烷氧化菌轉(zhuǎn)化為細(xì)胞毒素產(chǎn)物、H2、CO2和Cl-18。在TCE生物降解中，主要進(jìn)行TCE還原脫氯作用的菌群是：Cl

14、ostridium sp. DC-1, KYT-1, Dehalobacter, Dehalococcoides, Desulfuromonas, Desulfitobacterium, Propionibacterium sp. HK-1, and Sulfurospirillum。在好氧環(huán)境下進(jìn)行TCE降解的有效菌群是Nitrosomonas, Pseudomonas, Rhodococcus and Xanthobacter sp. etc。在分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)中，固氮菌和甲烷氧化菌的混培物也用來(lái)進(jìn)行TCE的降解20。3 氯代苯酚及其衍生物的生物降解機(jī)制氯代苯酚（Chlorophenol

15、s，CPs）以及其衍生物廣泛地被用于染料、藥品、殺蟲劑等工業(yè)產(chǎn)品的制造。氯代苯酚及其衍生物包括單氯苯酚，多氯苯酚，氯硝基苯酚，氯氨基苯酚，氯烷基苯酚等，這些物質(zhì)都具有致癌、致畸的危害和細(xì)胞毒性21。許多傳統(tǒng)的方法，比如：吸附、離子交換、化學(xué)氧化、高級(jí)氧化技術(shù)等等都用于CPs的去除，但是這些方法具有成本高、副產(chǎn)物毒性大等特點(diǎn)，其使用受到限制22。生物降解CPs的過(guò)程不僅對(duì)環(huán)境無(wú)害，而且能使CPs完全礦化，CPs的生物降解包括好氧過(guò)程和厭氧過(guò)程。細(xì)菌降解CPs的機(jī)制可分為四類：1，單加氧酶催化苯環(huán)鄰位上的氯羥基化形成氯代兒茶酚，隨后發(fā)生鄰對(duì)位裂解或水解，最后苯環(huán)產(chǎn)生裂解；2，單加氧酶首先催化氯苯酚

16、上對(duì)位水解，形成氯代氫醌，再進(jìn)行水解或脫氯，最終苯環(huán)裂解；3，氯代硝基苯酚的降解可以通過(guò)水解，還原脫氯或硝基的還原而發(fā)生；4，氯代氨基苯酚可以被脫氨酶脫去氨基，再發(fā)生苯環(huán)的裂解。以下重點(diǎn)解釋氯代硝基苯酚中2-氯-4硝基苯酚（2C4NP）的生物降解機(jī)制23。目前研究過(guò)可以降解2C4NP的菌種有：Burkholderia sp. SJ98，Burkholderia sp. RKJ 800, Arthrobacter nitrophenolicus SJCon and Rhodococcus imtechensis RKJ300。Burkholderia sp. SJ98利用2C4NP作為唯一碳源，

17、氮源和能源物質(zhì)，在菌株SJ98中2C4NP的降解步驟為：首先，2C4NP被2C4NP-還原性脫氯酶轉(zhuǎn)化為4-硝基苯酚（4NP）；隨后，4NP在單加氧酶作用下被轉(zhuǎn)化為4-硝基鄰苯二酚，然后形成1,2,4-苯三酚（BT），BT在BT-1,2-加雙氧酶作用下形成3羥基-己烯二酸（maleylacetate），3羥基-己烯二酸通過(guò)-酮己二酸循環(huán)進(jìn)行被降解24在Rhodococcus imtechensis RKJ300中發(fā)現(xiàn)了另外一種2C4NP代謝途徑25，這一途徑為：2C4NP首先被2C4NP-單加氧酶轉(zhuǎn)化為一氯對(duì)苯二酚（CHQ），CHQ隨后被CHQ脫氯酶轉(zhuǎn)化為對(duì)苯二酚（HQ），HQ通過(guò)HQ-1,2

18、-加雙氧酶生成4-羥基己二烯半醛，進(jìn)入TCA循環(huán)25。Arora和Jain26發(fā)現(xiàn)了在Arthrobacter nitrophenolicus SJCon存在新的2C4NP機(jī)制，在菌株SJCon中，2C4NP首先被轉(zhuǎn)化為CHQ，隨后被CHQ-雙加氧酶裂解為3羥基-己烯二酸。三種途徑見(jiàn)圖2。圖2 2C4NP 在(a) Burkholderia sp. SJ98, (b) Burkholderia sp. RKJ 800和 Rhodococcus imtechensis RKJ300, 和 (c) Arthrobacter nitrophenolicus SJCon菌株中的降解機(jī)制Fig.2 Ba

19、cterial degradation pathways for 2-chloro-4-nitrophenol in (a) Burkholderia sp. SJ98, (b) Burkholderia sp. RKJ 800 and Rhodococcus imtechensis RKJ300, and (c) Arthrobacter nitrophenolicus SJCon4 結(jié)論可以看出，生物對(duì)有機(jī)氯的降解作用是十分有效，并且成本低，環(huán)境影響小，具有很高的使用價(jià)值。在有機(jī)氯生物降解機(jī)制的研究方面，目前對(duì)PCBs和CPs的研究較深入，而TCE的降解機(jī)制仍有較大空間去進(jìn)行研究。不過(guò)，總

20、體上有機(jī)氯的生物降解機(jī)制仍需深入，在分子水平上的研究不多，與降解有關(guān)的酶還有許多未研究。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)步，尤其是分子生物學(xué)技術(shù)的使用，對(duì)了解有機(jī)氯生物降解機(jī)制有很大幫助。References:1 胡紀(jì)萃，顧夏聲等.廢水厭氧生物處理理論與技術(shù).中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003，pp.292-2972 Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants (POPs). 1971. The 12 POPs under the Stockholm Convention. /documents/pops/defa

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