綜述微生物修復(fù)菲污染中降解菌的菌屬、降解機(jī)理、分子機(jī)制、影響因素（二）
2、降解機(jī)理
有機(jī)污染物菲能夠被降解，一是因?yàn)樗陨砟艹洚?dāng)微生物生長(zhǎng)所必須的碳源，微生物細(xì)胞表面的親脂區(qū)或分泌的活性物質(zhì)，都會(huì)使菲順利進(jìn)入細(xì)胞，通過(guò)一系列降解酶的催化被微生物利用；二是微生物將多環(huán)芳烴與其他有機(jī)質(zhì)進(jìn)行共代謝，污染土壤是一個(gè)多種污染物并存的復(fù)雜環(huán)境，共降解是實(shí)現(xiàn)部分有機(jī)污染物降解的重要途徑，污染物被轉(zhuǎn)化為容易降解的中間產(chǎn)物，繼而得到最終的降解。
2.1細(xì)菌降解機(jī)制
2.1.1好氧降解
有氧條件下菲在菌體細(xì)胞內(nèi)有兩種降解途徑：鄰苯二甲酸途徑和水楊酸途徑。菲經(jīng)兩種途徑轉(zhuǎn)化為甲酸或水楊酸后進(jìn)入三羧酸循環(huán)，最終實(shí)現(xiàn)完全降解。當(dāng)菲進(jìn)入細(xì)胞時(shí)，在雙加氧酶的作用下，3、4位碳上會(huì)被引入2個(gè)氧原子，經(jīng)過(guò)氧化生成順-3,4-二氫二羥基菲后，再經(jīng)過(guò)一系列酶的脫氫、氧化、再脫氫的作用，形成1-羥基-2-萘甲酸。1-羥基-2-萘甲酸是一個(gè)“分水嶺”性的物質(zhì)，對(duì)于只能利用菲不能利用萘的細(xì)菌，之后進(jìn)入鄰苯二甲酸途徑，而對(duì)于同時(shí)能利用菲、萘的細(xì)菌，之后轉(zhuǎn)向水楊酸途徑(如圖1、圖2)。
以芽胞桿菌為例：菲轉(zhuǎn)化為1-羥基-2-萘甲酸后，在1-羥基-2-萘甲酸雙加氧酶作用下，生成反式2-羧基苯并丙酮酸，通過(guò)酸縮水合酶的作用生成2-羧基苯甲酸，2-羧基苯甲酸在脫氫酶作用下，生成鄰苯二甲酸，再經(jīng)過(guò)鄰苯二甲酸加氧酶形成原兒茶酸，產(chǎn)物進(jìn)入三羧酸循環(huán)，最終轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。
以假單胞菌屬為例：1-羥基-2-萘甲酸經(jīng)1-羥基-2-萘甲醛羥化酶轉(zhuǎn)化為1,2-二羥萘，1,2-二羥萘在1,2-二羥萘雙加氧酶作用下生成2-羥-2H-苯并吡喃-2-羧酸后，經(jīng)過(guò)2-羥-2氫-苯并吡喃-2-羧基異構(gòu)酶、順-o-羥基苯脫萘丙酮酸水合-醛縮酶及水楊醛脫氫酶催化作用下生成水楊酸，水楊酸被水楊酸羥化酶、鄰苯二酚-1,2-雙加氧酶轉(zhuǎn)化成琥珀酸和乙酰輔酶A最終進(jìn)入三羧酸循環(huán)。
2.1.2厭氧降解
當(dāng)氧氣不足時(shí)，不同微生物選擇進(jìn)入不同厭氧還原體系完成菲的降解。根據(jù)終電子受體不同可將厭氧微生物降解PAHs的反應(yīng)體系分為反硝化還原反應(yīng)體系、硫酸鹽還原反應(yīng)體系、金屬還原反應(yīng)體系和產(chǎn)甲烷還原反應(yīng)體系等。其中以硝酸鹽或硫酸鹽為電子受體的研究相對(duì)較多。反硝化還原反應(yīng)體系是指降解過(guò)程中反硝化細(xì)菌將大量自由電子傳遞給不同類(lèi)型的硝酸鹽受體，從而完成厭氧微生物對(duì)PAHs的降解。1988年Miheleic等就觀察到了萘在反硝化還原反應(yīng)體系下的降解現(xiàn)象，隨后越來(lái)越多具有降解PAHs功能性的反硝化菌株或菌群逐漸被分離。從海洋沉積物的流動(dòng)床系統(tǒng)中分離得到萘降解菌株，在厭氧及硝酸鹽供給充足的條件下萘的降解率實(shí)現(xiàn)最大化，同時(shí)菲的降解率最高達(dá)到96%。
硫酸鹽還原反應(yīng)體系是以硫酸鹽為最終電子受體，有研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)其他受體，硫酸鹽為電子受體時(shí)微生物對(duì)多環(huán)芳烴的降解效果最為顯著。向含有PAHs的海洋沉積物中添加硫酸鹽抑制劑，發(fā)現(xiàn)沉積物中PAHs不再被降解，從而證明硫酸鹽是決定降解進(jìn)程的關(guān)鍵因素。Tsai等對(duì)1組硫酸鹽還原菌群進(jìn)行21 d的培養(yǎng)觀察，發(fā)現(xiàn)88%的芴和65%的菲被生物轉(zhuǎn)化利用。
降解過(guò)程是生物代謝的一種形式，其速率受兩個(gè)方面的影響：一方面，腺苷三磷酸提供了微生物細(xì)胞完成降解作用所必須的能量，故其產(chǎn)生的“多少”和“快慢”直接影響菲的降解速率；另外一方面，電子受體的不同決定降解途徑的不同，從而導(dǎo)致降解速率的差異。好氧降解直接以氧氣為電子受體，對(duì)低環(huán)多環(huán)芳烴菲表現(xiàn)出較高的降解速率，而厭氧降解則以硝酸鹽、硫酸鹽、金屬離子(Fe2+、Mn2+)和甲烷等為電子受體，能將多環(huán)芳烴菲徹底轉(zhuǎn)化為CO2，但歷時(shí)較長(zhǎng)、對(duì)受體有最適范圍，過(guò)高或者不足都會(huì)對(duì)降解產(chǎn)生抑制作用。
2.2真菌的降解機(jī)理
真菌降解多環(huán)芳烴菲也存在兩種途徑：一條途徑是由木質(zhì)素降解酶系引導(dǎo)的，另一條是通過(guò)單加氧酶系實(shí)現(xiàn)的。兩條途經(jīng)最大的區(qū)別是前者為胞外降解，后者則為胞內(nèi)降解。
真菌向胞外分泌木質(zhì)素降解酶系(木質(zhì)素過(guò)氧化物酶、錳過(guò)氧化物酶和漆酶)，這些酶的底物專(zhuān)一性較弱，除了利用木質(zhì)素、纖維素外還可以催化包括PAHs在內(nèi)的許多有機(jī)污染物。當(dāng)污染物菲存在時(shí)，菲苯環(huán)的9、10碳位上被引入2個(gè)氧原子，經(jīng)木質(zhì)素降解酶系氧化變成醌，然后經(jīng)過(guò)加氫、脫水等作用使苯環(huán)開(kāi)環(huán)形成鄰苯二甲酸，進(jìn)一步形成二氧化碳。
細(xì)胞色素P-450單加氧酶是真菌參與降解反應(yīng)的另一個(gè)關(guān)鍵酶。這種酶在菲苯環(huán)的9、10碳位上加1個(gè)氧原子形成環(huán)狀有機(jī)物，然后經(jīng)環(huán)氧化物水解酶催化水合形成反式二氫二羥基化中間體，再經(jīng)過(guò)2次脫氫轉(zhuǎn)化成醌，之后發(fā)生的反應(yīng)與木質(zhì)素降解酶參與的反應(yīng)相同。
真菌可以通過(guò)以上機(jī)制直接礦化PAHs。但是，很少能觀察到真菌對(duì)PAHs獨(dú)立進(jìn)行礦化，大部分情況是真菌與其他生物以協(xié)同作用的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)PAHs的最終降解。總之，無(wú)論是細(xì)菌還是真菌對(duì)多環(huán)芳烴菲的降解都是使菲苯環(huán)加氧發(fā)生氧化開(kāi)環(huán)，真菌大部分都是在9、10碳位上加氧(K區(qū))，而細(xì)菌是在菲的3、4號(hào)碳位上加氧，形成中間產(chǎn)物，進(jìn)一步被消耗利用。
圖1好氧細(xì)菌菲轉(zhuǎn)化形成1-羥-2-萘甲酸過(guò)程
圖2 1-羥-2-萘甲酸分別通過(guò)2條途經(jīng)進(jìn)行代謝
2.3共代謝機(jī)制
共代謝又名共氧化或共降解，最早由Leadbetter和Foster提出。1963年Jensen將其內(nèi)涵擴(kuò)展并正式提出了共代謝的概念：微生物在有其他生長(zhǎng)基質(zhì)存在的條件下，酶活性增強(qiáng)，降解非生長(zhǎng)基質(zhì)的效率提高。共代謝作為多環(huán)芳烴的另一種降解機(jī)制主要包括以下四個(gè)特征：①微生物能夠同時(shí)利用兩種基質(zhì)，第一種基質(zhì)容易利用并提供生長(zhǎng)所必須的碳源和能源，第二種基質(zhì)降解釋放的能量不為微生物所用；②難降解的有機(jī)污染物通常充當(dāng)?shù)诙N基質(zhì)；③兩種基質(zhì)之間存在競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象；④共代謝反應(yīng)存在幾種關(guān)鍵酶，不同類(lèi)型微生物關(guān)鍵酶功能都是相似的。
2.3.1多環(huán)芳烴共代謝途徑
研究表明PAHs的苯環(huán)數(shù)越高其生物降解性越差，故高環(huán)的PAHs主要以共代謝的方式被微生物利用。代謝具體過(guò)程為雙加氧酶將氧氣以原子的形式加在多環(huán)芳烴苯環(huán)的碳碳鍵上形成碳氧鍵，轉(zhuǎn)化成中間產(chǎn)物順-二醇，經(jīng)過(guò)輔酶NADH脫氫酶的作用轉(zhuǎn)化成鄰苯二酚，最終使苯環(huán)斷裂，而苯環(huán)數(shù)的減少加速了微生物對(duì)其的利用。
2.3.2多環(huán)芳烴共代謝基質(zhì)
可選用作多環(huán)芳烴的共代謝基質(zhì)要滿(mǎn)足三個(gè)條件：此種物質(zhì)能用來(lái)維持多環(huán)芳烴降解菌生長(zhǎng)，而不容易被其他降解菌消耗；與目標(biāo)底物或中間代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)相似；相對(duì)毒性較低，價(jià)格便宜，能夠明顯提高降解率，如水楊酸﹑鄰苯二甲酸﹑乙酸鹽，其中鄰苯二甲酸是細(xì)菌降解PAHs時(shí)常用的共代謝基質(zhì)。除了添加化學(xué)共代謝基質(zhì)外，作為植物-微生物協(xié)同修復(fù)系統(tǒng)，植物根系分泌物也可以為微生物提供碳源，作為PAHs的共代謝基質(zhì)。
表2多環(huán)芳烴共代謝基質(zhì)
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