有机氯生物降解机制研究进展

有机氯生物降解机制研究进展摘要：有机氯化合物是重要的化工原料，一旦进入环境中，具有难降解，有毒和“三致”等有害性质。有关有机氯化合物好氧和厌氧的研究已经进行30多年，取得了很多成果，本文对三种重要有机氯化合物：多氯联苯、三氯乙烯，氯代苯酚及其衍生物的微生物降解机制进行解释，并简单介绍了降解有机氯微生物的分离鉴定进展。关键词：有机氯化合物，生物降解，多氯联苯（PCBs），三氯乙烯（TCE），氯代苯酚（CPs）TheResearchProcessonMetabolismsofOrganochlorineBiodegradationAbstract:Organochlorinecompoundsaresignificantchemicalrawmaterials.Oncedischargedintoenvironment,Organochlorinecompoundsaredegradation-resistant,carcinogenic,mutagenicandcytotoxic.StudiesaboutOrganochlorinecompoundsbiodegradationinaerobicandanaerobicconditionshasbeencarriedon,andhavegotlotsoffindings.Thearticleintroducesthebiodegradationmetabolismsofpolychlorinatedbiphenyls,Trichloroethylene,Chlorophenolsandtheirderivatives,andprocessonseparationandidentificationoforganochlorinedegradationmicroorganisms.Keywords:organochlorine,biodegradation,PCBs,TCE,CPs有机氯化合物被广泛应用于农药、医药、合成材料、机械等行业[1]，这类化合物一旦流失到环境中，由于其具有的难生物降解性使得有机氯化合物会长期在环境中积累、迁移和转化，对人类健康造成巨大威胁。30多年的研究表明，好氧微生物和厌氧微生物对有机氯化合物均具有降解作用，并利用生物降解作用对环境中的有机氯进行降解，修复受损环境。有机氯生物降解机制可分为好氧生物降解机制和厌氧生物降解机制，它们的共同点是：最重要的一步都是化合物上的氯取代基的去除。本文结合多个研究成果，对三种重要有机氯化合物：多氯联苯、三氯乙烯，氯代苯酚及其衍生物的微生物降解机制进行解释，并简单介绍降解有机氯微生物的分离鉴定进展。1多氯联苯的生物降解机制多氯联苯（polychlorinatedbiphenyls，PCBs）在1881年由德国H.施米特和G.舒尔茨首先合成，美国于1929年开始工业生产PCBs。在30年后，PCBs在美国和全世界许多国家已经被禁止生产。PCBs是一族联苯骨架上的氢被氯取代的化合物的总称，根据氯取代位置的不同，PCBs存在209种不同的分子结构。PCBs包括12种世界范围内的持续性有机污染物[2]，以及15种被美国环保局（EnvironmentalProtectionAgency，EPA）列入优先污染物名单的污染物[3]。PCB污染物会沉积在河流、湖泊、港口中，通过食物链产生生物累积和生物放大效应，对人类健康产生重大威胁[4]。在自然环境中发生的PCBs厌氧还原脱氯过程，耦合了好氧降解过程，不仅可以降低PCBs的毒性，而且可以完全分解PCBs[5]。这一过程经常发生在水体沉积物中，但至今还无法通过实验手段完全解释其具有的脱氯潜质[6,7]。通过对WoodsPond中微生物脱氯机制的研究，除了已知的N过程和P过程，发现了另外两种机制：邻位脱氯过程和对位脱氯过程（图1）。邻位脱氯过程图1在WoodsPond微生物群落中246-CB的邻位脱氯过程和对位脱氯过程Fig.1OrthoandLPdechlorinationof246-CBobservedinmicrocosmsofWoodsPondsediment.仅发生在少数同属化合物中，过程是：2356-CB脱氯形成235-CB；264-CB脱氯形成24-CB，然后脱氯形成4-CB。因为这个过程没有在WoodsPond原位或其它有关Aroclor-1260的脱氯研究中发现，所以邻位脱氯过程可能在Aroclor-1260的脱氯中不重要。但是，因为这一过程可以脱去24-和246-氯苯环上的邻位氯，所以其具有更大的脱氯潜能，可以进行许多N过程产物的脱氯，比如：246-24-CB→24-24-CB→24-4-CB→4-4-CB。第二个过程——对位脱氯过程从24-和246-氯苯系化合物中脱去对位氯[5,8,9]。Bedard发现对位脱氯过程可以脱去4-氯苯系化合物中孤立的对位氯，还可以脱去23-、234-、235-氯苯化合物中的3号间位氯[10]。尽管对位脱氯过程不能很有效地对Aroclor-1260进行脱氯，但其可以对Aroclor-1260的N过程脱氯产物进行脱氯，主要形成氯邻位取代的双环或三环氯苯系化合物：2-2-CB,25-2-CB,26-2-CB。这些产物可以被好氧细菌降解[11]。在WoodsPond的上游HousatonicRiver中观察到了这一过程，但没有在WoodsPond中发现。Dehalococcoides是一类奇妙的微生物，它们能够只通过含氯有机物的卤呼吸进行生长。Dehalococcoides是严格厌氧的碟形微小细胞，它们不生成囊孢和孢子，并没有细胞壁。细胞的倍增时间大约是2天，在乙酸、氢和适宜的含氯有机物为基质的培养基生长的细胞密度为107～108。给予16SrRNA系统发育分析，Dehalococcoides位于Chloroflexi门内[12]。通过现代分子生物学技术：凝胶梯度电泳（thedenaturinggradientgelelectrophoresis，DGGE）和16sRNA测序技术，对接种在不同对PCB脱氯抑制或促进的环境下高度富集的培养物进行研究，发现细菌o-17的生长与2356-CB的脱氯有关。根据16SrRNA的系统发育学分析，o-17的位于Chloroflexi的一个很深的分支上，它亲缘关系最近的是利用氯代乙烯作为电子受体的D.ethenogenesstrain195和利用氯代苯作为电子受体的Dehalococcoidessp.StrainCBDB1。但，因为少于89%的序列，即有879bp的序列未鉴定，所以细菌o-17更有可能属于别的属，而不是Dehalococcoides[12]。2三氯乙烯的生物降解机制三氯乙烯（Trichloroethylene，TCE）由于具有优良的溶剂性质，因而被广泛地应用于工业中[13]。人们从20世纪20年代开始使用TCE，至今，TCE应用于金属去污（占总使用量的80～90%），电子元件的清洁，油漆和墨水的生产，油脂、蜡的抽提剂等等方面，全球2005年的使用量达到了4.3×105吨[14]。由于使用后的TCE处理不当造成的泄露和溢出，大量的TCE进入环境中，成为有毒污染物。TCE是最具危险性的挥发性有机物（volatileorganic，VOCs）之一，已被证实具有致癌，致突变的作用，直接伤害人类健康[15]。TCE在环境中的迁移转化规律为：进入水体后，TCE被光氧化，这一过程非常缓慢，导致大量TCE进入土壤中，在土壤中由于微生物作用使其降解，TCE在土壤中的半衰期为数月到数年不等；因为TCE具有较高的蒸汽压，在空气中的TCE以气体形态存在，同时被光催化，半衰期为3-8天（夏季），14天（冬季）。根据Chaudhry&Chapalamadugu1991年的研究[16]，在好氧以及厌氧环境分别的TCE生物降解的机制是：在厌氧过程中，TCE分解为顺式-1,2-二氯乙烯(cis-1,2-dichloroethylene，cDCE)；在好氧过程中，TCE转变为环氧化物，二氯乙烯，甲酸，乙醛酸等等。Maymo-Gatelletal.1999年提出TCE和四氯乙烯（perchloroethylene，PCE）存在另外的脱氯途径[17]。TCE首先被转化为cDCE，或者反式-1,2-二氯乙烯(tDCE)，再被转化为一氯乙烯（vinylchloride，VC），最后被转化为乙烯，每一步骤释放1mol的HCl。Chang&Alvarez-Cohen在1995年将TCE的降解解释为一种共代谢过程，即存在一种主要基质下，TCE作为共代谢的基质被降解。共代谢的机制是当主要基质被氧化酶氧化成中间产物时，TCE同时被转化为TCE环氧化物[18]。Anderson&McCarty（1997）研究甲烷氧化菌在甲烷和TCE共同存在下的TCE转化的机制[19]，根据Chang&Alvarez-Cohen的理论，TCE在转化为环氧化物后，被甲烷氧化菌转化为细胞毒素产物、H2、CO2和Cl-[18]。在TCE生物降解中，主要进行TCE还原脱氯作用的菌群是：Clostridiumsp.DC-1,KYT-1,Dehalobacter,Dehalococcoides,Desulfuromonas,Desulfitobacterium,Propionibacteriumsp.HK-1,andSulfurospirillum。在好氧环境下进行TCE降解的有效菌群是Nitrosomonas,Pseudomonas,RhodococcusandXanthobactersp.etc。在分批培养和连续培养中，固氮菌和甲烷氧化菌的混培物也用来进行TCE的降解[20]。3氯代苯酚及其衍生物的生物降解机制氯代苯酚（Chlorophenols，CPs）以及其衍生物广泛地被用于染料、药品、杀虫剂等工业产品的制造。氯代苯酚及其衍生物包括单氯苯酚，多氯苯酚，氯硝基苯酚，氯氨基苯酚，氯烷基苯酚等，这些物质都具有致癌、致畸的危害和细胞毒性[21]。许多传统的方法，比如：吸附、离子交换、化学氧化、高级氧化技术等等都用于CPs的去除，但是这些方法具有成本高、副产物毒性大等特点，其使用受到限制[22]。生物降解CPs的过程不仅对环境无害，而且能使CPs完全矿化，CPs的生物降解包括好氧过程和厌氧过程。细菌降解CPs的机制可分为四类：1，单加氧酶催化苯环邻位上的氯羟基化形成氯代儿茶酚，随后发生邻对位裂解或水解，最后苯环产生裂解；2，单加氧酶首先催化氯苯酚上对位水解，形成氯代氢醌，再进行水解或脱氯，最终苯环裂解；3，氯代硝基苯酚的降解可以通过水解，还原脱氯或硝基的还原而发生；4，氯代氨基苯酚可以被脱氨酶脱去氨基，再发生苯环的裂解。以下重点解释氯代硝基苯酚中2-氯-4硝基苯酚（2C4NP）的生物降解机制[23]。目前研究过可以降解2C4NP的菌种有：Burkholderiasp.SJ98，Burkholderiasp.RKJ800,ArthrobacternitrophenolicusSJConandRhodococcusimtechensisRKJ300。Burkholderiasp.SJ98利用2C4NP作为唯一碳源，氮源和能源物质，在菌株SJ98中2C4NP的降解步骤为：首先，2C4NP被2C4NP-还原性脱氯酶转化为4-硝基苯酚（4NP）；随后，4NP在单加氧酶作用下被转化为4-硝基邻苯二酚，然后形成1,2,4-苯三酚（BT），BT在BT-1,2-加双氧酶作用下形成3羟基-己烯二酸（maleylacetate），3羟基-己烯二酸通过β-酮己二酸循环进行被降解[24]在RhodococcusimtechensisRKJ300中发现了另外一种2C4NP代谢途径[25]，这一途径为：2C4NP首先被2C4NP-单加氧酶转化为一氯对苯二酚（CHQ），CHQ随后被CHQ脱氯酶转化为对苯二酚（HQ），HQ通过HQ-1,2-加双氧酶生成4-羟基己二烯半醛，进入TCA循环[25]。Aro