多环芳烃污染土壤的微生物与植物联合修复研究进展

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1、2002 年 第 5 期 土 壤 257 多环芳烃污染土壤的微生物与 植物联合修复研究进展 刘世亮 骆永明 曹志洪 丁克强 蒋先军 （中国科学院南京土壤研究所 南京 210008） 摘 要 本文综述了多环芳烃（PAHs）污染土壤中微生物降解途径、机理及生物反应器的应用，并从植物修复角度，进一步阐述了与微生物联合作用促进污染土壤中PAHs 降解的途径、机理及其应用。 提出了利用微生物共代谢降解及其与植物联合修复 PAHs 污染土壤环境的生物修复技术未来研究课题。 关键词 多环芳烃；污染土壤；植物修复；微生物修复 多环芳烃（PAHs）是指2 个或 2 个以上的苯环稠合在一起的一类化合物，它们在环境

2、中 普遍存在1, 3。有机物在不完全燃烧或高温处理条件下（700C） 可产生 PAHs。在自然界中， 有些藻类、微生物和植物能通过生物合成产生 PAHs，但数量不多。PAHs 的自然来源有火山 爆发，森林植被和灌木丛燃烧以及细菌对动物、植物的生化作用等，但这不是环境中的主要 来源。人类活动特别是化石燃料的燃烧是环境中 PAHs 的主要来源2, 4。 PAHs 由于水溶性差，辛醇-水分配系数高，常被吸附于土壤颗粒上。因此，该类化合物 易于从水中分配到生物体内、沉积层中，土壤就成为 PAHs 的主要载体，PAHs 污染土壤的生 物修复也因此倍受关注。 PAHs 在土壤中有较高的稳定性， 苯环的排列

3、方式决定着 PAHs 的稳 定性，非线性排列较线性排列稳定，苯环数与其生物可降解性明显呈负相关关系3。由于高 分子量 PAHs（5 环）及非线性排列的 PAHs 占绝大部分，其生物降解及自然挥发损失是极 少的，所以 PAHs 在环境中是不断积累的。研究表明，在河水、海水沉积物中，PAHs 的浓度 高且积累速度快。Saeed 等人5对科威特一采油厂附近的湖中沉积物的调查发现，在 21 个月 内，PAHs 的总浓度从 57.6 mg/kg增加到 71.3 mg/kg，而苯并a芘从 0.7 mg/kg增加到 1.29 mg/kg。 作为环境污染物的 PAHs 之所以受到人们的关注，是因为有些 PAH

4、s 具有强烈的毒性。 PAHs 的毒性表现在 3 个方面：其一，强致癌性、致突变性及致畸性6,7。人类及动物癌症病 变有 70%90%是环境中化学物质引起的， 而 PAHs 则是环境中致癌化学物质中最大的一类。其二， 对微生物生长有强抑制作用8。 PAHs 因水溶性差及其稳定的环状结构而不易被生物利用，它们对细胞的破坏作用抑制普通微生物的生长。其三、PAHs 经紫外光照射后毒性更大 （PAHs 的光致毒效应）9。据报道，PAHs 吸收紫外光能后，被激发成单线态及三线态分子，被激发分子的能量可通过不同途径损失，其中一部分被激发的 PAHs 分子将能量传给氧，从而产生出反应能力极强的单线态氧，它能

5、损坏生物膜10, 11。 国家自然科学基金重点项目（40031010 和49831070） ，国家重点基础研究发展规划项目（G1999011807）和中国科学院南京土壤研究所土壤与环境联合开放研究实验室项目资助。 258 土 壤 2002 年 第 5 期 同其它有机污染物相比，PAHs 在土壤中比较稳定而难于分解，即便采用处理土壤中易挥发、易降解有机污染物较成功的方法也很难去除土壤中的 PAHs。但是近年来，发展起来的生物修复技术微生物修复为 PAHs 的降解提供了较好的途径。同时，又因为自然环境中 植物根系对微生物生长的促进作用，可以有效地提高 PAHs 的微生物降解率，所以植物与微生物二者

6、的联合作用对 PAHs 的降解研究将成为新的研究热点之一。本文在前文12的基础上从微生物修复及其与植物联合修复的新角度对 PAHs 污染土壤生物修复的研究进展进行综 述。 1 多环芳烃污染土壤的微生物修复 土壤是微生物生活的大本营，其中包含了自然界中几乎所有的微生物种类。由于微生物 对环境有极强的适应性，可以在各种条件下进行生长繁殖，并具有较强的变异性，所以在生 存过程中分化出多种多样的代谢类型，并能较强地适应生存环境。在PAHs污染土壤中，经过 自然驯化，存在大量的能降解多环芳烃的微生物。但是，由于微生物种类不同以及多环芳烃 较难在环境中降解，所以降解PAHs的途径就有较大的差别。研究表明，

7、微生物一般通过两种 方式对PAHs进行代谢： （1）微生物在生长过程中以PAHs作为唯一的碳源和能源生活而降解 PAHs； （2）微生物把PAHs与其它有机质共代谢（或共氧化）而降解PAHs。 1 . 1 微生物对P A H s 的降解机理 1 . 1 . 1 以PAHs作为唯一的碳源和能源的代谢机理 微生物降解有机物获得生长繁殖所需 的能量是在各种酶的催化下提供，微生物降解PAHs也不例外。在PAHs等诱导下，微生物可 分泌单加氧酶和双加氧酶。在这些酶的催化作用下，把氧加入到苯环上，形成C-O键，再经 过加氢、脱水等作用而使C-C键断裂，苯环数减少。其中真菌产生单加氧酶，加一个氧原子 到苯环

8、上，形成环氧化物，然后，加入H2O产生反式二醇和酚。细菌产生双加氧酶，加两个 氧原子到苯环上，形成过氧化物，然后氧化为顺式二醇，脱氢产生酚。不同的途径有不同的 中间产物，但普遍的中间产物是：邻苯二酚，2，5-二羟基苯甲酸，3，4-二羟基苯甲酸。邻 苯二酚是普遍的中间产物，具体的化合物依赖于羟基组的位置，有正、对或其它。这些代谢 物经过五种相似的途径降解：环碳键断裂，丁二酸，反丁烯二酸，丙酮酸，乙酸或乙醛。这 些物质都能被微生物利用合成细胞蛋白，最后的产物是CO2和H2O3。 1 . 1 . 2 以 PAHs 与其它有机物进行共代谢 多环芳烃在土壤中有较高的稳定性， 其苯环数与其生物可降解性呈明

9、显的负相关关系。土壤环境中很少有能直接降解高环数多环芳烃的微 生物。高分子量的多环芳烃的生物降解一般均以共代谢方式开始13。共代谢作用可以提高微 生物降解多环芳烃的效率，改变微生物碳源与能源的底物结构，增大微生物对碳源和能源的 选择范围，从而达到难降解的多环芳烃最终被微生物利用并降解的目的14。 1 . 1 . 2 . 1 共代谢降解 PAHs 的理论 微生物在有可利用碳源和能源的基质上生长时，会伴随着一种非生长基质的不完全转化。这种现象最早是由 Foster 报导的15。他在 1951 年在英 国洛桑试验站未发表的文章中，把微生物对氯代苯酸的降解，归因于一种能靠苯酸酯生长的土壤棒状杆菌(Co

10、rynebacterium)细胞在 3- 或 4-氯苯酯存在下摄取了氧。 当时对这一事实的道 理并不清楚，后来他把这种现象首次定义为共氧化作用或共代谢作用。Foster 还观察了靠石 蜡烃生长的诺卡氏菌，在加有芳香烃的培养液中对芳香烃的有限氧化作用。这种菌靠十六烷作为唯一碳源和能源时能长得很好，但却不一定能利用甲基萘或 1,3,5-三甲基苯。把甲基萘2002 年 第 5 期 土 壤 259 或 1,3,5-三甲基苯加进含十六烷培养液中，氧化作用就使 10 种芳香族化合物分别生成羧酸、萘酸和对异苯丙酸15。现在，微生物共代谢的一般定义是：只有在初级能源物质存在时，才能进行的有机化合物的生物降解过

11、程。共代谢不仅包括微生物在正常生长代谢过程中对非生 长基质的共同氧化， 而且也描述了休止细胞对不可利用基质的转化15。 有人提出这样的假设：利用易于被微生物利用的底物来维持多环芳烃降解菌的生长，通过这些降解菌的大量生长繁殖可以提高对多环芳烃的降解率16。后来 Jensen 扩展其内涵，提出共代谢（cometabolism） 的概念17。在有其他碳源和能源存在的条件下，微生物酶活性增强，降解非生长基质的效率提高，也称为共代谢作用。Jerome 曾对烃类的共代谢降解作用进行了报道，他认为烃类的降解的初始阶段都是通过加氧酶的作用在碳链上加上氧原子，再经一系列反应使烃链断开，最终完成降解。加氧酶可以被

12、其它底物诱导，活性提高而使降解作用增强18。Michael 以苯酚 为共代谢底物进行了氯酚的共代谢降解研究，他不但提出了二者之间存在着共代谢关系，还 以氯酚和共代谢底物之间的比值为参数定量化描述了氯酚的降解模式19。 1 . 1 . 2 . 2 共代谢降解 PAHs 的机理 在共代谢降解过程中， 微生物通过酶来降解某些能维 持自身生长的物质，同时也降解了某些非微生物生长必需的物质7。多环芳烃环的断开主要 靠加氧酶的作用，加氧酶能把氧原子加到 C-C 键上形成 C-O 键，再经过加氢、脱水等作用而 使 C-C 键断裂，苯环数减少。微生物加氧酶对多环芳烃的作用过程如图 1 所示20。 1 . 1

13、. 2 . 3 共代谢降解多环芳烃的研究及应用 加氧酶系可以在底物的诱导下降解其它有机物质，而多环芳烃苯环的断开通常是通过加氧酶在环内加入氧原子完成的，这说明底物对 微生物内普遍存在的加氧酶的诱导作用，就是多环芳烃共代谢的一部分18。有实验观察到Beijerinckia 不能以苯并蒽作为碳源和能源生长， 但该菌在有联苯、 水杨酸作为诱导底物生长 后可以氧化苯并蒽。水杨酸的存在还能提高 Pseudomonas Putida NCIB9816 降解萤蒽和苯并 芘的能力21。许多多环芳烃的结构有相似性，其代谢的中间产物结构也有相似性，因而可以预测在一系列能降解多环芳烃的微生物中存在着功能类似的加氧酶

14、或降解途径。某些多环芳PAHs 真菌O2 图 1 微生物在加氧酶作用下氧化多环芳烃的途径 细胞色素酶 Cyt P-450 单加氧酶 H O H 芳环氧化物 非酶促结构重组 酚 OH O-葡萄糖苷 O-葡萄糖苷酸 O-硫酸盐 H OH OH H 反-二醇 H2O 环氧化物水解酶 H OH H OH 顺-二醇 OH OH 邻苯二酚 细菌O2 双加氧酶 辅酶 I NADH 脱氢酶 辅酶 II NADNHH 苯环断开 260 土 壤 2002 年 第 5 期 烃对诱导加氧酶系很有效18。Mueller 以萤蒽单独碳源和能源培养出的微生物群落能降解 17种多环芳烃，而在这 17 种多环芳烃中有些是不能直

15、接被微生物利用的，它们的降解以共代谢方式进行。微生物群落中的微生物起到了不同的作用，有的提供了加氧酶，有的提供了生 长因子22。在菲和水杨酸存在的前提下，不能作为 Pseudomonas Sacharophila p-15 碳源和能源的芘和萤蒽被这种菌代谢，萘、菲的降解均受水杨酸控制，这表明二者代谢作用于同一酶系23。Schwab 研究发现，根际土壤内芘的降解在有菲的存在下得到了促进24。Bouchez 等 分离出 6 种细菌，这些细菌至少能以如下 6 种多环芳烃：萘、芴、菲、萤蒽、芘中的一种为碳源和能源。他们还对两种多环芳烃在生物降解过程中的相互关系进行了研究，两种多环芳烃中至少有一种作为微生物的碳源和能源。在研究中有时不但能观察到 PAHs 之间剧烈的抑制作用，还能观察到它们之间的协同作用。多种微生物混合培养能减缓多环芳烃之间的抑制 现象25。Kanaly 把苯并芘和原油混合后投入清洁土壤，用土著微生物进行降解。他把苯并 芘的降解解释为共代谢氧化和随后的一些烃类降解菌的混合体