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1、微生物学通报Microbiology CDEC 20, 2012, 39(12): 18081816 2012 by Institute of Microbiology, CAS微生物降解苯甲酸的研究进展台萃*张晓云盖忠辉许平(上海交通大学 微生物代谢国家重点实验室上海200240)摘要: 苯甲酸在工业中的广泛应用使其成为环境中的常见污染物, 对微生物好氧降解苯甲酸的邻位途径、间位途径、龙胆酸途径和原儿茶酸途径及厌氧降解途径等进行总结,并对苯甲酸降解过程中发挥重要作用的苯甲酸双加氧酶的种类、不同组分及苯甲酸降解 基因和调控基因的基因簇进行介绍, 同时展望微生物降解污染物的发展方向。关键词: 苯
2、甲酸, 降解途径, 双加氧酶, 基因簇Advances in benzoic acid degradation by microorganismTAI Cui*ZHANG Xiao-YunGAI Zhong-HuiXU Ping(State Key Laboratory of Microbial Metabolism, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240, China)Abstract: Benzoic acid is becoming a common pollutant in the environment because of it
3、swidely use in industry. We summarized different pathways of the aerobic and anaerobic deg- radation of benzoic acid by microorganism. Both the two- and three-component benzoic acid dioxygenases play important roles in the process of benzoic acid degradation. Gene clusters of benzoic acid degradatio
4、n and regulation were introduced, and also the direction of pollution degradation by microorganism in the future.Keywords: Benzoic acid, Degradation pathway, Dioxygenase, Gene cluster基金项目：上海交通大学综合交叉研究与培育专项*通讯作者：Tel: 86-21-34206647;: 收稿日期：2012-03-05; 接受日期：2012-05-03苯甲酸为无色、无味的片状晶体, 又被称为苯酸或安息香酸, 属于芳香族的
5、弱酸, 在 100 C时可以升华, 通常以游离酸、酯或其衍生物的形 式存在于酸果蔓、梅干、肉桂、丁香等物质中1。在一些植物的叶和茎皮中多以游离的形式存在,在香精油中以甲酯或苄酯的形式存在。 苯甲酸难溶于水, 因此在工业中应用的多为苯甲酸的钠盐, 即苯甲酸钠。苯甲酸钠为白色结 晶性的粉末, 易溶于水。苯甲酸及其钠盐通常可 以用作乳胶、牙膏、果酱或其他食品的抑菌剂, 因 为未解离的苯甲酸有较强的亲油性, 可以很容易 地通过细胞膜的磷脂双分子层而进入到细胞内 部, 从而干扰微生物细胞膜的通透性, 阻碍霉菌 和细菌等对于氨基酸等物质的吸收。同时, 它还可以抑制多种微生物体内的呼吸酶系的活性, 阻 止乙
6、酰辅酶 A 缩合反应2, 从而起到良好的杀菌 防腐作用。苯甲酸及其钠盐还可用作某些药物的物的微生物筛选和对这些化合物不同代谢途径的研究以及对一些基因的改造。在自然界中, 能 够降解苯甲酸类化合物的微生物有很多种, 对苯甲酸类化合物的代谢也存在几种不同的途径, 根 据降解过程中对氧的需求及最终电子受体的不同, 可以将苯甲酸类化合物的降解分为好氧降解 和厌氧降解。其中好氧降解是微生物利用加氧酶的催化使芳香环羟基化开始降解过程, 此过程以 分子氧为其最终的电子受体; 而厌氧降解则是先发生还原反应消除芳香环的共轭, 进而使其还原 降解, 此过程以硝酸盐、铁或 CO2 为最终的电子受体。1.1好氧降解在
7、已经分离到的微生物中发现苯甲酸类化合 物的好氧降解途径主要有以下几种: 邻位途径、间位途径、龙胆酸途径和原儿茶酸途径。邻位途径(The ortho cleavage pathway):1.1.1苯甲酸类化合物邻位降解途径的第一步都是在双加氧酶的作用下, 在分子氧的参与下, 使这类 化合 物发生 双羟 基化 反应生 成中 间产物 DHB(2-Hydro-1,2-dihydroxybenzoate), 然后在 DHB 脱 氢酶的作用下再进一步生成邻苯二酚1011, 又称儿茶酚, 这也是很多芳香族化合物的代谢中间产 物。儿茶酚的进一步降解也是经邻位裂解途径12, 即儿茶酚在儿茶酚 1,2-双加氧酶的
8、作用下内开环助溶剂34,因为药物中添加的苯甲酸钠可以增加药物的溶解度, 使得机体对药物的吸收量增多。另外还可用作染色和印色的媒染剂。 正是由于苯甲酸及苯甲酸钠在化工、食品及染料工业中的广泛应用, 导致苯甲酸及苯甲酸钠 成为常见的环境污染物, 在工业废水中大量存在。有研究证明, 苯甲酸是扁桃酸、甲苯等很多 种芳香族化合物生物降解的中间产物56, 同时 还是苯的厌氧降解的中间产物67。许多不同结构的芳香化合物可通过一系列反应被转化为苯甲酸或是苯甲酰-辅酶 A (CoA), 并以此作为厌氧降解 过程的中间体89, 如苯甲基脂肪酸、甲苯、酚等。因此开展苯甲酸的微生物降解途径及机理的13生成粘康酸, 进
9、而经过一系列的反应代谢为乙酰辅酶 A 和琥珀酰辅酶 A, 进入三羧酸循环14,如图 1 所示。间位途径(The meta cleavage pathway):1.1.2在苯甲酸的间位代谢途径中, 其前两步反应同邻位途径是相同的, 即将苯甲酸氧化成儿茶酚。不 同的是在间位途径中, 儿茶酚在儿茶酚 2,3-双加氧酶的作用下外开环生成 2-羟基粘康酸半醛13,然后经过一系列反应代谢为丙酮酸和乙醛, 乙醛 也可以进一步形成乙酰辅酶 A 进入三羧酸循环14,如图 1 所示。研究, 对于阐明很多环境污染物的降解,境污染将起到很重要的指导作用。治理环1苯甲酸的代谢途径目前对苯甲酸的研究包括降解苯甲酸类化合1
10、810微生物学通报2012, Vol.39, No.12图 1苯甲酸的邻位和间位代谢途径10,1314Fig. 1 The ortho and meta cleavage pathway of benzoic acid metabolism 10,1314以上 这 两 条 途径并 不是 严格区 分的, 有研 究发现, 在 Pseudomonas putida P8 对苯甲酸钠 降解的过程中, 在底物苯甲酸钠的初始浓度为200 mg/L 时, Pseudomonas putida P8 对苯甲酸盐 的降解是通过邻位裂解途径进行的。然而, 当菌体在苯甲酸盐浓度较高(300 mg/L)的环境中生 长
11、时, 通过动力学观察发现, Pseudomonas putida P8 会同时进行邻位和间位裂解途径15, 最多可 以降解 200 mg/L 的苯甲酸盐。在这种情况下 ,就 需 要 从分子水平来进一步阐明具体的代谢途径, 比较简单的方法就是分析分解酶。研究者使 用 MALDI-TOF MS 对 Pseudomonas putida P8 在 高底物浓度时苯甲酸降解途径中的主要分解酶 进行了鉴定, 结果很明显地说明在苯甲酸盐浓度较高时, 邻位和间位裂解途径是同时发生的14。而在运用 2-DE 电泳进行代谢途径分析的研 究中发现电泳结果显示的邻位和间位裂解途径 并不完整, 分析其原因是这两条途径中
12、一些酶由 于 Mr/pI 值很相近或者是由于电渗作用的影响使得他们不能在凝胶中很好的溶解, 从而影响对代谢途径完整性的判断1617。1.1.3 龙胆酸途径: 苯甲酸降解的龙胆酸途径是 由 Altenschmidt 等在 Pseudomonas strain KB 740中首先发现的18。在这一途径中, 苯甲酸首先由苯甲酰辅酶 A 连接酶作用生成苯甲酰辅酶 A19, 然 后在单加氧酶的作用下间位单加氧形成 3-羟基苯甲酰辅酶 A, 而后又在 3-羟基苯甲酰辅酶 A-6-单加氧酶作用下生成龙胆酸, 进而通过一系列的反应最后生成反丁烯二酸和丙酮酸18,20, 如图 2 所示。通过分析酶学数据发现,
13、在这一过程当中,利用苯甲酸和 3-羟基苯甲酸的酶是依次按顺序诱 导的, 而 3-羟基苯甲酸和龙胆酸降解酶是同时被 诱导的。1.1.4 原儿茶酸途径: 现在已知的原儿茶酸途径 有两条, 如图 3 所示, 研究者在 Aspergillus nigerATCC 1015 代谢苯甲酸的过程中发现, 苯甲酸代谢的第一步是一个新型的加氧过程, 苯甲酸在苯 甲酸 4-羟化酶的作用下在对位加氧生成 4-羟基苯 甲酸, 又经 4-羟基苯甲酸 3-羟基化酶的作用生成 原儿茶酸21。原儿茶酸开环裂解生成 3-酮脂肪酸烯醇内酯, 之后的代谢同儿茶酚途径相同, 最后生成琥珀酸和乙酰辅酶 A 进入三羧酸循环。 而另一种代
14、谢方式则是, 苯甲酸在 3-羟化酶的作用下先在间位单加氧生成 3-羟基苯甲酸, 之 后又经 3-羟基苯甲酸 4-羟化酶的作用同样生成原儿茶酸。原儿茶酸又进一步加氧、开环生成马来酰丙酮酸, 后者异构为富马酰丙酮酸进入后续反 应中22。除此之外, 某些微生物体内还存在多条代谢 途径, 如在 Burkholderia xenovorans LB400 中, 通过转录组和蛋白组学的分析发现, LB400 体内 同时存在苯甲酸代谢的邻位途径和两条不同的http:/ 2苯甲酸的龙胆酸代谢途径18,20Fig. 2 The gentisic acid pathway of benzoic acid meta
15、bolism18,20图 3苯甲酸的原儿茶酸代谢途径2122Fig. 3 The protocatechuic acid pathway of benzoic acid metabolism2122苯甲酸-CoA 途径。通过构建突变株并进行休止细胞反应也验证了这几条途径的存在19,23。1.2厌氧降解除好氧降解外, 很多细菌都具有苯甲酸的厌 氧降解能力, 主要包括一些光合细菌、反硝化细菌和硫铁还原细菌等, 其中比较典型的是紫色非 硫光合细菌(Rhodopseudomonas palustris)和反硝化细菌(Thauera aromatica)。在这些细菌中, 主要 经以下几个步骤对苯甲酸进行降解24: (1) 苯甲酸在苯甲酸辅酶 A 连接酶的作用下形成辅酶 A 硫酯; (2) 苯环的
