氯苯类化合物的生物降解
Ξ
第 1 卷第 4 期 2 0 0 0 年 8 月 环境污染治理技术与设备 Techniques and Equ ip m ent fo r Enviro n ment al Pollutio n C o n t r ol V ol . 1 , No . 4 Aug . , 2 0 0 0
氯苯类化合物的生物降解
甘 平 朱婷婷ΞΞ 樊耀波 王敏健ΞΞΞ (中国科学院生态环境研究中心 ,北京 100085)
摘 要
氯苯类生物降解机制可分为三类 :氧化脱氯、还原脱氯和共代谢。氯苯类的氧化脱氯机
制基本遵循一个相似的降解途径 ,即首先在双氧化酶攻击下形成二醇 ,此二醇脱氢形成氯代
邻二酚。邻二酚开环产物是相应的氯化粘康酸 ,脱氯过程发生在此粘康酸内酯化过程中和内
酯开环后 ;还原脱氯需要多种微生物共同参与 ,脱氯途径很不一样 ,这与不同微生物种群和不
同的环境条件有关 ;共代谢作用降低了氯苯类化合物的生物毒性 ,使其更易为别的微生物同
化。
关键词 :生物降解 氯苯类化合物 氧化脱氯 还原脱氯 共代谢
氯苯类化合物在环境中普遍存在 ,是化学性质较为稳定的一类化合物。这主要是因 为氯原子有较高的电负性 ,强烈吸引苯环上的电子 ,使苯环成为一个疏电子环 ,因而氯苯 类化合物很难发生亲电反应。随着氯取代基的增多 ,氯苯类化合物的活性逐次下降。与 碳氢化合物相比 ,由于氯原子的引入其生物降解性大大降低 ,因此生物处理很难降解氯苯 类化合物。而在污水的处理过程中除部分低氯苯挥发进入大气外 ,大量的氯苯类化合物 仍将存留于污水和污泥中。氯苯的吸附性、挥发性、亲脂性均处于“中间”水平 ,易为植物 吸收 ,污染作物 ,是污泥资源化利用的障碍之一 ,所以研究氯苯类的生物可降解性 ,提高氯 苯类的生物处理效率 ,对于污水处理和资源化利用都有促进作用。
氯苯类化合物通常被认为是环境外来化合物 ,由于自然界中的微生物缺乏相应的降 解酶 ,所以难以被微生物利用。但是经过长期的接触驯化 ,有些微生物通过自然变种 ,或 通过形成诱导酶 ,而逐步改变自身以适应环境 ,能够将氯苯类化合物降解或部分转化。迄 今为止 ,许多学者已从土壤或水体中分离出这些微生物。
氯苯类化合物与芳烃类化合物相比 ,生物降解性大大降低 ,主要原因是高电负性的氯 原子使苯环成为一个很难被氧化的疏电子环。氯苯类化合物降解的关键在于脱氯。根据 脱氯过程中电子得失 ,将氯苯类化合物生物降解分为氧化脱氯和还原脱氯 ,除了脱氯机制 外 ,氯苯类化合物还有共代谢机制[ 29 ] 。
Ξ
ΞΞ ΞΞΞ 国家自然科学基金资助项目 29677027 :环境模拟与污染控制国家重点联合实验室开放基金支持 ;
北京工业大学化学与环境工程学系 1997 届毕业生。
通信联系人
表1 代谢氯苯类化合物的微生物氯苯类化合物微生物
一氯苯Pseu d om o n a s sp . ( WR1306 )[ 1 ] 、P. p u t i d a( 613 - 3 , 11A - 5B , 631 - 4B2 )[ 2 ] 、Pseu d om o n a s sp .(J S1474 ,704 ,701 ,150) [ 3 ] 、P. aer u gi n osa ( R H01) [ 4 ] 、白腐真菌Phanerochaete ch r ysos p ori u m[ 5 ] 、P. p u t i d a(J S31 )[ 6 ] 、R a lstoni a sp .(J S705 )[ 7 ] 、Escherichi a her m a nii [ 8 ]
1 ,
2 - 二氯苯Pseu d om o n a s sp .[ 9 ] 、Pseu d om o n a s sp . P51 ( 发现质粒) [ 10 ] 、P. aer u gi n o sa
( R H01) [ 4 ] 、白腐真菌Phanerochaete ch r ysos p ori u m[ 5 ]
1 ,3 - 二氯苯 A lcal i g enes sp . (OBB65) [ 11 ]
1 ,4 - 二氯苯A l a l i g enes sp .(A175) [ 1
2 ] 、Pseu d om o n a s sp .(J S6) [ 1
3 ] 、P. p u t i d a( WR1323 杂交种) [ 1
4 ] 、Pseu d om o n a s ( P51 )[ 10 ] 、X a n t h obacter f l a v u s ( 14p1 )[ 1
5 ] 、P. aer u gi n o sa
( R H01) [ 4 ] 、白腐真菌Phanerochaete ch r ysos p ori u m[ 5 ]
1 ,
2 ,
3 - 三氯苯未名好氧菌群[ 16 ] 、未名厌氧菌群[ 17 ]
1 ,
2 ,4 - 三氯苯未名好氧菌群[ 16 ] 、S t a p h yloccus epi d er m i d is ( A - F) 、S t a p h ylococcus sap r op h u t i cus ( G) 、S t reptococcus sp .( H , I) 、B a cil l u s sp .(J ) 、L actobacil l u s sp .(L )、Pseu d om o n a s sp .( PS12 , PS14 ) [ 19 ] 、Pseu d om o n a s aer u gi n o sa ( R H01 ) [ 4 ] 、Pseu d om o n a s sp . ( P51) [ 20 ] 、未名厌氧菌(群) [ 5 ,17 ,21 ]
1 ,
2 ,
3 ,
4 - 四氯苯Pseu d om o n a s chlororap h is ( R W71) [ 22 ]
1 ,
2 ,4 ,5 - 四氯苯Pseu d om o n a s sp .( PS14) [ 19 ] 、B u r k h ol d eri a sp .( P S14) [ 2
3 ] 、未名厌氧菌群[ 17 ]
五氯苯,六氯苯未名厌氧菌群[ 17 ] , [ 24～28 ]
一、氯苯类化合物的氧化脱氯机制
在好氧条件下,氯苯类化合物的降解反应基本上遵循一种相似的先开环再脱氯的机制。首先在双加氧酶作用下,在芳环中插入氧原子,形成相应的环状氯代二醇,再在去氢酶作用下,脱除两个氢原子转化为相应的氯代邻二酚。研究表明,好氧生物体中不仅含有双加氧酶,而且还含有可使苯环发生邻位裂解的酶。该酶可催化氯代邻二酚邻位开环,生成相应的氯代粘康酸,此产物在内酯化过程中脱除氯原子并被氧化成氯代马来酰基乙酸, 最终进入三羧酸循环。氯苯类化合物的氧化脱氯还存在一种较少见的先脱氯后开环再脱氯的催化反应体系,即在单加氧酶作用下,由羟基取代氯原子,再经过单加氧酶的进一步作用,形成开环裂解的中间体氯代邻二酚,才能进一步降解。下面具体介绍氯苯类化合物的氧化脱氯机制。
11 一氯苯
德国的Reineke W. 及Knackmuss H. J . 从污泥中分离富集出能够利用一氯苯为唯一碳源的微生物[ 1 ] 。他们首先将从不同地方收集来的污泥混合,在20 ℃下通入苯蒸气,再
逐步提高一氯苯的蒸气浓度,直至被完全取代。容器进口与检测仪相连,可以控制氯苯的浓度。经过9 个月驯化,分离出Ps u d om on as 属的菌株W R1306 。通过细胞提取物的酶活性分析,他们推测出一氯苯的降解机制,即在双加氧酶作用下
发生双羟基化反应,生成3 - 氯- 顺- 1 ,2 - 二羟基- 3 ,5 - 还己二烯,再在NA C + 的参与下去掉一分子氢,生成氧化开环的中间体3 - 氯邻二酚。此中间体邻位裂解后形成2 - 氯- 2 ,4 - 二烯- 己二酸(即2 - 氯- 粘康酸) 。脱氯过程发生在粘康酸内酯化形成4 - 羧甲烯基- 2 - 丁烯- 4 - 内脂的过程中。此产物含有不饱和双键,可以被逐步还原,生成只含一个不饱和键的顺丁烯二酰基乙酸(即马来酰基乙酸) 和碳链完全饱和的3 - 羰基- 己二酸,并最终进入三羧酸循环(如图1 所示) 。
图1 一氯苯的好氧生物降解机制
氯代邻二酚具有生物毒性,会抑制一氯苯的进一步降解,在降解过程中容易形成积累,所以反应中芳环邻位裂解形成氯代粘康酸是控速步骤。研究人员认为所有单取代基苯的衍生物都遵循相似的好氧降解途径,即都会专一的在2 、3 位发生双氧化反应,形成相应的邻二苯酚的衍生物,然后邻位开环,生成取代的粘康酸。
除了人工驯化,微生物对氯苯类化合物的代谢功能还可以通过自然驯化过程获得。美国的S. F. Nishino 等从受氯苯污染的地下水中未经驯化便分离出P. p u t i d a和B aci l l us 属的菌株,它们都参与一氯苯的降解[ 2 ] 。K ier n icka 等从工业污水处理厂的污泥中也未加驯化分离出一种能够降解一氯苯的Esche richi a he r m a n i i 。这是一种黄色短杆菌,在一氯苯浓度大于400mg/ L 时也能存活[ 8 ] 。这说明经过长期的接触驯化,天然菌群会逐渐适应环境,能够利用周围的有机污染物为碳源和能源,在氧气和无机养分充足时, 使目标污染物较快降解。这种自然驯化是通过土著微生物的水平基因转移和原有基因重组而获得的[ 7 ] 。
211 ,2 - 二氯苯
美国的B . E. Haigler 等从活性污泥中分离出假单胞菌( Pse u do non as) J S100 ,它能以邻二氯苯和一氯苯为唯一碳源和能源。这是一种格兰氏阴性杆菌,有一至二根极生鞭毛, 37 ℃下无法存活。除了一氯苯和邻二氯苯,它还可以独立降解间、对二氯苯和3 ,4 - 二氯酚,但不能降解甲苯[ 9 ] 。
假单胞菌J S100 降解1 ,2 - 二氯苯时,也是首先在双加氧酶的催化作用下发生羟基化反应(如图2 所示) 。
双羟基化是苯环裂解和氯苯进一步降解的先决条件。理论上说,苯环的双羟基化可能有两种途径,一是在双加氧酶的催化下一次完成,二是经单加氧酶的两次连续进攻。但实验未测到单酚,否定了在单加氧酶的攻击下二氯苯首先生成氯酚的可能。双加氧酶的攻击位点有专一性,是严格的3 、4 位。
图 2 邻二氯苯的好氧生物降解机制
实验中二氯邻二酚易积累从而产生较大生物毒性 ,为了诱导细菌产生邻二苯酚的降 解酶 ,从而有利于二氯苯的彻底降解 ,可以加入酵母膏作为诱导物 ,或在驯化时从较低浓 度开始逐步提高二氯苯的浓度。有趣的是 , 植物根系的存在也有利于强化二氯苯的降 解[ 30 ] 。
在分子生物学方面 ,荷兰学者从降解 1 ,2 - 二氯苯、1 ,4 - 二氯苯和 1 ,2 ,4 - 三氯苯的 P. p51 菌中发现编码这些代谢功能的质粒 ,从而将氯苯类化合物生物降解的研究推到分 子生物学水平[ 10 ] 。
311 ,3 - 二氯苯
为避免挥发 ,1 ,3 - 二氯苯的生物降解研究是在 30 ℃的封闭体系中进行的。为了保 证充足的氧气 ,采用大体积小液量的体系 ,上层空间氧量足以维持一周内微生物生长所 需 ,并每周定期用空气吹扫。菌株 OBB65 降解 1 , 3 - 二氯苯的机制类似于一氯苯的降 解[ 11 ] ,首先是 1 ,3 - 二氯苯转化为相应的二氯代二醇 ,进一步脱氢转化为二氯代邻二酚 , 进而再被 1 ,2 - 二加氧酶催化转化为 2 ,4 - 二氯粘康酸。(见图 3) 。
图 3 间二氯苯的好氧生物降解机制
除了间 - 二氯苯 ,OBB65 菌株还能降解苯、一氯苯和 1 ,4 - 二氯苯。
411 ,4 - 二氯苯
假单胞菌 J S6 对 1 ,4 - 二氯苯的降解途径如图 4 所示[ 13 ] ,
图 4 X f l a v u s 14pl 对 1 ,4 - 二氯苯的好氧生物降解机制
1 ,4 - 二氯苯降解的第一步也是在双加氧酶的催化下完成的。理论上说 ,双加氧酶的 攻击位点可以是 1 ,
2 位或 2 ,
3 位。而代谢产物中只有 3 ,6 - 二氯 - 3 ,5 - 二烯 - 环己二
醇和3 ,6 - 二氯邻二苯酚,从而证实攻击位点在2 ,3 位上。产物二氯邻二苯酚又在1 ,2 -双氧化酶的催化下发生所谓的“邻位开环”反应,产物是氯代粘康酸。
能降解1 ,4 - 二氯苯的另一种细菌X a n t hobacte r f l av us 14p1 是一种格兰氏阴性的多形态细菌,菌落微小,呈黄色[ 15 ] 。1 ,4 - 二氯苯的致毒浓度是0 . 1mM . 。X . Fl av us 14 p1 对1 ,4 - 二氯苯的降解有高度的专一性,除了1 ,4 - 二氯苯,它几乎不能降解其它氯代或非氯代的芳香化合物。它降解1 ,4 - 二氯苯的途径与假单胞菌的降解机制基本相似,可能因为两者存在相似的酶催化反应体系。
荷兰的G o s se Schrea[ 12 ] 等人发现的 A l cal i g e n es A175 也能降解1 ,4 - 二氯苯、1 ,3 - 二氯苯和一氯苯。与Reineke 发现的W R1306 细菌和de B o n t 发现的 A l cal i g e n es 细菌一样,这种微生物不能降解一元酚,因为它体内没有单氧化酶,不能将一元酚氧化成邻二苯酚,而此种邻二酚是苯环裂解的中间体。
在分子生物学方面,Olt manns 等[ 14 ] 将能够降解一氯苯的两种假单胞菌杂交,驯化分离出能够以1 ,4 - 二氯苯为唯一碳源的菌株N R132 。
511 ,2 ,3 - 三氯苯
Marinucci 及其合作者着重研究了环境因子对1 ,2 ,3 - 三氯苯生物降解的影响[ 16 ] ,其中包括化合物浓度、土壤温度、湿度和有机质含量。结果表明化合物浓度是主要影响因素。通过实验中测得的代谢产物2 ,3 - 二氯酚和2 ,6 - 二氯酚,他们推测可能存在两种降解机制,一是在单加氧酶和去氯化氢酶的共同作用下完成,二是双氧化反应的产物二醇在酸性介质中自发转变成酚。显然,由于没有引进酶分析方法,该研究没能很好揭示1 ,2 ,3 - 三氯苯的降解途径。
图5 1 ,2 ,3 - 三氯苯的好氧生物降解机制
代谢产物二氯酚要再进一步羟基化,形成开环的中间体邻二苯酚,才能进一步降解。研究发现,1 ,2 ,4 - 三氯苯的降解速率比1 ,2 ,3 - 三氯苯快2～3 倍,这主要取决于此两种化合物能够发生羟基化反应的难易程度。
值得一提的是,本研究提出的降解机制不同于其他氯苯类化合物的双氧化- 开环-脱氯的降解途径,而是首先生成一元酚,且脱氯反应发生在开环之前。这是由于特定的实验条件引起的,该研究不是严格的好氧环境,而是好氧、厌氧交替进行:厌氧条件有利于脱氯反应,却抑制苯环的羟基化,不利于开环; 而好氧条件则有助于苯环的羟基化,利于开环,但却不利于脱氯。
611 ,2 ,4 - 三氯苯
德国的 Peter Sander 等从工业废物处理场的土壤中驯化分离出 Ps u d onon as PS12 和 PS14 [ 19 ] , PS12 能够降解一氯苯、三种二氯苯和 1 ,2 ,4 - 三氯苯 ,而 PS14 还能降解 1 ,2 ,4 , 5 - 四氯苯。驯化后的菌株丢失了降解苯的能力。这说明细菌体内的酶在获得新的降解 能力的同时 ,也失去了原有的降解能力。
与其他氯苯类化合物的降解途径一样 ,1 ,2 ,4 - 三氯苯分解的第一步也是双氧化作 用 ;氧化位点是连续两个没有氯取代基的碳原子。形成的三氯邻二苯酚经过开环 - 内酯
化 - 羧酸化 , 缓慢转变为 2 , 5 - 二氯 - 4 - 氧代 - 2 - 烯己二酸
( 如图 6 所示) 。在外加 NAD H 作用下 ,该产物还可以进一步降解成只含有 5 个碳的化合物。这证明含
( - 酮的 酸在较低 p H 条件下易发生脱羧反应。另外 ,这种化合物也可以在 NA D H 作用下打开双 键 ,形成饱和脂肪酸 ,然后脱去氯化氢分子 ,并断裂成琥珀酸和乙酸 ,最终进入三羧酸循 环。
图 6 1 ,2 ,4 - 三氯苯的好氧生物降解机制
美国学者 A . C. Marinucci 等[ 16 ] 在试验中定量测定了 1 , 2 , 4 - 三氯苯的降解。在 20 ℃下 60 %～70 %含水率的土壤中 ,1 ,2 ,4 - 三氯苯的降解速率是 1nm ol/ d ·20gsoil 。在 该实验条件下 ,1 ,2 ,4 - 三氯苯降解的第一步是脱氯反应。从 1 ,2 ,4 - 三氯苯的结构可推 知 ,邻对位氯取代基的吸电子效应 ,使相应的碳阴离子比较稳定 ,因此 1 ,2 ,4 - 三氯苯的 降解脱氯作用首先发生在 1 位或 2 位。实验的降解产物中 ,2 ,4 - 二氯苯酚的浓度远远大 于 2 ,5 - 二氯苯酚和 3 ,4 - 二氯苯酚 ,也证实了这一设想。此后的降解反应 ,由于羟基的 推电子效应 ,使得氯的间位发生再次的羟基化反应 ,形成二氯代邻二苯酚 ,并在邻对位发
生开环裂解 (图 7) 。
虽然在理论和试验中已经证实氯苯类化合物能够被特定微生物降解 ,但是将实验室
中分离出来的纯菌用于实际环境进行生物修复时 ,却得不到理想的降解效果[ 20 ] 。
711 ,2 ,4 ,5 - 四氯苯
1 ,
2 ,4 ,5 - 四氯苯的好氧脱氯机制采用先脱氯后开环再脱氯的形式。假单细菌 PS14 在最初双氧化作用中以 HCl 的形式自发脱除一个氯原子[ 19 ] ,生成相应的邻二醇。此邻二 醇的脱氢产物与 1 ,2 ,4 - 三氯苯降解最初产物
3 ,
4 ,6 - 三氯 - 1 ,2 - 二醇 - 3 ,
5 - 环己二 烯的脱氢产物相同。当然 ,1 ,2 ,4 ,5 - 四氯苯还可能存在单加氧酶的两次催化作用 ,同时 一个氯原子被羟基取代的降解反应 ,因为类似的反应发生在 3 - 氯苯甲酸。通过 G C -
M S 对降解产物进行分析可以得到以下降解机制 (见图 8) 。
图 7 1 ,2 ,4 - 三氯苯的好氧生物降解机制
图 8 1 ,2 ,4 ,5 - 四氯苯及 1 ,2 ,4 - 三氯苯的好氧生物降解机制
此处 1 ,2 ,4 - 三氯苯的好氧生物降解机制与图 6 描述的降解机制不同 ,这是由于所 采用微生物的特性不同 ,培养方式也不同。
811 ,2 ,3 ,4 - 四氯苯
随着氯取代数的增加 ,氯苯类氧化脱氯的难度会逐渐加大。90 年代初人们开始研究
高氯代苯类 (氯取代数大于 3) 的好氧生物降解 ,但是直到 1998 年 ,德国学者们经过 3 年
驯化 ,终于分离出能够以 1 ,2 ,3 ,4 - 四氯苯为唯一碳源和能源的好氧微生物 Pse u do m on a s chl oror a p his [ 22 ] 。这是格兰氏阴性菌 ,严格好氧 ,37 ℃和 4 ℃下能够存活。除了 1 ,2 ,3 ,4 - 四氯苯 ,该菌还能够以 1 ,3 - 、1 ,4 - 二氯苯和 1 ,2 ,3 - 三氯苯为唯一碳源和能源。假单胞 菌 P. Chl oror a p his 降解 1 ,2 ,3 ,4 - 四氯苯的机制与 1 ,2 ,4 ,5 - 四氯苯的机制有所不同 ,
它不存在开环前的脱氯过程 (见图 9) 。
91 真菌对氯苯类化合物的降解
近年来 ,人们在研究真菌对木质素的降解时发现它们还能降解其它许多有机污染物 ,
如苯、甲苯、乙苯[ 31 ] 和多种氯代芳香化合物[ 32 ] 。1995 年美国密执安州立大学的研究者们
发现一种白腐真菌 Ph a ne roch at te ch rysos pori u m 能够降解 M CB 、D CB 和甲苯[ 5 ] 。这种腐 殖真菌未经驯化就能够降解氯苯 ,说明该微生物体内存在能够降解氯苯的酶。试验是在 37 ℃下的密封容器中进行的 ,为了保证 O 2 的供应 ,事先将培养基充氧至饱和 ,目标化合
图9 1 ,2 ,3 ,4 - 四氯苯的降解机制
物的代谢用14 C 跟踪。该菌对MC B 有较强的降解能力,当MC B 的浓度增加到100mg/ L 时仍能观察到26 . 2 %的降解。实验中降解的一氯苯并不完全转化为CO2 ,因为CO2 产率低于一氯苯的降解率,说明代谢中有中间产物积累,反应过程中有控速步骤。该微生物对邻、间- 二氯苯的降解率均高于对- 二氯苯。但降解的对- 二氯苯却几乎完全转化为CO2 ,而邻、间- 二氯苯的转化率却低得多。另外,该真菌降解一氯苯和二氯苯与木质素超氧化酶无关,而这种酶被认为参与其它一些氯代芳香化合物的代谢[ 33 ] 。这种真菌在氧量充足时有较高的降解活性。
二、氯苯类化合物的还原脱氯机制
还原脱氯是指氯苯类化合物在得到电子的同时去掉一个氯取代基,并释放出一个氯阴离子的过程[ 29 ] 。还原脱氯主要发生在厌氧条件下,但在多氯化合物的好氧降解中有时也可能发生[ 34 ] 。
由于氯原子强烈吸引电子云,使苯环上电子云密度降低,在好氧条件下,氧化酶很难从苯环上获取电子而发生氧化反应;氯原子数越多,苯环上电子云密度越低,氧化越困难, 因而迄今为止没有五氯苯和六氯苯好氧脱氯的报道。而在厌氧条件下,环境的氧化还原电位较低,氯苯类化合物显示出较好的厌氧生物降解性。许多在好氧条件下难于降解的有机物在厌氧下变得能够甚至容易降解。还原脱氯使氯原子数减少,降低这些难降解有机物毒性,易于被别的微生物同化。
像大多数厌氧反应一样,还原脱氯需要多种微生物的参与[ 29 ] 。这是因为多种微生物共存易于创造厌氧环境,而且一种微生物要靠其他微生物作为电子受体和供体,另外一种微生物可以借助其他微生物消除抑制性的中间代谢产物,从而使降解进一步完成。但也有例外,目前已发现一种微生物D . T ie dje 能够独立进行还原脱氯过程[ 35 ] ,不需要其他微生物的参与。在具体研究中,由于参与反应的微生物种群不同,环境条件不同,同一种化合物会显示不同代谢途径。
一般说来,除1 ,2 ,4 ,5 - 四氯苯、1 ,2 ,3 ,4 - 四氯苯、1 ,2 ,4 - 三氯苯和1 ,2 ,3 - 三氯苯外,其它高氯代苯类化合物会抵制好氧生物降解,所以常采用厌氧生物降解法来处理。研
究表明 ,自然环境中存在可以降解氯苯类化合物的厌氧细菌。在含有氯苯类的河流、土壤 等深层缺氧层中及鼠类肠容物中都发现了能降解氯苯的厌氧细菌[ 17 ,18 ,25 ] 。厌氧生物降 解反应在没有电子供体的条件下是不能进行的。葡萄糖、甲醇、乙醇、乙酸盐、丙酸盐、乳 酸和氢均可以作为良好的电子供体[ 21 ] 。氯苯类还原脱氯速率除了与微生物种群有关 ,还 与目标化合物浓度和环境的氧化还原电位有关[ 26 ] 。研究表明六氯苯浓度大于 50mg/ L 时会抑制它的降解速率 ,而且环境的氧化还原电位越低 ,还原脱氯速率越高 ,其顺序依次
为 :产甲烷条件
(0 . 3mg/ L / d ) > 硫化条件 ( 0 . 12mg/ L / d ) > 反硝化条件 ( 0 . 08mg/ L / d ) > 好氧条件。
氯苯类的厌氧生物降解机制主要是在酶催化作用下由氢取代氯 ,发生脱氯反应 ,但脱 氯途径可能不是单一的 ,如六氯苯[ 24 ] (见图 10a) 。
(a )
( b ) 图 10 六氯苯的两种厌氧生物降解机制
图 10a 所描述的机制表明 ,六氯苯通过两种途径进行降解。大量的六氯苯转化成 1 , 3 ,5 - 三氯苯 ,其余则生成二氯苯。这可能存在两种降解机制不同的菌群。也说明苯环上 三个氯原子的连续排列是不稳定的 ,中间的氯原子与碳的结合力最弱 ,最容易被还原 ,借 以保持更大的稳定度 ,当居中的氯原子完全脱除 ,如形成 1 , 3 , 5 - 三氯苯时脱氯反应停 止。
美国的 Ra manand 等在产甲烷条件下研究六氯苯 ,1 ,2 ,4 - 三氯苯的降解时 ,发现六
氯苯的降解还存在另外一种降解途径[ 25 ] ( 见图10b) 。实验中没有产生1 ,3 ,5 - 三氯苯, 也没有其它三氯苯浓度的积累,而是进一步转化为一氯苯,这表明六氯苯、五氯苯的降解机制将多于一种途径。这是由于不同的微生物种群在不同的环境条件下显示出不同的特性所造成的。
三、氯苯类化合物的共代谢(co - met a bolism) 降解机制
”共代谢”的概念来源于Peter 和Fo ster 提出的“共氧化”[ 36 ] ,其定义为在生长基质存在时对不可利用基质的氧化。J enso n将此概念一般化, 提出“共代谢”, 现在一般定义为[ 22 ] 只有在初级能源物质存在时才能进行的化合物的生物降解过程。不仅包括细胞在对生长基质代谢过程中对非生长基质的共同氧化; 也包括休眠细胞( resting cells) 对非生长基质的代谢,此时共代谢的能量来自细胞的内源呼吸。
共代谢被认为是由于初级基质诱导产生的酶和辅助因子缺乏专一性所致[ 24 ] 。由于代谢所需的酶来源于初级基质的代谢,因此对次级基质的共代谢活性取决于对初级基质的利用。如德国的P. R. Brunsbach 等在研究一氯苯、1 ,4 - 二氯苯的生物降解时,发现该微生物能共代谢1 ,2 - 二氯苯和1 ,2 ,4 - 三氯苯。但当生长基质消耗殆尽时,1 ,2 - 二氯苯和1 ,2 ,4 - 三氯苯不再降解[ 4 ] 。由于共代谢体系中的酶缺乏专一性,在一个同时存在2 种基质的体系内,必然存在着对所需酶的竞争作用,两种基质的代谢速率之间存在着相互作用。在上述研究中,1 ,2 - 二氯苯和1 ,2 ,4 - 三氯苯的引入,降低了一氯苯的代谢速率, 是细胞对生长基质的利用产生明显滞后。
共代谢中生长基质的选择是很重要的。同种微生物可能以多种化合物为生长基质,但是不同的生长基质诱导的酶可能不尽相同。一般来说,生长基质于非生长基质分子结构类似时,生长基质诱导的酶可能非专一的共代谢非生长基质。如在上述例子中,1 ,4 - 二氯苯的降解菌可以降解结构相似的1 ,2 - 二氯苯和1 ,2 ,4 - 三氯苯。另外许多氯代芳香化合物不能被微生物直接利用作为生长基质,但可通过选择一种合适的生长基质来诱导产生它们所需的酶及产生足够的能量驱动它们的最初转化。如在消除氯苯类化合物代谢中产物氯代邻二酚的积累时,可以加入酵母膏来诱导。
四、结语
目前的研究进展表明,有多种细菌和真菌可降解氯苯类化合物。在好氧条件下氯苯类化合物降解遵循一种相似的降解机制,即先开环再脱氯。在厌氧条件下高氯代苯往往有不同的脱氯途径,这与参加降解的微生物的特性和环境条件有关。微生物的共代谢作用可以降低氯苯类化合物的生物毒性,易于被别的微生物利用。
虽然在理论和试验中已经证实氯苯类化合物能够被特定微生物降解,但是如何将实验室中驯化出来的微生物应用于实际生物处理或生物修复而保持其降解的活性是有待深入研究的课题。另外,利用基因工程构建新的微生物,使其具有更强的降解能力,也是被受关注的研究方向。
参考文献
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BIOD E GRADATIO N OF CH LO R OBENZENES( CBS)
———A REVIEW
G an Ping Zhu Tingting Fan Y ao b o Wang Minjian
( Research Cent er f o r Eco2Enviro nment al Sciences , Chiese Academy of Sciences , Beijing 100085)
ABSTRACT
Chl o r inated Benzenes ( C Bs) are widely used indust r ial chemicals. In aero b ic and anaer2 o b ic co n diti o n s , bi o d egradati o n s of C Bs by microo r ganisms were reviewed. The machanisms of bi o d egradati o n of C Bs can be catego r ized as o x idative dechl o r inati o n , reductive dechl o r ina2 ti o n and co m etablism. In o x idative dechl o r inati o n n , CBs were bi o d egraded via a similar pat h2 way. The initial o xidat ive at t ack by C Bs di o xygenase is p r oceed via t h e chl o r inated dihydro2 di ol , w h ich sho u ld yield co r respo n ding chl o r ocatechol upo n enzymatic dehydro g enati o n and rearo matizati o n. It foll ow s a m o d i f ied o r t h o cleavage pat h way , yielding chl o r o muco n ic acid. The eliminating of chl o r ide in t h e fo r m of HCl occurs during t h e co u rse of lacto n izati o n of t h e muco n ic acid , and af t er t h e cleavage of t h e lacto n to fo r m co r respo n ding maleylacetate .In reductive dechl o r inati o n , t h e bi o d egradati o n pat h ways vary wit h di fferent micro b ial co n so r2 tium and enviro n mental co n diti o n s. C o m etablism reduces t h e to x icit y of C Bs , t h us makes t h em m o r e readily degraded by ot h er microo r ganisms.
K ey w ords : chl o r o b enzenes ; b i o d egradati o n ;o x idat ive dechl o r inati o n ; reductive dechl o r i2 nati o n ;co m etablism.