苯酚降解菌的研究进展

摘要苯酚是一种原型质毒物，对一切生活个体都有毒杀作用，且具有“三致”效应。概述了苯酚这一污染物的污染现状，筛选出的苯酚降解菌的种类及降解特性，从而为高效适用型苯酚降解菌的筛选提供借鉴。

关键词苯酚降解菌；研究进展；降解机理；降解特性

中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2015）05-201-05

基金项目国家自然科学基金（41201511）；湖南省自然科学基金（08JJ6018）；湖南省教育厅青年基金（12B059）；湖南省教育厅教改项目（SCX1114）。

作者简介

陈焕（1989-），男，湖南岳阳人，硕士研究生，研究方向：环境污染物检测与治理。*通讯作者。

收稿日期2014-12-29

随着石油、化工、建材、陶瓷、造纸、煤气、纺织、塑料、合成纤维和焦化等工业的迅速发展，含酚废水排放量大大增加，对环境造成的污染也日益严重，并逐渐成为当前水体的主要污染源之一[1-2]。酚类化合物是一种原型质毒物，来源广泛、数量多、危害较大，对一切生活个体都有毒杀作用，且具有“三致”效应，含酚废水不经处理而任意排放，不但污染生态环境，而且会引起蛋白质变性和凝固，影响生物及人体健康与生存[3]。因此，许多国家（包括中国）已将其列入环境优先控制污染物的黑名单和65种有毒污染物名单中[4]，含酚废水的处理也已成为国内外重点治理的有害废水之一[5-6]。大量的研究结果表明，酚类化合物虽然是一种生物毒性物质，但是很多微生物（包括好氧的和厌氧的）可利用酚类作为生长碳源，因此可以利用微生物处理含酚废水。由于生物法具有应用范围广、处理能力大、设备简单和比较经济等特点，使其逐渐成为目前应用最广的废水处理技术，也是我国含酚废水无害化处理的主要方法[7-8]。然而，越来越多的研究结果表明，传统的生物法在含酚废水治理方面还存在着微生物系统对酚的耐受性和降解能力不高、抗冲击负荷能力差、处理时间较长、成本较高等问题，难以推广[6-7，9]。在自然界中，微生物种类繁多、适应性强，且具有分解多种多样自然和人工合成难降解有机物能力，对于减少污染、净化环境具有很大的潜力，是环境污染修复的重要资源。因此，国内外学者从酚类物质污染的环境中分离、鉴定出多种降酚微生物菌株，并对其降解特性、降解机理等进行了深入研究。笔者通过查阅国内外文献，就当前已经分离获得的苯酚降解菌的研究现状进行分析、归纳，从而为含酚废水治理提供借鉴。

1苯酚降酚菌分类

目前，国内外共筛选获得57个属、212种苯酚降解菌，主要包括细菌和真菌两大类（见表1）。其中，细菌159种，占75%；真菌53种，占25%。159种苯酚降解细菌分属于42个属，其中假单胞菌属（Pseudomonas sp.）的菌株最多，其次是芽孢杆菌属（Bacillus sp.）、产碱菌属（Alcaligens sp.）和红球菌属（Rhodococcus sp.），共占苯酚降解细菌62.9%；其他38个属仅1～4种苯酚降解菌，占37.1%。假单胞菌属、芽孢杆菌属、产碱菌属和红球菌属分别有55种、25种、11种和9种苯酚降解菌，分别占苯酚降解细菌总数的34.6%、15.7%、6.9%和5.7%，占筛选获得的苯酚降解微生物菌株总数的25.9%、11.8%、5.2%和4.2%。51种苯酚降解真菌分属于15个属，其中酵母菌属（Saccharomyces sp.） 最多，其次是假丝酵母属（Candida sp.）和不动杆菌属（Acinetobacter sp.）最多，占筛选获得的苯酚降解真菌的73.6%；其他12个仅1种或2种，仅占26.4%。酵母菌属、假丝酵母属和不动杆菌属分别有16种、12种和11种苯酚降解菌，分别占苯酚降解真菌总数的30.2%、22.6%和20.8%，占筛选获得的苯酚降解微生物菌株总数的7.5%、5.7%和5.2%。在目前筛选获得的212种苯酚降解菌中，假单胞菌属和芽孢杆菌属中苯酚降解菌较多，占37.7%。由此可见，苯酚降解菌主要是假单胞菌和芽孢杆菌。

2 苯酚降解菌的降解机理

苯酚降酚菌对苯酚的降解主要分为好氧降解和厌氧降解，在好氧降解上是一条羟化降解路径，苯酚羟化酶是其降解的关键因素[10]。在好氧代谢过程中，一种是邻苯二酚-2，3-加氧酶（C23O）途径，另一种是邻苯二酚-1，2-加氧酶（CatA）途径。苯酚在苯酚羟化酶的作用下首先被转化成为邻苯二酚，邻苯二酚C23O酶的催化作用下间位开环裂解成2-羟基粘糠半醛，逐步转化后形成4-羟基-α-酮基戊酸，最终生成乙酸和丙酮酸等产物进入三羧酸循环（TCA），进入糖代谢途径，继续被降酚菌利用；另一种途径为邻苯二酚在CatA酶的催化作用下邻位裂解为己二酸，沿着β-酮基己二酸的途径降解，最终生成乙酰辅酶A、琥珀酸等产物进入微生物三羧酸循环[11-12]。

同时研究表明，苯酚在厌氧条件下也能被降解，Lack等[13]研究发现苯酚在厌氧降解时，是直接将苯酚羧化为4-羧基苯甲酸，进而形成苯甲酰辅酶A，然后转化为乙酸等小分子物质最终达到降解的目的，这类途径被称作是Kolbe-Schmitt羧化反应。

合计57212

3 影响苯酚降解菌降解苯酚的因素

苯酚降酚菌的种类和外界因素对于苯酚降解效率均有着举足轻重的影响。影响降酚微生物降解苯酚效率的常见因素有温度、pH、苯酚初始浓度、外加碳和氮源、转速（溶解氧）、金属离子、盐度，这些因素对降酚效率和同一因素对不同菌株的降酚效率的影响皆有所不同。

3.1温度

已筛选出的苯酚降解菌绝大多数最适温度都在25～35 ℃之间。同时也有研究表明，少数研究中筛选除了耐寒、耐高温苯酚降解菌，降解率会随着温度降低或者升高成正比增加，马溪平等[14]筛选分离得到的菌株Bb-2最低能在4 ℃下生长；唐赟等[15]分离筛选得到的菌株BF80最适生长和降解温度达到65 ℃；金显春等[16]筛选、鉴定得到的降酚菌AF1在50 ℃条件下仍然有较好的降酚效果；何熙璞等[17]筛选得到的节杆菌降酚菌F5-2在45 ℃条件下仍有50%以上的降酚效率。在所有降酚菌中耐低溫降酚菌（<10 ℃）占1.25%，耐高温降酚菌（>45 ℃）占1.88%，其中唐赟等分离筛选的降酚菌AF1属于嗜热菌。

3.2pH

大多数降酚微生物最适pH范围在6.0～8.0之间，最佳降解pH为7.0，降酚菌在合适pH范围内生长能使降解率达到最优。同时也存在少数降酚菌最适pH在6.0～9.0和7.0～10.0的。研究表明， 王祖佑等[18]分离得到的一株苯酚降解菌JFJ-2降解率随着pH上升而增加，当pH达到10.0该菌株仍然能够正常生长，高效降酚；龚斌等[19]分离、筛选到的苯酚降解菌在pH 4.0～9.0范围内降解率均能达到80%以上。总的来说，不同菌株有着不同的最适pH范围，但是适应范围有所不同，一般情况下，当pH小于4.0或者大于10.0时，将抑制降酚菌生长，酚类化合物也很难被降解。

3.3苯酚初始浓度

初始酚浓度对于苯酚降解微生物在降解效率上也有着不同影响，有的菌种最适降解范围为200～500 mg/L，部分高达200～2 000 mg/L，在这些最佳降解浓度范围内都能将苯酚完全降解。一般来说，降酚菌对苯酚的降解时间会随着苯酚浓度的增加而延长，但也不排除少数高效降酚菌有着特异性。超过菌株的最适降解浓度后，降解率会下降，也不会随时间延长而改变降解率。研究表明，宋波等[20]研究發现的苯酚降解菌S1、S2耐受浓度均高达10 000 mg/L的菌株，并且有良好的降酚效果，这也能为今后降酚微生物的实际应用奠定良好的基础。

3.4外加碳源、氮源

对大部分降酚菌来说在降酚过程中适量添加易降解碳源和氮源如葡萄糖、淀粉、蛋白胨、酵母粉、尿素等，对苯酚降解有明显促进作用，降解时间缩短。 这是由于细菌优先利用了易降解碳源和氮源，加快了细菌的生长繁殖速率，从而提高了降解速率。同时也有少部分降酚菌对于外加碳源和氮源或者部分外加碳源和氮源没有提高降解效率的表现。对于外加碳源和氮源的添加也有一个最适量，添加过多则会使降酚菌过分利用易降解碳源和氮源，从而使降酚速率下降。研究表明，关晓燕[21]研究的降酚菌布鲁斯杆菌在酵母膏、蛋白胨、蔗糖、乳糖等作为外加碳源存在时，对菌体的生长均有促进作用，其中蛋白胨的作用最为明显；金显春等[16]分离得到的降酚菌AF1添加葡萄糖由0 g/L变化到0.25 g/L，苯酚降解率显著提高，而当其由0.25 g/L变化到1.0 g/L时，苯酚降解率却逐渐下降，并逐渐低于无外加碳源时的降解率，这是因葡萄糖所引起的代谢反馈抑制，而以氯化氨和硝酸氨作为唯一氮源存在时，其对苯酚的降解几乎无影响；岳黎等[22]对18种碳、氮源进行了降酚菌降解苯酚试验，详细分析了各种碳氮源对降酚菌XH-10的生长和降解率的影响，在生长方面乳糖、麦芽糖、淀粉、蛋白胨、酵母粉的促进作用大于葡萄糖、羧甲基纤维素钠、氯化铵、乙酸铵、草酸铵、硝酸铵、尿素的促进作用，大于蔗糖、甘油、硝酸钠的促进作用；乙酸钠、磷酸铵、氯化铵具有明显的抑制作用；在苯酚降解方面乳糖、麦芽糖、淀粉对试验几乎没有影响，葡萄糖、羧甲基纤维素钠有较小的抑制作用，蔗糖、甘油、蛋白胨、酵母粉、硝酸铵、尿素有一定的抑制作用，乙酸钠、氯化铵、乙酸铵、硝酸钠、磷酸铵、氯化铵、草酸铵有明显的抑制作用。

3.5转速（溶解氧）

降酚微生物降解苯酚时的转速与溶解氧密切相关，转速越快，水中溶解氧含量越高。对于好养类降酚菌来说，酚类化合物的降解主要通过氧化途径，水体中氧气的含量直接影响着降酚菌对苯酚的降解效率。 研究表明，在试验装置厌氧或者静置条件下，由于缺氧或者供氧不足，将导致废水中的苯酚降解缓慢甚至几乎不能被降解。在有充分外界氧气提供的情况下，供氧充足，苯酚的降解率明显高于静置厌氧培养。研究表明，大部分好氧降酚菌最适转速在100～150 r/min，而许甜甜等[23]分离到的假单胞菌在转速为250 r/min时苯酚降解率达到最高。

3.6金属离子

金属离子对于微生物降解苯酚大多会产生一定的影响，特别是常见的重金属离子，如Hg2+、Co2+、Cu2+、Cd2+、Cr6+、Ag+等。研究表明，金显春等[16]筛选的降酚菌AF1，在低于0.1 mmol/L的Cu2+、Mn2+和Zn2+下对苯酚的降解有一定促进作用，Hg2+、Pb2+等重金属对苯酚降解有一定的抑制作用，Cd2+在低于0.05 mmol/L对苯酚的降解有促进作用，高于该浓度则有抑制作用；龚斌等[19]分离筛选的假单胞降酚菌JF-10在重金属Pb2+、Cu2+、Ni2+浓度为0.01～0.1 mg/L时可以使苯酚完全降解的时间缩短10 h左右，Mn2+在0.01～0.5 mg/L浓度对苯酚的降解均有一定促进作用，分析发现JF-10对Cd2+、Pb2+、Mn2+、Ni2+重金属抗性较高，可用于在重金属Cd2+、Pb2+、Mn2+、Ni2+污染的水体环境中的苯酚污染的生物修复。

3.7盐度

一般而言盐度对微生物降解苯酚影响较大，高盐度会使降酚菌的生长速率和降解速率迅速下降。研究表明，王祖佑等[18]分离筛选的降酚菌JFJ-2当含盐量大于1.5%时，苯酚降解率急剧下降；顾立锋等[24]筛选分离得到的一株德氏酵母菌Gb能在5% 盐度（Na2SO4）情况下正常生长并高效降解苯酚；曲媛媛等[25]分离筛选的假丝酵母降酚菌W3在NaCl质量分数为5%、苯酚浓度为1 500 mg/L时，12 d苯酚的降解率可达到99.8%，并且W3的耐盐度在10%以上。

4小结

含酚类物质特别是含酚废水，对人们的健康生活影响越来越大，目前而言解决这一现状的方法众多。从污染源中分离筛选获得高效的降酚菌酚，研究其降解特性，最后应用到含酚废水处理系统中，是解决处理含酚废水难以处理的一条良好、绿色、高效途径。但是绝大多数研究结果显示，目前找到的降酚菌的最佳降解浓度仅在300～1 000 mg/L，而实际上工厂排放的含酚废水浓度高达几千甚至上万mg/L，对于如此高浓度的含酚废水处理起来存在一定难度。所以在高效降酚菌的选育的同时，利用因子诱变、基因融合等现代生物技术及通过研究催化剂等其他能够提高降酚效率的科技将对选育出绿色、高效、适用的降酚菌具有重大研究意义。美好的环境是人类健康生存的必要条件，筛选出高效、绿色、适用型降酚菌势在必行。

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责任编辑张彩丽责任校对李岩