多环芳烃的厌氧生物降解反应体系

齐小辉++曹雪杰++闫建芳

摘要：指出了多环芳烃（PAHs）是一类广泛分布于自然界中的典型持久性有机污染物，对生态系统和人体健康具有极大的危害。微生物降解是环境中去除多环芳烃污染的有效途径，厌氧降解更因其具有低毒性、分解彻底而受到人们的关注。主要阐述了多环芳烃在厌氧条件下的代谢途径以及主要的还原反应体系，希望为多环芳烃污染的生物修复研究与实践提供有效参考。

关键词：多环芳烃；生物降解；污染修复

中图分类号：X703.1

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）16019204

1引言

多环芳烃（PAHs）是一类广泛分布于自然界中的有机化合物，因具有持久性、生物累积性、长距离迁移性和高生物毒性被美国环境保护署列为优先控制污染物[1，2]，对人类健康及生态系统造成潜在危害。生物降解多环芳烃具有绿色、快速、安全、费用低廉等优点，因而成为多环芳烃污染修复的有效途径。生物降解多环芳烃的方式因最终电子受体的不同分为好氧呼吸和厌氧呼吸代谢两种方式。好氧代谢过程中微生物易培养、降解效率高，一直受到人们的青睐，但同时也存在着产生有毒中间代谢产物、难再降解等致命的缺点[3]，甚至会发生更严重的二次污染。相比于好氧环境，厌氧条件下降解多环芳烃所产生的中间产物结构更简单、毒性小、分解更完全，而且大多数多环芳烃污染的环境，如土壤、沉积物、海底均处于缺氧或厌氧状态，因此厌氧降解逐渐成为多环芳烃污染治理的另一有效途径[4]。目前，好氧条件下微生物降解多环芳烃已得到较深入的研究和讨论，多集中在好氧降解菌的筛选、鉴定、降解条件的优化及降解途径的研究上。而厌氧条件下对实际污染的环境介质中多环芳烃的降解和修复研究却相对较少。因此，探明环境中厌氧微生物降解多环芳烃的反应体系及降解机制，揭示影响多环芳烃降解效率的关键因子都具有重要的理论和现实意义。

2多环芳烃的厌氧代谢途径

多环芳烃由两个或多个苯环以线性、弯接或簇聚方式构成的疏水性碳氢化合物[5，6]，主要由化石燃料燃烧、垃圾焚烧、煤气和石油精炼以及煤和石油等天然燃料的不完全燃烧产生。多环芳烃厌氧代谢的初始反应机理已有报道，主要是延胡索酸盐结合反应、羧化反应、羟基化及甲基化反应等。其中，延胡索酸盐结合反应是由烃的碳原子攻击延胡索酸盐的双键，生成相应的琥珀酸盐，再经β氧化转化为相应的辅酶A。羧化反应是由外源碳原子添加到多环芳烃的苯环上，生成相应的脂肪酸。至于羟基化和甲基化反应，主要是羟基或甲基结合在多环芳烃的苯环上，生成相应的酚类物质[7]。不同还原条件下厌氧微生物对各种类型多环芳烃的厌氧降解机制差异较大。近年来研究比较清楚的代谢途径也只有萘、菲等低分子量的多环芳烃，对于四环和四环以上多环芳烃的厌氧微生物降解途径至今仍是环境微生物代谢组学研究领域的难点。对萘的厌氧降解途径进行了总结，如图1所示。

3多环芳烃的厌氧降解反应体系

3.1硝酸盐还原体系

厌氧降解多环芳烃的研究中，以硝酸盐为基础的微生物修复可替代以氧气为基础的微生物修复，是处理沉积物中有机化合物污染较为经济高效的方法之一[8]。硝酸盐既可作为微生物的氮源，也可在厌氧条件下作为微生物常用的电子受体。1988年首次发现反硝化还原反应体系对萘的降解现象后，Mcnally等[9]研究了3株假单胞菌在反硝化条件下对蒽、菲、芘的降解，结果发现三株菌均表现出良好的降解效果，其中菌株SAG-R在12 h内就可以使最大溶解度的菲完全降解。同样，Lu等[10]研究了主要由γ-变形菌门和放线菌门组成的混合菌在硝酸盐浓度变化的条件下对萘降解的影响，发现在硝酸盐浓度为1.0和5.0 mmol/L时，萘的降解率分别达到了91.7%和96.3%。还有报道指出，与好氧降解相比，在产生自由能相同的情况下，硝酸盐还原体系代谢产生的多环芳烃降解产物的可溶性比有氧条件下高出10000倍[11]。这些现象表明硝酸盐还原体系比好氧降解多环芳烃有更高的降解效率和降解效果。然而以硝酸盐为电子受体的微生物降解主要集中在低分子量多环芳烃上，高分子量多环芳烃的降解仍需要进一步研究。硝酸盐还原反应体系的基本步骤如图 2所示。

3.2硫酸盐还原体系

硫酸盐在自然环境特别是海洋沉积物中含量丰富，因此，研究硫酸盐还原对海洋沉积物中多环芳烃的降解至关重要。硫酸盐还原条件下，对厌氧微生物降解多环芳烃的可行性展开了诸多研究。Kraig[12]的研究发现，以硝酸盐为电子受体时，并没有增强多环芳烃的降解效果，但以硫酸盐为电子受体时，微生物对多环芳烃的降解效率大大提高。Chang[13]在报道中还指出，即使在硝酸盐还原电位远远高于硫酸盐还原电位的情况下，多环芳烃的降解速率在硫酸盐还原条件下[0.14～0.586/（L·d）]仍是硝酸盐还原条件下[0.005～0.083/（L·d）]的10倍。Zhang和Rabus[14，15]提出，硫酸鹽还原与好氧降解相比，降解多环芳烃产生的中间产物更简单、毒性更小、分解更完全，最终的代谢产物均为H2O和CO2。硫酸盐还原反应体系的基本步骤如图3所示[16]。

3.3铁（Ⅲ）还原体系

目前将金属离子作为电子受体的报道较少，主要集中在Fe（Ⅲ）的研究上。铁还原是处理地下水污染、垃圾填埋场和缺氧沉积物中多环芳烃污染的关键过程。

Umakanth[17] 的报道指出，在地下环境中，还原铁起到了重要作用。其分离的菌株UKTL是可降解芳香烃的

产芽孢厌氧铁还原菌，附属于Desulfitobacterium属。Li等人[18]的研究表明，添加Fe（Ⅲ）有助于芳香烃的降解，而且在降解单芳三环二萜烃和多环芳烃中起着举足轻重的作用。Yan 等[19]研究发现，向太湖底泥中添加额外的氢氧化铁240 d后，厌氧微生物对菲和芘的最大降解率约可达到99% 和94%。还有人提出柠檬酸铁相对于磷酸铁而言更有助于微生物降解多环芳烃，但具体原因并不清楚，需要进一步研究。这也说明，铁还原条件下的微生物降解效果与添加的Fe（Ⅲ）的形式密切相关。endprint

3.4其它氧化還原体系

在某些情况下，锰（Ⅱ）、二氧化碳和碳酸盐均可作为微生物的电子受体降解沉积物中的有机化合物。此外，产甲烷还原体系也是另一种多环芳烃的降解体系，多分布在高有机碳负荷的环境中，且具有良好的多环芳烃降解能力[20]。

4展望

近年来微生物降解多环芳烃的研究广泛，但与好氧代谢研究相比厌氧降解多环芳烃降解机理的研究仍不完善，如高分子量多环芳烃的厌氧降解途径或在不同还原条件下不同类型多环芳烃的分解代谢等仍需深入研究。随着分子生物学技术的飞速发展，全新的代谢组学研究手段为阐明多环芳烃的代谢通路提供了新的思路。

（1） 采用宏基因组学测序方法寻找多环芳烃厌氧代谢过程中的关键酶，推测多环芳烃厌氧代谢中的关键步骤并进行分子调控。

（2） 结合宏转录组学研究方法确认多环芳烃代谢过程中中间产物的化学结构，推测多环芳烃的降解途径，进而拼接相对完整的代谢通路。

（3） 多环芳烃的污染修复过程中，应充分考虑不同电子受体不同还原体系的降解效率，筛选最佳反应体系进行实际修复。

2017年8月绿色科技第16期

参考文献：

[1]

Li J， Liu G， Yin L， et al. Distribution characteristics of polycyclic aromatic hydrocarbons in sediments and biota from the Zha Long Wetland， China[J]. Environmental Monitoring and Assessment， 2013，185（4）：3163～3171.

[2]Zhang Y，Wang J. Distribution and source of polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs） in the surface soil along main transportation routes in Jiaxing City，China[J]. Environmental Monitoring and Assessment，2011，182 （1）：535～543.

[3]Abdel-Shafy H I，Mansour M S M. A review on polycyclic aromatic hydrocarbons：source，environmental impact，effect on human health and remediation[J]. Egypt.J.Petrol，2015（25）：107～123

[4]孙明明，滕应，骆永明. 厌氧微生物降解多环芳烃研究进展[J]. 微生物学报，2012，52（8）：931～939.

[5]Bamforth S M，Singleton I. Bioremediation of polycyclic aromatic hydrocarbons：current knowledge and future directions[J]. Chemical Technology and Biotechnology，2005，80（13）：723～736.

[6]Minai Tehrani D，Minout S，Herfatmanesh A. Effect of salinity on biodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs） of heavy crude oil in soil[J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，2009，82（2）：179～184.

[7]Debajyoti Ghosal，Shreya Ghosh，Tapan K D，et al. Current state of knowledge in microbial degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs）：areview[J]. Front Microbiol，2016（7）：1369～1395

[8]Shao M F，Zhang T，Fang H H P. Autotrophic denitrification and its effect on metal speciation during marine sediment remediation[J]. Water Research，2009，43（12）：2961～2968

[9]Mcnally D L，Minelcic J，Lueking D R. Biodegradation of three- and four-ring polycyclic aromatic hydrocarbons under aerobic and denitrifying conditions[J]. Environmental Science and Technology，1998，32（17）：2633～2639.

[10]Lu X Y， Zhang T， Fang H H P，et al. Biodegradation of naphthalene by enriched marine denitrifying bacteria[J]. International Biodeterioration and Biodegradation， 2011，65（1）：204～211

[11]Rockne K J，Chee-Sanford J C，Sanford R A，et al. Anaerobic naphthalene degradation by microbial pure cultures under nitrate-reducing conditions[J]. Applied Environment Microbiology，2000，66（4）：1595～1601.endprint

[12]Kraig J，Sambhunath G. Feasibility of anaerobic biodegradation of PAHs in dredged river sediments[J]. Water Science and Technology，1998，38（7）：41～48.

[13]Chang B V，Chang S W，Yuan S Y. Anaerobic degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons in sludge[J]. Advance in Environmental Research，2003，7（3）：623～628.

[14]Zhang X，Sullivane R，Young L. Evidence for aromatic ring reduction in the biodegradation pathway of carboxylated naphthalene by a sulfate reducing consortium[J]. Biodegradation，2000，11（2/3）：117～124.

[15]Rabus R，Widdel F. Anaerobic degradation of ethylbenzene and other aromatic hydrocarbons by new denitrifying bacteria[J]. Archives of Microbiology，1995，163（2）：96～103.

[16]李想，周俊，王婷，等. 硫酸鹽还原菌对多环芳烃降解的研究进展综述[J]. 净水技术，2017，36（3）：38～43.

[17]Umakanth K，Michael J，Tillmann L，et al. Desulfitobacterium aromaticivorans sp. nov and Geobacter toluenoxydans sp. nov，iron-reducing bacteria capable of anaerobic degradation of monoaromatic hydrocarbons[J]. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology，2010，60（3）：686～695.

[18]Li C H，Wong Y H，Nora F Y T. Anaerobic biodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons with amendment of iron （ Ⅲ ） in mangrove sediment slurry[J]. Bioresource Technology，2010，101（8）：8083～8092

[19]Yan Z S， Song N， Cai H Y， et al.Enhanced degradation of phenanthrene and pyrene in freshwater sediments by combined employment of sediment microbial fuel cell and amorphous ferric hydroxide[J]. Journal of Hazardous Materials，2012，199～200（13）：217～225.

[20]Fuchedzhieva N， Karakashev D， Angelidaki I.Anaerobic biodegradation of fluoranthene under methanogenic conditions in presence of surface-active compounds[J]. Journal of Hazardous Materials，2008，153（4）：123～127.

Anaerobic Biodegradation Reaction System ofPolycyclic Aromatic Hydrocarbons

Qi Xiaohui， Cao Xuejie， Yan Jianfang

（College of Life Sciences， Dalian Nationalities University， Dalian， Liaoning 116600， China）

Abstract： Polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs） is one kind of representative priority organic pollutants in the environment. The increased threaten on ecosystem and public health of PAHs raised peoples' concern about its pollution remediation. Biodegradation is an effective process of removing PAHs which characterized by low cost， high effectiveness and environment kindness. In this article， thepathway of anaerobic biodegradation of PAHs and main

reduction reaction systems were summarized with an aim to facilitate the management of PAHs pollution.

Key words： PAHs； biodegradation； pollution remediationendprint