邻苯二甲酸酯类塑化剂的生物降解研究进展

刘斌 张红艳 张松

摘要：

塑化剂，作为塑料的重要组成成分被广泛的添加到塑料产品中以提高产品的柔韧性与耐久性。邻苯二甲酸酯类塑化剂作为使用最广、用量最大的塑化剂，其重要工业价值得到广泛认可，同时，其对人体健康及生态环境安全的威胁也受到广泛关注。作为污染物在环境中降解的主要方式之一，微生物降解以其高效、安全且无二次污染的特点而备受关注。本文对目前邻苯二甲酸酯类塑化剂的生物降解研究进展进行综述，主要涉及降解微生物，降解途径及相关分子机制，以期为邻苯二甲酸酯类塑化剂微生物降解的研究提供重要参考。

关键词：

塑化剂；邻苯二甲酸酯；生物降解；代谢途径；酯酶

中图分类号：S-3

文献标识码：A

DOI：1019754/jnyyjs20190315002

自塑化剂被应用于工业生产，数以千计的化合物被筛选以获得在可塑性、成本、可获得性以及环境安全性等方面表现良好的塑化剂，其中只有少数得以商业应用，包括邻苯二甲酸酯累（Phthalic acid esters， PAEs），对苯二甲酸酯（Terephthalates），环氧树脂（Epoxies），双酚类（Bisphenols）。每年约有800万t的塑化剂被使用，且其中的绝大多数被用于聚氯乙烯制品中（Polyvinyl chloride， PVC），同时也被用于建材、医药、线缆、颜料添加剂、粘合剂、化妆品等[1]。在众多的塑化剂中，邻苯二甲酸酯类的全球使用量最大（2014年全球使用量约840万t），占全球使用量的70%，且以邻苯二甲酸二（2-乙基）己酯（Di-（2-ethylhexyl） phthalate，DEHP）所占比例最大（约占371%，即每年超过300万t）。在邻苯二甲酸酯类塑化剂大量使用的同时，其对人体健康和生态环境安全的威胁受到了广泛的关注，大量相关毒理学实验被开展，其毒性得到了深入、系统的阐明；由于邻苯二甲酸酯类塑化剂本身并非直接与塑料多聚体直接连接，导致邻苯二甲酸酯类塑化剂在使用的过程中很容易释放到环境中，这使得此类塑化剂在不同环境中被普遍检测到[2]。因此，邻苯二甲酸酯类塑化剂在环境中的出现、迁移以及最终归趋受到了广泛关注，其环境降解/转化是关注热点之一。微生物降解，作为环境污染物降解的主要方式，在过去的40a中得到了深入研究，本文就邻苯二甲酸酯类塑化剂近年来的研究进展进行综述，主要涉及降解菌的分离、代谢途径、相关分子机制等，以期为邻苯二甲酸酯塑化剂的降解研究提供理论参考。

1邻苯二甲酸酯类降解菌

邻苯二甲酸酯类塑化剂于20世纪20年代被开发、生产，20世纪30年代进行工业化应用，经过长期的使用及环境释放，大量可降解邻苯二甲酸酯类的微生物菌株被分离报道。这些菌株同时包括革兰氏阳性和阴性细菌，也包括少量的真菌和酵母。表1中列举了部分具有代表性的邻苯二甲酸酯类降解菌，其中，假单胞菌属（Pseudomonas）、戈登氏菌属（Gordonia）、红球菌属（Rhodococcus）和鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）为具有代表性的典型菌属。

尽管已有较多的邻苯二甲酸酯类降解菌被分离，但是菌株的降解性能及环境适应性等表现各有不同。有的菌株具有将邻苯二甲酸酯类水解为邻苯二甲酸的能力，但是不能将邻苯二甲酸进一步利用，如Gordonia sp. JDC-2，可通过邻苯二甲酸单辛酯将邻苯二甲酸二辛酯转化为邻苯二甲酸，但不能利用邻苯二甲酸进行生长[3]。同时，在环境适应性上菌株的表现也具有较大差异，但总体而言，已报道的菌株对环境的适应性均相对良好。但依然有较多问题亟待解决，包括：已报道菌株在实际修复中的应用报道相对较少；恶劣（高盐、极端pH、极端温度、多种污染物同时存在等）条件下降解情况报道较少；低浓度情况下的降解（较多研究关注高浓度耐受）等等。

2邻苯二甲酸酯的微生物代谢途径

对于物质代谢途径的提出，主要依赖于代谢中间产物的检测，同时，代谢途径受物质自身理化性质的影响。就邻苯二甲酸酯的一般代谢途径而言，主要可以分为两个步骤，即2个酯键的水解，邻苯二甲酸的利用，同时也可能涉及具有较长的侧链基团的氧化缩短。就邻苯二甲酸酯2个酯键的水解而言，在有氧和厌氧菌株中并无明显差异，而邻苯二甲酸的代谢则在有氧和厌氧菌株中存在显著差异。在有氧的情况下，邻苯二甲酸首先被转化为原儿茶酸，接着原儿茶酸在双加氧酶的作用下被開环，进一步利用；邻苯二甲酸在厌氧条件下转化的过程报道相对较少，目前已知邻苯二甲酸可以被转化为苯甲酸，苯甲酸进一步被转化为己二酸。

作为酯键水解后的重要代谢中间产物，邻苯二甲酸有的时候不能被微生物所利用，进而导致微生物的生长受到限制，但邻苯二甲酸相对于邻苯二甲酸酯的毒性大大降低，从而达到了脱毒的目的；可以通过2种或者2种以上微生物的共同作用，实现对邻苯二甲酸酯的彻底降解，即一种特定微生物将邻苯二甲酸酯的酯键水解，另一种微生物将邻苯二甲酸转化利用同时为前者提供能源物质，如Gordonia sp. JDC-2和Arthrobacter sp. JDC-32可通过协同作用实现对邻苯二甲酸二辛酯的彻底降解[3]。

3邻苯二甲酸酯降解相关酶与分子机制

针对邻苯二甲酸酯代谢的分子机制，同样可以根据代谢途径分为2个过程，即实现2个酯键水解的关键酯酶，代谢中间产物邻苯二甲酸的利用。其中，邻苯二甲酸的代谢相关基因已经被大量报道，因此我们在这里不进行过多的讨论。一般情况下，一种酯酶可作用于邻苯二甲酸酯，将其中的一个酯键水解产生邻苯二甲酸单酯，另一种酯酶在进一步作用于邻苯二甲酸单酯生成邻苯二甲酸。而已报道可水解邻苯二甲酸酯中2个酯键的相关酶并不多（总计14个），其中有8个可作用于第1个酯键，5个可作用于第2个酯键，仅有1个酯酶可同时作用于2个酯键。Ren等对这些酯酶进行总结，确定了所有的这些酯酶属于酯酶8个家族中的4个家族，同时还包含一个未知家族[11]。

4菌株的實际应用

分离获得的污染物降解菌，通过相关分子机制研究阐明了物质在环境中转化的途径，为环境污染的修复与工业废水处理等提供了新的方法。生物修复主要指通过生物降解的途径对环境污染物进行转化从而达到将污染物从环境中去除或脱毒的方法。对于邻苯二甲酸酯降解菌的实际应用报道相对较少，且多是停留在实验室阶段的模拟修复，如邻苯二甲酸二（2-乙基己）酯降解菌Rhodococcus sp. WJ4就被应用于人工合成的污染土壤修复，且表现出较好的修复效果，同时土壤的水解酶活性也得到显著提高[9]。同时，对Mycobacterium sp. YC-RL4的研究发现，菌株在降解邻苯二甲酸二（2-乙基己）酯的过程中，细菌自身的细胞表面亲疏水性改变，从而实现对疏水性污染物更好的吸收[10]。

5机遇与挑战并在

尽管已有较多的邻苯二甲酸酯降解菌被分离报道，但是需要指出的是，邻苯二甲酸酯在环境中转化的分子机制认识尚不足，相关的酶报道依然较少；菌株在实际应用中的报道依旧很少。因此，要通过不断的分离获得新菌株来丰富降解菌资源，要对已获得的降解菌进行深入研究，阐明相关分子机制并探索菌株的实际应用，从而实现理论研究与应用研究的进一步深入并更好的服务社会发展与建设。

参考文献

[1]

Net S， Sempéré R， Delmont A， Paluselli A， Ouddane B. Occurrence， fate， behavior and ecotoxicological state of phthalates in different environmental matrices [J]. Environmental Science and Technology， 2015， 49（7）： 4019-4035.

[2] Sayyad G， Price GW， Sharifi M， Khosravi K. Fate and transport modeling of phthalate esters from biosolid amended soil under corn cultivation [J]. Journal of Hazardous Materials， 2017（323）： 264-273.