关于微生物在环境治理方面的应用研究进展——以微嗜酸寡养单胞菌为例

广西大学资源环境与材料学院 罗子健，梁小凤

一、微嗜酸寡养单胞菌简介

寡养单胞菌属是需氧性革兰氏阴性杆菌，栖息在海洋及陆地环境中，该菌属能够降解环境中典型污染物。微嗜酸寡养单胞菌（Stenotrophomonas acidaminiphila）最早于20002年从上流式厌氧污泥床的污泥中被分离鉴定出来（Assih et al.，2002）。研究表明，该菌种可降解敌草隆、丁草胺、氟虫腈、多环芳烃、脂肪烃、蓝藻毒素等，并具有有效去除重金属的能力。

二、微嗜酸寡养单胞菌在环境中的应用

（一）降解除草剂

化学除草剂在全球广泛使用，在农业生产中有着重要意义，但由于其具有的较高毒性和较为稳定的特性对环境产生了严重的污染。除草剂种类繁多，主要可分为有机磷类、二苯醚类和磺酰脲类等。微生物的分解代谢被认为是环境中除草剂降解的主要途径。近几十年来，关于微生物降解除草剂的报道越来越多。研究表明，微嗜酸寡养单胞菌可降解氟磺胺草醚、丁草胺和敌草隆等多种除草剂。

氟磺胺草醚属于二苯醚类除草剂，在环境中残留时间较长。研究发现，二苯醚类除草剂可以通过光降解、化学水解和生物降解的方式降解，微生物降解是其主要的降解途径。张清明（2013）利用富集培养技术从山东某农药厂活性污泥中筛选到1 株具有高效降解氟磺胺草醚能力的细菌，命名为BX3。经鉴定，菌株BX3 为微嗜酸寡养单胞菌。结果表明，该菌株可以氟磺胺草醚为唯一碳源生长。在氟磺胺草醚初始浓度为100 mg /L，培养温度为30℃，pH 值为7的条件下，降解氟磺胺草醚的效率最佳，培养5 d后对氟磺胺草醚的降解率可达到80% 以上。

丁草胺为氯乙酰胺类除草剂，氯乙酰胺类除草剂是一类分子结构中含有氯乙酰胺基团的除草剂，主要有甲草胺和乙草胺等。氯乙酰胺类除草剂的微生物降解途径主要有两种：谷胱甘肽－共轭脱氯途径和N－脱烷基氧化途径。Dwivedi等（2010）通过富集培养从被除草剂污染的小麦根际土壤中分离出丁草胺降解细菌菌株JS-1，并鉴定为微嗜酸寡养单胞菌。菌株JS-1耐受丁草胺的最大浓度为3000mg/L。HPLC分析显示，在含6mg/kg丁草胺的土壤培养20d后，土壤中的丁草胺几乎完全消失。敌草隆属于苯基脲类除草剂，主要用于去除谷类作物中的各种阔叶杂草。由于其相对较高的水溶性和较低的土壤吸附能力，苯基脲类除草剂及其代谢物可在不同水环境中被检测出来。微生物降解苯基脲类除草剂可分为两种途径：第一种途径是连续的N-去甲基化，尿素侧链裂解和最后的苯环结构裂解；第二种途径是将尿素侧链直接水解成其苯胺衍生物。

Egea等（2017）在受敌草隆污染的甘蔗作物土壤中分离出400株能不同程度降解敌草隆的细菌。其中，大多数分离株培养5d后可降解10%至30%的敌草隆，而嗜酸寡养单胞菌菌株TD4.7降解效率最高，降解率为87%。该菌株的降解开始于一系列N-去甲基化反应，依次释放3,4-二氯苯基甲基脲（DCPMU）及3,4—二氯苯基脲（DCPU），然后进行酰胺键裂解，产生3,4-二氯苯胺（3,4-DCA），而最终的3,4-DCA只有少部分被降解。

（二）降解杀虫剂

同样，农业杀虫剂的广泛使用也会对环境造成严重的危害，常见的农业杀虫剂可分为有机氯类和有机磷类等。Uniyal等(2016)从受氟虫腈污染土壤中的玉米根际区域分离出降解氟虫腈的细菌并鉴定为微嗜酸寡养单胞菌。氟虫腈属于苯基吡唑类杀虫剂，其在土壤中的半衰期差异很大，从3天到7个月不等。该菌株降解氟虫腈的最佳条件为pH值为7.5，温度35℃。在最佳条件下及含25mg/L的Dorn肉汤培养基中氟虫腈的降解率为86.1%。GLC分析结果表明，氟虫腈通过氧化，还原和水解反应分别降解形成砜、硫化物和酰胺。

（三）降解烃类有机物

随着煤和石油在工业生产和交通运输中的广泛使用，多环芳烃在环境中的积累越来越严重威胁人类的健康。多环芳烃化学性质稳定，不易水解，但受紫外辐射易发生光化学反应。部分微生物可降解低分子量的多环芳烃，但通常不能彻底降解。Mangwani等从咸水泻湖水样中分离出可降解菲和芘的微嗜酸寡养单胞菌。实验表明，在含有100mgL菲的Tris培养基中培养7d后，以浮游方式培养的菲降解率为38.7%，而以天然生物膜方式培养的降解率高达71.1%。与菲相比，芘的降解较慢，在含有100mgL芘的Tris培养基中培养7d后，浮游培养方式的降解率为29.7%，生物膜培养方式的降解率为40%，但其降解效率仍高于其他菌属。TLC分析表明菲和芘代谢物中分别有较多的水杨酸和儿茶酚中间体的积累。Cerqueira等从受石油污染的土壤、工业废水和含油污泥中通过考察石油烃类降解能力初步分离出20株拥有较强降解能力的菌株，并研究了这20株菌株对不同浓度含油污泥的耐受降解能力、生物表面活性剂分泌能力及部分相关酶的酶活性，选择出5株最有潜力的菌株，其中一株为微嗜酸寡养单胞菌。

（四）其他污染物的去除

富营养化引起藻类的大量繁殖，除造成池体缺氧的问题以外，水华藻类可产生有毒化学物质, 对人们生产生活用水造成了极大的威胁。其中，微囊藻毒素毒性最大，出现范围最广。刘晓文等（2010）从太湖腐烂的水华中富集筛选出1株可降解微囊藻毒素的微嗜酸寡养单胞菌。实验表明，该菌株5d内即可将15.4mgL的微囊藻毒素100%降解。孙璐璐等（2018）在活性污泥中分离培养一株好氧脱色的微嗜酸寡养单胞菌菌株，并将其应用于偶氮染料的生物降解和固定化研究。该菌在35℃、120r/min振荡培养18h后对初始浓度为100mg/L的颜料23脱色率达到90%以上。另外，还研究了以质量分数为1.5%的海藻酸钠溶液作为固定化载体，5%的FeCl3作为交联剂并接种体积分数为4%的菌悬液制成固定化小球。结果显示，在100ml浓度为100mg/L颜料23培养液中投入最佳投加量5g的固定化小球，培养18h后颜料23脱色率达到89%。另外，有研究显示，部分微嗜酸寡养单胞菌株对重金属有较高的耐受性及去除效率。Mangwani等人研究了微嗜酸寡养单胞菌株NCW-702形成的生物膜成分，发现这些细胞外聚合物存在着大量多糖、氨基酸、蛋白质和脂质物质。这些胞外聚合物通常可由静电力吸附重金属或与之螯合。进一步研究发现，菌株NCW-702可耐受不同浓度的各类重金属。Manohari等从受重金属Cu污染场地中的狗牙根根际土壤中分离出一株可耐受及去除Cu2+的微嗜酸寡养单胞菌菌株MYS1。该菌株可在Cu2+浓度高达600mg/L的肉汤培养液中良好生长。在pH值为5.0，温度为32.5℃，Cu2+浓度为250mg/L的优化条件下，该菌株可获得最快的生长（2.87μg/mg）及最高的Cu2+去除率（94.1%），其去除效率远高于同类报道中的其他菌属。

三、展望

近些年，研究人员从自然环境中筛选出越来越多的微嗜酸寡养单胞菌株，并应用于降解有机农药、处理废水及修复污染土壤等不同领域，显示出该菌种在环境生物修复中具有较大潜力。随着研究的不断深入，降解机理将逐渐明晰，有利于该菌种进一步应用于实际生产。