根际土壤微生物对多氯联苯的降解及环境意义

卓胜

[摘要]：在目前的土壤植物修复研究之中，由植物介导的根际修复无疑是备受关注的热点课题之一。在降解有机物污染的过程中，植物在向根际释放根系分泌物时所产生的某些分泌物都能够为相应微生物的存活、生长提供条件。基于此，本文主要就根际土壤微生物对多氯联苯的降解及环境意义这一课题进行了系统分析与探究。

[关键词]：根际土壤微生物；多氯联苯；降解；环境意义

1、 前言

根际是指植物根系与土壤之间的微界面，是围绕于植物活根的土壤微宇宙，其范围通常只有几微米到几毫米。根际环境深受根系及其所关联的微生物活动的影响，是土壤-植物根系-微生物三者相互作用的场所，因此其物理、化学和生物学性质等与非根际土壤有巨大的差异。同时根际是土壤水分和矿物质进入根系参与生物循环的门户，也是根系自身生命活动和代谢对土壤影响最直接、最强烈的区域。在不同环境条件下，植物根系可以分泌有机阴离子、质子和酶等来改变根际微环境的生物化学性质，改变根际微环境中养分和污染物的化学形态和生物有效性，并最终影响植物对养分和污染物的吸收与积累。

多氯联苯（PCBs）是一组由一个或多个氯原子取代苯分子中的氢原子而形成的氯代芳香族化合物，其结果复杂，理论上有209种同系物。PCBs曾因其有优良的稳定性、热传导性和绝缘性被广泛应用与电力、化工等行业，但由于对环境的危害性和对生物的致癌性，上世纪八十年代中期已被停止生产。

但PCBs是持久性有机污染物，其对环境、对生物的影响至今还是很严重。近年来，随着对PCBs危害的重视程度提高，越来越多学者进入研究PCBs如何降解的行列当中，其中利用微生物来降解是研究的热点。本文将从根际土壤微生物的角度来阐述PCBs降解的研究进展及其环境意义。

2、 根际微生物降解PCBs的机理

根际微生物对PCBs的降解涉及到植物的重要影响，植物与根际微生物联合作用促进根际微生物加速对PCBs的降解。因此植物与根际微生物的联合作用是修复有机污染物中非常重要的一个途径，也是当今研究比较多的一个方向。一方面，植物在生长发育的过程中，根系分泌的有机物和酶类进入土壤，使根际的微生物数量显著提高，活性也随之大大增强，从而加速了有机污染物的矿化。另一方面，根际环境中微生物作用可促进植物的生长，从而加速对降解产物的吸收。这一共存体系的共同作用，将在很大程度上加速污染土壤的生物修复速度。此外，植物还可以向根区输送O2，使根区的好氧作用得以顺利进行。

Singer等（2003）在被污染的土壤中，以香琴酮和水杨酸等作为酶诱导剂，然后栽种芸苔，再与未栽种芸苔的处理进行对比。结果表明，栽种了芸苔的处理，经过9个星期，表层6cm PCBs的去除率达61%；而未栽种芸苔的处理，PCBs的去除率在表层0～2cm和2～6cm分别为43%和14%。由此可见，栽种了芸苔植物后，PCBs的去除率明显升高。

通过研究烟草、山葵、龙葵和紫花苜蓿的根际微生物代谢PCBs时研究人员发现，山葵和龙葵都有较强代谢转化PCBs的能力。实验表明两周内，90%以上的2-氯苯甲酸和20～40% 的二氯苯甲酸被转化。

综上例子，直接降解PCBs的生物体以微生物为主，据现有的报道表明，多氯联苯的微生物修复可分为厌氧脱氯、好氧降解和真菌的酶降解三大途径。

2.1 厌氧脱氯

PCBs的脱氯主要是发生在间位和对位，也有少数邻位脱氯，其脱氯的易难程度按取代位置为：间位>对位>邻位，且两个氯原子分别处于两个苯环比在同一苯环上更容易被脱去。这是因为氯原子置换在不同位置的分子总能量E，焓H和自由能G数值不同，其顺序为：2（6）位>>3（5）位>4位（Wang等， 2005）。

由此可见，氯的取代基越多，厌氧脱氯显得越容易。对于高氯代联苯的脱氯是以厌氧条件下的还原脱氯为主，因为Cl原子强烈的吸电子性使环上的电子云密度下降，当Cl的取代个数越多，环上电子云密度越低，氧化越困难，表现出的生化降解性能低；相反，在厌氧或缺氧的条件下，环境的氧化还原电位低，电子云密度较低的苯环在酶的作用下越容易受到还原剂的亲核攻击，Cl容易被取代（高军等，2005）。

因此，厌氧脱氯是降解PCBs的关键一步，然而PCBs在脫氯转化为低氯代的化合物后，就很难再继续脱氯，接下来的脱氯任务通常由好氧降解来完成。脱氯功能可能是由共生的微生物群落实现，原因在于脱氯有赖于微生物群落提供的电子供体、营养成分和维持最优的氢浓度。几种脱氯微生物同时或者顺序代谢不同的PCBs同系物及其代谢产物获得了更好的降解效果，即某种微生物PCBs的代谢终产物可能作为另一种微生物的生长基质。艾尼瓦尔等（2000）总结了前人研究的PCBs的厌氧降解过程（表1）。

2.2 好氧降解

与厌氧微生物主要通过还原脱氯对PCBs降解不同，好氧细菌能通过加氧氧化开环反应来继续降解PCBs（赵曦等，2007）。

对于经厌氧脱氯的低氯联苯连续的酶反应机制以及包括其生物降解过程，目前基本已形成了共识。该途径包括如下过程：

（1） 联苯被联苯双加氧酶（bphA）催化为联苯二氢二醇，1，2 位加氧和3，4 位加氧，以前者居多。

（2） 联苯二氢二醇被联苯二氢二醇脱氢酶催化为2，3-二羟基联苯。

（3） 2，3-二羟基联苯被2，3-二羟基联苯双加氧酶催化为2-羟基-6-氧-6-苯基己-二烯酸。

（4） 2-羟基-6-氧-6-苯基己-二烯酸被2-羟基-6-氧-6-苯基己-二烯酸水解酶通过间位开环方式催化为氯苯甲酸。

但也有研究认为在降解的第一步是2，3 位加氧，有国外研究人员研究了在SIRAN固定床上，将细菌细胞固定化。对于2，4，4-三氯联苯的降解过程是首先对氯原子较少环上的2，3 位进行氧化亲核攻击，利用细菌生成代谢物为3-氯-2-羟基-6-氧-6-苯-2，4-二烯酸，最终生成2，4-二氯-苯甲酸。

有些研究表明，厌氧-好氧联合作用可使PCBs完全矿化。如起始浓度为59mg/g PCB污染的风化土壤，经4个月厌氧处理和28天的好氧处理，PCBs浓度降为20μg/g，显示厌氧-好氧联合处理对多氯联苯污染土壤修复的巨大潜力。通过控制供氧方式形成偶联的厌氧-好氧环境，并与特定厌氧还原和好氧降解微生物相结合，几乎能将Aroclor 1242完全矿化。因此，厌氧-好氧的联合作用正受到更广泛的青睐。

2.3 真菌的酶降解

目前已知白腐真菌能降解PCBs，白腐真菌降解PCBs的研究始于1985年，之后许多白腐真菌已被用于研究它们的PCBs降解能力，都能矿化PCBs（殷培杰等，2005）。有些真菌对PCBs氯取代位置的选择倾向为邻位>间位>对位，这与细菌取代倾向不同。白腐真菌分泌的木质素酶能够用于转化或矿化与木质素结构相似的有机污染物；而其分泌的漆酶可将PCBs代谢过程中产生的羟基氯联苯脱氯和脱毒。

研究表明外生菌根真菌也能跟白腐真菌一样产生许多与PCBs降解有关的酶催化开环反应。研究还表明，栽培了植物的土壤比未栽培植物的对照其真菌数量明显要多，这可能与PCBs降解水平的提高有关。

3 、根际微生物降解多氯联苯的环境意义

PCBs是持久性有机污染物，其结构稳定，自然条件下不易降解，在水中的半衰期超过2个月，在土壤和沉积物中大于6个月（宋春莲，2007）。PCBs可通过食物链传播与累积，经皮肤、呼吸道和消化道而被机体所吸收（其中消化道的吸收率很高），PCBs被吸收后，广泛分布于全身组织，以脂肪中含量最多，对人类和动物造成非常严重的潜在危害。

归纳起来，PCBs的生物毒性主要体现在以下四个方面：

⑴ 致癌性：国际癌症国际癌症研究中心已将多氯联苯列为人体致癌物质，“致癌性影响”代表了多氯聯苯存在于人体内达到一定浓度后的主要毒性影响。

⑵ 生殖毒性：PCBs能使人类精子数量减少、精子畸型的人数增加；人类女性的不孕现象明显上升；有的动物生育能力减弱。

⑶ 神经毒性：PCBs能对人体造成脑损伤、抑制脑细胞合成、发育迟缓、降低智商。

⑷ 干扰内分泌系统：比如使得儿童的行为怪异，使水生动物雌性化。

鉴于PCBs对环境对生物具是以上的负面影响，因此能有效降解多氯联苯将是一个对生物圈有重大贡献的技术。植物根际微生物修复技术作为一个潜在的、能有效修复PCBs的技术，必将在此方面有重大突破。

4、 结论

多氯联苯作为一类对生态环境和人类社会有严重危害的持久性有机污染物，已备受世界各国的关注。目前有很多研究人员正致力于PCBs的修复工作，其中根际微生物修复的研究已初见成效，其生物化学行为以及一些降解机理也有一定的认识。虽然当今此项修复技术已日趋成熟，但仍然存在一些问题：

⑴ 目前大多数有效的生物修复还处于实验阶段，能实际应用的还较少。

⑵ 多氯联苯的微生物降解是一个涉及许多酶和微生物种类的分步过程，很难被彻底降解，只是转化成毒性较低的中间产物。

因此今后的研究重点可能是添加一些高效的外源微生物群和植物组成更高效的降解群体，使PCBs能彻底地降解成无毒性物质。同时在实际应用前对生物尤其是微生物过程进行全面跟踪，形成一个完整的生态评价和风险评估。

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