细菌降解增塑剂邻苯二甲酸酯的研究进展

赵真真，郑秋英

（1.潍坊学院 种子与设施农业工程学院，山东 潍坊 261061；2.潍坊市环科院环境检测有限公司，山东 潍坊 261000）

1 引言

邻苯二甲酸酯（PAEs）是邻苯二甲酸酐与醇类在酸性条件下酯化而成的一类重要有机化合物，由一个苯环和两个相邻的烷基侧链构成，根据烷基侧链的不同可形成多种结构[1]。PAEs 包含30 多种化合物，多为无色、无味、油状粘稠液体，不易挥发，难溶于水，易溶于甲醇、丙酮、苯等有机溶剂，沸点在190～530℃之间，熔点基本小于-25℃。这类化合物的低熔点和高沸点特性使它们能用作增塑剂、传热液和梳理剂被广泛应用[2]。目前全球PAEs 的年产量约3 亿吨，预计到2050 年将达到5 亿吨。中国已成为世界上最大的增塑剂生产、消费和进口国，2017 年占世界总消费量的近42%[3]。为了保证基质聚合物的灵活性，PAEs 通常以氢键和范德华力结合于塑料制品，因此在生产、应用和处置过程中，PAEs 很容易脱落、扩散渗入环境。目前PAEs 在不同环境中都被广泛检测到，给环境和人类健康带来了巨大的风险[4-5]。PAEs 对哺乳动物的生殖发育、肝脏、心脏和神经系统都有毒害作用，是激素类似物主要作用于生殖系统而引发毒性。目前有关PAEs 对人体毒害性的研究非常有限，但初步研究已表明PAEs 会干扰人体重要的内分泌途径，PAEs 暴露会导致胎儿生殖器官发育异常和精子活力低下等问题[6]。总之，PAEs 对动物和人体健康都构成了极大的威胁，寻求高效、安全的PAEs 降解方法已成为国内外的研究热点。

2 细菌降解PAEs 的研究

在自然环境中PAEs 的水解和光解等过程非常缓慢，微生物降解是环境中PAEs 消解的主要方式，该过程由一系列酶促反应完成，是一种高效、环保的降解途径[7]。来自不同生境的微生物已被证明能降解PAEs及其中间产物，包括细菌、真菌和藻类，其中细菌以良好的耐受性和高效的降解效率成为主要研究对象。早在1975 年Engelhardt报道了细菌降解PAEs，之后有学者陆续报道了降解PAEs 菌株的筛选、降解产物和降解途径等的研究成果[8-10]，研究内容由最初降解菌筛选、降解特性和降解途径的研究发展到近几年的PAEs 生物降解酶、降解基因和分子机理的研究，也有部分学者研究了细菌对PAEs 污染的环境修复应用。

2.1 降解菌的筛选研究

目前研究人员从活性污泥、土壤、海洋、河流沉积物和红树林湿地等环境中获取了上百株降解PAEs的细菌，涵盖芽孢杆菌、节杆菌、红球菌、戈登氏菌、短杆菌、微杆菌、鞘氨醇单胞菌和假单胞菌等36个属种[11]。目前研究的活性菌能降解高浓度的PAEs（数百至上千mg/L），例如Sphingomonas yanoikuyaeDOS01 能降解500 mg/L 的DMP[12]。但是环境中PAEs 的浓度一般在纳克每升或者微克每升的级别，个别农业设施土壤的PAEs 残留能达到数十毫克每升，只有污水处理厂的活性污泥中PAEs 能达到几十或近百毫克每升的水平[1]。较低浓度的PAEs 可能会因为生物利用率过低而不能维持细胞的正常生长，导致PAEs 的难以降解，因此更需要筛选能降解低浓度PAEs 的菌株。目前降解菌的研究多针对某一种PAEs 化合物的降解，而自然环境中同时存在多种PAEs，并且目前的研究以实验室试验为主，实际应用研究较少，特别是在极端pH 值、含重金属和高盐度等环境条件下的研究更少。因此需要继续筛选或者人工改造出具有降解谱广、抗逆性强、环境适应性强的高效菌株，以丰富菌种资源库。

2.2 细菌对PAEs 的降解途径

研究PAEs 的生物降解途径有助于了解其矿化过程及代谢产物的毒理学行为。PAEs 的生物降解可分为两个阶段：第一阶段是PAEs 烷基酯键水解转化为关键中产物PA；第二阶段是PA 的开环裂解、最终降解为小分子物质[13]。

2.2.1 PAEs 酯键的水解

PAEs 酯键的水解主要有去酯化或脱烷基、β-氧化和反酯化或脱甲基三种方式，以去酯化为主（图1）。去酯化反应是两个酯键的连续水解，先生成邻苯二甲酸单酯（MAPs），再生成邻苯二甲酸。去酯化水解PAEs 途径同时存在于好氧菌和厌氧菌。β-氧化是侧链长于DEP 的PAEs 通过去乙基的方式水解、缩短烷基侧链。反式酯化是DEP 用甲基取代乙基，连续生成邻苯二甲酸甲乙酯和DMP，再去酯化降解。此外，研究人员还发现Arthrobacter sp.和Aureobacterium saperdaeNRRL B-14840 分别将DMP 和DEP 直接水解为PA，没有中间产物的产生（图1 虚线箭头）[11]。

图1 PAEs 酯键水解的主要途径

2.2.2 PA 的开环降解

PA 是生物降解PAEs 和多环芳烃等有机物的关键中间产物，可进一步羟基化、脱氢和脱羧生成PCA，再经过环裂降解成小分子物质进入TCA 循环（图2）。好氧菌和厌氧菌降解PA 的方式不同。有氧条件下，G+菌和G-菌转化PA 为PCA 的方式也不同[14]。在G+菌中，PA 发生苯环3、4 位的羟基化等一系列反应，先被氧化为顺式-3，4-二氢-3，4-二羟基邻苯二甲酸，再脱氢转化为3，4-二羟基邻苯二甲酸，再脱羧转化为PCA。G-菌是发生PA 苯环4、5 位上的羟基化。PCA 在有氧条件下有两种环裂方式，即邻位裂解和间位裂解。通过间位环裂解（4，5-开环途径），PCA 被转化为4-羧基-2-羟基粘琥珀酸半醛、2-羟基-4-羧基粘琥珀酸半缩醛，最终降解为草酰乙酸和丙酮酸，分别进入TCA 循环和糖酵解途径。在邻位环裂（3，4-开环）途径中，PCA 先降解为3-羧基-顺，顺-粘康酸和3-己二酸酮酯，再经过β-酮己二酸途径转化为琥珀酸和辅酶A，进入TCA 循环。自然环境中PAEs 的生物降解以好氧降解为主，厌氧降解相对缓慢，对厌氧菌降解PAEs 的研究较少。厌氧条件下，PA 通过脱羧反应生成苯甲酸盐，经过加氢、羟基化、β-氧化转化为己二酸，最终生成乙酸盐、CO2和H2。

图2 生物降解PA 的主要途径

2.3 PAEs 降解酶

多种蛋白酶参与了PAEs 的细菌降解，包括负责PAEs 转运的渗透酶，断裂酯键的酯酶或水解酶，PA的环羟基化双加氧酶，以及环裂解双加氧酶等，这些酶大多数是诱导酶[15]。目前对催化PA 降解的酶和基因的研究相对透彻，但是PAEs 水解生成PA 的生物降解机理尚未明确，以催化PAEs 去脂化反的酯酶研究为主，对其他酯键水解途径（β-氧化、转酯化）的研究较少。

目前发现的PAEs 酯酶主要有三类：仅水解PAEs 的酯酶、仅水解MAPs 的酯酶和两者都水解的酯酶。多数情况下PAEs 的两个酯键由不同的酯酶催化完成，例如从菌株Micrococcus sp.YGJ1 中纯化出两种不同的酯酶，一种是单体蛋白（56 kDa）能转化PAEs 为MAPs，一种是含亚基（27 kDa）的二聚体蛋白酶（60 kDa），特异性催化水解MAPs 为PA[16]。但是来源于Bacillus sp.K91 的羧酸酯酶（CarEW）能同时降解两个酯键，将PAEs 水解为MAPs 和PA 。据报道，PAEs 的水解酶多含有丝氨酸水解酶家族的保守催化中心，即五肽motif，它含有保守的氨基酸序列GX1SX2G[17-18]。其中，X1是天冬氨酸或组氨酸（天冬氨酸为主），X2通常是疏水残基（苯丙氨酸、蛋氨酸或亮氨酸），而Gordonia sp.P8219 的MEHP 水解酶的X2是精氨酸[19]，Rhodococcus jostii的PatE 酶是半胱氨酸酯酶[20]。目前，绝大部分PAEs 降解菌的水解酶及其作用机理尚未明确，有待进一步研究。

2.4 PAEs 降解基因

通过细菌的基因组文库构建和基因组测序注释等方法发现了多种PAEs 水解酶的基因。基于基因组测序和功能注释，Hara 等在R.jostiiRHA1 中发现基因patE 编码的水解酶将PAEs 水解为PA[21]，黄琳从Bacillus velezensisSYBC H47 的66 个酯酶基因中筛选出4 个羧酸酯酶并验证具有降解PAEs 的活性[22]。Zhao 等通过研究PAEs 降解菌Rhodococcus sp.2G 的全基因组图谱，发现了337 个酯酶/水解酶基因[23]。目前已报道的PAEs 酯酶降解基因相对较少，并且对其编码的酶蛋白有待深入研究，而基因组测序和注释是一种优选方法，可获得巨大的基因及蛋白酶的信息数据，从中筛选潜在的功能基因。

3 结论和展望

增塑剂PAEs 具有生态毒性并且在环境中广泛存在，已经成为一种新兴的环境有机污染物，这是当今社会塑料制品长期、大量生产使用造成的难以避免的后果。今后相关的研究方向，一方面应该关注如何增强增塑剂PAEs 与塑料结合的紧密性，减缓其扩散进入环境或者寻找可降解的替代产品；另一方面细菌降解途径作为一种高效、安全、相对廉价的方法已经成为国内外的研究热点，但是还需要进一步的探索和完善，特别是筛选广谱、高效菌群，并提高其环境适应性和应用潜能。