烃类化合物的生物降解

烃类化合物的生物降解_环境微生物学（上

一、烃类化合物的生物降解

1.脂肪烃化合物

进入环境成为污染物的脂肪烃化合物来源多样，包括石油烃中的直链烃、带支链烃、表面活性剂的烷基取代物，卤代一碳或二碳化合物(如TCE)。卤代物是普遍使用的工业溶剂。这类化合物的一般降解规律:①中等链长的直链脂肪烃(链长10到18个碳的直链烷烃)比更短或更长的更易于被利用。更短链长的烃有很高的水溶性，对细胞脂和膜具有损伤，破坏细胞的完整性。而链长更长的烃水溶性降低，因而降解性降低。②饱和脂肪烃和不饱和的烯烃降解性相当。③烃的支链会降低生物降解性。④卤素取代基会降低生物降解性。

(1)无取代基的脂肪烃化合物

①烷烃。烷烃与自然界普遍存在的脂肪酸、植物蜡结构相似，环境中许多微生物都能利用直链烷烃作为唯一的碳原和能源。大量能降解直链烃的微生物已从烃污染环境中分离出来，假单胞菌属、产碱菌属、芽孢杆菌属等许多菌都具有这种能力。好氧条件下直链烷烃生物降解的途径主要有四种。最常见的途径是加单氧酶把一个氧原子掺入烷烃末端的一个碳中生成伯醇，另一种情况是加双氧酶将两个氧原子掺入烷烃，生成过氧化物。此外也有双末端氧化和亚末端氧化，最终都生成脂肪酸，脂肪酸最后经β-氧化被彻底氧化分解。带有OCT质粒的食油假单胞菌(Pseudomonas oleovorans)降解庚烷的途径如图8-18。降解过程的酶是位于质粒上的alkBGTJKL编码的(alk源于alkane(链烃))。

图8-18　携带OCT质粒的食油假单胞菌降解庚烷的途径

alKB(膜结合水解酶)、alKG(红氧(化)还原蛋白(rubredoxin))和alKT(红氧(化)还(原)蛋白还原酶)编码的多成分单加氧酶把烷氧化成醇。后两种蛋白构成一条短的电子传递链。alKJ和alKK催化醇的循序氧化产生醛和酸。alKL的基因产物把COA共价连接到酸性的羟基上得到庚烷COA，而后再经β-氧化被完全降解。

在严格厌氧条件下饱和脂肪烃降解缓慢，这一点有大量事实可以支持，在自然地下油库厌氧条件下尽管存在大量微生物，但不会被降解。

②烯烃。烯烃是在分子中含有一个或多个碳碳双键的烃。烯烃的生物降解速率与烷烃相当。图8-19以单烯为代表，好氧条件下的降解步骤包括对末端(1)或亚末端(2)甲基的氧化攻击，攻击方式如同烷烃。另外的开始步骤是攻击双键，产生伯醇(3)仲醇(4)和环氧化物(5)。而这些最初的降解产物都会被进一步氧化生成脂肪酸，并逐渐经β-氧化分解。在好氧条件下烯烃易于生物降解，降解途径是先将双键羟基化为醇，而后进一步被氧化为醛，最后转化为脂肪酸。

(2)卤代脂肪烃化合物

卤代脂肪烃化合物被广泛使用。像三氯乙烯(TCE)被广泛用作工业溶剂。由于使用和处置不当，这些溶剂是地下水中最频繁检测到的有机污染物之一，其生物降解受到广泛的研究。卤代脂肪烃的降解速度比没有卤代的脂肪烃慢得多，同一个碳原子键合二或三个氯原子则其好氧降解受到抑制，此外从C3到C12的一氯化烷烃的降解速率随碳链的加长而增加，这可以解释为随着链长的加长，氯原子对酶-碳反应中心的电子效应的减弱。

图8-19　烯烃的生物降解

卤代脂肪烃的好氧生物降解反应有两种基本类型:

①亲核的取代反应(反应物带来一对电子)，一卤或二卤代化合物的卤原子被羟基取代(图8-20)。

②单加氧酶和双加氧酶催化的氧化反应，这些酶能氧化高度氯代的C₁和C₂化合物(如三氯乙烯)。能氧化包括甲烷、氨、甲苯和丙烷各种非氯代化合物的细菌可产生这些单加或双加氧酶。这些酶没有严格的底物专一性，它们能共代谢氯代脂肪烃(参阅本章第六节)。通常氯代脂肪烃的共代谢降解需要相对大比率的底物。研究证明以甲烷或甲酸盐为碳源生长的甲烷营养菌产生的甲烷单加氧酶，以甲苯为碳源的甲苯营养菌产生的甲苯双加氧酶，以氨为营养的欧州亚硝化单胞菌产生的氨单加氯酶和以丙烷为营养的母牛分枝杆菌SOB5产生的丙烷单加氧酶都具有共代谢降解卤代脂肪烃的能力。

卤代脂肪烃在厌氧条件下还原脱氯(图8-21)(参阅本章第五节的环境污染物的降解酶)，电子由还原性金属转移到卤代脂肪烃上，产生一个烷基和一个游离卤原子。而烷基基团能吸引一个氢原子(1)或失去第一个卤原子形成一个烯烃(2)。

图8-20　卤代脂肪烃的取代脱氯

图8-21　四氯乙烷还原脱氯形成三氯乙烷(1)或二氯乙烯(2)

通常好氧条件有利于较少卤代取代基的化合物的生物降解，而厌氧条件上有利于较多卤代取代基的化合物的生物降解。然而在厌氧条件下，高度卤代的脂肪烃不能完全降解。因此开始厌氧条件下处理降低卤代程度，然后充氧创造好氧条件进行好氧过程使卤代物完全降解。

2.脂环烃化合物

脂环烃化合物在化学工业上的使用以及不包括开采和使用在内的工业过程所产生的对环境释放都是有限的。因此人类暴露在脂环烃化合物下的健康风险后果不像其他化合物(特别是芳香烃化合物)那样达到同样重要的水平。它们的生物降解研究注意得较少。

脂环烃没有末端甲基，它的生物降解原理和链烷烃亚末端氧化相似，以环己烷为例(图8-22)来说明。混合功能氧化酶氧化产生脂环(族)的醇，脱氢得酮。进一步氧化形成一个内酯。不稳定的内脂环断开得到羟基羧酸。羟基再被顺序氧化成醛基和羧基。得到二羧酸可被进一步氧化分解。有人从污泥中分离到一株诺卡氏菌能以环己烷作为唯一的碳源生长。然而更常见是这个降解过程是一个共生的共代谢反应。在这一系列反应中，一种微生物将环己烷经由环己醇转化为环己酮，但这不能使环己酮内酯化和开环，而另一种不能开始氧化环己烷的微生物却能使环己酮内酯化和开环，并进一步氧化分解。

图8-22　环己烷的降解途径

3.芳香烃化合物

芳香烃化合物含有至少一个不饱和环状结构，通常是C₆R₆，R可以是任何基团。苯是这个不饱和环状化合物家族的母体烃，含有两处或更多合在一起的苯环化合物称为多环芳烃(PAH)。芳烃化合物的氢原子可以被许多基团所取代，从而形成取代基芳香烃化合物。芳香烃化合物既有自然来源的，但更多来自许多工业部门的废水、废弃物。由于对人类健康和生态系统的潜在毒性和影响，芳香烃化合物的生物降解被广泛研究。

(1)无取代基芳香烃化合物

研究表明大量的细菌和真菌能够在各种环境条件下部分或完全降解芳香烃化合物。在好氧条件下，最普遍的初始转化是把分子氧掺合到芳香烃的羟化作用。催化这种反应的是加单氧酶和加双氧酶。

苯是芳香烃的基本结构，多环芳烃降解最终也要经历到苯，并进一步转化，最终完全降解。苯的生物降解在芳香烃的生物降解中具有重要的代表性。

原核微生物对苯的生物降解如图8-23所示。在加双氧酶的催化下苯被转化为顺式二氢基二醇，然后这个二氢基二醇重新芳香构化形成一种二羟化中间产物儿茶酚。儿茶酚的环在第二个加双氧酶的作用下被打开，在两个羟基之间打开为邻位途径，在一个羟基的下一个位置打开为间位途径，此后可进一步反应直到完全降解。

图8-23　苯经儿茶酚的降解过程

真核微生物对苯的降解是用细胞色素P-450加单氧酶攻击芳香烃化合物，把分子氧的一个氧原子掺合到化合物中而另一个氧原子被还原成水，结果生成一种芳烃氧化物。接着在酶作用下与水加成生成反式的二氢基二醇。另一种情况下，芳烃氧化物能被异构化为苯酚，而苯酚能和硫酸盐、葡萄糖醛酸、谷胱甘肽缀合，这些缀合物能被排出(图8-24)。

图8-24　真核微生物分解苯的过程

多环芳烃的生物降解过程十分复杂，一般来说二环(如萘)、三环的多环芳烃(如蒽、菲)研究得较为广泛深入，而更多环，更复杂的多环芳烃(如、chrysene和亚苄基芘(benzola pyrene))研究得相对较少，较不深入。总体上其降解是从攻击其一个环开始，而后再打开另一个环，最后成为单环化合物，单环化合物的生物降解类似苯的生物降解，最终完全降解。常见几种多环芳烃的酶攻击位点如图8-25所示。

图8-25　多环芳烃酶攻击位点示意图

多环芳烃的好氧生物降解主要有三种途径，其一是被细菌和绿藻氧化成顺式二氢二醇(Cis-Dihydrodiols)，再经苯酚、环断裂被降解。其二是被甲烷营养菌代谢形成苯酚。其三是被真菌、细菌和蓝细菌代谢形成反式－二氢二醇(trans-Dihydrodiols)，然后进一步降解。

大部分细菌和某些绿藻在好氧条件下，可以通过加双氧酶氧化PAHs形成顺式二氢二醇，二氢二醇被进一步转化成二酚，再被其他的加氧酶打开，并进一步氧化降解。

二环萘的降解及降解途径受到广泛研究。恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)降解萘的途径如图8-4所示。具有同样降解途径的还有乙酸钙不动杆菌(Acinetobacter calcoaceticus)及分枝杆菌属(Mycobacteriumsp.)、红球菌属(Rhodococcus sp.)的菌株。

铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)在好氧条件下降解三环蒽的途径如图8-26所示。这种细菌把蒽转化成蒽顺式-1，2-二氢二醇(cis-1，2-dihydrodiol)、1，2-二羟蒽(1，2-dihydroxyanthracene)、cis-4-(2-hydroxyo-aphth-3-y1)-2-oxobut-3-enoic acid、2-hydroxy-3-naphth-aldehyde和2-hydroxy-3-naphthoic acid。后者再被矿化成水杨酸和儿茶酚。荧光假单胞菌、红球菌的菌株也能利用蒽。

三环菲的生物降解途径与蒽相似，假单胞菌能代谢降解菲(图8-27)。菲被转化成菲顺式-3，4-二氢二醇(phenanthrene cis-3，4-dihydrodiol)、3，4-二羟菲(3，4-dihydroxyphenan-threne)、cis-4-(1-hydroxynaphth-2-y1)-2-oxobut-3-enoic acid、1-hydroxy-2-naphthaldehyde、1-hydroxy-2-naphthoic acid。后者再被矿化并通过萘的途径被降解。此外气单胞菌属、拜叶林氏菌属、分枝杆菌属和红球菌属、节杆菌属的一些菌株也能以相似的途径降解菲。

图8-26　铜绿假单胞菌等细菌代谢三环蒽的途径

图8-27　假单胞菌代谢菲途径

图8-28　分枝杆菌菌株PyR1代谢芘的途径

四环的芘(pyrene)可被分枝杆菌降解产生CO₂，中间代谢产物包括芘顺式-4，5二氢二醇(pyrene cis-4，5-dihydrodiol)，4-羟基周萘酮(4-hydroxyperinaphthenone)，4-菲苯酸(4-phenanthroic acid)、苯二甲酸(phthalic acid)和肉桂酸(cinnamic acid)以及反式-二氢二醇(trans-dihydrodiol)。还有其他的途径已被提出，这些途径综合起来如图8-28所示。相应的是红球菌属细菌对芘的代谢有不同的模式，包括1，2-和4，5-二羟芘(1，2-和4，5-dihydroxy pyrene)，cis-2-hydroxy-3-(perinaphthenone-9-y1)propenic acid和2-hydroxy-2-(phenanthren-5-one-4-eny1)acetic acid。

在NADH存在时，甲烷氧化细菌荚膜球菌属的甲烷加单氧酶系统能氧化苯成酚，把萘氧化成1-和2-萘酚(图8-29)。酚再进一步降解。

许多种真菌、少数细菌和某些蓝细菌能产生细胞色素P450单加氧酶。这些酶能转化PAHS成为arene oxides，然后其被epoxide hydrolase水化(hydrated)形成trans-dihydrodiols或非酶促作用重排形成酚。只具有这些途径的微生物能够消除这些化合物的毒性，但不能利用其作为碳源。

图8-29　甲烷氧化细菌氧化苯和萘途径

许多真菌能代谢二环萘成萘反式-1，2-二氢二醇(trans-1，2-dihydrodiol)、1-和2-naphthol、4-hydroxy-1-tetralone，以及glucuronide和sulfate鳌合物。包括蜡状芽孢杆菌、灰色链霉菌、分枝杆菌等某些革兰氏阳性细菌能代谢萘成1-naphthol。有的分枝杆菌菌株也能代谢萘产生trans-1，2-dihydrodiol。海洋蓝细菌某些颤藻也能代谢萘成1-naphthol。

菲是重要的三环芳烃化合物，能被众多真菌所代谢。雅致小克银汉霉(Cunninghamella elegans)代谢菲形成菲trans-1，2-，trans-3，4-和trans-9，10-dihydrodiols和一种糖苷复合物(glucoside conjugate)(图8-30)。其他真菌总状共头霉(Syncephalastrum racemosum)、白腐真菌原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)、丝状细菌黄微绿链霉菌(Streptonyces flavovirens)、分枝杆菌的菌株以及海洋蓝细菌Agmenellumquadruplicatum也具有类似的代谢能力。

图8-30　不同真菌种对菲的代谢

(2)有取代基芳香烃化合物

有取代基芳香烃化合物特别是氯代芳烃化合物是一类非常重要，有广泛应用价值的化合物。它们被广泛用作溶剂、熏蒸剂(如二氯代苯)、木材防腐剂(如五氯苯酚)以及用作农药(如2，4-D、DDT、2，4-5-T等)。微生物降解这类氯代有机物的困难在于其碳-氯键非常有力，要使它断裂需要很大的能量投入。没有取代基的芳香烃化合物常见的中间产物是顺二羟基苯或儿茶酚。这需要紧邻的碳原子未被取代，而氯取代基能阻塞这些位置，增加生物降解的困难。甲基化的芳香烃的生物降解要么是攻击甲基，要么直接攻击苯环。烷基化的衍生物首先被攻击的是烷基的碳链，碳链经β-氧化后依碳原子数目的不同生成相应的苯甲酸或苯乙酸。然后是苯环的羟基化作用和开环。

苯酚和甲酚也是简单的带取代基的苯类衍生物，它们的降解途径如图8-31所示。

氯代芳香烃化合物是最常见的带取代基的芳烃化合物。二氯代苯和五氯苯酚是常见的氯代芳香烃化合物，它们的降解途径如图8-32所示。

图8-31　苯酚和甲酚的好氧生物降解途径

2，4-D(2，4-二氯酚乙酸2，4-dichlorophenoxy acetic acid)是一种被广泛使用的农药。许多降解2，4-D的菌株已从全世界的各地分离出来，其中真养产碱菌(Alcaligenes autrophus)JMP134及其降解质粒PJP4被深入研究。其对2，4-D的降解途径在含酸有机氯化合物中具有代表性，特别是其对2，4-D的降解分别是由降解质粒和染色体联合编码的。最终降解过程导致琥珀酸的形成，氯被脱除。琥珀酸是一种生化中间代谢产物，进入到中央代谢途径，以产生CO₂和H₂或掺入到微生物生物量。能降解2，4-D的土壤细菌除产碱菌外，还包括节杆菌属、假单胞菌属、黄杆菌属、伯克霍尔德氏菌属(Burkholderia)、红育菌属(Rhadoferax)、不动杆菌属、棒杆菌属(Corynebacterium)、红假单胞菌属和鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)。

2，4，5-T是和2，4-D结构类似的氯代化合物，其生物降解的速率大大慢于2，4-D，其降解途径也类似于2，4-D，其主要的差异在于多一次脱氯过程(图8-33)。

大量研究表明许多氯代芳烃化合物在厌氧下更易于生物降解，特别是还原脱氯是许多氯代化合物在厌氧条件首先发生的降解过程。五氯酚在厌氧条件的降解过程如图8-34所示。

图8-32　五氯苯酚(PCP)和三种二氯苯最开始的好氧降解

图8-33　2，4，5-T的生物降解