共代谢降解

一、共代谢降解

许多难降解有机污染物是通过共代谢开始降解而完成降解全过程的。这类污染物包括:稠环芳烃、杂环化合物、氯代有机溶剂、氯代苯环类化合物以及农药等。能进行共代谢降解的微生物包括好氧微生物、厌氧微生物和兼性微生物等。

图8-15 　甲烷加单氧酶催化的甲烷营养菌对TCE的氧化其后的降解步骤可能是由其他细菌或在某些情况下由甲烷营养菌自发催化的

三氯乙烯(TCE)的共代谢被深入研究，现以TCE为例简要说明共代谢的降解过程。TCE是一种很稳定的被广泛使用的工业溶剂，已经成地下水中最常见的环境污染物。TCE的分布广，其特别引人注目之处是TCE能被厌氧细菌还原脱氯成为氯乙烯(vinyl chloride)，这种化合物对实验动物具有致突变和致癌性，也是人类的致癌剂。近百年许多科学工作者一直致力于得到能以TCE作为唯一碳源和能源的降解菌，但一直没有成功，由此TCE的共代谢成为人们关心的课题。至今已发现至少有9种细菌氧化酶能共代谢TCE，它们是:溶解性甲烷单加氧酶(Methylosinus trichosporiumOB3b)、甲苯2-单加氧酶(Pseudomonas cepacia G4)、甲苯4-单加氧酶(P.mendocina)、甲苯双加氧酶(P.putida)、氨单加氧酶(Nitrosomonas europaea)、颗粒性甲烷单加氧酶(Methylocystis parvus OBBP)、丙烷单加氧酶(Mylobacteriumsp.)、酚羟化酶(Alcaligenes eutrophus JMP134)、异戊二烯氧化酶(Rhodococcus erythropolis)。其中甲烷营养菌(Methylosinus trichosporiumOB3b、Methylococcus capsulatus)及其产生的溶解性甲烷单加氧酶，恶臭假单胞菌F1及其产生的甲苯加双氧酶受到深入的研究。溶解性甲烷加单氧酶在低铜浓度时合成，酶系由三种蛋白成分组成，羟化酶成分含有双核铁中心作为氧结合和反应位点。溶解性甲烷单加氧酶氧化TCE如图8-16所示。甲苯双加氧酶对TCE的氧化如图8-17所示。

甲烷营养菌氧化甲烷的第一步是由甲烷单加氧酶催化的，这种酶是广底物专一性的，其在甲烷和TCE同时存在的情况下也能共代谢催化TCE氧化过程的第一步。这种细菌并没有从共代谢步骤中获得能量上的好处。TCE共代谢的降解产物可以被其他细菌或许也可能是甲烷营养菌进一步催化降解。在修复被TCE污染的环境中，我们可以向环境中投入甲烷、甲苯、丙烷甚至氨这样的共基质(co-substrate)，利用甲烷营养菌、甲苯利用菌、丙烷利用菌及氨氧化菌的共代谢能力来净化TCE污染环境。在纯培养条件下的共代谢是一种截止式转化(dead-end transformation)。然而在混合培养和自然环境条件下，开始的共代谢可以为其他微生物所进行的共代谢或其他降解铺平道路。以这种共代谢方式，使难分解的污染物经过一系列微生物协同作用而得到彻底降解。同时这种偶然转化中的共代谢可能有害，能导致对进一步降解具有更大抗性和毒性化合物的产生。

共代谢过程除TCE这种方式外，还可以有其他多样的方式，例如能利用DCA(1，2-二氯乙烷)作为唯一碳源和能源生长的假单胞菌DCA1能共氧化利用DCP(1，2-二氯丙烷)。用DCA作为辅基质共代谢DCP时会出现一种竞争性抑制，造成共代谢过程中降解微生物生长慢，降解速率低的问题。有研究表明DCA降解过程中的中间代谢产物乙酸易于被DCA利用菌氧化利用，加入氯乙酸能使细胞表达DCA单加氧酶，而又不与DCP竞争这种单加氧酶，使DCA单加氧酶可以共代谢DCP。

在氯代芳烃中，氧化脱氯对高氯化合物是无能为力的，如四氯乙烯就不能氧化脱氯，还原脱氯可以使高氯化合物实现脱氯，同样在还原脱氯中也存在共代谢，已经发现在甲烷产生菌的纯培养中氯乙烯和氯乙烷也发生还原脱氯。

图8-16　溶解性甲烷单加氧酶对TCE的氧化

图8-17　甲苯加双氧酶对TCE的氧化