苯酚降解菌的研究進(jìn)展

摘要苯酚是一種原型質(zhì)毒物，對(duì)一切生活個(gè)體都有毒殺作用，且具有“三致”效應(yīng)。概述了苯酚這一污染物的污染現(xiàn)狀，篩選出的苯酚降解菌的種類及降解特性，從而為高效適用型苯酚降解菌的篩選提供借鑒。

關(guān)鍵詞苯酚降解菌；研究進(jìn)展；降解機(jī)理；降解特性

中圖分類號(hào)S181.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）05-201-05

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金（41201511）；湖南省自然科學(xué)基金（08JJ6018）；湖南省教育廳青年基金（12B059）；湖南省教育廳教改項(xiàng)目（SCX1114）。

作者簡(jiǎn)介

陳煥（1989-），男，湖南岳陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境污染物檢測(cè)與治理。*通訊作者。

收稿日期2014-12-29

隨著石油、化工、建材、陶瓷、造紙、煤氣、紡織、塑料、合成纖維和焦化等工業(yè)的迅速發(fā)展，含酚廢水排放量大大增加，對(duì)環(huán)境造成的污染也日益嚴(yán)重，并逐漸成為當(dāng)前水體的主要污染源之一[1-2]。酚類化合物是一種原型質(zhì)毒物，來(lái)源廣泛、數(shù)量多、危害較大，對(duì)一切生活個(gè)體都有毒殺作用，且具有“三致”效應(yīng)，含酚廢水不經(jīng)處理而任意排放，不但污染生態(tài)環(huán)境，而且會(huì)引起蛋白質(zhì)變性和凝固，影響生物及人體健康與生存[3]。因此，許多國(guó)家（包括中國(guó)）已將其列入環(huán)境優(yōu)先控制污染物的黑名單和65種有毒污染物名單中[4]，含酚廢水的處理也已成為國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)治理的有害廢水之一[5-6]。大量的研究結(jié)果表明，酚類化合物雖然是一種生物毒性物質(zhì)，但是很多微生物（包括好氧的和厭氧的）可利用酚類作為生長(zhǎng)碳源，因此可以利用微生物處理含酚廢水。由于生物法具有應(yīng)用范圍廣、處理能力大、設(shè)備簡(jiǎn)單和比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，使其逐漸成為目前應(yīng)用最廣的廢水處理技術(shù)，也是我國(guó)含酚廢水無(wú)害化處理的主要方法[7-8]。然而，越來(lái)越多的研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)的生物法在含酚廢水治理方面還存在著微生物系統(tǒng)對(duì)酚的耐受性和降解能力不高、抗沖擊負(fù)荷能力差、處理時(shí)間較長(zhǎng)、成本較高等問(wèn)題，難以推廣[6-7，9]。在自然界中，微生物種類繁多、適應(yīng)性強(qiáng)，且具有分解多種多樣自然和人工合成難降解有機(jī)物能力，對(duì)于減少污染、凈化環(huán)境具有很大的潛力，是環(huán)境污染修復(fù)的重要資源。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從酚類物質(zhì)污染的環(huán)境中分離、鑒定出多種降酚微生物菌株，并對(duì)其降解特性、降解機(jī)理等進(jìn)行了深入研究。筆者通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，就當(dāng)前已經(jīng)分離獲得的苯酚降解菌的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析、歸納，從而為含酚廢水治理提供借鑒。

1苯酚降酚菌分類

目前，國(guó)內(nèi)外共篩選獲得57個(gè)屬、212種苯酚降解菌，主要包括細(xì)菌和真菌兩大類（見(jiàn)表1）。其中，細(xì)菌159種，占75%；真菌53種，占25%。159種苯酚降解細(xì)菌分屬于42個(gè)屬，其中假單胞菌屬（Pseudomonas sp.）的菌株最多，其次是芽孢桿菌屬（Bacillus sp.）、產(chǎn)堿菌屬（Alcaligens sp.）和紅球菌屬（Rhodococcus sp.），共占苯酚降解細(xì)菌62.9%；其他38個(gè)屬僅1～4種苯酚降解菌，占37.1%。假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、產(chǎn)堿菌屬和紅球菌屬分別有55種、25種、11種和9種苯酚降解菌，分別占苯酚降解細(xì)菌總數(shù)的34.6%、15.7%、6.9%和5.7%，占篩選獲得的苯酚降解微生物菌株總數(shù)的25.9%、11.8%、5.2%和4.2%。51種苯酚降解真菌分屬于15個(gè)屬，其中酵母菌屬（Saccharomyces sp.） 最多，其次是假絲酵母屬（Candida sp.）和不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter sp.）最多，占篩選獲得的苯酚降解真菌的73.6%；其他12個(gè)僅1種或2種，僅占26.4%。酵母菌屬、假絲酵母屬和不動(dòng)桿菌屬分別有16種、12種和11種苯酚降解菌，分別占苯酚降解真菌總數(shù)的30.2%、22.6%和20.8%，占篩選獲得的苯酚降解微生物菌株總數(shù)的7.5%、5.7%和5.2%。在目前篩選獲得的212種苯酚降解菌中，假單胞菌屬和芽孢桿菌屬中苯酚降解菌較多，占37.7%。由此可見(jiàn)，苯酚降解菌主要是假單胞菌和芽孢桿菌。

2 苯酚降解菌的降解機(jī)理

苯酚降酚菌對(duì)苯酚的降解主要分為好氧降解和厭氧降解，在好氧降解上是一條羥化降解路徑，苯酚羥化酶是其降解的關(guān)鍵因素[10]。在好氧代謝過(guò)程中，一種是鄰苯二酚-2，3-加氧酶（C23O）途徑，另一種是鄰苯二酚-1，2-加氧酶（CatA）途徑。苯酚在苯酚羥化酶的作用下首先被轉(zhuǎn)化成為鄰苯二酚，鄰苯二酚C23O酶的催化作用下間位開(kāi)環(huán)裂解成2-羥基粘糠半醛，逐步轉(zhuǎn)化后形成4-羥基-α-酮基戊酸，最終生成乙酸和丙酮酸等產(chǎn)物進(jìn)入三羧酸循環(huán)（TCA），進(jìn)入糖代謝途徑，繼續(xù)被降酚菌利用；另一種途徑為鄰苯二酚在CatA酶的催化作用下鄰位裂解為己二酸，沿著β-酮基己二酸的途徑降解，最終生成乙酰輔酶A、琥珀酸等產(chǎn)物進(jìn)入微生物三羧酸循環(huán)[11-12]。

同時(shí)研究表明，苯酚在厭氧條件下也能被降解，Lack等[13]研究發(fā)現(xiàn)苯酚在厭氧降解時(shí)，是直接將苯酚羧化為4-羧基苯甲酸，進(jìn)而形成苯甲酰輔酶A，然后轉(zhuǎn)化為乙酸等小分子物質(zhì)最終達(dá)到降解的目的，這類途徑被稱作是Kolbe-Schmitt羧化反應(yīng)。

合計(jì)57212

3 影響苯酚降解菌降解苯酚的因素

苯酚降酚菌的種類和外界因素對(duì)于苯酚降解效率均有著舉足輕重的影響。影響降酚微生物降解苯酚效率的常見(jiàn)因素有溫度、pH、苯酚初始濃度、外加碳和氮源、轉(zhuǎn)速（溶解氧）、金屬離子、鹽度，這些因素對(duì)降酚效率和同一因素對(duì)不同菌株的降酚效率的影響皆有所不同。

3.1溫度

已篩選出的苯酚降解菌絕大多數(shù)最適溫度都在25～35 ℃之間。同時(shí)也有研究表明，少數(shù)研究中篩選除了耐寒、耐高溫苯酚降解菌，降解率會(huì)隨著溫度降低或者升高成正比增加，馬溪平等[14]篩選分離得到的菌株Bb-2最低能在4 ℃下生長(zhǎng)；唐赟等[15]分離篩選得到的菌株BF80最適生長(zhǎng)和降解溫度達(dá)到65 ℃；金顯春等[16]篩選、鑒定得到的降酚菌AF1在50 ℃條件下仍然有較好的降酚效果；何熙璞等[17]篩選得到的節(jié)桿菌降酚菌F5-2在45 ℃條件下仍有50%以上的降酚效率。在所有降酚菌中耐低溫降酚菌（<10 ℃）占1.25%，耐高溫降酚菌（>45 ℃）占1.88%，其中唐赟等分離篩選的降酚菌AF1屬于嗜熱菌。

3.2pH

大多數(shù)降酚微生物最適pH范圍在6.0～8.0之間，最佳降解pH為7.0，降酚菌在合適pH范圍內(nèi)生長(zhǎng)能使降解率達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)也存在少數(shù)降酚菌最適pH在6.0～9.0和7.0～10.0的。研究表明， 王祖佑等[18]分離得到的一株苯酚降解菌JFJ-2降解率隨著pH上升而增加，當(dāng)pH達(dá)到10.0該菌株仍然能夠正常生長(zhǎng)，高效降酚；龔斌等[19]分離、篩選到的苯酚降解菌在pH 4.0～9.0范圍內(nèi)降解率均能達(dá)到80%以上?？偟膩?lái)說(shuō)，不同菌株有著不同的最適pH范圍，但是適應(yīng)范圍有所不同，一般情況下，當(dāng)pH小于4.0或者大于10.0時(shí)，將抑制降酚菌生長(zhǎng)，酚類化合物也很難被降解。

3.3苯酚初始濃度

初始酚濃度對(duì)于苯酚降解微生物在降解效率上也有著不同影響，有的菌種最適降解范圍為200～500 mg/L，部分高達(dá)200～2 000 mg/L，在這些最佳降解濃度范圍內(nèi)都能將苯酚完全降解。一般來(lái)說(shuō)，降酚菌對(duì)苯酚的降解時(shí)間會(huì)隨著苯酚濃度的增加而延長(zhǎng)，但也不排除少數(shù)高效降酚菌有著特異性。超過(guò)菌株的最適降解濃度后，降解率會(huì)下降，也不會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)而改變降解率。研究表明，宋波等[20]研究發(fā)現(xiàn)的苯酚降解菌S1、S2耐受濃度均高達(dá)10 000 mg/L的菌株，并且有良好的降酚效果，這也能為今后降酚微生物的實(shí)際應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。

3.4外加碳源、氮源

對(duì)大部分降酚菌來(lái)說(shuō)在降酚過(guò)程中適量添加易降解碳源和氮源如葡萄糖、淀粉、蛋白胨、酵母粉、尿素等，對(duì)苯酚降解有明顯促進(jìn)作用，降解時(shí)間縮短。 這是由于細(xì)菌優(yōu)先利用了易降解碳源和氮源，加快了細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖速率，從而提高了降解速率。同時(shí)也有少部分降酚菌對(duì)于外加碳源和氮源或者部分外加碳源和氮源沒(méi)有提高降解效率的表現(xiàn)。對(duì)于外加碳源和氮源的添加也有一個(gè)最適量，添加過(guò)多則會(huì)使降酚菌過(guò)分利用易降解碳源和氮源，從而使降酚速率下降。研究表明，關(guān)曉燕[21]研究的降酚菌布魯斯桿菌在酵母膏、蛋白胨、蔗糖、乳糖等作為外加碳源存在時(shí)，對(duì)菌體的生長(zhǎng)均有促進(jìn)作用，其中蛋白胨的作用最為明顯；金顯春等[16]分離得到的降酚菌AF1添加葡萄糖由0 g/L變化到0.25 g/L，苯酚降解率顯著提高，而當(dāng)其由0.25 g/L變化到1.0 g/L時(shí)，苯酚降解率卻逐漸下降，并逐漸低于無(wú)外加碳源時(shí)的降解率，這是因葡萄糖所引起的代謝反饋抑制，而以氯化氨和硝酸氨作為唯一氮源存在時(shí)，其對(duì)苯酚的降解幾乎無(wú)影響；岳黎等[22]對(duì)18種碳、氮源進(jìn)行了降酚菌降解苯酚試驗(yàn)，詳細(xì)分析了各種碳氮源對(duì)降酚菌XH-10的生長(zhǎng)和降解率的影響，在生長(zhǎng)方面乳糖、麥芽糖、淀粉、蛋白胨、酵母粉的促進(jìn)作用大于葡萄糖、羧甲基纖維素鈉、氯化銨、乙酸銨、草酸銨、硝酸銨、尿素的促進(jìn)作用，大于蔗糖、甘油、硝酸鈉的促進(jìn)作用；乙酸鈉、磷酸銨、氯化銨具有明顯的抑制作用；在苯酚降解方面乳糖、麥芽糖、淀粉對(duì)試驗(yàn)幾乎沒(méi)有影響，葡萄糖、羧甲基纖維素鈉有較小的抑制作用，蔗糖、甘油、蛋白胨、酵母粉、硝酸銨、尿素有一定的抑制作用，乙酸鈉、氯化銨、乙酸銨、硝酸鈉、磷酸銨、氯化銨、草酸銨有明顯的抑制作用。

3.5轉(zhuǎn)速（溶解氧）

降酚微生物降解苯酚時(shí)的轉(zhuǎn)速與溶解氧密切相關(guān)，轉(zhuǎn)速越快，水中溶解氧含量越高。對(duì)于好養(yǎng)類降酚菌來(lái)說(shuō)，酚類化合物的降解主要通過(guò)氧化途徑，水體中氧氣的含量直接影響著降酚菌對(duì)苯酚的降解效率。 研究表明，在試驗(yàn)裝置厭氧或者靜置條件下，由于缺氧或者供氧不足，將導(dǎo)致廢水中的苯酚降解緩慢甚至幾乎不能被降解。在有充分外界氧氣提供的情況下，供氧充足，苯酚的降解率明顯高于靜置厭氧培養(yǎng)。研究表明，大部分好氧降酚菌最適轉(zhuǎn)速在100～150 r/min，而許甜甜等[23]分離到的假單胞菌在轉(zhuǎn)速為250 r/min時(shí)苯酚降解率達(dá)到最高。

3.6金屬離子

金屬離子對(duì)于微生物降解苯酚大多會(huì)產(chǎn)生一定的影響，特別是常見(jiàn)的重金屬離子，如Hg2+、Co2+、Cu2+、Cd2+、Cr6+、Ag+等。研究表明，金顯春等[16]篩選的降酚菌AF1，在低于0.1 mmol/L的Cu2+、Mn2+和Zn2+下對(duì)苯酚的降解有一定促進(jìn)作用，Hg2+、Pb2+等重金屬對(duì)苯酚降解有一定的抑制作用，Cd2+在低于0.05 mmol/L對(duì)苯酚的降解有促進(jìn)作用，高于該濃度則有抑制作用；龔斌等[19]分離篩選的假單胞降酚菌JF-10在重金屬Pb2+、Cu2+、Ni2+濃度為0.01～0.1 mg/L時(shí)可以使苯酚完全降解的時(shí)間縮短10 h左右，Mn2+在0.01～0.5 mg/L濃度對(duì)苯酚的降解均有一定促進(jìn)作用，分析發(fā)現(xiàn)JF-10對(duì)Cd2+、Pb2+、Mn2+、Ni2+重金屬抗性較高，可用于在重金屬Cd2+、Pb2+、Mn2+、Ni2+污染的水體環(huán)境中的苯酚污染的生物修復(fù)。

3.7鹽度

一般而言鹽度對(duì)微生物降解苯酚影響較大，高鹽度會(huì)使降酚菌的生長(zhǎng)速率和降解速率迅速下降。研究表明，王祖佑等[18]分離篩選的降酚菌JFJ-2當(dāng)含鹽量大于1.5%時(shí)，苯酚降解率急劇下降；顧立鋒等[24]篩選分離得到的一株德氏酵母菌Gb能在5% 鹽度（Na2SO4）情況下正常生長(zhǎng)并高效降解苯酚；曲媛媛等[25]分離篩選的假絲酵母降酚菌W3在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、苯酚濃度為1 500 mg/L時(shí)，12 d苯酚的降解率可達(dá)到99.8%，并且W3的耐鹽度在10%以上。

4小結(jié)

含酚類物質(zhì)特別是含酚廢水，對(duì)人們的健康生活影響越來(lái)越大，目前而言解決這一現(xiàn)狀的方法眾多。從污染源中分離篩選獲得高效的降酚菌酚，研究其降解特性，最后應(yīng)用到含酚廢水處理系統(tǒng)中，是解決處理含酚廢水難以處理的一條良好、綠色、高效途徑。但是絕大多數(shù)研究結(jié)果顯示，目前找到的降酚菌的最佳降解濃度僅在300～1 000 mg/L，而實(shí)際上工廠排放的含酚廢水濃度高達(dá)幾千甚至上萬(wàn)mg/L，對(duì)于如此高濃度的含酚廢水處理起來(lái)存在一定難度。所以在高效降酚菌的選育的同時(shí)，利用因子誘變、基因融合等現(xiàn)代生物技術(shù)及通過(guò)研究催化劑等其他能夠提高降酚效率的科技將對(duì)選育出綠色、高效、適用的降酚菌具有重大研究意義。美好的環(huán)境是人類健康生存的必要條件，篩選出高效、綠色、適用型降酚菌勢(shì)在必行。

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責(zé)任編輯張彩麗責(zé)任校對(duì)李巖