土壤DDT污染的生物協(xié)同降解研究進展

甄珍 魏金華 李文清 陳小麗 劉浩 蘇敬倫 盧逸佳 藺中

摘要 DDT作為一種典型的致畸、致癌、致突變的持久性有機氯污染物，在土壤中降解速度緩慢，殘留半衰期較長，而微生物是土壤中有機污染物自凈的關(guān)鍵方式。本文以DDT作為土壤典型有機氯污染物，概述了其對人體健康和生態(tài)環(huán)境的危害以及土壤中DDT污染的微生物降解研究現(xiàn)狀，并展望了利用蚯蚓作為工程生物強化土壤原有土著微生物降解DDT的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 土壤；污染；DDT；土著微生物；蚯蚓；生物降解

中圖分類號 X53 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）21-0183-01

滴滴涕（DDT）作為一種典型致畸、致癌、致突變的持久性有機氯農(nóng)藥曾被廣泛用作除草劑和殺蟲劑。1938年瑞士化學(xué)家米勒發(fā)現(xiàn)其具有殺蟲性，20世紀(jì)40年代初開始商業(yè)化推廣，20世紀(jì)40年代正式投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。20世紀(jì)50—70年代，世界各國使用DDT的總量大約450萬t，主要用于防治農(nóng)業(yè)害蟲、林業(yè)害蟲、生活害蟲和瘧疾等，是首批因具有持久性污染被列入斯德哥爾摩公約內(nèi)的12種有機污染物之一。雖然世界上已停止生產(chǎn)和禁止使用DDT已有30余年，但因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不易降解，具有急毒性和生物累積性，在絕大多數(shù)的土壤、水體、食品和動物體中仍被廣泛檢出[1]。DDT污染問題嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和人體健康。

1 DDT的理化特性和危害

1874年德國化學(xué)家歐特馬-勤德勒首次合成了DDT。DDT一般以白色結(jié)晶狀固體或者淡黃色粉末的形態(tài)存在，沒有特殊氣味，其蒸汽壓是2.53×10-8 kPa/20 ℃，熔點是108～109 ℃，沸點是260 ℃，密度是1.55 g/mL。DDT不容易溶解于水，但溶于乙醇、丙酮、乙醚、苯、氯仿以及石油溶劑等有機溶劑。DDT穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，使其常溫下不易被分解。生物體的內(nèi)分泌功能嚴(yán)重受DDT的神經(jīng)毒性、肝毒性和生殖發(fā)育毒性的影響，其肝毒性會導(dǎo)致肝腫大，令肝中心小葉壞死。DDT具有POPs的生物富集性、半揮發(fā)性、持久性和高毒性特征，其代謝產(chǎn)物（DDTs）的親脂性導(dǎo)致其易在食物鏈內(nèi)蓄積，通過食物鏈的生物富集而逐步擴大并殘留在人類的血液和母乳中。此外，DDT可通過影響人體內(nèi)分泌系統(tǒng)導(dǎo)致癌癥發(fā)生和破壞人體的免疫系統(tǒng)。

2 生物協(xié)同降解土壤DDT的機制

土壤污染修復(fù)最常見的3種方法有生物、化學(xué)和物理方法。因為物理、化學(xué)處理成本高，物理和化學(xué)修復(fù)不適于大面積推廣應(yīng)用，所用試劑易形成二次污染等，不是一種完美的污染土壤修復(fù)技術(shù)；而被廣泛關(guān)注與研究的生物技術(shù)，具有修復(fù)效果好、礦化程度高、無二次污染等優(yōu)點，是一種理想的土壤修復(fù)技術(shù)。

2.1 土壤DDT的降解微生物

土壤中DDT污染自我降解主要通過微生物降解途徑，目前已篩選鑒定出的DDT降解微生物主要有細(xì)菌和真菌2種[2]。例如，對DDT有降解功能的細(xì)菌類為假單胞菌屬、脫亞硫酸菌屬、分枝桿菌屬、氯酚鞘氨醇單胞菌屬、紅球菌屬、沙雷式菌屬和節(jié)桿菌屬等；真菌為原毛平革菌屬、齒毛菌屬、根霉和絲核菌屬屬等[3]。因微生物降解有機污染物的生化機制存在差異，使土壤DDT降解途徑趨于多樣化。微生物降解土壤DDT污染物主要分為酶促與非酶促2種作用機理。其中，酶促作用是土壤DDT降解的主要路徑。在酶促作用下，土壤DDT污染物作為能源和碳源被微生物所攝用，直接利用或通過產(chǎn)生特定酶后再以土壤DDT污染物為底物加以利用。非酶促的主要轉(zhuǎn)化途徑分為氧化、還原、醋水解和環(huán)裂解等作用[4]。在酶促和非酶促作用下，DDT降解途徑均為先脫氯轉(zhuǎn)化為低氯代化合物后，再開環(huán)得到降解或礦化，由此脫氯就成為此降解途徑的關(guān)鍵。當(dāng)進行脫氯時，可能在所有位置上的氯取代基上發(fā)生，即在相鄰、相反位置和相互間的氯取代基上發(fā)生，從而通過還原脫氯反應(yīng)產(chǎn)生許多中間產(chǎn)物，使代謝途徑變復(fù)雜。有些產(chǎn)乙酸菌能降解為乙酸，也可能把苯酚進一步轉(zhuǎn)化為苯甲酸，隨后產(chǎn)乙酸菌再轉(zhuǎn)化為乙酸，乙酸再被乙酸的產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化成甲烷和CO2[3]。

2.2 蚯蚓協(xié)同土著微生物降解土壤DDT

2.2.1 蚯蚓協(xié)同微生物降解土壤DDT的作用方式。土壤DDT微生物降解的影響要素有氧化還原條件、有機質(zhì)和生物可利用率等。通過強化措施改善上述因素，將加速土壤四環(huán)素生物降解進程。蚯蚓普遍分布于世界不同類型土壤中，擁有超強的環(huán)境適應(yīng)能力和生長繁殖能力，面對污染脅迫體現(xiàn)出其遠(yuǎn)高于微生物的耐性、生物累積性和抵抗性[5]。蚯蚓通過吞食、挖穴等活動，改善土壤理化性質(zhì)，增加微生物與有機污染物的接觸機會，提高其生物有效性。蚯蚓代謝物不僅可作為土壤微生物利用的碳源，而且有助于提高土壤微生物的數(shù)量和活性。蚯蚓的生活習(xí)性恰恰可以改善土壤四環(huán)素生物修復(fù)過程中面臨的諸多限制因素。土壤有機污染物生物可利用率受蚯蚓的影響作用，蚯蚓以含粗有機質(zhì)的土壤為食，挖掘、吞食和消化有機殘落物，并在消化道和蚓糞中充分?jǐn)_動和混合，增加了污染物與土壤微生物間的表面接觸面積和傳播機會，改變有機污染物吸附—解吸附之間的動態(tài)平衡，由此提高污染物的生物有效性。

2.2.2 蚯蚓對土壤性狀的影響。一是蚯蚓對土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響。蚯蚓進食有機質(zhì)，通過超強的分解能力將有機質(zhì)分解[6]。蚯蚓消化有機凋落物過程中分解產(chǎn)生大量的活性低分子量水溶性糖（酸）類物質(zhì)，可為維持活性微生物區(qū)系和污染物的生物降解提供代謝碳源。已有研究結(jié)果表明，蚯蚓感化后土壤微生物數(shù)和酶活性顯著增長。這是因為蚯蚓消化產(chǎn)生的活性有機營養(yǎng)物為微生物繁殖和產(chǎn)酶活性提供了優(yōu)化條件。二是蚯蚓對于土壤氧化還原條件的影響。一方面，蚯蚓通過挖掘活動進行改善土壤通氣條件，其代謝物以蚓糞的形態(tài)排到土壤表面，從而使酶促反應(yīng)獲得更多溶解氧；另一方面，蚯蚓消化道內(nèi)更有利于厭氧微生物的生存生長。通過蚯蚓腸道內(nèi)寄宿大量的微生物與多種微生物共存創(chuàng)造的厭氧環(huán)境，使污染物厭氧降解進程加快。蚯蚓對土壤氧化還原條件的影響是多方面、可提供交替的厭氧及好氧條件。盡管前人大量的研究已證實，蚯蚓具有極強的土壤改造和有機質(zhì)轉(zhuǎn)化能力，從而顯著影響土壤DDT的降解速率和途徑，但這些影響因素的綜合效果是復(fù)雜而未知的，既可能相互疊加也可以相互抵消。截至目前，蚯蚓活動對土壤DDT生物降解的強化機制仍不清楚。

3 生物協(xié)同降解土壤DDT的降解微生物鑒定

3.1 傳統(tǒng)平板篩選技術(shù)

蚯蚓活動對土壤DDT生物降解的強化機制仍不清楚，主要源于誘導(dǎo)強化的微生物種類認(rèn)識嚴(yán)重不足。目前，在對土壤DDT降解微生物的研究中多集中于降解菌的平板篩選、鑒定和優(yōu)勢微生物群落檢測等領(lǐng)域。但是，環(huán)境中大部分微生物表現(xiàn)為存活但無法培養(yǎng)的狀況，傳統(tǒng)平板篩選技術(shù)不能真正反映原位環(huán)境中的功能微生物種群情況，抗性基因僅能揭示微生物的耐藥機理。雖然分子生物學(xué)技術(shù)豐富了人類對微生物在土壤中的群落布局與構(gòu)成的知識，但是其所反映出來的有關(guān)于微生物間的相互影響作用及其代謝功能的直接信息仍然十分困難。即使運用以上技術(shù)，企圖在無法確切統(tǒng)計數(shù)目的土壤微生物中去鑒別某一個生態(tài)過程，到目前為止來說，其可能性極低。

3.2 穩(wěn)定性同位素探針技術(shù)

在以往的幾十年里，獲得科研工作者們一致認(rèn)同的穩(wěn)定性同位素探針（DNA-SIP）技術(shù)，功能微生物核酸運用于同位素技術(shù)，可實現(xiàn)各種復(fù)雜環(huán)境中的示蹤。由此，在分子水平上來鑒定生態(tài)系統(tǒng)某個特定過程中所需要研究的各種各樣驅(qū)動微生物起作用的途徑，對于人們來說十分有幫助。該方法不經(jīng)分離培養(yǎng)便可精確反映是哪些微生物參與了土壤污染物的降解，達到了直接把微生物代謝功能與同化過程結(jié)合起來的目的，已成為鑒定功能微生物的重要手段。目前，仍以復(fù)雜的原位或者是微域土壤樣品為SIP技術(shù)的主要研究對象，主要利用13C標(biāo)記底物的方法來培養(yǎng)土壤生物，以及利用13C-底物的微生物細(xì)胞通過不間斷分裂、生長和繁殖的途徑來合成含有13C標(biāo)記的DNA或RNA等生物標(biāo)志物[7]。超高速離心技術(shù)將土壤樣品中提取的13C-核酸和12C-核酸的混合物進行分離，然后利用分子生物學(xué)手段（分子指紋圖譜法、末端限制性片段長度多態(tài)性分析法和高通量測序法等）對生物標(biāo)記物進行分析，來鑒別土壤中的功能微生物。目前，SIP技術(shù)多集中應(yīng)用于鑒定復(fù)雜原位土壤環(huán)境中參與苯酚、PAHs和PCBs降解過程中的功能微生物種類。然而，利用SIP技術(shù)研究蚯蚓協(xié)同作用下土壤DDT生物降解過程中的降解微生物少有報道，對真正起作用的功能微生物認(rèn)識嚴(yán)重不足。

4 展望

隨著人們對環(huán)境污染問題的注重，具備高效率、低成本和環(huán)境友好等優(yōu)點的生物修復(fù)技術(shù)被廣泛推崇。加上近年來迅速發(fā)展的高通量和宏基因組等測序方法，把蚯蚓誘導(dǎo)強化下有機污染物修復(fù)過程中的微生物和基因組學(xué)研究提高到了一個新的發(fā)展階段，使研究者對土壤有機污染物的生物協(xié)同降解機制了解和認(rèn)識達到一個新的層次。因此，利用“土壤動物”蚯蚓協(xié)同土著微生物共同降解土壤殘留的DDT等有機污染物，必然成為未來重點研究的方向之一。

5 參考文獻

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