關(guān)于微生物在環(huán)境治理方面的應(yīng)用研究進(jìn)展——以微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌為例

廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院 羅子健，梁小鳳

一、微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌簡介

寡養(yǎng)單胞菌屬是需氧性革蘭氏陰性桿菌，棲息在海洋及陸地環(huán)境中，該菌屬能夠降解環(huán)境中典型污染物。微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌（Stenotrophomonas acidaminiphila）最早于20002年從上流式厭氧污泥床的污泥中被分離鑒定出來（Assih et al.，2002）。研究表明，該菌種可降解敵草隆、丁草胺、氟蟲腈、多環(huán)芳烴、脂肪烴、藍(lán)藻毒素等，并具有有效去除重金屬的能力。

二、微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌在環(huán)境中的應(yīng)用

（一）降解除草劑

化學(xué)除草劑在全球廣泛使用，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著重要意義，但由于其具有的較高毒性和較為穩(wěn)定的特性對環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染。除草劑種類繁多，主要可分為有機(jī)磷類、二苯醚類和磺酰脲類等。微生物的分解代謝被認(rèn)為是環(huán)境中除草劑降解的主要途徑。近幾十年來，關(guān)于微生物降解除草劑的報道越來越多。研究表明，微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌可降解氟磺胺草醚、丁草胺和敵草隆等多種除草劑。

氟磺胺草醚屬于二苯醚類除草劑，在環(huán)境中殘留時間較長。研究發(fā)現(xiàn)，二苯醚類除草劑可以通過光降解、化學(xué)水解和生物降解的方式降解，微生物降解是其主要的降解途徑。張清明（2013）利用富集培養(yǎng)技術(shù)從山東某農(nóng)藥廠活性污泥中篩選到1 株具有高效降解氟磺胺草醚能力的細(xì)菌，命名為BX3。經(jīng)鑒定，菌株BX3 為微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌。結(jié)果表明，該菌株可以氟磺胺草醚為唯一碳源生長。在氟磺胺草醚初始濃度為100 mg /L，培養(yǎng)溫度為30℃，pH 值為7的條件下，降解氟磺胺草醚的效率最佳，培養(yǎng)5 d后對氟磺胺草醚的降解率可達(dá)到80% 以上。

丁草胺為氯乙酰胺類除草劑，氯乙酰胺類除草劑是一類分子結(jié)構(gòu)中含有氯乙酰胺基團(tuán)的除草劑，主要有甲草胺和乙草胺等。氯乙酰胺類除草劑的微生物降解途徑主要有兩種：谷胱甘肽－共軛脫氯途徑和N－脫烷基氧化途徑。Dwivedi等（2010）通過富集培養(yǎng)從被除草劑污染的小麥根際土壤中分離出丁草胺降解細(xì)菌菌株JS-1，并鑒定為微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌。菌株JS-1耐受丁草胺的最大濃度為3000mg/L。HPLC分析顯示，在含6mg/kg丁草胺的土壤培養(yǎng)20d后，土壤中的丁草胺幾乎完全消失。敵草隆屬于苯基脲類除草劑，主要用于去除谷類作物中的各種闊葉雜草。由于其相對較高的水溶性和較低的土壤吸附能力，苯基脲類除草劑及其代謝物可在不同水環(huán)境中被檢測出來。微生物降解苯基脲類除草劑可分為兩種途徑：第一種途徑是連續(xù)的N-去甲基化，尿素側(cè)鏈裂解和最后的苯環(huán)結(jié)構(gòu)裂解；第二種途徑是將尿素側(cè)鏈直接水解成其苯胺衍生物。

Egea等（2017）在受敵草隆污染的甘蔗作物土壤中分離出400株能不同程度降解敵草隆的細(xì)菌。其中，大多數(shù)分離株培養(yǎng)5d后可降解10%至30%的敵草隆，而嗜酸寡養(yǎng)單胞菌菌株TD4.7降解效率最高，降解率為87%。該菌株的降解開始于一系列N-去甲基化反應(yīng)，依次釋放3,4-二氯苯基甲基脲（DCPMU）及3,4—二氯苯基脲（DCPU），然后進(jìn)行酰胺鍵裂解，產(chǎn)生3,4-二氯苯胺（3,4-DCA），而最終的3,4-DCA只有少部分被降解。

（二）降解殺蟲劑

同樣，農(nóng)業(yè)殺蟲劑的廣泛使用也會對環(huán)境造成嚴(yán)重的危害，常見的農(nóng)業(yè)殺蟲劑可分為有機(jī)氯類和有機(jī)磷類等。Uniyal等(2016)從受氟蟲腈污染土壤中的玉米根際區(qū)域分離出降解氟蟲腈的細(xì)菌并鑒定為微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌。氟蟲腈屬于苯基吡唑類殺蟲劑，其在土壤中的半衰期差異很大，從3天到7個月不等。該菌株降解氟蟲腈的最佳條件為pH值為7.5，溫度35℃。在最佳條件下及含25mg/L的Dorn肉湯培養(yǎng)基中氟蟲腈的降解率為86.1%。GLC分析結(jié)果表明，氟蟲腈通過氧化，還原和水解反應(yīng)分別降解形成砜、硫化物和酰胺。

（三）降解烴類有機(jī)物

隨著煤和石油在工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸中的廣泛使用，多環(huán)芳烴在環(huán)境中的積累越來越嚴(yán)重威脅人類的健康。多環(huán)芳烴化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易水解，但受紫外輻射易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。部分微生物可降解低分子量的多環(huán)芳烴，但通常不能徹底降解。Mangwani等從咸水瀉湖水樣中分離出可降解菲和芘的微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌。實驗表明，在含有100mgL菲的Tris培養(yǎng)基中培養(yǎng)7d后，以浮游方式培養(yǎng)的菲降解率為38.7%，而以天然生物膜方式培養(yǎng)的降解率高達(dá)71.1%。與菲相比，芘的降解較慢，在含有100mgL芘的Tris培養(yǎng)基中培養(yǎng)7d后，浮游培養(yǎng)方式的降解率為29.7%，生物膜培養(yǎng)方式的降解率為40%，但其降解效率仍高于其他菌屬。TLC分析表明菲和芘代謝物中分別有較多的水楊酸和兒茶酚中間體的積累。Cerqueira等從受石油污染的土壤、工業(yè)廢水和含油污泥中通過考察石油烴類降解能力初步分離出20株擁有較強(qiáng)降解能力的菌株，并研究了這20株菌株對不同濃度含油污泥的耐受降解能力、生物表面活性劑分泌能力及部分相關(guān)酶的酶活性，選擇出5株最有潛力的菌株，其中一株為微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌。

（四）其他污染物的去除

富營養(yǎng)化引起藻類的大量繁殖，除造成池體缺氧的問題以外，水華藻類可產(chǎn)生有毒化學(xué)物質(zhì), 對人們生產(chǎn)生活用水造成了極大的威脅。其中，微囊藻毒素毒性最大，出現(xiàn)范圍最廣。劉曉文等（2010）從太湖腐爛的水華中富集篩選出1株可降解微囊藻毒素的微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌。實驗表明，該菌株5d內(nèi)即可將15.4mgL的微囊藻毒素100%降解。孫璐璐等（2018）在活性污泥中分離培養(yǎng)一株好氧脫色的微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌菌株，并將其應(yīng)用于偶氮染料的生物降解和固定化研究。該菌在35℃、120r/min振蕩培養(yǎng)18h后對初始濃度為100mg/L的顏料23脫色率達(dá)到90%以上。另外，還研究了以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的海藻酸鈉溶液作為固定化載體，5%的FeCl3作為交聯(lián)劑并接種體積分?jǐn)?shù)為4%的菌懸液制成固定化小球。結(jié)果顯示，在100ml濃度為100mg/L顏料23培養(yǎng)液中投入最佳投加量5g的固定化小球，培養(yǎng)18h后顏料23脫色率達(dá)到89%。另外，有研究顯示，部分微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌株對重金屬有較高的耐受性及去除效率。Mangwani等人研究了微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌株NCW-702形成的生物膜成分，發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞外聚合物存在著大量多糖、氨基酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)物質(zhì)。這些胞外聚合物通?？捎伸o電力吸附重金屬或與之螯合。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，菌株NCW-702可耐受不同濃度的各類重金屬。Manohari等從受重金屬Cu污染場地中的狗牙根根際土壤中分離出一株可耐受及去除Cu2+的微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌菌株MYS1。該菌株可在Cu2+濃度高達(dá)600mg/L的肉湯培養(yǎng)液中良好生長。在pH值為5.0，溫度為32.5℃，Cu2+濃度為250mg/L的優(yōu)化條件下，該菌株可獲得最快的生長（2.87μg/mg）及最高的Cu2+去除率（94.1%），其去除效率遠(yuǎn)高于同類報道中的其他菌屬。

三、展望

近些年，研究人員從自然環(huán)境中篩選出越來越多的微嗜酸寡養(yǎng)單胞菌株，并應(yīng)用于降解有機(jī)農(nóng)藥、處理廢水及修復(fù)污染土壤等不同領(lǐng)域，顯示出該菌種在環(huán)境生物修復(fù)中具有較大潛力。隨著研究的不斷深入，降解機(jī)理將逐漸明晰，有利于該菌種進(jìn)一步應(yīng)用于實際生產(chǎn)。