十溴聯苯醚微生物降解的研究進展

蔡慶濤，趙 苒

（1.廈門大學公共衛生學院，福建 廈門 361102；2.上海市金山區疾病預防控制中心，上海， 201500）

多溴聯苯醚 （polybrominated diphenyl ethers，PBDEs）是一類常用的溴代阻燃劑 （brominated flame retardants，BFRs），因其阻燃效率高、熱穩定性好、添加量少、對材料性能影響小和產品價格適中等優點，被廣泛應用于電子、電器、化工、紡織以及建筑等領域［1－2］。PBDEs的化學通式為 C12H（0～9）Br（1～10）O，根據苯環上 Br的個數和位置 的不同，可分為10個同系組、209種單體化合物。商品化的PBDEs主要有五溴聯苯醚 （Penta－BDEs）、八溴聯苯醚（Octa－BDEs）和十溴聯苯醚（Deca－BDEs 或 BDE－209）3種。

1999年瑞典研究者［3］分別從人體脂肪和肝組織中檢出PBDEs，且其含量呈逐年上升趨勢，PBDEs全球性污染問題受到廣泛關注，并成為近10年環境科學領域的研究熱點。研 究［4－5］表 明：Penta－BDEs和 Octa－BDEs對 神 經、 內分泌和免疫系統具有毒性作用，已于2009年5月被列入斯德哥爾摩公約，正式禁止生產和使用。雖然，歐盟于2008年已禁止在電子電氣產品中使用BDE－209，美國環境保護署亦將其歸為潛在致癌物質，并于2013年底禁止其生產和銷售，但在未找到新型阻燃劑之前，BDE－209仍是全球使用量最大的溴代阻燃劑，且使用量有逐年增加的趨勢。我國目前尚無相關規定禁止或限制BDE－209的生產和使用。

BDE－209作為一種非反應添加型阻燃劑，缺少化學鍵的束縛，其在生產、運輸和添加到產品以及在廢棄物的存放和處理過程中會不同程度地釋放并進入環境中［6］。據報道，英國倫敦的空氣［7］、挪威的土壤［8］、美國五大湖流域［9］和我國廣東、香港等地的大氣［10］、珠江三角洲近岸沉積物［11］甚至青藏高原的土壤［12］樣品中均檢出 BDE－209的污染。環境穩定性、高親脂性和生物易積累等特點使其在生物體的蛋白質和脂肪中蓄積，并可通過食物鏈傳播到高級生物體中［13］。研究［14］表明：十溴聯苯醚不僅對機體存在一定的神經毒性和內分泌干擾作用，還可在復雜的環境條件下脫溴生成毒性更強的Penta－BDEs和Octa－BDEs等低溴代聯苯醚同系物［15］。因此，如何處理BDE－209以促進其在環境中的降解和轉歸正日益受到重視。BDE－209的處理方法主要有光降解［16－17］、化學降解［18］和微生物降解。本文作者對近年來BDE－209微生物降解的研究進展進行綜述，重點闡述好氧和厭氧微生物降解的現狀及展望，以期為BDE－209在環境中的遷移、轉化研究及其污染處理提供科學參考。

1 BDE－209的微生物降解

1.1 好氧微生物降解 BDE－209化學結構穩定，其結構中的醚鍵增加了熱穩定性，故而難以完成酶切反應［19］，因此研究多集中在降解率和脫溴率等方面。王婷等［20］在對蠟狀芽孢桿菌 （XPB和XPC）復合菌降解BDE－209的研究中發現：復合菌對BDE－209具有良好的脫溴性能，反應1d時其最高脫溴量可達1.18mg·L－1，脫溴率至少為14.16%；加入低濃度重金屬后，不但明顯抑制降解過程中酚類物質的生成，且脫溴率幾乎未受影響，仍保持在13.92%以上；上清液的降解產物亦不含低溴代聯苯醚產物，可見該復合菌對BDE－209的降解具有一定安全性，可望應用于BDE－209污染區域的生物修復。Deng等［21］從 BDE－209污染區分離到1株具有脫溴功能的好氧菌Lysinibacillus fusiformis strain DB－1，首次報道了土著菌對BDE－209的降解作用。史廣宇等［22］發現：銅綠假單胞菌對BDE－209的降解主要歸因于胞內酶的作用，胞內酶粗提液在12h內對1mg·L－1BDE－209降解率達到69.22%，降解速度遠遠大于菌體，且降解率受酶濃度、底物濃度、pH和環境溫度的影響，例如當BDE－209濃度為1mg·L－1時，BDE－209最適酶促降解反應條件：溫度30℃、反應pH＝7.5，降解率隨著酶濃度的增加而增大。趙宇等［23］從廣東貴嶼鎮電子垃圾拆解地采集的沉積物樣品中分離的BDE－209高效好氧降解菌證實為短短芽孢桿菌 （Brevibacillus brevis），其降解最佳菌齡為36h，最佳氮源為 （NH4）2SO4，降解率受Cu2＋和Cd2＋濃度的影響。

由于BDE－209在水中的溶解度 （lgKow為10）非常低，故其在水中的有效濃度是影響其生物可利用度的主要因素。Zhou等［24］發現：在增溶劑Tween 80和環糊精的作用下，白腐菌對BDE－209的降解作用加強，當Tween 80的濃度為500mg·L－1時，10d內 BDE－209的降解率為96.5%，但該文作者同時提出高濃度Tween 80對BDE－209的降解和白腐菌的生長均具有明顯的抑制作用，具體機制不詳。表面活性劑也可促進好氧菌對BDE－209的降解。王芳芳等［25］觀察到：低濃度鼠李糖脂、蔗糖脂肪酸酯和茶皂素存在時，能使蘇云金芽孢桿菌J－1對BDE－209的降解率明顯升高，最高可將BDE－209的降解率分別提高23.18%、16.47%和12.64%，但中、高濃度鼠李糖脂、蔗糖脂肪酸酯和茶皂素均對J－1降解BDE－209有抑制作用。好氧微生物能夠利用BDE－209作為自身代謝的能量來源，目前篩選得到的好氧菌株可進行甲基化、羥基化或在芳香烴接合處發生鍵斷裂等反應，從而生成新的溴代化合物［26－29］，這些新產生的溴代化合物可作為微生物生長的碳源，在酶的作用下可發生開環降解，進入三羧酸循環 （TCA）或者徹底分解成CO2和H2O，從而降解低溴代聯苯醚。見表1和圖1。

表1 BDE－209好氧降解菌及其降解特性Tab.1 Aerobic degrading strains of BDE－209and their degradation characteristics

1.2 厭氧微生物降解 BDE－209厭氧降解是1個緩慢的過程，通過催化還原脫溴，使BDE－209得到電子的同時釋放出溴離子，轉化為低溴代的同系物后再進一步降解。厭氧還原通過改變同系物的分布來減少溴取代的數量和位點，降低疏水性而使其更易被好氧微生物降解。現有的研究主要圍繞BDE－209在厭氧條件下的降解半衰期和降解產物展開。2005年，Gerecke等［31］首次報道了厭氧菌經過238d的富集培養后能使BDE－209發生間位和對位脫溴反應，生成BDE－207和BDE－208。He等［32］研究表明：在厭氧微生物Sulfurospirillum multivorans的作用下，BDE－209可被降解為七溴和八溴聯苯醚，而脫鹵球菌 （Dehalococcoides）能夠將八溴聯苯醚降解為二溴至七溴聯苯醚。雖然脫鹵球菌對BDE－209沒有降解作用，但該研究間接證明BDE－209是其他低溴代聯苯醚污染的重要來源。Tokarz等［33］利用沉積物中的微生物和生物模擬系統研究BDE－209時發現：其可被迅速脫溴生成毒性更強的低溴代聯苯醚（如Penta－BDEs和Octa－BDEs）。Qiu等［34］在厭氧條件下向培養基加入不同的電子供體 （methanol，ethanol，acetate，lactate and pyruvate），經過90d的培養，發現培養基中BDE－209的含量降低，而六溴、八溴和九溴聯苯醚含量增加；進而利用微生物群落分析，分離鑒定出1株對BDE－209有明顯降解作用的優勢菌Pseudomonas spp.。陳桂蘭等［35］利用電子垃圾污染河床沉積物為種源富集馴化獲得的菌群Cf3，同樣具有較高的BDE－209降解率，可達80.03%，推測除脫溴反應外，羥基化、甲基化或醚鍵直接斷裂等其他代謝降解途徑也可能參與其中。

圖1 BDE－209降解途徑示意圖Fig.1 Schematic diagram of degradation pathway of BDE－209

BDE－209厭氧降解的特點：①在厭氧細菌作用下，溴代聯苯醚同系物的降解速率與溴化程度成正比，高溴代聯苯醚同系物比低溴代聯苯醚同系物更易脫溴［36］；②厭氧微生物降解通常遵循一級反應動力學，脫溴的難易程度與溴離子在苯環上的取代位點有關，即脫溴反應更易發生在間位和對位，臨位不易發生脫溴［37］。

2 BDE－209的光－微生物降解

光降解是多溴聯苯醚環境污染的一個重要處理方法，紫外光可以誘發產生有活性的自由基離子，破壞持久性有機污染物復雜的化學結構。Shih等［38］研究表明：陽光和紫外光的照射下可使BDE－209發生脫溴反應，且這種反應遵從準一級反應動力學方程，在紫外光的照射可發生連續的脫溴反應。Chou等［39］將光降解和微生物好氧降解2種方法同時作用于BDE－209，在以BDE－209為唯一碳源的黏土／水培養系統中，有紫外光照射的實驗組降解率明顯高于無紫外光照射的對照組的降解率，最終在紫外光和好氧降解菌的同時作用下，十溴聯苯醚共脫溴生成12種低溴代聯苯醚，該研究結果提示：將光降解和微生物降解2種方法結合在BDE－209污染修復領域有良好發展前景。

表2 BDE－209厭氧降解菌及其降解特性Tab.2 Anaerobic degrading strains of BDE－209and their degradation characteristics

3 BDE－209的納米級零價鐵－微生物降解

鹵代芳香族有機污染物在厭氧條件下能夠被零價鐵晶體還原脫鹵［40－41］，但該作用尚存在一定的局限性［42］。納米級零價鐵由于具有較大的表面積、較強的活性和可作用于較廣的有機污染物的特點，因此被認為是一種有潛力的BDE－209污染處理方法。但無論是零價鐵還是納米級別的零價鐵，作用于BDE－209均會產生低溴代聯苯醚，對于清除有機污染物質均并非理想的方法。Kim等［43］研究了零價鐵和微生物聯合作用對PBDEs的降解，結果顯示：零價鐵作用20d后，BDE－209還原脫溴生成低溴代的九溴聯苯醚到三溴聯苯醚，再加入Sphingomonas sp.PH－07微生物降解菌培養4d后，生成溴酚等結構更為簡單的代謝產物。這種利用納米級零價鐵的還原作用與微生物氧化作用相結合處理BDE－209污染的方法不僅高效，而且解決了低溴代聯苯醚的殘余危害，為高鹵代有機污染物修復的研究提供了新的思路。

4 總結與展望

盡管PBDEs的生產和使用受到越來越多的限制，但作為尚未被禁止的BDE－209生產和使用大國，我國的BDE－209污染情況及其環境行為、健康危害等均應得到學者的足夠重視。BDE－209微生物降解研究尚在起步階段，其脫溴機制和降解途徑未明，因此在分離選育BDE－209高效降解微生物的基礎上，還應進一步揭示其脫溴降解機制和分子基礎，并注意在今后的研究和實踐中將光降解、零價鐵降解及微生物降解等方法有機結合，為PBDEs的環境修復提供更多方向。

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