鄰苯二甲酸酯類(lèi)塑化劑的生物降解研究進(jìn)展

劉斌 張紅艷 張松

摘要：

塑化劑，作為塑料的重要組成成分被廣泛的添加到塑料產(chǎn)品中以提高產(chǎn)品的柔韌性與耐久性。鄰苯二甲酸酯類(lèi)塑化劑作為使用最廣、用量最大的塑化劑，其重要工業(yè)價(jià)值得到廣泛認(rèn)可，同時(shí)，其對(duì)人體健康及生態(tài)環(huán)境安全的威脅也受到廣泛關(guān)注。作為污染物在環(huán)境中降解的主要方式之一，微生物降解以其高效、安全且無(wú)二次污染的特點(diǎn)而備受關(guān)注。本文對(duì)目前鄰苯二甲酸酯類(lèi)塑化劑的生物降解研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，主要涉及降解微生物，降解途徑及相關(guān)分子機(jī)制，以期為鄰苯二甲酸酯類(lèi)塑化劑微生物降解的研究提供重要參考。

關(guān)鍵詞：

塑化劑；鄰苯二甲酸酯；生物降解；代謝途徑；酯酶

中圖分類(lèi)號(hào)：S-3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：1019754/jnyyjs20190315002

自塑化劑被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，數(shù)以千計(jì)的化合物被篩選以獲得在可塑性、成本、可獲得性以及環(huán)境安全性等方面表現(xiàn)良好的塑化劑，其中只有少數(shù)得以商業(yè)應(yīng)用，包括鄰苯二甲酸酯累（Phthalic acid esters， PAEs），對(duì)苯二甲酸酯（Terephthalates），環(huán)氧樹(shù)脂（Epoxies），雙酚類(lèi)（Bisphenols）。每年約有800萬(wàn)t的塑化劑被使用，且其中的絕大多數(shù)被用于聚氯乙烯制品中（Polyvinyl chloride， PVC），同時(shí)也被用于建材、醫(yī)藥、線纜、顏料添加劑、粘合劑、化妝品等[1]。在眾多的塑化劑中，鄰苯二甲酸酯類(lèi)的全球使用量最大（2014年全球使用量約840萬(wàn)t），占全球使用量的70%，且以鄰苯二甲酸二（2-乙基）己酯（Di-（2-ethylhexyl） phthalate，DEHP）所占比例最大（約占371%，即每年超過(guò)300萬(wàn)t）。在鄰苯二甲酸酯類(lèi)塑化劑大量使用的同時(shí)，其對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境安全的威脅受到了廣泛的關(guān)注，大量相關(guān)毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)被開(kāi)展，其毒性得到了深入、系統(tǒng)的闡明；由于鄰苯二甲酸酯類(lèi)塑化劑本身并非直接與塑料多聚體直接連接，導(dǎo)致鄰苯二甲酸酯類(lèi)塑化劑在使用的過(guò)程中很容易釋放到環(huán)境中，這使得此類(lèi)塑化劑在不同環(huán)境中被普遍檢測(cè)到[2]。因此，鄰苯二甲酸酯類(lèi)塑化劑在環(huán)境中的出現(xiàn)、遷移以及最終歸趨受到了廣泛關(guān)注，其環(huán)境降解/轉(zhuǎn)化是關(guān)注熱點(diǎn)之一。微生物降解，作為環(huán)境污染物降解的主要方式，在過(guò)去的40a中得到了深入研究，本文就鄰苯二甲酸酯類(lèi)塑化劑近年來(lái)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，主要涉及降解菌的分離、代謝途徑、相關(guān)分子機(jī)制等，以期為鄰苯二甲酸酯塑化劑的降解研究提供理論參考。

1鄰苯二甲酸酯類(lèi)降解菌

鄰苯二甲酸酯類(lèi)塑化劑于20世紀(jì)20年代被開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)，20世紀(jì)30年代進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的使用及環(huán)境釋放，大量可降解鄰苯二甲酸酯類(lèi)的微生物菌株被分離報(bào)道。這些菌株同時(shí)包括革蘭氏陽(yáng)性和陰性細(xì)菌，也包括少量的真菌和酵母。表1中列舉了部分具有代表性的鄰苯二甲酸酯類(lèi)降解菌，其中，假單胞菌屬（Pseudomonas）、戈登氏菌屬（Gordonia）、紅球菌屬（Rhodococcus）和鞘氨醇單胞菌（Sphingomonas）為具有代表性的典型菌屬。

盡管已有較多的鄰苯二甲酸酯類(lèi)降解菌被分離，但是菌株的降解性能及環(huán)境適應(yīng)性等表現(xiàn)各有不同。有的菌株具有將鄰苯二甲酸酯類(lèi)水解為鄰苯二甲酸的能力，但是不能將鄰苯二甲酸進(jìn)一步利用，如Gordonia sp. JDC-2，可通過(guò)鄰苯二甲酸單辛酯將鄰苯二甲酸二辛酯轉(zhuǎn)化為鄰苯二甲酸，但不能利用鄰苯二甲酸進(jìn)行生長(zhǎng)[3]。同時(shí)，在環(huán)境適應(yīng)性上菌株的表現(xiàn)也具有較大差異，但總體而言，已報(bào)道的菌株對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性均相對(duì)良好。但依然有較多問(wèn)題亟待解決，包括：已報(bào)道菌株在實(shí)際修復(fù)中的應(yīng)用報(bào)道相對(duì)較少；惡劣（高鹽、極端pH、極端溫度、多種污染物同時(shí)存在等）條件下降解情況報(bào)道較少；低濃度情況下的降解（較多研究關(guān)注高濃度耐受）等等。

2鄰苯二甲酸酯的微生物代謝途徑

對(duì)于物質(zhì)代謝途徑的提出，主要依賴(lài)于代謝中間產(chǎn)物的檢測(cè)，同時(shí)，代謝途徑受物質(zhì)自身理化性質(zhì)的影響。就鄰苯二甲酸酯的一般代謝途徑而言，主要可以分為兩個(gè)步驟，即2個(gè)酯鍵的水解，鄰苯二甲酸的利用，同時(shí)也可能涉及具有較長(zhǎng)的側(cè)鏈基團(tuán)的氧化縮短。就鄰苯二甲酸酯2個(gè)酯鍵的水解而言，在有氧和厭氧菌株中并無(wú)明顯差異，而鄰苯二甲酸的代謝則在有氧和厭氧菌株中存在顯著差異。在有氧的情況下，鄰苯二甲酸首先被轉(zhuǎn)化為原兒茶酸，接著原兒茶酸在雙加氧酶的作用下被開(kāi)環(huán)，進(jìn)一步利用；鄰苯二甲酸在厭氧條件下轉(zhuǎn)化的過(guò)程報(bào)道相對(duì)較少，目前已知鄰苯二甲酸可以被轉(zhuǎn)化為苯甲酸，苯甲酸進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化為己二酸。

作為酯鍵水解后的重要代謝中間產(chǎn)物，鄰苯二甲酸有的時(shí)候不能被微生物所利用，進(jìn)而導(dǎo)致微生物的生長(zhǎng)受到限制，但鄰苯二甲酸相對(duì)于鄰苯二甲酸酯的毒性大大降低，從而達(dá)到了脫毒的目的；可以通過(guò)2種或者2種以上微生物的共同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰苯二甲酸酯的徹底降解，即一種特定微生物將鄰苯二甲酸酯的酯鍵水解，另一種微生物將鄰苯二甲酸轉(zhuǎn)化利用同時(shí)為前者提供能源物質(zhì)，如Gordonia sp. JDC-2和Arthrobacter sp. JDC-32可通過(guò)協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰苯二甲酸二辛酯的徹底降解[3]。

3鄰苯二甲酸酯降解相關(guān)酶與分子機(jī)制

針對(duì)鄰苯二甲酸酯代謝的分子機(jī)制，同樣可以根據(jù)代謝途徑分為2個(gè)過(guò)程，即實(shí)現(xiàn)2個(gè)酯鍵水解的關(guān)鍵酯酶，代謝中間產(chǎn)物鄰苯二甲酸的利用。其中，鄰苯二甲酸的代謝相關(guān)基因已經(jīng)被大量報(bào)道，因此我們?cè)谶@里不進(jìn)行過(guò)多的討論。一般情況下，一種酯酶可作用于鄰苯二甲酸酯，將其中的一個(gè)酯鍵水解產(chǎn)生鄰苯二甲酸單酯，另一種酯酶在進(jìn)一步作用于鄰苯二甲酸單酯生成鄰苯二甲酸。而已報(bào)道可水解鄰苯二甲酸酯中2個(gè)酯鍵的相關(guān)酶并不多（總計(jì)14個(gè)），其中有8個(gè)可作用于第1個(gè)酯鍵，5個(gè)可作用于第2個(gè)酯鍵，僅有1個(gè)酯酶可同時(shí)作用于2個(gè)酯鍵。Ren等對(duì)這些酯酶進(jìn)行總結(jié)，確定了所有的這些酯酶屬于酯酶8個(gè)家族中的4個(gè)家族，同時(shí)還包含一個(gè)未知家族[11]。

4菌株的實(shí)際應(yīng)用

分離獲得的污染物降解菌，通過(guò)相關(guān)分子機(jī)制研究闡明了物質(zhì)在環(huán)境中轉(zhuǎn)化的途徑，為環(huán)境污染的修復(fù)與工業(yè)廢水處理等提供了新的方法。生物修復(fù)主要指通過(guò)生物降解的途徑對(duì)環(huán)境污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化從而達(dá)到將污染物從環(huán)境中去除或脫毒的方法。對(duì)于鄰苯二甲酸酯降解菌的實(shí)際應(yīng)用報(bào)道相對(duì)較少，且多是停留在實(shí)驗(yàn)室階段的模擬修復(fù)，如鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯降解菌Rhodococcus sp. WJ4就被應(yīng)用于人工合成的污染土壤修復(fù)，且表現(xiàn)出較好的修復(fù)效果，同時(shí)土壤的水解酶活性也得到顯著提高[9]。同時(shí)，對(duì)Mycobacterium sp. YC-RL4的研究發(fā)現(xiàn)，菌株在降解鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯的過(guò)程中，細(xì)菌自身的細(xì)胞表面親疏水性改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)疏水性污染物更好的吸收[10]。

5機(jī)遇與挑戰(zhàn)并在

盡管已有較多的鄰苯二甲酸酯降解菌被分離報(bào)道，但是需要指出的是，鄰苯二甲酸酯在環(huán)境中轉(zhuǎn)化的分子機(jī)制認(rèn)識(shí)尚不足，相關(guān)的酶報(bào)道依然較少；菌株在實(shí)際應(yīng)用中的報(bào)道依舊很少。因此，要通過(guò)不斷的分離獲得新菌株來(lái)豐富降解菌資源，要對(duì)已獲得的降解菌進(jìn)行深入研究，闡明相關(guān)分子機(jī)制并探索菌株的實(shí)際應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)理論研究與應(yīng)用研究的進(jìn)一步深入并更好的服務(wù)社會(huì)發(fā)展與建設(shè)。

參考文獻(xiàn)

[1]

Net S， Sempéré R， Delmont A， Paluselli A， Ouddane B. Occurrence， fate， behavior and ecotoxicological state of phthalates in different environmental matrices [J]. Environmental Science and Technology， 2015， 49（7）： 4019-4035.

[2] Sayyad G， Price GW， Sharifi M， Khosravi K. Fate and transport modeling of phthalate esters from biosolid amended soil under corn cultivation [J]. Journal of Hazardous Materials， 2017（323）： 264-273.