李贺
【摘 要】苯并[a]芘(BaP)是一种由5个苯环组成的分布广泛、致癌性极强的多环芳烃,是目前国内外环境监测的重要指标之一.研究苯并[a]芘在环境中的产生、迁移、转化、降解及毒理作用,判断多环芳烃的污染情况.本文综述了苯并[a]芘的来源与分布,以及微生物对苯并[a]芘的代谢途径,并对该领域的研究做了展望,希望可以为相关工作的进一步开展提供依据. 【期刊名称】《延安大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(032)001
【总页数】4页(P58-61)
【关键词】多环芳烃;苯并[a]芘;微生物降解
【作 者】李贺
【作者单位】西北大学生命科学学院,陕西西安710069
【正文语种】中 文
【中图分类】Q936
多环芳烃（PAHs）是含两个以上苯环的有毒有机污染物，在自然环境中广泛分布。因其具有环境持久性、生物累积性、长距离迁移能力和高生物毒性，已对全球环境和人类健康造成了极大的威胁。
在众多的多环芳烃污染物中，苯并［a］芘由于其分布广泛，性质稳定，致癌性极强，目前已成为国内外环境监测的重要指标之一。通过研究其在环境中的产生、迁移、转化、降解及毒理作用，可以判断多环芳烃的污染情况。
苯并［a］芘是由5个苯环组成的一种多环芳烃（图1），为黄针状结晶体，分子式为C20H12，分子量为252，熔点179℃，沸点496℃，不溶于水，易溶于苯、乙醚、氯仿、丙酮等有机溶剂。苯并［a］芘是一切含碳燃料和有机物热解过程中的产物，一般认为在800～1200℃供氧不足的燃烧中产生最多。其Ames实验显阳性，能够导致染体畸变、染体交换以及无序的DNA合成。在大量动物试验以及临床观察分析的基础上，世界卫生组织国际癌症研究中心将苯并［a］芘确定为一级致癌物质［1］。
碳氢化合物的不完全燃烧会产生自由基，自由基在火焰中发生活性大、反应快的自由基催化和环化等化学反应可生成多环芳烃。澳大利亚学者Badger和Spots－wood［1］曾推论碳氢化合物在热解过程中逐渐由乙炔合成苯并［a］芘。具体为有机物在高温缺氧条件下裂解产生碳氢自由基结合成乙炔，由乙炔形成乙烯基乙炔或1，3－丁二烯，然后生成乙基苯，再进一步结合成丁基苯和四氢化芘，最后通过中间体形成苯并［a］芘。其报告显示甲苯、乙苯、丙苯及丁苯经热解反应后，会产生大量的苯并［a］芘及中间产物丁苯。Badger及其同事提出的苯并［a］芘合成步骤如图2所示。
苯并［a］芘在大气、土壤与海洋中普遍存在。大气中的苯并［a］芘主要来源于煤和石油的不完全燃烧。土壤中的主要来源是工业漏渗、固体废物和大气沉降。作为陆上及大气中一切“废污”的“收容所”［2］，同时由于海上石油泄漏、海上运输及作业过程中石油烃的不完全燃烧等等原因，海洋中聚积了大量的多环芳烃。在海洋中，多环芳烃由于具有低水溶、高亲脂性及高的辛醇－水分配系数，在水中的浓度非常低，易在沉积物尤其是有机碳颗粒中富集［3］。同时，水中以低分子量的多环芳烃占主导，而在沉积物中则以较高分子量的多环芳烃占主导，这是因为多环芳烃在水中的溶解度低，且溶解度随其分子量的增加而降低［4－6］。苯并［a］芘作为一种高分子量多环芳烃遵从以上分布规律。
全世界每年约有43000吨PAHs释放到大气中，同时有230000吨进入海洋［7］。进入海洋环境中的多环芳烃易分配到生物体和沉积物中，并通过食物链进入人体，对人类健康和生态环境的危害是显而易见的。
进入人体的苯并［a］芘并不能直接致癌，而是经细胞微粒体中的混合功能氧化酶激活后才具有致癌性。目前研究最多和最深入的是苯并［a］芘进入机体后产生“致畸、致癌、致突变”作用的机理，苯并［a］芘进入机体后，除少部分以原形态被排泄外，大部分经肝、肺细胞微粒体中混合功能氧化酶激活，进而转化为数十种代谢产物。如经过P45O酶催化生成的7，8－二醇－9，10环氧化物，可与DNA的鸟嘌呤碱基共价结合，而这一DNA加合物是极强的致癌物。网架滑动支座
自然环境中的微生物种类多样，分布广泛，许多微生物对多环芳烃具有降解作用。微生物降解具有分解能力强，代谢速率高，以及环境友好等特点，如环境中的微生物能将苯并［a］芘完全矿化，转化为稳定、无毒的终产物，如水、CO2、简单的醇或酸以及微生物自身的生物量等［8］。因而微生物修复在目前的多环芳烃污染去除中已占主导地位。低分子量多环芳烃（萘、菲、蒽等）在环境中能较快地被降解，对其降解机制的了解也比较清 楚。而高分子量多环芳烃则因其化学结构稳定，生物可利用性低，比较难以降解，相较低分子量多环芳烃具有更高的环境危害性，因此对其降解机制的研究正在不断地深入。尤其是作为强致癌物的苯并［a］芘的降解机制更是该研究领域的一个热点。
3.1 苯并［a］芘的微生物降解机理扩音喇叭
能够降解苯并［a］芘的微生物包括细菌、真菌、藻类等。目前已从自然界中筛选得到了大量能降解苯并［a］芘的微生物。主要有Beijernickia strainB－836、Mycobacterium vanbaalenii、PYR－1、Mycobacterium sp.strainⅡRJG－135、Rhodococcus sp.UW1、少动鞘鞍醇单胞菌、洋葱伯克霍尔德菌、产黄青酶、B jerkandera sp.Strain Bos55、Stropharia oronilla和Coriolopsisgallica UAMH 8260等。总的来说，微生物降解苯并［a］芘一般有两种途径：一是以苯并［a］芘为唯一碳源和能源。二是与其它有机物共代谢从而最终将污染物转化为稳定、无毒的终产物。在苯并［a］芘的彻底分解或矿化中起主导作用的是微生物的共代谢作用［9］。
3.2 细菌对苯并［a］芘的代谢
细菌降解苯并［a］芘是由双加氧酶启动的，氧分子中的两个氧原子同时结合进入苯环分子，将多环芳烃转化为容易利用的羧酸，然后再转化为细胞蛋白质，或者转化为CO2和水，进入三羧酸循环。分枝杆菌属（Mycobacterium sp.）单菌株降解苯并［a］芘时，可分别作用于C－4，5、C－9，10、C－11，12位上，对应生成顺反式－4，5－苯并［a］芘二氢二醇、顺反式－9，10－苯并［a］芘二氢二醇、顺反式－11，12－苯并［a］芘二氢二醇。多环芳烃的初始氧化为控制性步骤，此后的各步氧化反应过程进行得比较快，因此中间代谢产物的积累就比较少，分离难度较大。研究其共代谢时，可将水杨酸和丁二酸作为共代谢底物，采用高效液相谱－质谱联用和高效液相谱－质谱－质谱联用等手段检测其代谢过程，检测出的产物有：顺式－4，5－苯并［a］芘二氢二醇，顺式－7，8－苯并［a］芘二氢二醇，7－羟基－8－芘甲酸和8－羟基－7－芘甲酸。虽然没有检测出顺式－9，10－苯并［a］芘二氢二醇，但是由8－羟基－7－芘甲酸便可以推断出此中间产物的存在。也可以反推出分枝杆菌属单菌株的双加氧酶可以作用于苯并［a］芘的C－4，5、C－7，8、C－9，10。
3.3 真菌对苯并［a］芘的代谢
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研究发现，许多真菌氧化苯并［a］芘的机理和哺乳动物代谢苯并［a］芘的机理相似，代谢中起作用的都是细胞素P450单加氧酶，苯并［a］芘首先被降解为反－二氢二醇。在苯并［a］芘初始氧化产物中测得了反－7，8－二氢二醇－苯并［a］芘和反－9，10－二氢二醇－苯并［a］芘［10］，进一步氧化形成9，10－环氧二醇－苯并［a］芘，该化合物最终水解形成四氧化物。
3.4 藻类对苯并［a］芘的代谢
关于藻类降解苯并［a］芘的报道并不多见。Warshawsky等［11］发现了绿藻Selanastum capricornutum对苯并［a］芘的氧化作用，在绿藻对苯并［a］芘的代谢过程中，分别降解形成顺式－4，5－，7，8－9，10－11，12－二氢二醇苯并［a］芘。这些结果表明，S capricornutum通过双加氧酶途径形成顺式－邻位二氢二醇，其代谢途径的与细菌类似。
3.5 微生物对苯并［a］芘的共代谢机理
目前发现的以苯并［a］芘为唯一碳源和能源的单株降解菌并不多，许多微生物主要以共代谢方式对苯并［a］芘进行降解。共代谢作用可以改变碳源与能源的底物结构，增大微生物对碳源和能源的选择范围，从而提高微生物的降解效率。
共代谢底物的种类和添加量对苯并［a］芘的降解有显著影响，选择合适的底物对于研究共代谢过程是很重要的。研究表明，添加共代谢底物要符合以下几方面的要求：①与降解的目标底物相似或是其代谢的中间产物；②能用来维持降解微生物的生长，不容易被其他非降解菌利用；③毒性较低、降解性好；④价格低廉、容易获得。本人所在的西北大学生命科学学院的李兆格研究表明，在菲和水杨酸存在的前提下，不能作为假单胞菌属单菌株Pseudomonas S acharophilap－15的碳源和能源的芘和荧蒽均可被这种菌代谢［12］。William在实验中观察到beijerinckia不能以苯并蒽为碳源和能源生长，但该菌在以联苯、水杨酸作为诱导底物生长后可以氧化苯并蒽；前人的工作为我们合理选择共代谢底物，进一步进行苯并［a］芘微生物共代谢研究提供了启发和思路。
3.6 多种措施相结合的联合生物修复技术
利用微生物降解修复多环芳烃污染有很多明显的优势，但其也有相应的局限性，主要是在实验室条件下具有较好降解作用的微生物，在自然条件下其降解作用会大打折扣；为克服这些困难和障碍，寻求修复多环芳烃污染的更有效途径，将多种修复措施相结合的生物修复技术应运而生，生物修复技术综合利用各种物理、化学、生物手段，直接或间接提高微
生物降解效率和植物吸收代谢效率，形成一个具有完整自我调节功能和生物活性的修复系统。目前的生物修复的技术措施主要有：添加表面活性剂；添加营养盐类或肥料；提供电子受体；添加共代谢底物；多类型的降解菌联合；植物－微生物联合；与其他功能微生物（如菌根真菌）联合等。
关于生物修复技术的研究，已经成为当前微生物修复多环芳烃污染研究领域的热点。本人所在的实验室以荧蒽为唯一碳源培养基培养，并进行发酵培养，选取发酵液泡沫较多的菌种，得到产表面活性剂的菌株，其中有一株经鉴定为奇异变形杆菌，产率较高。西北大学生命科学学院的张丹在研究铜绿假单胞菌PAO1时，发现利用液体石蜡可使其产生胞外鼠李糖脂［13］。这些工作为表面活性剂的研究，同时也为生物修复技术的发展增添了新的内容。苯并［a］芘的微生物降解及苯并［a］芘污染的修复也将在生物修复技术的发展进程中，得到强力的推进。
懒人床微生物降解所具有的环境友好性及可持续应用性，是其它方法所无法比拟的，因而微生物降解已成为去除环境中苯并［a］芘的主要途径，也是现场修复多环芳烃污染的重要措施［14］。由于苯并［a］芘的环境高危性，近年来对其生物降解的研究在不断开展和深入。
为使微生物降解能够在各种环境条件下高效运用，同时也为了为克服自然条件下多环芳烃污染微生物修复所遭遇的困难，人们正进行着不懈的努力。进一步筛选和驯化生物修复菌株，构建菌种库；加强微生物代谢途径研究，控制其转化途径；开展微生物降解酶研究，促进酶的工业化生产及应用；强化降解基因的结构与功能研究，重组构建功能优化的基因工程菌株；优化组合修复技术，如动物－微生物、植物－微生物、物化方法－微生物等组合修复等，将是今后研究的热点方向。
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