2023年六六六微生物降解途径的研究进展1.doc

六六六微生物降解途径的研究进展 曹礼 张浩 黄科 谷涛 洪青x 李顺鹏 (南京农业大学生命科学学院农业部农业环境微生物重点实验室 南京　210095) ：六六六是一种曾在世界范围内广泛应用的有机氯杀虫剂，具有高毒性和长残留性,在兴旺国家被限制或禁止使用，但是一些开展中国家和地区仍然被继续使用。即使在一些停用六六六多年的国家，六六六的残留依然存在。本文概述了六六六的各同分异构体的结构、六六六降解菌的多样性和六六六四种主要同分异构体〔α-、β- 、γ-、δ-HCH〕的微生物降解的最新研究进展，为六六六污染地区进行经济可行的生物修复提供参考。 关键词： 六六六；降解途径；lin基因；高残留 Advances in microbial degradation pathway of hexachlorocyclohexane Cao Li Zhang Hao Huang Ke Gu Tao Hong Qingx Li Shunpeng ( Department of Microbiology, Key Lab of Agricultural Environmental Microbiology, Ministry of Agriculture, College of Life Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095) Abstract：Hexachlorocyclohexane (HCH) is a notorious halogenated organic insecticide，which was once used widely throughout the world for agricultural and public health purposes. Hexachlorocyclohexane (HCH) is a broad spectrum insecticide still used as a cheap but effective insecticide in some of the developing countries, though developed countries have banned or curtailed its use because of its high toxicity and recalcitrant persistence in the environment. Even in those countries where the use of HCH has been discontinued for a number of years, the problem of residues of all isomers of HCH remains because of its persistence. In this article, we summarized the configuration of HCH-isomers，the diversity of microorganisms degrading HCH， the current progress regarding mainly four HCH-isomers〔α-, β-, γ- and δ-HCH〕 biodegradation pathway. Key words: Hexachlorocyclohexane；Degradation pathway；lin genes；High persistence 基金项目：国家自然科学基金项目(No. 31070099); x通讯 洪青，Tel: 86-25-84398685, E-mail: hongqing@njau.edu 作者简介：曹礼(1977- ) ，男，安徽阜阳人，博士研究生，研究方向为环境微生物学与环境工程。E-mail: caolicldr@yahoo 六六六又名六氯环己烷〔hexachlorocyclohexane，HCH〕，是一种有机氯杀虫剂，在上个世纪七十年代前在世界范围内被广泛使用[1-5]。六六六在环境中的自然降解缓慢，在环境中的半衰期长达几十年，甚至上百年，所以六六六的三种异构体(α-, β–和 γ- HCH )于2023年被联合国环境规划署〔United Nations Environment Programme，简称UNEP〕列入持久性有机污染物(persistent organic pollutants，简称POPs)名单[6]。 在工业上，六六六通过苯和氯气在紫外线照射下合成而得，它是一种含有各种异构体的混合物，被称为工业级六六六[3]。工业级六六六理论上有8种同分异构体，图1为α-、β- 、γ-、δ-、ε-、η- 和θ-HCH的结构，这些异构体由于氯原子在环己烷环上不同的空间排列而有不同的性质[7]。但是我们通常所说的六六六异构体一般包括五种异构体，即α-HCH (60–70%), β-HCH (5–12%), γ- HCH(10–12%) ，δ-HCH (6–10%)和ε- HCH (3– 4%)[6]， 其他三种异构体因为含量极少又不重要，一般不包括在所谓的六六六总量内。 图1 六六六七种主要的异构体的氯原子在环己烷环上的空间排列 FIG. 1 Axial versus equatorial arrangements of chlorine atoms in the five major isomers of HCH plus the less common η- and θ-isomers. Note that a -HCH also exists in two enantiomeric (＋and －) forms. 六六六的广谱毒性和长残留性引起世界范围内广泛关注。Weber等[5]科学家在2023年估计，全世界共合成了400~600万吨六六六释放到环境中，在规模上相当于其它所有持续性有机污染物〔POPs〕释放数量的总和。据报道，六六六异构体的残留在世界许多国家的空气、水、土壤、食物、牛奶、鱼类和哺乳动物中被检出，甚至人的血液和脂肪组织中，也有六六六残留[8-9]。即使一些远离六六六生产和使用基地，甚至从来没有生产和使用过六六六的地方，诸如北极、南极和太平洋的环境中也被检测出有六六六的残留[8-9]。虽然六六六已经在很多国家和地区被限制生产和使用，但是在印度和一些热带国家与地区，六六六仍然在生产使用[6]，所以它在全世界的残留污染问题依然存在。 在六六六微生物降解途径的研究方面，主要的四种异构体均取得了不同程度的进展。其中γ-HCH与α-HCH的微生物降解途径已被说明，β-HCH和δ-HCH微生物降解的研究是目前环境微生物研究领域的热点，而ε- HCH的微生物降解途径研究较少而未见报道。 1 降解六六六的微生物 通过微生物对六六六污染环境进行生物修复一直是世界各国环境工作者关注的焦点。通过富集培养别离出许多能够降解HCH的微生物,包括细菌、真菌等[4，10]。第一株被报道的好氧六六六降解菌是在十九世纪八十年代由日本科学家别离获得，然后其它国家也陆续有相关菌株的报道和研究。ε- HCH的微生物降解研究较少，其降解微生物和降解途径未见报道。目前好氧降解菌虽然来自全球不同，但大多数集中在Sphingobium。第一株被报道的好氧降解菌是在十九世纪八十年代由日本科学家别离获得，然后其它国家也陆续开展研究。目前大局部对六六六降解的研究主要集中在30个菌株中的三株[4]: 从日本别离到的Sphingobium japonicum UT26[11]，从法国别离到的Sphingobium francense Sp+[12]和从印度别离到的Sphingobium indicum B90A[13]〔最初将这三株菌株均鉴定为Sphingomonas paucimobilis，直到2023年才将它们重新鉴定为Sphingobium属的三个新种[14]〕。其它六六六的降解菌，分别别离筛选于德国、西班牙、中国、日本和印度等被六六六污染的土壤中[4]，这些六六六的降解菌，在六六六降解的早期阶段有不同的底物特异性。国内报道的六六六菌株主要有BI菌株[15]和Sphingomonas sp. BHC-A菌株[16]。 2 六六六的厌氧微生物降解途径的研究进展 有关六六六的厌氧降解的报道始于十九世纪六十年代，随后厌氧降解六六六各种异构体的微生物也陆续被发现[4，10]，最初认为六六六的生物降解主要是一种厌氧的过程，并且α 、β、γ和δ异构体的六六六的生物降解也被发现，由于ε异构体的六六六在环境中相对而言最不稳定，至今仍没有报道ε异构体的六六六的厌氧降解。在六六六厌氧降解途径中，不同的异构体通过一系列厌氧反响最终生成苯或氯苯[17-19]〔如图2〕。目前已有报道苯的厌氧矿化[20-21]，虽然苯和氯苯在好氧条件下很容易被矿化，但是氯苯的厌氧矿化依然未见报道。据我们所知，没有任何厌氧降解六六六的相关基因和酶被报道。而好氧降解六六六的相关基因〔lin基因〕已经被别离并成功异源表达，并逐渐引起政府部门、企业和科研机构的关注，以开展生物修复技术去改造被六六六污染的地区。 图2 β-和 γ-HCH厌氧代谢途径 FIG. 2 Consensus anaerobic degradation pathway of β-and γ-HCH. Note that two intermediates that have been proposed but not yet observed empirically are shown in square brackets. The structures of TCCH and DCCH are shown in the planar format because their stereochemistries have not been established. 3 γ- 和α- 六六六的好氧微生物降解途径的研究进展 γ-HCH降解途径及其相关基因的研究是上世纪九十年代以来微生物降解研究的热点。日本学者通过近十五年的努力首先从Sphingobium japonicum UT26克隆到了16个与γ-HCH降解直接相关基因，在2023年提出了一条完整的γ-HCH降解途径[22-23]。如图3，脱氯化氢酶基因〔linA〕；1,4-TCDN脱氯酶基因〔linB〕；2,5-DDOL脱氢酶基因〔linC〕和2,5-DDOL脱氢酶基因linX组成了γ-HCH生物降解的上游阶段。调节基因〔linR〕；2,5-DCHQ复原性脱氯酶基因〔linD〕；氯代对苯二酚1,2双加氧酶基因〔linE〕和MA复原酶基因〔linF〕组成了γ-HCH生物降解的下游阶段 [23]。LinE和LinEb都有催化CHQ生成2,6-DCHQ的活性，但是LinE和LinEb在UT26中主要参与CHQ到2,6-CHQ的反响[24]。编码琥珀酰辅酶A :3-羰基己二酸辅酶A转移酶基因〔linGH〕、β-酮己二酸硫解酶基因〔linJ〕以及参与linGH基因表达的调节基因linI虽然也已经被鉴定，但是其表达类型待定[23]。 在六六的上游代谢途径中，有三个代谢产物，即2,5-DCHQ 、1,2,4-TCB 和2,5-DCP，只有2,5-DCHQ可以在下游代谢途径中进一步被转化，而1,2,4-TCB 和2,5-DCP不能被Sphingobium japonicum UT26进一步降解，称为末端死产物。另外，Sphingobium japonicum UT26中的脱氯化氢酶〔LinA〕；1,4-TCDN脱氯酶〔LinB〕定位在细胞的周质空间[25]，而两个末端死产物1,2,4-T