張丹，李兆格，包新光，李江波，梁海華，段康民，沈立新

西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 西部資源與現(xiàn)代生物技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，西安 710069

綜 述

細(xì)菌降解萘、菲的代謝途徑及相關(guān)基因的研究進展

張丹，李兆格，包新光，李江波，梁海華，段康民，沈立新

西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 西部資源與現(xiàn)代生物技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，西安 710069

多環(huán)芳烴 (Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs) 是一類在環(huán)境中廣泛存在的具有毒性的污染物，微生物降解是其在自然界中降解的主要途徑，因而尤為重要。隨著研究的深入，關(guān)于微生物降解PAHs的分子降解機制、途徑等的認(rèn)識逐漸積累。以下對細(xì)菌降解萘、菲的研究進展進行了概述，介紹了萘的水楊酸降解途徑，菲的水楊酸、鄰苯二甲酸及其他降解途徑，同時也包括降解過程中涉及的降解基因簇，如nah-like、phn、phd、nid和nag等以及細(xì)菌在PAHs脅迫條件下其他相關(guān)基因的表達與調(diào)節(jié)等方面的最新進展。這些進展可為降解菌株的分子及遺傳機制研究提供理論依據(jù)，將促進通過基因工程優(yōu)化降解菌、更有效地檢測PAHs環(huán)境污染及實現(xiàn)PAHs污染的生物修復(fù)。

多環(huán)芳烴，微生物降解，降解途徑，降解基因

Abstract:Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are toxic pollutants that exist extensively in the environment. Microbial degradation is the main pathway of PAHs eradication in natural environment and therefore is of importance to investigate.Advancement has been made in recent years regarding the PAHs molecular degradation mechanisms in bacteria. In this review, we summarized some of the research progresses in microbial PAHs biodegradation pathways (including salicylate pathway and protocatechuate pathway), key enzymes (nah-like,phn,phd,nidandnag) and genes involved. Emphasis was given on naphthalene and phenanthrene which were often used as the representatives of PAHs. It is likely that the new information will promote further research and applications of microbial PAHs biodegradation technology.

Keywords:polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), microbial degradation, degradation pathway, degradation gene

多環(huán)芳烴 (PAHs) 是一類由兩個或多個芳香環(huán)構(gòu)成的廣泛分布于自然界中的有機污染化合物，尤其常見于煤和石油加工場所排放的廢氣、污水中。這類物質(zhì)毒性大，多數(shù)致癌、致突變，降解困難。一般來說，隨著PAHs苯環(huán)數(shù)量的增加，其降解速率降低。PAHs已被多個國家列為優(yōu)先控制的環(huán)境污染物。

在 PAHs的各種降解方法中，微生物降解是其主要降解途徑，一直受到各國科學(xué)家的高度重視。可降解 PAHs的微生物包括細(xì)菌、真菌和藻類，其中細(xì)菌在大多數(shù)環(huán)境中發(fā)揮主要作用[1]。近年來分離到的 PAHs降解細(xì)菌主要包括假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、分枝桿菌屬、鞘氨醇單胞菌屬、節(jié)桿菌屬、伯克氏菌屬和黃桿菌屬等[2]。

目前人們的研究大多集中在 PAHs微生物降解菌株的篩選、降解性能測定等方面。如 Seo從石油污染土壤中分離鑒定出19株降解菌株，并測定了這些菌的降解范圍和能力[3]。隨著研究的深入，對微生物降解 PAHs的分子機制、途徑的認(rèn)識也逐漸加深。如Kasai對解環(huán)菌Cycloclasticussp. A5降解基因的研究中發(fā)現(xiàn)了一個包含10個開放閱讀框、命名為phn的基因簇[4]。Kim報道在分枝桿菌Mycobacterium vanbaaleniiPYR-1的6.5 Mb基因組中有194個基因可能與降解有關(guān)，通過基因定位與分析探討了該菌株降解特性的分子基礎(chǔ)[5]。

本文在實驗室前期研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人對PAHs生物降解的代謝途徑及某些關(guān)鍵降解酶的研究，就細(xì)菌對萘、菲的代謝途徑及降解過程中相關(guān)基因方面的研究進行了綜述，有助于揭示 PAHs降解菌株的分子及遺傳機制，為檢測 PAHs環(huán)境污染及其環(huán)境生物修復(fù)提供了理論依據(jù)。

1 萘、菲在細(xì)菌中的代謝途徑

1.1 細(xì)菌對萘的降解

萘是分子量最小的PAHs，由于其結(jié)構(gòu)簡單、較高水溶性和容易從自然界分離得到其降解菌株等原因，常被用作PAHs生物降解的模式化合物[2,6-7]。目前已知萘分解代謝的基本途徑為：萘首先代謝為水楊酸，再轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚，隨后進入三羧酸循環(huán)(TCA) 進一步氧化開環(huán)徹底降解為二氧化碳和水，實現(xiàn)完全降解。

在由萘轉(zhuǎn)化為水楊酸的上游代謝途徑中，萘在萘雙加氧酶作用下轉(zhuǎn)化為順-萘雙氫二醇，隨后被順-萘雙氫二醇脫氫酶催化成l,2-雙羥萘，接著被l,2-雙羥萘雙加氧酶轉(zhuǎn)化為 2-羥-2H-苯并吡喃-2-羧酸，在2-羥-2H-苯并吡喃-2-羧基異構(gòu)酶作用下再生成順-o-羥基-苯亞甲基-丙酮酸，之后被順-o-羥基苯脫萘丙酮酸水合-醛縮酶催化為水楊醛，水楊醛在水楊醛脫氫酶催化作用下生成水楊酸。

單環(huán)產(chǎn)物水楊酸通過水楊酸羥化酶轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚，鄰苯二酚在間位裂解酶鄰苯二酚-2,3-雙加氧酶的作用下開環(huán)形成己二烯半醛酸，最后形成乙醛和丙酮酸，或者在鄰位裂解酶鄰苯二酚-1,2-雙加氧酶的作用下開環(huán)生成己二烯二酸，最后形成琥珀酸和乙酰輔酶A，這些中間產(chǎn)物進入TCA循環(huán)后最終形成二氧化碳和水[8]。水楊酸也可以通過羥化酶轉(zhuǎn)化為龍膽酸進一步降解[2]。以假單胞菌屬細(xì)菌為例，總結(jié)萘的降解途徑 (圖1)[2]。

圖1 推測的假單胞菌屬細(xì)菌中萘的降解途徑[2]Fig.1 Proposed metabolic pathways of naphthalene inPseudomonasssp.[2].

1.2 細(xì)菌對菲的降解

菲由3個苯環(huán)成一定角度聯(lián)結(jié)而成，見圖2[1]。菲本身沒有明顯的致癌性， 但因兼具K區(qū)和灣區(qū)結(jié)構(gòu)，是致癌 PAHs的最小結(jié)構(gòu)單元，其衍生物大都具有微弱或中等強度的致癌性，也常用作研究PAHs生物降解的模式化合物[2]。

圖2 菲的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖[1]Fig.2 Chemical structure of phenanthrene[1].

以假單胞菌和糞產(chǎn)堿菌為例，總結(jié)菲常見的降解途徑 (圖3)[9-10]。首先菲在3、4位C處被雙加氧酶羥基化，隨后依次利用順-3,4-二氫二羥基菲脫氫酶、3,4-雙羥基菲雙加氧酶、2-羥基-2H-苯芘[h]色原烯-2-羧酸鹽異構(gòu)酶、水合-醛縮酶和 1-羥-2-萘甲醛脫氫酶轉(zhuǎn)化成1-羥-2-萘甲酸，隨后根據(jù)降解菌株的不同，分別通過水楊酸或鄰苯二甲酸途徑進入TCA循環(huán)，最終達到完全降解。

在既可以菲為唯一碳源生長，又可以萘為唯一碳源生長的多環(huán)芳烴降解菌株中，菲一般經(jīng)過水楊酸途徑進行降解[7,9]。該途徑中，1-羥-2-萘甲酸通過1-羥-2-萘甲醛 (鹽) 羥化酶轉(zhuǎn)化為1，2-二羥萘，然后通過與萘類似的降解途徑完成最終降解。假單胞菌屬細(xì)菌多利用此途徑。

對于那些可以菲為唯一碳源而不能利用萘的細(xì)菌，菲通過鄰苯二甲酸途徑降解[10-11]。即菲代謝為1-羥-2-萘甲酸后，在1-羥-2-萘甲酸雙加氧酶作用下再次加氧開環(huán)生成反式2-羧基苯并丙酮酸，反式2-羧基苯并丙酮酸在水合-醛縮酶的作用下生成 2-羧基苯甲醛，然后在 2-羧基苯甲醛脫氫酶作用下生成鄰苯二甲酸，隨后經(jīng)鄰苯二甲酸雙加氧酶、鄰苯二甲酸二氫二醇脫氫酶及鄰苯二甲酸脫羧酶轉(zhuǎn)化為原兒茶酸，原兒茶酸進一步氧化開環(huán)后最終進入TCA循環(huán)徹底降解為二氧化碳和水。采用這種途徑的細(xì)菌多見于分枝桿菌屬、芽胞桿菌屬、微球菌屬及糞產(chǎn)堿菌等。

圖3 推測的惡臭假單胞菌NCIB 9816 (水楊酸途徑)、糞產(chǎn)堿菌AFK2 (鄰苯二甲酸途徑) 中菲的降解途徑[9-10]Fig.3 Proposed metabolic pathways of phenanthrene inPseudomonas putidaNCIB 9816 (salicylate pathway) andAlcaligenes faecalisAFK2 (protocatechuate pathway)[9-10].

在有些菌株中，菲被羥基化C的初始位置有所不同，之后的降解也會采用不同的方式。如在節(jié)桿菌Arthrobactersp. P1-1降解菲的過程中，菲除了在3，4位C被羥基化后通過水楊酸或鄰苯二甲酸途徑進行降解外，還可以在l，2位C處被羥基化生成1,2-二羥菲，隨后在脫氫酶和間位裂解酶的催化下產(chǎn)生2-羥-1-萘甲酸，進一步脫氫后生成 1,2-二羥萘，再通過水楊酸或鄰苯二甲酸途徑降解；或者9，10位C(K區(qū)) 被羥基化雙加氧酶攻擊，生成聯(lián)苯甲酸[12]，代謝過程見圖 4A。在Mycobacterium vanbaaleniiPYR-1對菲降解中，也存在3條路徑：一條是常見的3，4位C被羥基化后通過鄰苯二甲酸途徑降解；另外兩條則是菲環(huán)的9，10位C (K區(qū)) 或者被雙加氧酶攻擊形成順式-9,10-二氫二醇菲，而后在環(huán)裂解酶的作用下形成聯(lián)苯甲酸；或者受單加氧酶的攻擊形成9,10-環(huán)氧化菲，然后在環(huán)氧化物水解酶的催化下形成反式-9,10-二氫二醇菲[13-14]，代謝過程見圖4B。PAHs降解過程中，由于菌株及降解條件的不同，在降解過程中也可能會出現(xiàn)其他額外的中間代謝產(chǎn)物，如菲的降解在鞘氨醇單胞菌Sphingomonassp.GY2B中，經(jīng)由菲→1-羥-2-萘甲酸→萘酚→水楊酸途徑完成[15]，代謝過程見圖4C。

事實上，一個菌株通常并不一定僅僅含有一種菲降解途徑，它可能同時擁有兩條甚至兩條以上的代謝途徑，并且根據(jù)環(huán)境的條件來決定降解酶促反應(yīng)的方向。

2 萘、菲細(xì)菌降解基因的遺傳學(xué)分析

在PAHs降解中涉及到眾多降解基因或基因簇，細(xì)菌利用這些基因編碼的酶通過一系列酶促反應(yīng)完成對萘、菲的降解。

2.1 降解基因及分類

PAHs的降解始于羥基化雙加氧酶對苯環(huán)的羥基化，因此多組分的羥基化雙加氧酶系統(tǒng)是整個降解過程中的關(guān)鍵酶、限速酶。在對該基因結(jié)構(gòu)和功能的研究基礎(chǔ)上，許多降解菌株的 PAHs上、下游降解途徑的基因或基因簇被發(fā)現(xiàn)、定位和研究。nah-like基因是很大的一類降解基因，此外具有同樣功能的其他基因也相繼被報道，如phn基因、phd基因、nid基因和nag基因等[16]。

2.1.1nah-like基因

在以同源性關(guān)系為依據(jù)對 PAHs降解基因進行的分類中有很大一部分是經(jīng)典的nah-like基因，如nah、pah、ndo和dox基因等[17]。

圖4 推測的節(jié)桿菌P1-1 (A)、分枝桿菌PYR-1 (B) 和鞘氨醇單胞菌GY2B (C) 中菲的降解途徑[12-13,15]Fig.4 Proposed metabolic pathways of phenanthrene inArthrobactersp. P1-1(A),Mycobacterium vanbaaleniiPYR-1(B) andSphingomonassp. GY2B(C)[12-13,15].

Pseudomonas putidaG7的 NAH7質(zhì)粒和P. putidaNCIB 9816-4的pDTG1質(zhì)粒是研究nah基因簇的經(jīng)典代表[7-8]。以質(zhì)粒NAH7中的nah基因簇為例，上游基因簇排列順序為：nahAaAbAcAdBFCQED，其中nahAa編碼萘羥基化雙加氧酶 (NDO) 的鐵氧還蛋白還原酶，nahAb編碼 NDO鐵氧還蛋白，nahAc編碼NDO大亞基，nahAd編碼NDO小亞基。nahB編碼順-萘雙氫二醇脫氫酶，nahF編碼水楊醛脫氫酶，nahC編碼 1，2-雙羥萘雙加氧酶 (外二醇雙加氧酶)，nahQ為未知功能的開放閱讀框 (Open reading frame，ORF)，nahE編碼順-O-羥基苯脫萘丙酮酸水合-醛縮酶，nahD編碼 2-羥-2H-苯并吡喃-2-羧基異構(gòu)酶。下游基因簇排列順序依次為：nahG(水楊酸羥化酶)，nahH(兒茶酚 2，3-雙加氧酶)，nahI(羥基粘康酸半醛脫氫酶)，nahN(羥基粘康酸半醛水解酶)，nahL(2-氧戊-4-烯酸水合酶)，nahM(2-O-4-羥基戊酸醛縮酶)，nahK(4-草酰巴豆酯脫羧酶) 和nah J(4-草酰巴豆酯異構(gòu)酶)[8]。與質(zhì)粒 NAH7和質(zhì)粒pDTG1極為相似的nah基因簇也分別在P.fluorescens菌株的質(zhì)粒pKAl和pLP6a中發(fā)現(xiàn)[18-20]。

此外，P. putidaOUS82染色體中的pah基因簇pahAaAbAcAdBFCQED和P. aeruginosaPak1中的pah基因簇pahA1A2A3A4BFCQED、P. putida9816中質(zhì)粒pWW60-1編碼的ndo基因簇ndoABC以及Pseudomonassp. C18中質(zhì)粒C18編碼的dox基因簇doxABDEFGHIJ的基因排列順序和DNA序列與P. putidaG7質(zhì)粒NAH7的nah基因均有極高的相似性[7]。

nah、pah、ndo和dox這些基因通常被稱為“經(jīng)典的nah-like基因”，是一大類廣泛存在并高度保守的PAHs降解基因。

2.1.2phn基因

phn基因與經(jīng)典的nah-like基因功能相同，但不具同源性，兩者在基因排列順序和DNA序列上均不相同。雖然目前可分離培養(yǎng)的降解菌株主要以nah-like基因為主，但phn基因也是一類較為常見的降解基因。

菌株Burkholderiasp. RP007中的phn基因簇中有 9個開放閱讀框，順序為phnRSFECDAcAdB。其中phnS和phnR為調(diào)節(jié)基因，phdAc和phdAd分別編碼羥基化雙加氧酶大、小亞基，phdB編碼順-雙氫二醇脫氫酶，phdC編碼外二醇雙加氧酶，phdD編碼異構(gòu)酶，phdE編碼水合-醛縮酶，phdF編碼醛脫氫酶[17]。與之極為相似的phn基因簇還有Sphingomonassp. CHY-1的phnA1aA2aB、phnA4CA3A2bA1bD基因簇 (其中phnA1aA2a編碼羥基化雙加氧酶 (PhnI)的大、小亞基，phnA2bA1b編碼水楊酸-1-羥化酶(PhnII))，Acidovoraxsp. NA3 與Alcaligenes faecalisAFK2的phnAaBAcAdD、phnHG、phnCF基因簇，Cycloclasticussp. A5的phnA1bA1aA2C、phnA4A3D基因簇等[4,16,21]。

雖然在目前已知的可分離培養(yǎng)的降解菌中，phn基因并不是最優(yōu)勢基因型，但是 Laurie通過對phn和nah基因的競爭性PCR實驗，指出在自然污染環(huán)境中 (包括可培養(yǎng)及不可培養(yǎng)菌群)，phn基因的數(shù)量比nah基因更多[22]。

2.1.3phd基因

同源性分析表明phd是不同于nah-like和phn基因的另一類降解基因。

如Nocardioidessp. KP7的phd基因簇，包括兩個定位于染色體上的降解基因簇phdIJK和phdEF-orf131-phdAB-orf72-phdGHCD。在第一個基因簇phdIJK中，phdI編碼1-羥-2-萘甲酸雙加氧酶，phdJ編碼反式 2-羧基苯并丙酮酸水合-醛縮酶，phdK編碼2-羧基苯甲醛脫氫酶。第二個基因簇中，phdA、phdB、phdC和phdD分別編碼羥基化雙加氧酶大、小亞基，鐵氧還蛋白和還原酶，phdE編碼雙氫二醇脫氫酶，phdF編碼外二醇雙加氧酶，phdG編碼水合-醛縮酶，phdH編碼醛脫氫酶[11]。此外，與Nocardioidessp. KP7同源性很高的phd基因簇在菌株Mycobacteriumsp. SNP11 (基因簇phtCphdEFAB，其中phtC編碼脫羧酶) 與Mycobacteriumsp. 6PY1中也存在，但后者具有兩組分別由pdoA1B1和pdoA2B2基因編碼的雙加氧酶 Pdo1和 Pdo2，使得該菌株具有不同的PAHs底物選擇性[23-24]。

2.1.4其他降解基因

環(huán)境中還存在一些其他類型的降解基因簇，如nid和nag基因。

Mycobacterium vanbaaleniiPYR-1的基因簇為phtRAaAbUBAcAdIJFG和nidB2DBA。其中phtR為調(diào)節(jié)基因，phtAa和phtAb編碼鄰苯二甲酸雙加氧酶大、小亞基，phtU為未知功能基因，phtB編碼鄰苯二甲酸雙氫二醇脫氫酶，phtAc和phtAd編碼鄰苯二甲酸雙加氧酶的鐵氧還蛋白和還原酶，phtI編碼 1-羥-2-萘甲酸雙加氧酶，phtJ編碼反式2-羧基苯并丙酮酸水合-醛縮酶，phtF編碼外二醇雙加氧酶，phtG編碼水合-醛縮酶，nidB2和nidB編碼羥基化雙加氧酶小亞基，nidD編碼醛脫氫酶，nidA編碼羥基化雙加氧酶大亞基[14]。萘降解菌株Ralstoniasp. U2的基因簇為nagAaGHAbAcAdBFCQED和nagIKLMN。Dionisi采用該簇中nagAc基因 (編碼萘羥基化雙加氧酶大亞基) 的引物對煤焦油污染水樣中降解菌株的nagAc-like基因進行rt-PCR實驗，結(jié)果表明nagAc-like基因也是一類在萘降解中廣泛存在的基因[25]。

2.2 降解基因的定位及水平轉(zhuǎn)移

編碼降解酶的基因可存在于細(xì)菌質(zhì)粒上或染色體上，也可能同時由質(zhì)粒和染色體編碼。在長期的進化過程中不同菌株間存在一定程度的降解基因水平轉(zhuǎn)移，為菌株適應(yīng)污染環(huán)境提供了分子基礎(chǔ)。

細(xì)菌中很多編碼降解酶系的基因都存在于質(zhì)粒DNA上，對微生物適應(yīng)污染環(huán)境和污染物的降解有著特殊意義。在對萘、菲降解基因的研究中，人們首先考慮它們在質(zhì)粒DNA上存在的可能性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的經(jīng)典質(zhì)粒有P. putidaG7的NAH7質(zhì)粒、P. putidaNCIB 9816-4的pDTG1質(zhì)粒和Pseudomonassp. C18的C18質(zhì)粒等[7-8,11]。隨著芳香環(huán)數(shù)量增加，所需的降解基因及基因簇更大，這時降解基因通常位于染色體上。如采用分子雜交技術(shù)發(fā)現(xiàn)Nocardiodessp.KP7包含的8個降解基因均位于菌株的染色體DNA上[11]。Acidovoraxsp. NA3和P. putidaOUS82也具有類似的狀況[7,16]。在有的降解菌株中，染色體分擔(dān)質(zhì)粒的負(fù)擔(dān)或質(zhì)粒線性擴大化，降解基因會同時定位于染色體和質(zhì)粒中。如菲降解菌株P(guān). putidaBS3701的降解質(zhì)粒丟失后，它利用菲、萘、1-羥-2-萘甲酸的能力也隨著消失，但仍可利用水楊酸，說明有部分降解基因定位于染色體 DNA上[26]。Herrick從煤焦油污染環(huán)境中分離出的一株萘降解細(xì)菌，其nah基因在菌株的染色體上和質(zhì)粒上均有分布[27]。當(dāng)然，降解基因也會在染色體和質(zhì)粒上進行交換、轉(zhuǎn)移[28]。

污染環(huán)境對細(xì)菌的篩選作用，使得細(xì)菌在長期的進化過程中存在一定水平的降解基因水平轉(zhuǎn)移，包括種內(nèi)和種間。如 Wilson從山坡地帶分離的降解菌株的降解基因?qū)賞hnAc類基因，沉積地帶屬nahAc類基因，但是這些含有相同類型降解基因菌株的16S rRNA基因同源性很低[27,29]。這種出現(xiàn)在不同菌株中相互關(guān)系緊密的降解基因是基因水平轉(zhuǎn)移的結(jié)果，是生物適應(yīng)環(huán)境的物質(zhì)基礎(chǔ)。

3 萘、菲的細(xì)菌降解過程中其他相關(guān)基因

PAHs高的正辛醇-水分配系數(shù)使其傾向結(jié)合于細(xì)胞膜中，破壞膜的結(jié)構(gòu)和功能，進一步影響和抑制降解菌的生長[30-32]。因此在 PAHs微生物降解過程中，細(xì)菌不僅表達分解代謝途徑中的降解酶，通常還會表達大量的應(yīng)答相關(guān)蛋白。

轉(zhuǎn)運蛋白的高表達是菌體抵御PAHs脅迫的一個主要方面。如P. fluorescensLP6a中編碼轉(zhuǎn)運蛋白的外排泵基因emhB與編碼膜融合蛋白的emhA基因及編碼外膜蛋白的emhC基因構(gòu)成了一個屬于RND超家族的PAHs外排泵基因簇emhABC，該簇在 PAHs脅迫條件下高表達并可介導(dǎo)PAHs的主動外排。此外，P. putidaDOT-T1E中的3個甲苯耐受外排泵 TtgABC、TtgDEF和TtgGHI以及P. putidaS12中受 PAHs誘導(dǎo)的溶劑抗性蛋白 ABC泵(SrpABC) 都可以通過轉(zhuǎn)運蛋白表達提高介導(dǎo)的PAHs外排，產(chǎn)生對有機溶劑及PAHs的高抗性[30,33]。

在 PAHs脅迫條件下，菌體的壓力相關(guān)蛋白也會對細(xì)菌產(chǎn)生重要的保護作用。如大腸桿菌壓力相關(guān)基因katG、recA、fabA和grpE分別編碼應(yīng)對氧化損傷、DNA、細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)破壞的壓力蛋白，在菲、萘和苯并芘脅迫條件下的表達量均有不同程度的改變[34]。

對甲苯脅迫條件下P. putidaS12的蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明：除了轉(zhuǎn)運蛋白 ABC transporter和 BraC(Branched-chain amino acid ABC transporter)，以及壓力相關(guān)蛋白 GroEL (Chaperonin)、Ohr (Organic hydroperoxide resistance protein)、TerZ (Tellurium resistance protein) 和 Cold-shock domain family protein之外，參與應(yīng)答反應(yīng)的蛋白質(zhì)還包括能量代謝相關(guān)蛋白 SdhB (Succinate dehydrogenase，iron-sulfur protein)、SucD (Succinyl-CoA synthetase，α-subunit)、AtpF (ATP synthase F0，B subunit)、LpdG(Dehydrogenase component) 等；外膜蛋白 OprH(Outer membrane protein H1)、OprF (Outer membrane protein)；基因翻譯相關(guān)蛋白RplA (Ribosomal protein L1)、RbfA (Ribosome-binding factor A)、Frr(Ribosome recycling factor) 等和未知功能蛋白PP3611[32]。

本實驗室在前期研究中也發(fā)現(xiàn) PAHs降解菌株P(guān). aeruginosaPAO1中一些表達明顯受萘、菲調(diào)節(jié)的基因。如編碼能量代謝相關(guān)蛋白 (PA3171和PA3392)、生物大分子合成代謝相關(guān)蛋白 (PA2584和PA5013)、轉(zhuǎn)運蛋白 (PA4687)、膜蛋白 (PA4008)及未知功能蛋白 (PA5220) 等。

在 PAHs作為降解底物和壓力物質(zhì)的雙重作用下，大量應(yīng)答相關(guān)蛋白的表達使得細(xì)菌得以應(yīng)對PAHs的脅迫作用，最終實現(xiàn)PAHs的降解。

4 小結(jié)及展望

萘、菲屬于低分子PAHs，在環(huán)境中普遍存在，通常被用作研究 PAHs降解的模式化合物。通過對萘、菲降解途徑、機理的不斷研究，已經(jīng)確定的相關(guān)降解基因越來越多，功能也越來越明確，這些都為 PAHs的細(xì)菌降解途徑以及降解菌株分子遺傳機制的研究提供了理論依據(jù)。

目前，人們對 PAHs的生物降解已有較廣泛和深入的認(rèn)識，但 PAHs生物修復(fù)工程仍然存在很多問題，以下幾方面的研究有待于進一步深入：1) 以芴、芘等為代表的四環(huán)以上高分子量 PAHs的降解機理研究，為PAHs尤其是高分子量的PAHs生物降解的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。2) 生物多樣性導(dǎo)致了PAHs降解途徑的多樣性，全面把握不同種屬細(xì)菌的PAHs降解機理及它們降解途徑間的異同，為PAHs混合物的生物降解或混合菌群降解 PAHs的應(yīng)用提供理論依據(jù)。3) 不同生態(tài)環(huán)境，尤其是極端環(huán)境條件下，PAHs降解菌株的生存及降解能力或途徑變化的研究，為實際環(huán)境中 PAHs生物降解的應(yīng)用提供理論依據(jù)。4) PAHs降解基因的水平轉(zhuǎn)移及在PAHs降解過程中菌株基因調(diào)控機制的研究，為從全基因組水平對降解菌株的分子及遺傳機制的研究提供理論依據(jù)。

因此，在篩選、分離能夠高效降解 PAHs的微生物、研究菌株降解特性的基礎(chǔ)上，從分子水平探索其降解途徑，豐富降解酶及其他相關(guān)基因的信息，全面了解和完善 PAHs的生物降解過程，最終通過基因重組構(gòu)建 PAHs高效降解菌株，并實際應(yīng)用于PAHs的生物修復(fù)，是實現(xiàn)有效地檢測PAHs環(huán)境污染以及修復(fù)PAHs污染的重要手段。

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Recent advances in bacterial biodegradation of naphthalene,phenanthrene by bacteria: a review

Dan Zhang, Zhaoge Li, Xinguang Bao, Jiangbo Li, Haihua Liang, Kangmin Duan, and Lixin Shen

Key Laboratory of Resources Biology and Biotechnology in Western China,Ministry of Education,Faculty of Life Sciences,Northwest University,Xi’an710069,China

Received:December 31, 2009;Accepted:March 15, 2010

Supported by:National Science Foundation of Shaanxi Province (No. 2004B18), Scientific Technology Program of Xi’an City (No. GG04065).

Corresponding author:Lixin Shen. Tel/Fax: +86-29-88302132; E-mail: shenlx68@nwu.edu.cn

陜西省自然科學(xué)基金項目 (No. 2004B18)，西安市科技計劃基金項目 (No. GG04065) 資助。