王晶晶，李 為，徐 昀

(合肥師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，安徽合肥 241000)

芳香化合物(Aromatic compounds)通常指一類(lèi)結(jié)構(gòu)中具有苯環(huán)的化合物，因性質(zhì)多樣、種類(lèi)繁多、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在人類(lèi)的生活和生產(chǎn)等各方面都發(fā)揮重要作用，如可以用作有機(jī)溶劑、染料、前體加工食品、醫(yī)藥、聚合物等。它們是一類(lèi)難降解的有機(jī)污染物，在環(huán)境中持久滯留并可生物富集。不同種類(lèi)的芳香化合物分別參與了微生物細(xì)胞個(gè)體或群體的信號(hào)傳遞、生長(zhǎng)發(fā)育和代謝等生理過(guò)程，對(duì)環(huán)境中微生物的生命活動(dòng)具有普遍影響。芳香化合物可通過(guò)多種途徑進(jìn)入外界環(huán)境，不僅對(duì)自然界造成污染較大，而且嚴(yán)重影響人類(lèi)健康，所以開(kāi)發(fā)出高效的、環(huán)境友好型的降解芳香化合物的方法和途徑已受到越來(lái)越多的關(guān)注[1-2]。

真菌，無(wú)論是單獨(dú)作用還是和細(xì)菌或植物共同作用，其都是生物技術(shù)來(lái)修復(fù)污染的土壤、水和空氣的重要組成部分。至目前為止，真菌的生物修復(fù)并不都是成功案例，因?yàn)樗鲆曌陨淼纳鷳B(tài)要求，利用一些有機(jī)體與細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)生存在污染菌環(huán)境中。因此，真菌在生物修復(fù)和廢物處理中的潛在用途沒(méi)有受到足夠的關(guān)注。水生和陸地棲息的真菌長(zhǎng)期暴露于人為釋放的化學(xué)物質(zhì)的環(huán)境中，其以腐生菌、酵母、地衣共生物和菌根共同作用形成植物的根部，它們也能夠彼此聯(lián)系形成內(nèi)生菌根和外生菌根，進(jìn)而改變土壤的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)以及植物的生長(zhǎng)[3]。筆者歸納總結(jié)了目前已分離到的可降解有毒芳香化合物的真菌和種屬，重點(diǎn)探討了其降解有毒芳香化合物的內(nèi)在機(jī)理，以期進(jìn)一步理解真菌參與的疾病發(fā)育機(jī)制，并為新型治療方法的建立提供參考。

1　參與芳香化合物代謝的真菌

1.1子囊菌子囊菌是水生和陸生環(huán)境中最大的真菌類(lèi)群，約占真菌數(shù)量的64%，其中分布最廣的是盤(pán)菌亞門(mén)，其可以降解環(huán)境中的有機(jī)污染物[4]。例如，著色芽生菌(Cladophialophora)和外瓶霉(Exophiala)可以吸收甲苯[5]；曲霉屬(Aspergillus)和青霉菌(Penicilliumspp.)可以降解脂肪烴、氯代酚、多環(huán)芳烴、農(nóng)藥、合成染料和三硝基甲苯等[3,6-8]；冬蟲(chóng)夏草(Cordyceps)、鐮刀霉(Fusarium)、假阿利什霉菌(Pseudallescheriaspp.)可以降解二惡英[6,9]；除子囊菌亞門(mén)(Pezizomycotina)以外，莖點(diǎn)霉屬(Phomaspp.)能夠降解多環(huán)芳烴、農(nóng)藥和預(yù)合成染料[3,10-12]。

1.2擔(dān)子菌擔(dān)子菌約占真菌數(shù)量的34%，主要棲息于陸地環(huán)境，很少分布于水生生境中[4]。傘菌亞門(mén)(Agaricomycotina)可利用非特異性、氧化木質(zhì)素和纖維素的胞外氧化酶礦化許多有機(jī)化合物[13]。例如，木生白腐真菌的白腐菌(Phanerochaetechrysosporium)、平菇(Pleurotusspp.)和栓菌屬(Trametesspp.)可以礦化各種氯芳烴、多環(huán)芳烴和三硝基甲苯[3,8,14-15]。棲息于土壤中的擔(dān)子菌如田頭菇屬(Agrocybespp.)、大球蓋菇屬(Strophariaspp.)也具有礦化有機(jī)污染物的能力。雖然褐腐菌礦化環(huán)境化學(xué)物質(zhì)并不常見(jiàn)，但是密粘褶菌(Gloeophyllumspp.)也具有礦化氯酚類(lèi)和氟喹諾酮類(lèi)抗生素的能力[15-16]。擔(dān)子菌柄銹菌亞門(mén)(Pucciniomycotina)中，屬于絲孢酵母的紅酵母屬(Rhodotorula)可代謝甲酚、原油成分、多環(huán)芳烴等，而其他屬僅可降解原油和二苯并噻吩。此外，毛霉亞門(mén)(Mucoromycotina)數(shù)量不及真菌的1%，其中毛霉(Cunninghamella)和根霉屬(Rhizopus)均可降解多環(huán)芳烴、農(nóng)藥、紡織染料和三硝基甲苯等有機(jī)污染物[3,6,8]。

2　真菌對(duì)芳香化合物的降解途徑

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的芳香化合物一般是在單加氧酶的作用下，在苯環(huán)上引入一個(gè)羥基，形成鄰苯二酚或其衍生物后，再在雙加氧酶的作用下通過(guò)裂解反應(yīng)開(kāi)環(huán)，形成直鏈羧酸類(lèi)化合物，然后逐步氧化并最終進(jìn)入三羧酸循環(huán)途徑(Three carboxylic acid cycle, TCA)的基礎(chǔ)代謝中，氧化成二氧化碳和水[17]。研究發(fā)現(xiàn)，分子量較高的芳香化合物由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及較低的溶解度，難以被微生物直接降解，如菲、蒽、萘等多環(huán)芳烴降解速率隨著所含碳原子數(shù)量的增加而越來(lái)越低[17-19]。而對(duì)于一些結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、分子量較小的芳香類(lèi)化合物，如四環(huán)以?xún)?nèi)的芳香烴，其可以作為許多微生物的唯一的碳源或能源被加以利用，進(jìn)而最終完全被礦化[17]。

一般來(lái)說(shuō)，真菌對(duì)三環(huán)以上的多環(huán)芳烴通過(guò)共代謝的方式將其降解。近年來(lái)，對(duì)多環(huán)芳烴的代謝途徑研究比較清楚的只有一些結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、分子量較低的芳香類(lèi)化合物，其降解取決于芳香烴化學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和降解酶特性，芳香烴的溶解性越低、苯環(huán)數(shù)目越高越難被降解，除此之外還與芳香烴的取代基及其位置等因素有關(guān)，而且不同種類(lèi)的微生物對(duì)多環(huán)芳烴的降解機(jī)制也有很大的差異[20-21]。萘是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的多環(huán)芳烴，其生物降解途徑主要包括：首先，雙加氧酶將其氧化形成順式二羥基萘；隨后，在脫氫酶和雙加氧酶的作用下，形成水楊酸和鄰苯二酚，最終形成TCA的中間物進(jìn)入有氧代謝途徑[17,22]。而四環(huán)以上、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多環(huán)芳烴的生物降解機(jī)理還正處于研究階段。

3　真菌降解有毒物質(zhì)的作用機(jī)制

研究表明，真菌一般是通過(guò)分泌胞外以及胞內(nèi)產(chǎn)生的解毒酶來(lái)降解復(fù)雜的芳香化合物，如細(xì)胞色素單加氧酶P450、木質(zhì)素氧化酶等[3]。許多真菌代謝的酶類(lèi)特異性較低，這使得它們可以代謝一些屬于不同的污染物類(lèi)別、結(jié)構(gòu)不同的化合物，如黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)既可以降解苯、甲苯、乙苯和二甲苯等化合物，也可以降解含氮元素的硝基芳烴和雜環(huán)炸藥(TNT和RDX)，以及一些有機(jī)氯(氯酚、多氯聯(lián)苯、PCDDs等)、多環(huán)芳烴、農(nóng)藥、合成染料、合成聚合物等種類(lèi)繁多的化合物[23-25]。然而，大多有機(jī)污染物都具有苯環(huán)，即屬于芳香族類(lèi)的化合物，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在環(huán)境中持久滯留并可生物富集。真菌細(xì)胞為了應(yīng)對(duì)外界有毒的芳香化合物、提高自身的生存能力，主要通過(guò)體外分泌多種胞外酶，如漆酶、木質(zhì)素過(guò)氧化物酶等木質(zhì)素降解酶，以及體內(nèi)合成大量的氧化酶來(lái)降解這些有毒的化合物，這可能是迫于氧化壓力的一種保護(hù)機(jī)制[3,26-27]。

4　真菌降解芳香化合物的主要酶系

4.1胞內(nèi)氧化酶許多真菌的胞內(nèi)酶可以參與化合物的分解，如胞內(nèi)的細(xì)胞色素P450氧化酶(Cytochrome P450 proteins, CYP)、苯酚-2-單加氧酶、硝基還原酶等[28-29]。細(xì)胞色素P450普遍存在于真菌的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中，如子囊菌、擔(dān)子菌、壺菌等，具有催化環(huán)氧化、對(duì)大量污染物的芳香環(huán)或脂肪鏈進(jìn)行羥基化處理的能力，較為突出的例子是對(duì)多環(huán)芳烴和二惡英在體內(nèi)的降解[28-29]。苯酚-2-單加氧酶多分布于子囊菌亞門(mén)和擔(dān)子菌亞門(mén)中，可將不同酚類(lèi)化合物的羥基氧化成對(duì)應(yīng)的鄰苯二酚，對(duì)進(jìn)入胞內(nèi)的化合物進(jìn)行氧化降解[30]。

此外，真菌胞內(nèi)代謝酶的數(shù)量較多，如細(xì)胞色素P450在胞內(nèi)一般存在多個(gè)基因編碼，這使得真菌木質(zhì)素降解菌的類(lèi)型更為多樣化，有助于大量地進(jìn)行有機(jī)物質(zhì)的代謝，如真菌中的細(xì)胞色素P450可以發(fā)起對(duì)二惡英、壬基酚和多環(huán)芳烴等不同外源有機(jī)物的代謝。初級(jí)代謝可能產(chǎn)生羥基化的代謝產(chǎn)物，如初級(jí)代謝產(chǎn)物氯酚在下一步代謝受阻的情況下不斷富集，可能會(huì)形成非生物氧化偶聯(lián)現(xiàn)象。然而，初級(jí)代謝產(chǎn)物也可以進(jìn)行下一步的代謝，直到礦化完成。如果隨后的降解受到阻礙，也可能導(dǎo)致在不同氧化階段代謝物的過(guò)量分泌[29-31]。

4.2木質(zhì)素氧化酶系自1934年首次發(fā)現(xiàn)降解木質(zhì)素的微生物種群，人們對(duì)木質(zhì)素的生物降解進(jìn)行了大量的研究。真菌可利用向胞外分泌相對(duì)非特異活性的氧化還原酶來(lái)降解有機(jī)化合物，這些酶可能參與了木質(zhì)纖維素的生長(zhǎng)、解聚和木質(zhì)素及其衍生物腐殖物質(zhì)的去除等[32]。木質(zhì)素酶即降解為其中的一種，它對(duì)木質(zhì)纖維素的降解主要通過(guò)如下4種酶系來(lái)完成：木質(zhì)素過(guò)氧化物酶(Lignin peroxidase，LiP)、錳過(guò)氧化物酶(Manganese peroxidase，MnP)、多功能過(guò)氧化物酶(Versatile peroxidase，VP)、漆酶(Laccase)等[33-34]。這幾種酶作為同一酶系，彼此相互協(xié)同，有時(shí)卻又分工明確，如在P.chrysosporium菌中，對(duì)于木質(zhì)素起到降解作用的只有LiP和MnP，而在Tramete sp AH28-2中只有漆酶具有活性[32]。不同真菌中發(fā)揮作用的木質(zhì)素降解酶不同，這是否與所處環(huán)境導(dǎo)致的作用機(jī)制不同有關(guān)，目前并沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞色素P450參與抗炎藥、脂質(zhì)監(jiān)管、抗癲癇及抗鎮(zhèn)痛藥物、二苯醚類(lèi)除草劑等的真菌代謝過(guò)程。當(dāng)某些真菌缺乏胞外氧化酶時(shí)，細(xì)胞色素P450有助于提高真菌分解的多樣性，例如，它們使雅致小克銀漢霉(Cunninghamella elegants)氧化具有2～5環(huán)的多環(huán)芳烴[3,35]。因而，胞外和胞內(nèi)均可產(chǎn)生對(duì)有毒芳香化合物進(jìn)行降解的代謝酶，但當(dāng)菌體處于有毒污染物的環(huán)境下，胞外和胞內(nèi)的代謝酶是處于相互競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)還是彼此協(xié)助共同代謝的狀態(tài)目前并沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。現(xiàn)有的研究表明，這可能與菌體所處的具體環(huán)境有關(guān)，不同條件的環(huán)境下，胞外或胞內(nèi)降解酶表達(dá)水平的高低決定它們采取的降解途徑。

5　展望

大量研究已證實(shí)，真菌獨(dú)特的生長(zhǎng)環(huán)境和自身構(gòu)造使得它們?cè)诮到猸h(huán)境有毒污染物方面具有重要作用，其對(duì)環(huán)境中芳香化合物的生物降解和代謝是重要的微生物生態(tài)過(guò)程，了解這些過(guò)程中真菌的作用機(jī)制有助于理解真菌參與的疾病發(fā)育機(jī)制，并為新型治療方法的建立提供參考，同時(shí)可以為新型生物技術(shù)方法的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。然而，真菌要應(yīng)用于環(huán)境治理還有許多問(wèn)題需要研究與解決，如其在降解過(guò)程中酶的種類(lèi)，以及其降解有毒芳香化合物的機(jī)理等有待更進(jìn)一步的研究證實(shí)。

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