田小麗，李緒鵬，李春生，陳勝軍*，薛勇，鄧建朝，潘創(chuàng)，王悅齊

(1.中國水產(chǎn)科學研究院南海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品加工重點實驗室，國家水產(chǎn)品加工技術研發(fā)中心，廣東 廣州 510300;2.中國海洋大學食品科學與工程學院，山東 青島 266003；3.廣東省農(nóng)業(yè)技術推廣中心，廣東 廣州 510520)

孔雀石綠(malachite green,MG)是一種人工合成的三苯甲烷類化合物，其對魚類的水霉病、原蟲病等具有良好的控制效果，曾在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中作為殺菌劑和殺蟲劑被廣泛使用[1]。研究表明，孔雀石綠被魚體吸收后會迅速轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性和毒性更高的隱性孔雀石綠(leucomalachite green,LMG)，容易在生物體組織中蓄積，對自然環(huán)境和人類健康造成嚴重危害[2]。因此，中國于2002年將孔雀石綠列入水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的禁用藥物，但違規(guī)使用情況仍時有發(fā)生。

由于養(yǎng)殖水體或環(huán)境中存在孔雀石綠殘留的情況，因此有效降解孔雀石綠已成為目前水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)亟待解決的問題。與傳統(tǒng)的物理化學法相比，微生物法具有操作簡單、價格便宜、降解效率高等優(yōu)點，應用前景更為廣闊[3]。本研究綜述了利用微生物降解孔雀石綠的國內(nèi)外研究進展，總結了微生物降解孔雀石綠的主要研究方法，明確了降解孔雀石綠的微生物分類，分析了影響微生物降解孔雀石綠的主要因素和主要作用酶類，結合降解產(chǎn)物推測了微生物可能的降解路徑，從而為微生物降解孔雀石綠的研究與應用提供參考。

1 微生物降解孔雀石綠的主要研究方法

根據(jù)檢測儀器和方法的不同，微生物降解孔雀石綠的研究方法主要分為孔雀石綠脫色評價法和孔雀石綠降解評價法。

1.1 孔雀石綠脫色評價法

孔雀石綠脫色評價法主要為紫外可見-分光光度法(ultraviolet-visible spectrophotometry，UV-Vis)，通過測量微生物降解前后孔雀石綠特征吸收峰(波長通常為620 nm)吸光度的變化，計算孔雀石綠脫色率，來評價微生物對孔雀石綠的脫色效果[4]。紫外可見-分光光度法具有儀器簡便、操作簡單、快速等優(yōu)點。然而，該方法重點關注孔雀石綠的減少，無法評價這種脫色作用是由孔雀石綠還原為隱性孔雀石綠引起的，還是由孔雀石綠被繼續(xù)分解為小分子物質(zhì)引起的。

1.2 孔雀石綠降解評價法

孔雀石綠降解評價法，以色譜分離為主，通過紫外、熒光或質(zhì)譜檢測器進一步分析孔雀石綠降解效果，計算孔雀石綠降解率，主要包括高效液相色譜法(high performance liquid chromatography，HPLC)、硼氫化鉀還原-高效液相色譜熒光檢測法(KBH4reduction-high performance liquid chromatography with fluorescence detector，KBH4-HPLC-FLD)、高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(liquid chromatography-tandem mass spectrometry，LC-MS/MS)和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)等[5]。這些方法靈敏度高，不僅可以分析孔雀石綠是否被降解為隱性孔雀石綠，還可以通過質(zhì)譜分析進一步解析孔雀石綠可能存在的其他降解產(chǎn)物。

2 降解孔雀石綠的微生物分類

2.1 細菌

細菌是降解孔雀石綠最常用的微生物。如表1所示，降解孔雀石綠的細菌主要包括假單胞菌屬(Pseudomonas)[6-7]、葡萄球菌屬(staphylococcus)[8]、蒼白桿菌屬(Ochrobactrum)[9]、芽孢桿菌屬(Bacillus)[10]、微小桿菌屬(Exiguobacterium)[11]、無色桿菌屬(Achromobacter)[12]、微球菌屬(Micrococcus)[13]、檸檬酸桿菌屬(Citrobacter)[14]、腸桿菌屬(Enterobacter)[15]、克雷伯氏菌屬(Klebsiella)[16-17]等。其中，假單胞菌屬、檸檬酸桿菌屬和克雷伯氏菌屬，不僅具有很強的孔雀石綠脫色能力，而且具有進一步降解隱性孔雀石綠的能力。同時，某些細菌對孔雀石綠降解環(huán)境的營養(yǎng)需求較小，在不含有機物的基礎鹽培養(yǎng)基中就能降解孔雀石綠，甚至在水溶液中也能發(fā)揮孔雀石綠降解作用。Li等[17]篩選出一株能夠在水溶液中降解孔雀石綠的菌株Klebsiellapneumoniae，該菌株對濃度為 1～20 mg/L的孔雀石綠在0.5 h內(nèi)即可降解94.00%以上，對濃度為1～10 mg/L的孔雀石綠在12 h內(nèi)即可完全降解。綜合上述研究結果表明，細菌可能是未來降解孔雀石綠的主力菌。

表1 降解孔雀石綠的細菌Tab.1 Bacteria using for malachite green degradation

續(xù)表1，Tab.1 Continued

2.2 絲狀真菌

真菌具有絲狀生長趨勢，可通過其菌絲網(wǎng)絡及低底物特異性分解代謝酶進行營養(yǎng)轉(zhuǎn)移[18]。白腐真菌是降解孔雀石綠最有效的絲狀真菌。白腐真菌在自然界中分布廣泛，主要包括栓菌屬(Trametes)[19]、木耳屬(Auricularia)[20]、側(cè)耳屬(Pleurotus)[21]、白耙齒屬(Irpex)[22]等，對孔雀石綠具有廣譜的底物多樣性、高效、低耗、適用性強等獨特的降解優(yōu)勢[23]。如表2所示，王倩等[24]研究發(fā)現(xiàn)40 ℃下Trametessanguinea對孔雀石綠的脫色率為91.24%。韓啟燦等[25]從大型野生真菌中篩選到一株孔雀石綠高效降解菌，1 h內(nèi)的孔雀石綠脫色率可達92.60%。另外，降解孔雀石綠的絲狀真菌還包括曲霉菌屬(Aspergillus)[26]、青霉菌屬(Penicillium)[27]、木霉菌屬(Trichoderma)[28]、漆斑菌屬(Myrothecium)[29]等。如Jasińska等[30]分離出兩株孔雀石綠降解菌，96 h內(nèi)對10 mg/L孔雀石綠的脫色率分別為87.10%和97.40%。因此，真菌比細菌更適合用于孔雀石綠的降解，特別是絲狀真菌。

表2 降解孔雀石綠的絲狀真菌Tab.2 Filamentous fungi using for malachite green degradation

續(xù)表2，Tab.2 Continued

2.3 酵母菌

酵母菌降解孔雀石綠具有生長速度快、降解速度快、在不利環(huán)境中生存能力強等優(yōu)點。但研究發(fā)現(xiàn)，相較于細菌、絲狀真菌而言，降解孔雀石綠的酵母菌種類比較少，目前以釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)為主。相較于如表3所示，Peter等[31]從紡織廢水中分離出一株Saccharomycescerevisiae，5 mg/L孔雀石綠在72 h內(nèi)的脫色率為95.40%。Biradar等[32]發(fā)現(xiàn)Saccharomycescerevisiae在漆酶、孔雀石綠還原酶等各種酶的作用下基本可以脫除孔雀石綠。大多已報道的釀酒酵母具有較強的孔雀石綠脫色效果，但是降解率較低。

表3 降解孔雀石綠的酵母菌Tab.3 Yeasts using for malachite green degradation

3 影響微生物降解孔雀石綠的因素

微生物對生長環(huán)境很敏感，鹽度、pH、溫度等環(huán)境因素均能影響微生物的生長，從而影響孔雀石綠的降解。Jadhav等[33]研究發(fā)現(xiàn)Saccharomycescerevisiae對孔雀石綠的脫色效果有所差異，對100 mg/L孔雀石綠在水溶液中7 h的脫色率為85.00%，在含5%葡萄糖的培養(yǎng)基中4 h的脫色率為95.50%。研究發(fā)現(xiàn)，微生物降解孔雀石綠的效果取決于孔雀石綠濃度以及外界的環(huán)境因素，例如碳源、氮源、溫度、pH、鹽度、金屬離子等[33-35]，通過研究各種因素對孔雀石綠降解作用的影響，明確微生物降解孔雀石綠的最適條件。

3.1 孔雀石綠初始濃度

一般情況下，隨著孔雀石綠濃度的升高，孔雀石綠對微生物的毒害作用越大，降解率越低[34]。過高濃度的孔雀石綠甚至會完全抑制菌株對孔雀石綠的降解。劉單單等[35]研究了Enterobactersp.對1～40 mg/L孔雀石綠的降解情況，孔雀石綠濃度為1 mg/L時，降解率為92.20%，隨著孔雀石綠濃度增加到40 mg/L時，降解率為82.40%。劉菁華等[36]從水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘中篩選到的Citrobactersp.對2 mg/L孔雀石綠的降解率為96.32%，對5 mg/L孔雀石綠的降解率為85.80%，同一條件下，當孔雀石綠濃度為30 mg/L時，降解率僅為25.70%，此時菌株的生長明顯受到抑制。梅嬛等[37]在鹽培養(yǎng)基中加入孔雀石綠，Raoultellasp.對5 mg/L孔雀石綠的降解率為85.00%，而對濃度超過20 mg/L孔雀石綠的降解率不到50.00%，這與吳永利等[38]研究的Pseudomonassp.的孔雀石綠降解結果相似。

3.2 碳源

碳源是微生物生長的重要營養(yǎng)元素，不同碳源對孔雀石綠的降解影響較大，對不同微生物的孔雀石綠降解效果影響也不同。Schizophyllumcommune在不加碳源時的孔雀石綠脫色率為77.78%，添加麥芽糖時，脫色率增加至95.56%，而添加蔗糖時脫色率下降到66.89%，結果表明，添加蔗糖對Schizophyllumcommune脫色孔雀石綠有抑制作用，而添加麥芽糖能促進孔雀石綠的脫色[39]。葡萄糖作為自然界中分布最廣的單糖,是促進微生物生長的良好碳源，在培養(yǎng)基中加入葡萄糖時，Burkholderiacepacia對孔雀石綠的脫色率從47.80%提高到了97.10%[40]。Angamuthu等[41]在鹽培養(yǎng)基中加入1.00%葡萄糖時，孔雀石綠脫色率增加至99.06%。

3.3 氮源

氮源是微生物生長的基本營養(yǎng)元素，環(huán)境中不同的氮源對孔雀石綠的降解影響較大。研究表明，Burkholderiacepacia在缺乏氮源時的孔雀石綠脫色率僅為33.90%，而添加KNO3為氮源時孔雀石綠脫色率達到98.80%[40]。Angamuthu等[41]發(fā)現(xiàn)在鹽培養(yǎng)基中加入酵母提取物作為氮源，Streptomyceschrestomyceticus的孔雀石綠脫色率從59.65% 增加至95.96%。Trichaptumlaricinu分別以麩皮、蛋白胨、酵母粉、尿素、硝酸銨作為不同氮源時，孔雀石綠脫色率均低于94.50%，與不加氮源的基礎培養(yǎng)基相比有所下降，原因可能是氮源充足，菌體生長過于旺盛，不利于菌體脫色活性物質(zhì)的積累[25]。

3.4 溫度

適宜的溫度不僅有利于菌株的快速生長，而且還有利于孔雀石綠的降解。細菌對孔雀石綠的最適降解溫度一般在30～37 ℃，基本與其最適的生長溫度一致。Citrobactersp.在15～20 ℃的低溫條件下對孔雀石綠的降解率較低，在35 ℃時對孔雀石綠具有最高的降解率，達到67.50%[36]。Pseudomonasveronii在 30 ℃時孔雀石綠降解率最高，為92.30%，當溫度較高(45 ℃)或較低(15 ℃)時降解率都比較低，分別只有42.20%和50.20%[6]。對于絲狀真菌來說，最適的降解溫度相對較低。隨著溫度升高Auriculariacornea的孔雀石綠降解率逐漸增大，并在26 ℃時達到最高，當溫度升高到30 ℃時孔雀石綠降解率逐漸下降，這可能是因為該溫度下不利于菌體的正常生長[20]。

3.5 pH

pH可以通過改變微生物表面的電荷影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，也可以通過改變蛋白質(zhì)結構影響蛋白質(zhì)功能，從而影響菌體的生長。不同pH對不同微生物的降解效果影響較大。Schizophyllumcommune降解孔雀石綠有很寬的pH適應性，在pH為 4.0～9.0時降解率均高于93.00%[42]。Trichaptumlaricinum在低pH條件下的脫色效果較差，當pH為6.0時，孔雀石綠(50 mg/L)3 h內(nèi)脫色率高達90.00%，而在pH為3.6時其孔雀石綠脫色率幾乎為零[25]。Citrobactersp.適合在偏堿性條件下降解孔雀石綠，在偏酸性條件下，降解率僅為15.00%，但pH為8.0時降解率為80.00%[36]。Burkholderiacepacia適合在偏酸性條件下對孔雀石綠進行脫色，pH為4.0時的孔雀石綠脫色率最高，為84.30%[40]。

3.6 鹽度

含鹽量過高會影響微生物細胞的滲透壓，從而使微生物降低或喪失降解孔雀石綠的能力。Enterobactersp.在鹽度為1.00%～4.00%的LB培養(yǎng)基中表現(xiàn)出穩(wěn)定的孔雀石綠降解能力，均高于80.00%，當鹽度增加至6.00%時，孔雀石綠降解率顯著下降到56.00%[35]。也有研究篩選到了能夠在高鹽度下保持較好孔雀石綠降解能力的微生物，曾慶龍等[43]從污水廠底泥中篩選到一株耐鹽菌，研究發(fā)現(xiàn)5.00%鹽度對Escherichiasp.的孔雀石綠脫色沒有明顯影響。鄭紅葉[42]探究了在鹽度達到20.40%時，Schizophyllumcommune對孔雀石綠的降解率仍有21.47%。目前，在高鹽度下菌株對孔雀石綠降解的效果較差，篩選耐鹽微生物對于在高鹽環(huán)境下的孔雀石綠降解具有重要意義。

3.7 金屬離子

金屬離子可以誘使微生物降解酶的活性中心結構改變，使酶與底物的結合能力發(fā)生變化，改變降解酶的活力，從而影響微生物對孔雀石綠的降解效果。如Schizophyllumcommune對50 mg/L孔雀石綠的脫色率為77.71%，添加Zn2+能顯著提高其孔雀石綠脫色率，達到90.48%，添加Mn2+和Fe2+分別使其孔雀石綠脫色率降低到73.98%和70.72%[42]。外加0.50 mmol/L Pb2+對Raoultellasp.有明顯促進作用，孔雀石綠降解率從80.00%增加至95.00%以上[37]。金屬離子Mg2+、Zn2+、Na+、K+和Cu+對Trichaptumlaricinum的脫色影響不明顯，而Fe2+有很強的抑制作用，可能是因為Fe2+占據(jù)了孔雀石綠脫色酶的結合位點，改變了該酶的構象，從而使其失去脫色活性[25]。

4 微生物降解孔雀石綠的相關酶系

微生物降解孔雀石綠主要通過微生物所分泌酶的催化發(fā)揮作用，而報道較多的孔雀石綠相關酶主要有孔雀石綠還原酶、漆酶、錳過氧化物酶等[44]，具體如表4所示。

表4 微生物降解孔雀石綠相關的酶Tab.4 Enzymes related to malachite green degradation by microorganism

4.1 孔雀石綠還原酶

孔雀石綠還原酶在微生物降解孔雀石綠過程中發(fā)揮著重要作用，該酶能夠?qū)⒖兹甘G還原為隱性孔雀石綠，一般認為，該催化反應是孔雀石綠降解的第一步反應?？兹甘G還原酶有兩種類型：膜結合型和胞質(zhì)還原型，均需要依賴NADPH、NADH或FADH等還原型輔酶[45-46]。Kalyani等[47]研究發(fā)現(xiàn)Pseudomonasaeruginosa降解過程中，孔雀石綠還原酶活性在3 h內(nèi)從7.34 U/mL增加至18.57 U/mL。Mukherjee等[48]進行酶學分析發(fā)現(xiàn)，與未添加孔雀石綠的培養(yǎng)基相比，24 h內(nèi)Enterobacterasburiae的孔雀石綠還原酶酶活力增加了73.00%，表明孔雀石綠還原酶在Enterobacterasburiae降解孔雀石綠過程中發(fā)揮著重要作用。

4.2 漆酶

漆酶是一種多酚氧化酶，能夠利用銅離子獨特的氧化還原能力降解孔雀石綠。李雪英等[45]研究1.0 mmol/L 不同金屬離子對漆酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)Ca2+、Mg2+、Cu2+和Fe2+對漆酶具有激活作用，其中Cu2+激活作用最強，相對酶活為105.00%，金屬離子K+、Mn2+和Zn2+對酶有一定的抑制作用，其中K+對酶具有較強的抑制作用，相對酶活為67.00%。Patil等[49]研究發(fā)現(xiàn)，5.00 U/mL粗漆酶能夠在3 h內(nèi)脫色81.00%的孔雀石綠。呂國英等[50]通過測定細胞內(nèi)外酶活，發(fā)現(xiàn)漆酶酶活是其他酶酶活的幾十倍，可以推測在脫色過程中漆酶起主要作用。Kupryashina 等[51]研究發(fā)現(xiàn)鹽培養(yǎng)基中加入硝酸銨時孔雀石綠脫色率降低，原因可能是硝酸銨是酚氧化酶活性的特異性抑制劑，導致漆酶等酚氧基酶復合物的酶活性降低。

4.3 錳過氧化物酶

錳過氧化物酶是一種大多分離自白腐真菌的細胞外木質(zhì)素酶。Yang等[52]研究發(fā)現(xiàn)在缺乏Mn2+和H2O2的條件下，孔雀石綠的脫色率從81.90%顯著降低至7.70%；并且通過比較純化和粗錳過氧化物酶降解孔雀石綠的能力，發(fā)現(xiàn)結果相差不大，反應50 min 孔雀石綠脫色率分別為90.30%和87.00%。Du等[53]通過添加1 mg/L不同金屬離子發(fā)現(xiàn)，Mn2+明顯促進了孔雀石綠的脫色，Mn2+可以作為Pseudomonassp.的錳過氧化物酶激活劑，說明Mn2+可能通過調(diào)節(jié)錳過氧化物酶的表達而影響孔雀石綠的降解效果，這一結果與張漾泓等[19]的研究結果相似。Alice等[54]研究發(fā)現(xiàn)Mn2+的添加可能促進濃度依賴型錳過氧化物酶基因的表達，從而促進菌株的孔雀石綠降解。

5 微生物降解孔雀石綠的產(chǎn)物及代謝路徑

孔雀石綠的降解伴隨著苯環(huán)的斷裂，隨之產(chǎn)生一些降解中間產(chǎn)物[46]。熊晶晶等[8]證實孔雀石綠降解產(chǎn)物為 4-二甲氨基-二苯甲酮。吳茵等[21]通過GC-MS觀察到，微生物降解孔雀石綠后色譜峰基本消失，同時產(chǎn)生3個新的色譜峰，與GS-MS NIST library 進行比對，證實新產(chǎn)生的3種產(chǎn)物分別為4-氨基-二苯甲酮、4-二甲氨基-二苯甲酮和 4-甲氨基-二苯甲酮。

不同微生物降解孔雀石綠的產(chǎn)物如表5所示。結合文獻報道，推測微生物降解孔雀石綠的可能路徑如圖1所示。劉菁華等[36]根據(jù)3 種降解產(chǎn)物即4-二甲氨基-二苯甲酮、N，N-二甲基苯胺和4-二甲氨基-苯酚，推測Citrobactersp.降解孔雀石綠的途徑為：孔雀石綠首先經(jīng)過羥基化反應生成孔雀石綠甲醇，孔雀石綠甲醇氧化分解為4-二甲氨基-二苯基甲酮和 N，N-二甲基苯胺，中間產(chǎn)物4-二甲氨基-二苯甲酮進一步分解，轉(zhuǎn)化為次級代謝產(chǎn)物4-二甲氨基-苯酚和苯甲醛?？兹甘G降解過程伴隨著一系列酶催化反應。Kalyani等[47]認為孔雀石綠在還原酶作用下降解為隱性孔雀石綠，隱性孔雀石綠通過脫甲基酶進一步脫甲基化，得到二甲基衍生物，在漆酶、脫甲基酶作用下生成4-二甲氨基-二苯甲酮和苯胺，進一步脫甲基化得到中間體4-氨基-苯甲酮，4-氨基-苯甲酮進一步脫氨基，最終得到降解產(chǎn)物二苯胺。王邦國等[55]同樣認為孔雀石綠降解為隱性孔雀石綠，經(jīng)N-去甲基作用，生成初級或次級代謝產(chǎn)物芳香胺。然而，梅嬛等[37]從污泥中篩選到的Raoultellasp.在鹽培養(yǎng)基中降解孔雀石綠時并沒有隱性孔雀石綠的生成，證明菌株可能存在新的孔雀石綠降解途徑。

表5 微生物降解孔雀石綠的產(chǎn)物Tab.5 Degradation products of malachite green by microorganism

圖1 微生物降解孔雀石綠的可能代謝路徑Fig.1 Possible metabolic pathways of malachite green degradation by microorganism

6 展望

迄今為止，國內(nèi)外對微生物降解孔雀石綠的研究主要集中在降解菌的篩選、降解產(chǎn)物的鑒定及降解途徑的預測，對微生物降解孔雀石綠的完整代謝途徑至今尚未明確，今后有望借助轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組等多組學分析技術及分子生物學方法解析微生物與孔雀石綠降解相關的關鍵基因及代謝通路。由于水環(huán)境成分復雜，影響微生物降解的因素眾多，因此，選擇最佳的處理方法降解孔雀石綠是一項艱巨的任務。惡劣的環(huán)境因素可能會導致孔雀石綠降解酶和降解菌株失活。因此，有必要開發(fā)具有高穩(wěn)定性、高產(chǎn)量、低成本、多功能的酶或菌株以滿足孔雀石綠的降解。利用基因克隆、異源表達、基因重組等分子生物學技術，將孔雀石綠關鍵降解酶基因?qū)胍子诜敝车木陜?nèi)進行表達，將是今后重要的研究方向。此外，針對運用單個菌株對孔雀石綠的降解不完全，采用混合菌群的協(xié)同降解可以抵御環(huán)境不良影響，顯著提高其孔雀石綠降解活性，并且有利于將孔雀石綠完全降解為小分子化合物。因此，通過收集孔雀石綠高效降解菌種，利用混合菌群協(xié)同降解技術將是今后孔雀石綠微生物降解的重要應用方向。