刘淑娟，张翠萍，李淑英，杨小燕，周元清，李 元

（1云南农业大学动物科学技术学院，昆明 650201；2玉溪师范学院化学生物与环境学院，云南 玉溪 653100）

0 引言

邻苯二甲酸酯(phthalic acid esters, PAEs)又称酞酸酯，是环境中“类雌激素”污染的主要源头，主要用作增塑剂[1]，广泛应用于涂料、油漆、医疗产品、润滑油和化妆品等生产过程[2]。PAEs与塑料基质间以非化学键连接，极易随时间的推移进入大气、水体、土壤或沉积物等各种环境介质中。中国是世界上最大的PAEs 生产和消费国[3]，其中DEHP 占PAEs 总消费量的80%以上[4]，因此，不同环境介质中的PAEs 含量不容乐观[5-6]。鉴于PAEs 具有“致畸、致癌、致突变”、生殖毒性、低溶解度、难挥发等特点，易通过食物链生物富集，对生态系统和人类健康造成潜在威胁[7-8]。

地表水环境PAEs 污染一直是环境科学和生态学关注的重点领域。许多学者主要对典型流域河湖水体PAEs 的分布特征、污染来源、生态风险等开展了大量基础研究。随着全世界对康美河湖生态环境的日益重视，构建有效的生物群落，实现对地表水体PAEs 的高效降解备受关注。微生物降解被认为是去除水环境中PAEs 的重要途径，其中，细菌驱动的生物降解被认为是最有前途的策略[9]。草本植被构建的人工湿地作为一种生态修复工程措施在净化有机污染物方面效果显著。植物作为湿地生态系统的重要组分，植物种类与污染胁迫协同塑造根际微生物组，驱动植物根际效应实现有机污染物的生物降解[10-11]，因此，根际效应是解决PAEs污染的主要切入点，探究草本植物根际微生物介导的根际效应，实现地表水环境PAEs去除具有极大的应用潜力。

国内外基于草本植物根际微生物对PAEs 的降解已开展了相关研究，但有关草本植物根际微生物对水环境PAEs 降解及机理的报道相对薄弱。本文重点综述了地表水环境PAEs的污染现状、生物降解途径及机理、草本植物根际微生物降解特性及多样性等，以期深挖草本植物对地表水环境PAEs污染生态修复的实用价值。

1 地表水环境PAEs污染现状

地表水体因长期受纳工业污水、生活污水、农业面源污染等而受到不同程度的PAEs 污染。国内外学者早已认识到PAEs 的危害，早在1977 年美国环保署就将6种PAEs列入重点控制污染物名单[12]，中国也将DBP、DMP、DEHP 列入水环境优先控制污染物黑名单。诸多调查研究显示，DBP和DEHP是全世界范围内自然水环境中分布最广、含量较高的主要PAEs污染物（表1）。作为发展中国家，中国自然水环境中PAEs的含量普遍高于西方发达国家，甚至饮用水源地水体也被检出PAEs[13-14]，长期接触后可能导致人类生殖、神经和免疫系统等功能障碍[15]。由于中国DBP和DEHP生产与消费总量较大，主要河湖如松花江流域、淮河流域、长江流域、珠江流域等水体或沉积物中均能检测到（表1），水体与底泥（或沉积物）中DEHP 具有显著的时空分布特征，污染浓度分别高达101.1 μg/L和1369.4 μg/g。

表1 国内外水环境PAEs的污染特征 μg/L

2 植物根际微生物对地表水环境PAEs污染的生物降解研究

2.1 PAEs的生物降解途径

目前，PAEs生物降解的研究围绕微生物降解菌种鉴定筛选、降解动力学、降解影响因素及降解机理等几方面开展[3]。针对微生物降解水环境PAEs 类化合物机理与应用的认识仍还有限，PAEs高效降解的微生物群落特征及分子机理是当前研究的重点。众多研究表明：不同环境介质PAEs 生物降解范围和程度存在差异，水体中PAEs的半衰期较土壤中小，主要与温度、营养、酸碱度、盐分、被降解物质的浓度及化学结构相关。不同微生物菌株的PAEs降解能力不同，且降解效率受自身基因编码蛋白和多种环境因素影响。PAEs降解菌群主要以PAEs 为底物从自然环境介质中富集和人工构建两种途径中获得，包括单菌好氧降解和混合菌好氧降解两方面的研究。

PAEs降解途径研究主要集中在细菌的降解，涉及两个步骤（图1）：PAEs 转化成关键代谢产物邻苯二甲酸PA(I)和PA 转换为CO2和水(Ⅱ)。其中，PAEs 转化为PA(I)是降解的关键步骤，涉及β-氧化作用、转酯化作用、脱酯化作用和酯键水解4个化学反应。PA代谢的第二步分为好氧降解和厌氧降解两类。在需氧条件下，PA 降解包括(i)PA 转化为原儿茶酸(PCA)，以及(ii)PCA的环裂解（图1）。PCA主要在内二醇环裂解双加氧酶或外二醇环裂解双加氧酶介导，并通过邻位途径环裂解形成丙酮酸和草酰乙酸，间位途径环裂解形成β-酮己二酸后降解为乙酰CoA 和琥珀酸，最后进入三羧酸循环彻底氧化成CO2和水[33]。值得注意的是，PA转化为PCA 包含两种途径，在G+细菌和G－细菌之间不同。与好氧降解不同，厌氧PAEs 降解细菌首先将PA通过脱羧作用而转化成苯甲酸(BA)，再经β-氧化后转变为己二酸，最终由己二酸生成乙酸盐、CO2和H2[34]。

图1 细菌好氧降解PAEs的可能途径

2.2 根际微生物对水环境PAEs降解过程研究

据报道，细菌、真菌、原生动物等根际微生物可用于环境中PAEs污染的生物修复，其中土著细菌群落在PAEs 生物降解中起着重要作用，但对PAEs 生物降解过程中的多样性、相互作用和动力学知之甚少。涉及三个核心问题：（1）谁是参与PAEs 生物降解的关键降解者；（2）负责PAEs生物降解过程的关键基因/酶是什么；（3）微生物如何相互作用以完成PAEs 生物降解的整个过程。申建波等[35]创新地提出了根际生命共同体概念，以植物根际为核心，由核心微生物-植物驱动植物根际的组装过程调控污染物的降解。植物种类和污染胁迫共同调控根际微生物组。植物根际生命共同体通过自身吸收、根系分泌物和根际微生物来净化有机污染物[36]。PAEs 可被某些植物的根系吸收进入不同组织中，并在多酚氧化酶，过氧化物酶等物质作用下经水解、氧化、络合等反应后被代谢或转化，或结合成非活性形态[37-38]。然而，由于PAEs 的高疏水性使其极易吸附于根系表面，形成生物膜，根系分泌物和微生物底物偏好驱动根际微生物群落的组装模式，调控PAEs污染胁迫下植物生长、生理代谢和防御反馈[36]。植物对PAEs污染的生理响应过程见图2。

图2 植物对PAEs污染的生理响应过程

水环境中根际微生物组对PAEs的降解，主要是通过驯化的土著微生物或特效降解菌的生理代谢活动直接分解或共代谢作用，以及利用微生物分泌的酶（胞外酶和胞内酶）使PAEs分解。研究已证实目前国内外已报道的PAEs降解菌有80多种[39]，Hu[3]和沈思等[34]总结了部分典型的PAEs降解菌，主要针对降解环境介质中的DBP、DMP 和DEHP 三类污染物，研究较多的是假单胞菌属Pseudomonassp.[40]；分枝杆菌属Mycobacteriumsp.[41]；红球菌属Rhodococcussp.[42]、微杆菌属Microbacteriumsp.[[43]、伯克氏菌属Pandoraeasp.[44]、鞘氨醇单胞菌属Sphingomonassp.[45]、甲基芽孢杆菌属Methylobacillussp.[46]、梭菌属Camelimonassp.M11 和贾斯汀红球菌Rhodococcus jostiiRHA1[47]。研究发现超过50%的细菌能同时降解多种PAEs[48]，不同细菌的共存能够克服单菌株的降解限制，混合菌群通过协同作用来完全降解PAEs[44,48]，可为消除水体中的污染物提供模型[49-50]。

2.3 根际微生物对水环境PAEs的降解基因/酶学机制

根际微生物组被称为植物的第二基因组，随着基因测序技术的飞速发展，越来越多PAEs降解菌的全基因组被测序与分析注释，为解析PAEs代谢关键酶及遗传机制，以及生物修复PAEs 的环境污染提供新思路。Hu[3]总结了16种有效降解PAEs细菌测序的基因组，通过基因组分析比较，在不同的PAEs降解分离株中鉴定出了大量调节初级PAEs降解反应的基因或基因簇，如水解酶基因、PA降解基因簇[pht(G+)和oph(G-)]和PCA降解基因簇(pca)。与此同时，全基因组测序促进了催化β-氧化、催化苯甲酸(BA)降解和PA厌氧降解的未知基因簇的发现，Wright等[51]通过分析PAEs降解细菌卤代单胞菌(Halomonassp.ATBC28)的基因组，首次破译了β-氧化的分子机制。PA 转化为PCA 的降解基因研究方面，研究较深入的是阳性菌Arthrobacter keyseri12B 和阴性菌Burkholderia cepaciaDBO1[34]。其中，pht、oph基因（负责有氧条件PA到PCA氧化和脱羧）、pcm操纵子（负责从PCA 到丙酮酸和草酰乙酸的代谢）、pca基因（负责从PCA 裂解为CO2和H2O）、pehA基因（编码PAEs 水解酶）、tnpR基因（编码转座子解离酶）、ptr操纵子（可能编码PA或PCA或PAEs的转运蛋白）[52]。在Burkholderia cepaciaDBO1 中，发现了三个相对独立的转录单元：邻苯二甲酸加氧酶还原酶(ophA1)、4,5-二羟基邻苯二甲酸脱羧酶(ophDC)和邻苯二甲酸加氧酶和顺式-二氢邻苯二甲酸脱氢酶(ophA2B)[34]。尽管基因组测序鉴定出新的PAEs 降解基因不断增多，但仍需对这些新基因进行全面的序列分析和功能验证。

已报道的PAEs 酯酶主要有三类。第一类是仅水解PAEs 的典型酯酶（参与图1 水解步骤Ⅰ），如Acinetobactersp.M673[39]，EstS1[53]，酯酶基因DphB[54]，一种编码嗜冷PAEs 酯酶的基因EstSP1[55]]，Camelimonassp.M11[56]等，这些酯酶能将PAEs 转化为MAPs，而对MAPs没有活性。第二类是将单烷基酯水解成PA的酯酶，如水解酶基因MehpH[57]，水解酶EG-5MehpH 和P8219MehpH[58]等，这些酶既是MAPs 水解酶，同时也是MEHP水解酶。第三类是同时具有二烷基酯酶水解活性和单烷基水解酶活性，能参与两步水解反应的酯酶，如EstG 和EstB 既能降解DBP，又具有部分MBP 酯酶活性[59]。CarEW 既可降解DIBP 和MIBP，也能降解DIBP 的两个酯键，且无先后顺序，最后生成PA[60]。

3 草本植物对水环境PAEs污染的降解特性研究

草本植物对水环境PAEs降解的研究相对较少，主要报道了挺水植物、沉水植物和藻类等典型草本植物（表2）。挺水植物是构建人工湿地植被系统的主要草本植物类型。商卓[61]估算比较了潜流人工湿地系统对PAEs的年去除量、湿地基质、植物部分对PAEs的去除量的差异，估算表明植物吸收作用去除量占比仅为0.01%。Zhou等[62]运用普通芦苇和宽叶香蒲为人工湿地植物，构建人工湿地微宇宙系统中发现，植物吸收六氯苯与水中溶解比例不足0.02%，鉴于六氯苯和PAEs类污染物同属难降解的亲脂水溶性有机污染物，故湿地草本植物对PAEs 类污染物的吸收可忽略不计。草本植物对PAEs降解与代谢的相关报道仍非常有限，其根际降解机制仍不清楚，限制了草本植物在水环境PAEs污染生态修复过程中的应用[36,38]。

表2 典型草本植物的PAEs降解特性

4 展望

随着工农业的迅速发展，地表水遭受到越来越严重的PAEs类化合物污染，对人类健康和自然生态环境具有巨大的潜在威胁。微生物降解被认为是去除水环境中PAEs 的最佳途径，根际生命共同体的微生物是PAEs 生物降解的主力军。近年来，微生物组测序、高通量培养、人工重组和功能研究体系等方法的建立极大地推动了根际微生物组功能研究。国内外学者已开展了草本植物根际微生物降解PAEs的大量基础研究，主要针对纯培养/混合培养菌株对DBP 或DEHP 的降解途径，但根际微生物降解PAEs 的机理及降解途径、影响因素等研究尚不深入，限制了草本植物在推进“康美”湖河水体生态修复以及“再野化”山水林田湖草系统治理中的应用。未来亟待加强以下几方面研究：

（1）运用现代分子生物学技术，解析不同草本植物根际微生物群落特征及降解效能的响应，阐明其微生物学降解机理，从PAEs降解基因及其编码的降解酶的水平上对其遗传学机理继续解释，筛选与构建PAEs的高效降解菌，寻找其新的降解途径，应用于地表水PAEs污染的生态修复。

（2）水环境氮磷等常规污染物、重金属污染、抗生素污染与PAEs间可能存在复杂的理化作用，影响微生物降解PAEs类化合物机理及应用。加强复合污染，水环境多种PAEs的协同作用研究并探究PAEs类化合物与其他污染物协同作用的生态修复技术。

（3）根际微域的根系分泌物和根系生物膜微生物菌群对污染物迁移归趋的影响仍知之甚少，亟待加强PAEs污染物在人工湿地基质-草本植物-微生物不同微界面间迁移转化的系统研究，深入揭示和调控草本植物第二基因组——微生物组降解PAEs 类化合物的效能正成为生态学的研究前沿。

（4）基于根际生命共同体的理论创新，如何从PAEs降解高效植物基因型、与其匹配的根际核心微生物、营造理想根际微生态环境最大化植物-核心微生物互作潜能的新技术三个视角协同突破根际效应调控污染物降解。