纖維束填料1米廠家有機(jī)污染物胞外作用機(jī)理及微生物群體感應(yīng)調(diào)控特征

　　纖維束填料1米生產(chǎn)廠家有機(jī)污染物胞外作用機(jī)理及微生物群體感應(yīng)調(diào)控特征。有機(jī)污染物(芳香烴、藥物、農(nóng)藥等)存在于自然系統(tǒng)(湖泊、海洋、地下水、土壤等)和廢水處理系統(tǒng)中，其分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類多變、溶解性差異大、毒性高并且難生物降解，如何有效將其去除是目前研究的難點(diǎn)。

　　微生物技術(shù)是處理有機(jī)污染物的主要手段之一，其中偶合功能材料、降解菌的微生物工藝(如厭氧-好氧法、電催化微生物法)是目前研究熱點(diǎn)，但其存在不能完全礦化、易形成復(fù)雜或有毒代謝副產(chǎn)物、無(wú)法有效控制代謝過(guò)程、多種污染物共存時(shí)降解效率低等問(wèn)題。

　　微生物胞外聚合物(Extracellular polymer subst-ance，EPS)是多糖、蛋白質(zhì)、腐殖酸、核酸、脂質(zhì)等生物大分子組成的復(fù)雜高分子聚合物，也是微生物識(shí)別、吸附和去除有機(jī)污染物的重要屏障，其具有親疏水性、帶電性、吸附性、生物降解性及氧化還原性等特性。

　　目前，已有研究多集中在EPS提取測(cè)定方法的改進(jìn)、官能團(tuán)組成和性質(zhì)，及其對(duì)有機(jī)污染物的去除和作用機(jī)理研究。其中作用機(jī)理主要涉及物理作用(吸附)、化學(xué)作用(還原)和生物降解(生物酶解)，而在分子水平的有機(jī)污染物去除調(diào)控機(jī)理方面仍缺少系統(tǒng)性研究報(bào)道。

　　EPS合成及有機(jī)物降解均受信號(hào)分子和群體感應(yīng)調(diào)控，是強(qiáng)化污染物去除的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)外界因素調(diào)控EPS去除有機(jī)污染物的關(guān)鍵是識(shí)別出EPS與有機(jī)污染物作用的關(guān)鍵組分。

　　EPS分子具有復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)狀空間結(jié)構(gòu)，化合物受體蛋白(識(shí)別有機(jī)污染物)、跨膜蛋白(運(yùn)輸有機(jī)污染物)及其群體感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)貫穿其中，但微生物如何進(jìn)行污染物識(shí)別、分子群體感應(yīng)調(diào)控降解方面的系統(tǒng)性報(bào)道不多。

　　對(duì)此，筆者綜述了微生物聚集體中EPS對(duì)不同有機(jī)物的去除作用、群體感應(yīng)調(diào)控機(jī)理及其與微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以期對(duì)生物強(qiáng)化去除有機(jī)物提供指導(dǎo)。

　　01

　　胞外聚合物(EPS)的組成和性質(zhì)

　　EPS由多糖(PS，40%~95%)、蛋白質(zhì)(PN，1%~60%)、腐殖質(zhì)(HS)、核酸(1%~10%)、脂質(zhì)(1%~10%)等大分子物質(zhì)組成(均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))。

　　胞外PS由多種同聚糖(如葡聚糖、果聚糖等)和異聚糖(藻酸鹽、鞘氨醇膠等)組成。胞外PN含胞外酶和結(jié)構(gòu)蛋白，其中結(jié)構(gòu)蛋白包括細(xì)胞表面相關(guān)蛋白和碳水化合物-結(jié)合蛋白。

　　此外，EPS中的PN和PS還會(huì)以糖綴合物(糖肽、糖蛋白、糖脂等)的形式存在。HS由腐殖酸(HA)、富里酸(FA)和腐黑質(zhì)組成。

　　EPS中含碳物質(zhì)比含氮物質(zhì)合成更新速度更快，如含氧烷基物質(zhì) > 含酰胺基物質(zhì) > 含α碳物質(zhì) > 含脂肪族碳物質(zhì)，即多糖 > 蛋白質(zhì) > 腐殖質(zhì)或脂質(zhì)類。

　　根據(jù)EPS與細(xì)胞表面的連接程度及提取方法，其外層到內(nèi)層可分為可溶型EPS(SOL-EPS)、松散結(jié)合型EPS(LB-EPS)及緊密結(jié)合型EPS(TB-EPS);根據(jù)是否形成水凝膠，EPS分為水凝膠EPS和非水凝膠EPS。

　　其中，水凝膠EPS又稱結(jié)構(gòu)EPS(Structural EPS，SEPS)，其有機(jī)組成和離子特征決定了污泥性質(zhì)。EPS具有親疏水性、帶電性、吸附性、生物降解性及氧化還原性等特性。該特性決定了污水處理出水質(zhì)量、污染物降解程度、活性污泥的沉降和脫水性能等。

　　02

　　EPS是難降解有機(jī)物進(jìn)入微生物細(xì)胞的重要屏障

　　胞外多聚物是外源有機(jī)物進(jìn)入細(xì)胞和細(xì)胞間相互作用的重要通道，具有吸附有機(jī)物、持有降解底物的多種酶系、細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)、抵抗外源毒物、通過(guò)自身水解提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)等重要功能。

　　2.1有機(jī)污染物的胞內(nèi)外吸附降解作用

　　根據(jù)有機(jī)污染物在細(xì)胞吸附降解的位置，有機(jī)污染物去除可分為三種方式：

　　(1)胞外處理，即EPS攔截有機(jī)物，胞外酶在胞外直接吸附或降解有機(jī)污染物生成代謝物/副產(chǎn)品。如煙曲霉(Aspergillusfumigatus)在去除蒽時(shí)主要作用就是胞外酶(木質(zhì)素過(guò)氧化物酶)代謝。

　　(2)沿程處理，即有機(jī)污染物在細(xì)胞膜EPS層吸附，同時(shí)在胞外酶、周質(zhì)酶、胞質(zhì)酶作用下沿程降解。如微生物去除石油烴過(guò)程中，其周質(zhì)酶、胞質(zhì)酶和胞外酶都參與生物降解，只是不同底物的酶活性不同。

　　(3)胞內(nèi)處理，即污染物進(jìn)入胞內(nèi)，由胞內(nèi)酶代謝后排出。如白腐真菌Trametes hirsuta可吸收布洛芬、吲哚美辛、酮洛芬和萘普生，由胞內(nèi)酶(細(xì)胞色素c、P450等)將其代謝后排出細(xì)胞。

　　值得注意的是，毒性物質(zhì)或生物大分子(如外源DNA抗性基因)可修飾后穿透EPS和細(xì)胞膜，比如環(huán)境系統(tǒng)中取代芳香族污染物可協(xié)助抗生素抗性基因(ARG)繞開(kāi)細(xì)胞外核酸內(nèi)切酶對(duì)于外源ARGs的降解，穿透EPS可滲透屏障進(jìn)入細(xì)胞，促進(jìn)ARG在細(xì)胞間傳播。即當(dāng)EPS不能有效攔截有機(jī)污染物時(shí)，會(huì)存在細(xì)胞毒性風(fēng)險(xiǎn)。

　　此外，外界環(huán)境條件變化時(shí)，微生物可將胞內(nèi)處理有機(jī)物模式調(diào)節(jié)為胞外處理。如Yanxia Zhu等發(fā)現(xiàn)環(huán)境中高濃度CO2可促進(jìn)鈍頂節(jié)旋藻(Arthrospira platensis)胞外EPS含量提升，增強(qiáng)EPS吸附苯酚量，致使跨膜擴(kuò)散(被動(dòng)運(yùn)輸)進(jìn)入細(xì)胞的苯酚量下降，同時(shí)胞外酚羥化酶活性升高112.7%，最終苯酚降解由胞內(nèi)轉(zhuǎn)移至胞外。

　　2.2有機(jī)污染物代謝的多重誘導(dǎo)調(diào)控作用

　　微生物細(xì)胞可感知化學(xué)物質(zhì)、pH、滲透壓、溫度和氧化還原電勢(shì)等外界環(huán)境因素及其梯度變化。有機(jī)污染物通過(guò)結(jié)合胞外化合物受體蛋白、跨膜蛋白，誘導(dǎo)調(diào)控趨化、跨膜運(yùn)輸和微生物胞外EPS合成(生物表面活性劑、胞外多糖)、有機(jī)物降解酶基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)，促進(jìn)有機(jī)污染物吸附降解。

　　(1)趨化。是指細(xì)菌適應(yīng)化學(xué)物質(zhì)濃度梯度做出運(yùn)動(dòng)改變，即化學(xué)效應(yīng)分子與細(xì)胞膜表面的化學(xué)受體蛋白專一性結(jié)合，經(jīng)趨化信號(hào)傳導(dǎo)，細(xì)菌呈現(xiàn)趨向高濃度的正向運(yùn)動(dòng)或低濃度的負(fù)向運(yùn)動(dòng)。化學(xué)趨化受體蛋白在細(xì)菌和古菌中保守存在，具有特異性和膜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其趨化特征為：

　　a. 底物誘導(dǎo)。外源有機(jī)污染物、次級(jí)代謝產(chǎn)物和信號(hào)分子均可誘導(dǎo)化學(xué)趨化。很多細(xì)菌只對(duì)可降解底物具有趨化性，如假單胞菌Pseudomonas sp. JHN只對(duì)能代謝的4-氯-2-硝基酚具有趨化性，對(duì)不能代謝的底物沒(méi)有趨化性。多氯聯(lián)苯降解菌Pseudomonas sp. B4經(jīng)中間代謝產(chǎn)物聯(lián)苯或苯甲酸誘導(dǎo)培養(yǎng)后，對(duì)苯甲酸和4-氯代苯甲酸具有趨化作用。

　　b. EPS合成或鞭毛控制。細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)方向由鞭毛控制;相反，當(dāng)其需要減少運(yùn)動(dòng)時(shí)，則強(qiáng)化合成EPS加速在載體表面的粘附。該趨化過(guò)程通常由不同的化學(xué)感應(yīng)途徑(chemosensory path-way)完成，如粘球菌Myxococcus xanthus通過(guò)Dif途徑控制細(xì)胞外多糖的產(chǎn)生和脂質(zhì)的趨化性。水稻細(xì)菌性谷枯病菌(Burkholderia glumae)的QS(群體感應(yīng))基因qsmR可調(diào)控鞭毛方向基因的表達(dá)。霍亂弧菌(Vibrio cholerae)的CAI-1群體感應(yīng)系統(tǒng)受菌群趨化Ⅲ類蛋白簇表達(dá)控制，其不同生長(zhǎng)期的細(xì)胞形態(tài)、EPS和運(yùn)動(dòng)受c-di-GMP(環(huán)二鳥(niǎo)苷酸)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。

　　c. 促進(jìn)生物利用和降解。細(xì)菌通過(guò)正向化學(xué)趨化過(guò)程促進(jìn)對(duì)高疏水性和低底物利用性有機(jī)污染物的降解。比較惡臭假單胞菌G7的趨化性和非趨化性菌株發(fā)現(xiàn)，有機(jī)污染物在非水相液體(NAPL)中時(shí)，趨化會(huì)增加萘的降解和生物利用度。

　　d. 雙向性(Biphasic chemotaxis)。細(xì)菌隨外界環(huán)境中有機(jī)污染物濃度變化呈正向或負(fù)向運(yùn)動(dòng)。如吲哚濃度 < 1 mmol/L時(shí)大腸桿菌E. coli僅負(fù)向驅(qū)動(dòng)(驅(qū)避劑反應(yīng))，吲哚濃度≥1 mmol/L時(shí)其由負(fù)向到正向驅(qū)動(dòng)(吸引劑反應(yīng))的時(shí)間依賴性反轉(zhuǎn)。

　　(2)跨膜運(yùn)輸。跨膜蛋白是貫穿整個(gè)磷脂雙層的內(nèi)在膜蛋白，其兩端分別暴露于細(xì)胞膜的外部和內(nèi)部，在細(xì)胞與環(huán)境之間交換物質(zhì)、能量和信息。許多微生物在降解難溶性有機(jī)污染物時(shí)會(huì)由QS誘導(dǎo)產(chǎn)生不同的乳化劑和表面活性劑(如糖脂、脂肽、離子脂質(zhì)、中性脂質(zhì)和聚合生物表面活性劑)，其中表面活性劑也可降低乳液表面張力起乳化作用，改善細(xì)菌運(yùn)動(dòng)性和跨膜蛋白表達(dá)。

　　細(xì)胞跨膜蛋白在微生物對(duì)PAHs(多環(huán)芳烴)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的作用至關(guān)重要，其原因在于典型的跨膜蛋白內(nèi)部主要由疏水性β-折疊組成，兩親性α-螺旋主要分布在其外圍，α- 螺旋可促進(jìn)表面活性劑聚集和細(xì)胞膜的磷脂雙層融合形成混合的膠束，改變細(xì)胞膜的三級(jí)結(jié)構(gòu)和構(gòu)象，而β-折疊促進(jìn)了表面活性劑插入磷脂雙層，以加速PAHs向細(xì)胞內(nèi)部轉(zhuǎn)運(yùn)，增強(qiáng)細(xì)菌與生物膜對(duì)污染物的利用率與降解潛能。

　　(3)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。轉(zhuǎn)錄調(diào)控是調(diào)控細(xì)菌基因表達(dá)以適應(yīng)不斷變化環(huán)境條件的基本機(jī)制之一。在自然界中，變構(gòu)轉(zhuǎn)錄因子aTF(allosteric transcription factor)可識(shí)別抗生素、一級(jí)或二級(jí)代謝產(chǎn)物、群體感應(yīng)信號(hào)分子或外源有機(jī)污染物。與細(xì)菌的經(jīng)典分解代謝操縱子相反，大多數(shù)控制外源有機(jī)物生物利用的蛋白以轉(zhuǎn)錄激活因子的形式出現(xiàn)(CatM除外，它是一種抑制因子)，如萘降解是受單一蛋白質(zhì)NahR控制的。除了轉(zhuǎn)錄因子(TFs)介導(dǎo)，基因轉(zhuǎn)錄還受細(xì)胞生理狀況決定的全局調(diào)控因子調(diào)節(jié)。

　　03

　　EPS與有機(jī)污染物間的作用機(jī)理

　　EPS去除有機(jī)污染物機(jī)理包括物理作用(吸附及分配)、化學(xué)作用(還原及電化學(xué)還原)和生物作用(胞外酶降解)。已報(bào)道的有機(jī)污染物主要集中在芳香烴(芘、菲)、染料〔甲苯胺藍(lán)(TB)、堿性藍(lán)54(BB54)和抗生素(磺胺類抗生素、四環(huán)素)、三氯生等。

　　部分代表性污染物及其EPS去除機(jī)制及檢測(cè)手段見(jiàn)表 1。

　　表 1 EPS去除有機(jī)物機(jī)制及檢測(cè)手段

　　3.1EPS與有機(jī)污染物之間的物理作用(分配/吸附作用)

　　(1)分配作用。指水或廢水中有機(jī)污染物溶入EPS生物大分子中的分配過(guò)程。該吸附可逆，與表面吸附位無(wú)關(guān)，只與溫度或有機(jī)物溶解度有關(guān)。如EPS中糖脂(由無(wú)色菌PS1、芽孢桿菌SLDB1、銅綠假單胞菌S5產(chǎn)生)、脂肽(由蒼白桿菌產(chǎn)生)作為表面活性劑可以強(qiáng)化PAHs的增溶作用，促進(jìn)PAHs向微生物細(xì)胞的傳質(zhì)。由葡萄糖和半乳糖組成的胞外多糖具有生物乳化活性(由陰溝腸桿菌TU釋放)，可提高正十六烷生物利用度，促進(jìn)其降解。

　　(2)吸附作用。微生物EPS帶有大量電荷、極性基團(tuán)和疏水區(qū)域，為有機(jī)微污染物提供大量活性吸附位點(diǎn)，其涉及氫鍵、范德華力、靜電相互作用和疏水相互作用4種吸附作用力。

　　a. 疏水相互作用。疏水作用是疏水物質(zhì)(疏水官能團(tuán))之間存在疏水引力，有報(bào)導(dǎo)稱其是由吸附在疏水物質(zhì)表面的氣體(水蒸氣或溶解性氣體)相互聯(lián)通形成的納米氣泡橋引起。胞外PN中色氨酸和酪氨酸是具有強(qiáng)疏水側(cè)鏈的疏水氨基酸(含芳香環(huán))，可提供疏水吸附位點(diǎn)，通過(guò)氫鍵(含氨基、羥基)和疏水作用吸附污染物;HS含帶負(fù)電的羧酸基、酚酸基和疏水區(qū)域的碳骨架，可通過(guò)疏水作用結(jié)合污染物。目標(biāo)污染物的結(jié)構(gòu)差異可導(dǎo)致污染物在EPS上具不同的親和力和吸附效率。如EPS中的色氨酸、酪氨酸與磺酰胺類可通過(guò)疏水相互作用結(jié)合形成EPS-磺酰胺復(fù)合物，磺胺甲惡唑(SMX)側(cè)基空間位阻小，易占據(jù)更多吸附位，EPS吸附效率高，而磺胺嘧啶(SDZ)疏水作用差，不易接近EPS吸附位點(diǎn)，因此吸附效率低。

　　b. 靜電作用。靜電作用是帶正電的有機(jī)污染物與帶負(fù)電的EPS之間發(fā)生反應(yīng)的有效機(jī)制。靜電作用受pH和離子強(qiáng)度的影響，并與EPS離子化官能團(tuán)(如羧基、磷酸基團(tuán)、巰基和酚酸官能團(tuán))的含量和污染物帶電性有關(guān)。如甲苯胺藍(lán)(TB)可通過(guò)靜電作用吸附到EPS離子化官能團(tuán)上，且pH為11.0時(shí)污泥EPS對(duì)TB的結(jié)合力大于pH為7.0時(shí)。這是因?yàn)楫?dāng)pH為7.0時(shí)，僅羧基和磷酸基團(tuán)被電離;pH為11.0時(shí)，羧基、磷酸基、巰基、酚酸基團(tuán)大部分都被電離，且EPS分子在此pH下可水解斷裂糖蛋白中二硫鍵，增加帶電官能團(tuán)。

　　c. 氫鍵。氫鍵是電負(fù)性大、半徑小的原子(如O、N、F)之間以H原子為媒介形成類似價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)，具方向性、可逆性和加和性。污染物與EPS之間可通過(guò)氫鍵結(jié)合，如四環(huán)素與好氧顆粒污泥EPS的蛋白質(zhì)和腐殖酸可通過(guò)氫鍵和范德華力形成復(fù)合物。

　　通常EPS與污染物之間多種相互作用同時(shí)存在，而且隨外界條件(pH、離子強(qiáng)度、官能團(tuán)種類和結(jié)構(gòu))變化其作用機(jī)制也發(fā)生變化。EPS強(qiáng)疏水性、吸附位點(diǎn)多及吸附力強(qiáng)使其去除率更高。EPS與有機(jī)物之間的吸附結(jié)合機(jī)理具有相似性和差異性，如何找出這些差異的來(lái)源從而通過(guò)控制EPS與有機(jī)物作用的關(guān)鍵組分的生成來(lái)實(shí)現(xiàn)提升EPS去除有機(jī)物的效率是問(wèn)題的關(guān)鍵。

　　3.2EPS與有機(jī)污染物之間的化學(xué)作用(還原及電化學(xué)還原)

　　EPS具有PS的半縮醛還原結(jié)構(gòu)，還原蛋白(細(xì)胞色素c、鐵氧化蛋白)，HS的醌、氮和硫等具有氧化還原活性或電子傳導(dǎo)性的成分。多種細(xì)菌EPS可以還原硝基芳烴(NAC)、鹵代烴和偶氮染料等含強(qiáng)吸電子官能團(tuán)(如硝基、鹵代基)的有機(jī)污染物。

　　(1)電化學(xué)活性菌EPS還原作用。電化學(xué)活性菌EPS具有電化學(xué)性質(zhì)，其導(dǎo)電物質(zhì)可通過(guò)電化學(xué)還原作用參與有機(jī)污染物的電子轉(zhuǎn)移。如典型電化學(xué)活性菌Shewanella oneidensis MR-1、Bacillus sp. WS-XY1和Pichia stipites的EPS具有電化學(xué)活性，具體表現(xiàn)為：

　　(a)細(xì)胞被EPS覆蓋時(shí)，直接胞外電子轉(zhuǎn)移(Extracellular electron transfer，EET)減弱;

　　(b)EPS中儲(chǔ)存的電化學(xué)活性物質(zhì)(黃素和細(xì)胞色素c)可作為電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)維持細(xì)胞與電子供體/受體間隙中高濃度電子穿梭，因此間接EET電子傳遞加強(qiáng);

　　(c)當(dāng)EPS被提取后，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞表面蛋白失活而失去EET作用。Mtr呼吸通路是有機(jī)污染物胞外生物轉(zhuǎn)化的主要電子傳遞途徑，如希瓦氏菌MR-1可通過(guò)細(xì)胞色素c(MtrC/OmcA)直接還原或通過(guò)胞外電子介體(黃素)間接還原對(duì)萘酚綠染料脫色;腐殖酸HS除了可作為電子轉(zhuǎn)移瞬時(shí)介質(zhì)，也可作為直接電子供體，參與偶氮染料、鹵代物、硝基芳香族化合物等污染物的還原過(guò)程，因此增加HS含量會(huì)增加電化學(xué)反應(yīng)途徑，促進(jìn)苯并芘利用度和降解速率;腐黑質(zhì)可同時(shí)充當(dāng)電子受體和電子供體，參與微生物還原五氯苯酚脫鹵過(guò)程和胞外電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。

　　(2)非電化學(xué)活性菌EPS還原作用。非電化學(xué)活性的微生物在沒(méi)有外源電子供體的情況下，可利用EPS中還原性成分通過(guò)胞外電子轉(zhuǎn)移機(jī)制還原高氧化態(tài)污染物(如NAC、鉻酸鹽和高氯酸鹽)。

　　Fuxing Kang等發(fā)現(xiàn)，多種純培養(yǎng)微生物(大腸桿菌、黃孢原毛平革菌、釀酒酵母)和天然生物膜中提取的EPS能將1，3-二硝基苯(1，3-DNB)還原為3-羥氨基硝基苯和3-硝基苯胺。光譜分析1，3-二硝基苯反應(yīng)前后的EPS，結(jié)合Tollen檢驗(yàn)表明，EPS中鼠李糖的半縮醛基、脂多糖的不飽和脂肪鏈和酚基可作為還原劑，醌部分起電子穿梭作用。Xinwei Zhou等在研究非電活性細(xì)菌EPS還原NAC機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，無(wú)外源電子供體時(shí)細(xì)菌消耗EPS中還原糖的半縮醛基團(tuán)(主要電子供體)以產(chǎn)生電子，電子通過(guò)電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)(黃素和醌)傳遞到細(xì)胞外細(xì)胞色素，再傳遞到細(xì)胞內(nèi)氧化還原活性蛋白還原NAC。

　　3.3EPS與有機(jī)污染物之間的生物作用(酶生物降解)

　　EPS中胞外酶主要包括胞外水解酶和氧化還原酶，其活性可影響有機(jī)污染物(染料、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、有機(jī)磷類等)降解速率。

　　(1)胞外水解酶：主要包括碳水化合物水解酶(如淀粉酶、纖維素酶)、蛋白水解酶、酯酶、磷酸酶、植酸酶、脂肪酶等，可水解糖基、酰胺和酯官能團(tuán)。如活性污泥EPS中提取的酶可催化水解β-酰胺和達(dá)普霉素;類產(chǎn)堿假單胞菌的角質(zhì)酶(PpCutA)和海洋假單胞菌的酯酶(PpelaLip)可水解各種不同結(jié)構(gòu)聚酯類污染物。

　　(2)胞外氧化還原酶：主要包括非特異性過(guò)氧化物酶，如P450、漆酶、過(guò)氧化氫酶、木質(zhì)素過(guò)氧化物酶(LiP)、錳過(guò)氧化物酶(MnP)等。真菌產(chǎn)生的非特異性過(guò)氧化酶(P450單加氧酶、血紅素過(guò)氧化物酶)的催化活性與胞內(nèi)單加氧酶功能相近，可氧化大部分EPA優(yōu)先有機(jī)污染物。

　　Chunyun Jia等將菌膠團(tuán)(Zoogloea sp.)提取的EPS用于降解土壤中芘，結(jié)果表明EPS中檢測(cè)出的漆酶、多酚氧化酶、過(guò)氧化氫酶〔活性分別為(0.41±0.04)U/L、(59.67±3.51)U/L、(55.05±1.13)U/L在芘降解中起著重要的作用。姜春陽(yáng)發(fā)現(xiàn)加入EPS后，分支桿菌對(duì)芘和苯并[a]芘降解率分別提升了9%和6%，毛霉菌對(duì)芘、苯并[a]芘的降解率分別提升了9%和5%，蛋白質(zhì)譜發(fā)現(xiàn)EPS中存在PAHs關(guān)鍵降解酶。真菌可釋放胞外漆酶(活性達(dá)90~100 U/L)分解染料，不同染料分解機(jī)制不同，如漆酶可直接氧化蒽醌，而漆酶與偶氮和靛藍(lán)相互作用受小分子代謝物調(diào)節(jié)。木腐真菌胞外LiP可降解大于90%的酚類污染物。

　　EPS與有機(jī)物之間的物理、化學(xué)和生物作用各自貢獻(xiàn)比例報(bào)道較少。已有研究發(fā)現(xiàn)粘著劍菌En-sifer adhaeren去除多氯聯(lián)苯(PCB)時(shí)，最初生物吸附起主要作用，而隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)生物降解作用越來(lái)越重要，且生物降解與LB-EPS中多糖和酶活性成正相關(guān)。未來(lái)是否可采用模式化合物替代EPS中相關(guān)作用組分，考察其與污染物降解相關(guān)作用關(guān)系，并準(zhǔn)確構(gòu)建有機(jī)物代謝模型仍有待研究。

　　04

　　群體感應(yīng)調(diào)控有機(jī)污染物去除機(jī)理

　　群體感應(yīng)(QS)是細(xì)胞間的交流過(guò)程，即細(xì)菌可通過(guò)分泌和感應(yīng)特定的化學(xué)物質(zhì)(信號(hào)分子)并調(diào)節(jié)基因表達(dá)來(lái)調(diào)控群體密度。QS可以調(diào)節(jié)生物膜的形成、生物表面活性劑的產(chǎn)生、胞外多糖的合成、水平基因轉(zhuǎn)移、代謝基因表達(dá)、運(yùn)動(dòng)性和趨化性等相關(guān)的基因表達(dá)。

　　4.1調(diào)控有機(jī)污染物降解基因

　　許多細(xì)菌同時(shí)具有QS〔酰基高絲氨酸內(nèi)酯/自誘導(dǎo)物(AHL/AI)合成酶基因系統(tǒng)和芳烴降解〔芳香環(huán)羥化雙加氧酶(RHD)基因系統(tǒng)。

　　如銅綠假單胞菌CGMCC1.860具有rhl QS系統(tǒng)，其產(chǎn)生的HHL(己酰基-L-高絲氨酸內(nèi)酯)和BHL(丁酰基-L-高絲氨酸內(nèi)酯)參與調(diào)控苯酚降解。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，CGMCC1.860 rhl QS系統(tǒng)正調(diào)控nahH〔編碼兒茶酚2，3-雙加氧酶(C23O)的基因和nahR(轉(zhuǎn)錄激活因子)，促進(jìn)鄰二苯酚間位裂解途徑及芳香烴生物降解。銅綠假單胞菌PAO的LasI-和RhlI-控制3OC12-HSL和C4-HSL產(chǎn)生，其信號(hào)受體為L(zhǎng)uxR-(LasR、RhlR、QscR)，LuxR同源依賴型AHLs(C10-HSL)控制ant操縱子的轉(zhuǎn)錄激活子，ant操縱子編碼鄰氨基苯甲酸鹽降解成三羧酸循環(huán)中間體的酶，AHLs影響污染物降解和能量代謝。

　　此外，新鞘氨醇桿菌ERW19含novR1/novI1和novR2/novI2 QS系統(tǒng)，其依賴這兩個(gè)QS系統(tǒng)激活微囊藻毒素(MC)降解基因(mlrA)轉(zhuǎn)錄從而正調(diào)控MC降解。

　　4.2調(diào)控EPS成分促進(jìn)有機(jī)物降解

　　群體感應(yīng)信號(hào)分子通過(guò)調(diào)控EPS產(chǎn)生間接促進(jìn)有機(jī)污染物降解(見(jiàn)表 2)，即信號(hào)分子調(diào)控EPS的組分(胞外蛋白、胞外多糖、鼠李糖脂等)變化促進(jìn)污染物降解。

　　表 2 調(diào)控有機(jī)污染物去除和EPS合成的AHLs基因情況

　　(1)促進(jìn)生物膜形成和PS/PN合成。與懸浮細(xì)胞相比，生物膜中的微生物可抵抗外界有毒化學(xué)環(huán)境、pH波動(dòng)等的不利影響，共享群體感應(yīng)和代謝產(chǎn)物，因此加速了有機(jī)物降解。

　　Xi Tang等運(yùn)用代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化中AHLs主要通過(guò)增加Ala(丙氨酸)、Val(纈氨酸)、Glu(谷氨酸)、Asp(天冬氨酸)和Leu(亮氨酸)等氨基酸含量來(lái)促進(jìn)細(xì)胞外蛋白的生成，從而促進(jìn)生物膜/EPS的合成以強(qiáng)化十六烷、硝基苯、甲苯等有機(jī)物的去除。Yue Gu等向乳酸菌(Lactobacillus plantarum)中添加不同濃度的AI-2促進(jìn)了EPS產(chǎn)生。這是因?yàn)閘amC(編碼多糖水解酶基因)編碼的蛋白質(zhì)可水解各種多糖，對(duì)β-(1，3)-和β-(1，6)-連接的葡聚糖底物表現(xiàn)出酶活性，而對(duì)β-(1，4)-連接的葡聚糖和木聚糖底物表現(xiàn)出內(nèi)生酶活性，ftsH(編碼膜蛋白降解酶基因)相關(guān)的FtsH蛋白普遍存在于膜上，可降解膜蛋白;AI-2可抑制lamC和ftsH的基因表達(dá)以促進(jìn)EPS產(chǎn)生與生物膜的形成。

　　(2)促進(jìn)蛋白酶表達(dá)。水解酶在水解復(fù)雜有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物礦化方面起重要作用，如Pantoea ana-natis B9產(chǎn)生的6種AHLs(C4-HSL、3OC6-HSL、C6-HSL、C10-HSL、C12-HSL和C14-HSL)均可增強(qiáng)胞外水解酶(堿性磷酸酶)的活性;菊歐文氏菌(Erwinia chrysanthemi)具有ExpI/ExpR群感系統(tǒng)，其產(chǎn)生的3OC6-HSL可控制蛋白酶合成;嗜水氣單胞菌具有AhyI/AhyR系統(tǒng)，其產(chǎn)生的C4-HSL可控制絲氨酸蛋白酶和金屬蛋白酶生產(chǎn)。

　　(3)促進(jìn)表面活性劑合成。表面活性劑是促進(jìn)細(xì)菌吸附、吸收和跨膜運(yùn)輸有機(jī)物的關(guān)鍵物質(zhì)，而AHLs可通過(guò)影響細(xì)胞表面活性、疏水性和乳化活性提高生物吸附和降解性能。如銅綠假單胞菌可通過(guò)產(chǎn)生胞外鼠李糖脂(糖脂)增加疏水性化合物的利用率，強(qiáng)化制藥、食品、油污等行業(yè)的生物修復(fù)。

　　當(dāng)外源C4-HSL存在時(shí)，銅綠假單胞菌N6P6細(xì)胞表面疏水性為51.33%(無(wú)AHLs的空白組比例為35.33%)，菲的降解率提升到93.3%(而空白組僅為85.6%)。銅綠假單胞菌調(diào)節(jié)該鼠李糖脂合成的主要QS系統(tǒng)是las、rhl和pqs系統(tǒng)，具體調(diào)控過(guò)程為：首先，RhlI合成酶產(chǎn)生信號(hào)分子C4-HSL;之后，C4-HSL與RhlR結(jié)合，激活rhlAB(鼠李糖脂合成酶)基因轉(zhuǎn)錄，從而在細(xì)菌穩(wěn)定生長(zhǎng)階段啟動(dòng)鼠李糖脂的生物合成。

　　此外，QS調(diào)節(jié)有機(jī)物降解過(guò)程和機(jī)理具有菌種特異性和復(fù)雜性。如群體感應(yīng)菌Novosphingobium pentaromativorans US6-1具有novI/novR-QS系統(tǒng)，novI/novR突變后，大多數(shù)PAH降解酶(初始酶RHD、4-羥基苯甲酸酯-3-單加氧酶和水楊醛脫氫酶)基因豐度上調(diào)，但EPS產(chǎn)量下調(diào)，菲去除率上升。

　　總體來(lái)講，AHLs調(diào)控EPS產(chǎn)生促進(jìn)污染物降解的作用機(jī)理仍不完善，目前僅限于了解AHLs是通過(guò)促進(jìn)鼠李糖脂、胞外酶的產(chǎn)生而促進(jìn)了污染物降解，但EPS其他組分是否及如何參與污染物生物降解仍不清晰。未來(lái)有待采用分子生物學(xué)技術(shù)(基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、糖組學(xué)、代謝組學(xué))進(jìn)一步揭示EPS的具體組分(氨基酸、單糖)及其功能，為廢水生物處理中AHL調(diào)控有機(jī)污染物降解提供理論指導(dǎo)。

　　4.3調(diào)控微生物運(yùn)動(dòng)與趨化

　　QS可調(diào)節(jié)細(xì)菌運(yùn)動(dòng)性，此功能為降解污染物或利用細(xì)菌進(jìn)行生物修復(fù)提供了更快的方法。如rhlI可調(diào)節(jié)銅綠假單胞菌的集群運(yùn)動(dòng)，QS基因qsmR可調(diào)控Burkholderia glumae鞭毛方向基因的表達(dá)，E. coli K-12表現(xiàn)出趨向AI-2的趨化運(yùn)動(dòng)。張祥武在研究大腸桿菌密度感應(yīng)調(diào)節(jié)子C(Quorum sen-sing E.coli regulator C，QseC)在生物材料植入感染中的作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌QseC可以通過(guò)調(diào)控細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)性調(diào)節(jié)細(xì)菌生物膜形成。當(dāng)細(xì)胞感覺(jué)到載體表面，QS基因rhl開(kāi)始表達(dá)調(diào)控產(chǎn)生EPS和表面活性劑，以促進(jìn)PAH溶解和進(jìn)入細(xì)胞，并通過(guò)鞭毛控制微生物趨化，形成生物膜和加速PAH降解。

　　4.4調(diào)控微生物水平基因轉(zhuǎn)移

　　細(xì)菌群落間經(jīng)常發(fā)生水平基因轉(zhuǎn)移(HGT)或細(xì)菌間遺傳物質(zhì)橫向轉(zhuǎn)移，而群體感應(yīng)可通過(guò)兩種方式HGT調(diào)控有機(jī)物降解：

　　(1)當(dāng)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座子上攜帶編碼降解外源污染物的分解代謝基因時(shí)，細(xì)胞通過(guò)QS調(diào)控DNA釋放和轉(zhuǎn)化以強(qiáng)化污染物降解。QS基因rhl對(duì)生物膜中基因轉(zhuǎn)移起重要作用，rhlR負(fù)責(zé)胞外DNA釋放，并和comX相互作用，comX則負(fù)責(zé)細(xì)胞對(duì)細(xì)胞外DNA的吸收和轉(zhuǎn)化。

　　(2)AHLs位于可移動(dòng)遺傳元件(Mobile genetic elements，MGE)，如質(zhì)粒、細(xì)胞外DNA、噬菌體等。其相關(guān)基因本身可在不同細(xì)菌間轉(zhuǎn)移、交流，加速HGT，增強(qiáng)生物膜群落中的生物降解，生物膜中細(xì)胞質(zhì)粒染色體轉(zhuǎn)化效率比游離態(tài)細(xì)胞的轉(zhuǎn)化率高10~600倍。

　　4.5調(diào)控優(yōu)化微生物生長(zhǎng)及群落結(jié)構(gòu)

　　4.5.1 純菌體系

　　純菌體系中QS系統(tǒng)受控于外界環(huán)境條件、外源有機(jī)物或其中間代謝產(chǎn)物，對(duì)污染物降解基因表達(dá)進(jìn)行正調(diào)控或負(fù)調(diào)控。外源有機(jī)污染物脅迫時(shí)，細(xì)胞生存最大化策略優(yōu)先于代謝策略，具體調(diào)控方式為：

　　(1)能量代謝調(diào)控。銅綠假單胞菌具有降解多種有機(jī)化合物(如聯(lián)苯、原油和多環(huán)芳烴)的能力，其具有l(wèi)asI/lasR和rhlI/rhlR群感系統(tǒng)，其中，依賴Rhl的QS可控制許多芳香烴的分解代謝基因表達(dá)。

　　在銅綠假單胞菌中，色氨酸降解過(guò)程中生成鄰氨基苯甲酸，其可通過(guò)喹諾酮(PQS)生物合成途徑直接激活假單胞菌喹諾酮信號(hào)，或通過(guò)ant-cat途徑轉(zhuǎn)移至能量產(chǎn)生。另?yè)?jù)報(bào)道，氧化應(yīng)激誘導(dǎo)劑百草枯(農(nóng)藥、有機(jī)污染物)暴露下，大腸桿菌可增加還原型輔酶Ⅱ(NADPH)產(chǎn)量，同時(shí)減少還原型輔酶Ⅰ(NADH)的產(chǎn)生。

　　(2)下調(diào)代謝基因轉(zhuǎn)錄。群感菌RshUS6-1的rsh基因雖然負(fù)調(diào)控多環(huán)芳烴降解相關(guān)的基因表達(dá)，但可促進(jìn)細(xì)菌適應(yīng)環(huán)境壓力和提升其生存能力，因此間接提高細(xì)菌降解多環(huán)芳烴的效率。

　　(3)猝滅信號(hào)分子。分解代謝途徑的某些酶或中間代謝物表現(xiàn)為群體猝滅劑，可猝滅信號(hào)分子及抑制群體感應(yīng)。如芳烴降解過(guò)程中，Hod環(huán)裂解酶可以裂解PQS。

　　(4)全局調(diào)控。如BkdR為支鏈酮酸脫氫酶的轉(zhuǎn)錄激活劑，控制碳水化合物分解代謝酶，影響綠膿素合成，調(diào)節(jié)喹諾酮信號(hào)(PQS)QS系統(tǒng)，通過(guò)自溶作用釋放細(xì)胞外DNA，芳香化合物脅迫下，全局調(diào)節(jié)子crc可通過(guò)BkdR抑制細(xì)胞內(nèi)碳水化合物分解。

　　4.5.2 復(fù)雜群落體系

　　復(fù)雜系統(tǒng)中往往涉及細(xì)胞間的相互作用。由于微生物群落結(jié)構(gòu)和功能對(duì)AHLs很敏感，可以通過(guò)調(diào)控QS優(yōu)化群落結(jié)構(gòu)，共享新陳代謝途徑和優(yōu)化能量產(chǎn)生和消耗，促進(jìn)外源有機(jī)污染物的生物降解和礦化。

　　極少數(shù)情況下，單一細(xì)菌在外界環(huán)境壓力下可以進(jìn)化獲得降解污染物的所有代謝途徑，如假單胞菌Pseudomonas ADP持有降解阿特拉津的所有基因。

　　混合種群中，QS可以使某個(gè)種群對(duì)其他種群更有優(yōu)勢(shì)，即與帶有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系和防御機(jī)制的細(xì)菌共存時(shí)，有QS的細(xì)菌可以使競(jìng)爭(zhēng)性細(xì)菌停止或者緩慢生長(zhǎng)。

　　如向好氧顆粒污泥中外源添加由多種QS純菌中提取的AHLs混合液可誘導(dǎo)更多AHLs釋放，促進(jìn)氣單胞菌屬(Aeromonas)和假單胞菌屬(Pseudomonas)富集，提高污染物去除效果。

　　A. Valle等通過(guò)向活性污泥中外源添加AHLs(3O-C6-HSL和C6-HSL)加速了苯酚降解，且研究表明索氏菌屬(Thauera)的優(yōu)勢(shì)功能(苯酚組)被卡瑪單胞菌屬(Comomonas)(苯酚+AHLs組)取代，即AHLs介導(dǎo)了微生物群落變化。

　　未來(lái)如何尋找或組裝更快礦化外源有機(jī)物的群體感應(yīng)菌株組合，防止有毒中間產(chǎn)物的積累需要進(jìn)一步研究。

　　05

　　展望

　　隨著現(xiàn)代組學(xué)等分析手段的應(yīng)用，有機(jī)污染物胞外降解及調(diào)控機(jī)理研究得到進(jìn)一步拓展。但由于EPS組成成分和空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且含有不可溶解物質(zhì)，未來(lái)EPS分析方法及其生理學(xué)功能仍有待完善。

　　此外，有機(jī)物降解過(guò)程中的化學(xué)趨化、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和群體感應(yīng)調(diào)控機(jī)理仍有待深入研究。未來(lái)研究趨勢(shì)總結(jié)如下：

　　(1)識(shí)別EPS與有機(jī)污染物作用的關(guān)鍵組分，通過(guò)控制外界因素或生物作用來(lái)調(diào)節(jié)此類關(guān)鍵組分，提升EPS去除有機(jī)物的效率;采用模式化合物模擬EPS成分，構(gòu)建有機(jī)物代謝模型，并采用真實(shí)的廢水處理系統(tǒng)驗(yàn)證其有效性。

　　(2)關(guān)注QS對(duì)微生物去除污染物的調(diào)控機(jī)理，采用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)等發(fā)掘QS調(diào)控EPS合成的基因及具體組分，同時(shí)結(jié)合光譜技術(shù)檢測(cè)調(diào)控后EPS與污染物之間的作用基團(tuán)的變化，為精準(zhǔn)QS調(diào)控廢水生物處理中有機(jī)污染物降解提供有效途徑。

　　(3)研究復(fù)雜系統(tǒng)中應(yīng)用QS調(diào)控污染物降解的群落構(gòu)建機(jī)理。復(fù)雜系統(tǒng)中群落組成的變化和質(zhì)粒的水平轉(zhuǎn)移，QS菌、QQ菌和不產(chǎn)生不響應(yīng)信號(hào)分子的菌互相交流，致使其污染物去除機(jī)制更復(fù)雜，如何尋找或組裝更快礦化外源有機(jī)物的群體感應(yīng)菌株組合，防止有毒中間產(chǎn)物的積累仍有待進(jìn)一步研究，其將對(duì)實(shí)際廢水處理中有機(jī)物的去除具有重要意義。

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