第19卷第2期 污 染 防 治 技 术 Vo1.19,No.2 2 0 0 6年4月 P0LLUT10N CONTROL TECHNOLOGY Apr.,2 0 0 6 微囊藻毒素的生物降解综述 潘新朋,杨力力。陈晓国 (武汉理工大学资环学院,湖北武汉430070) 摘要:从微囊藻毒素降解菌、降解途径和影响降解的因素三方面,对国内外微囊藻毒素生物降解的研究现状及发展 趋势作一介绍。 关键词:微囊藻毒素;微囊藻毒素降解菌;生物降解 中图分类号:X172;X132 文献标识码:A Review on Study of Bi0degradati0n of Microcystins PAN Xin—peng,YANG Li—li,CHEN Xiao-guo (College of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan,Hubei 430070,China) Abstract:In this paper,the biodegradation of microcystins is reviewed including a discussion on microcystin-degrading bacte— ria,biodegradation pathway and its effect factors. Key words:microcystins;microcystin-degrading bacteria;biodegradation 前 言 素能在几天内被生物降解 。目前,已被证实能 微囊藻毒素(MC)是由蓝藻中的微囊藻属、鱼 够去除MC的方法主要有化学氧化、光催化、吸附、 腥藻属、颤藻属以及念珠藻属产生的一类环状七肽 过滤、生物降解等,其中生物降解是最为安全有效 肝毒素,其一般结构为环(D一丙氨酸一L—x一赤 的去除水体中蓝藻毒素的方法之一 。微生物去 一8一甲基一D异天冬氨酸一L—Y—Adda—D一 除MC具有低成本、安全性强、利于生态修复等优 异谷氨酸一N一甲基脱氢丙氨酸),其中Adda为一 点,是一种去除MC很有前途的方法。 种特殊的氨基酸,结构为3一氨基一9一甲氧基一 文中拟对国内外微囊藻毒素生物降解的研 2,6,8一三甲基一l0一苯一4,6一二烯酸,x及Y为 究现状及发展趋势作一介绍,主要从以下三个 两种可变的L氨基酸。MC能够通过抑制蛋白磷 方面:微囊藻毒素降解菌、降解途径和影响降解 酸酶(protein phosphatase)的活性,导致家畜和人类 的因素。 的急性中毒 ’ ;MC也是一种肿瘤促进剂,目前已 经发现人群中原发性肝癌的发病率与饮用水中的 l 可降解MC的微生物 微囊藻毒素含量有关 。而且,水体中的MC对不 1.1 混合茵对MC的降解 同类型的生物,从原生动物到鱼类都有毒性 。 由于自然水体和沉积物中普遍存在着大量能 水体中MC的浓度很少超过20 g/L,但在某些情 降解MC的细菌 ,国内外很早就开展了混合菌群 况下,浓度可达到l 800 g/L 。 对MC降解的研究。Cousins研究了自然混合菌群 由于MC是环状肽,化学性质非常稳定,其主 对MC—LR的生物降解,在实验室中用水库水对 要的归宿途径有吸附、生物富集、光降解及生物降 低浓度MC—LR(10 I ̄g/L)进行了实验,结果在不 解等。水体中的微囊藻毒素,由于生物学和某些非 到一周的时间内,MC—LR即发生降解,由于MC一 生物学机制(主要是光化学氧化)而逐步降解。大 量研究表明,对于水体中MC的归宿,微生物降解 收稿日期:2005—11—04 作者简介:潘新朋(1980一),男,河南洛阳人,武汉理工大学在 起着重要作用,Christoffersen发现水体中大多数毒 读硕士研究生,主要从事污水治理方面的研究工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com
28 污染防治技术 19卷 LR的毒性主要由肽环中的Adda基团引起,实验表 是铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa) 和鞘 氨醇单胞菌(Sphingomonas sp.) 两类,而且分离 明,在生物降解期间,这个基团发生了改变,因此可 能会导致其毒性的降低 ;吕锡武等采用序批式 生物膜反应器对3种MC进行了降解实验(初始浓 度均为数百la,g/L),经过24 h的好氧生物处理后, 3种毒素降解率都在90%以上 。由此可见,混 合菌群对MC有一定的降解能力,但并非其中所有 出的能降解MC的微生物都是好氧性微生物。 1.2.2 缺氧及厌氧性MC降解菌 实际上缺氧 和厌氧微生物在Mc的生物降解过程中同样发 挥着重要作用。吕锡武 ” 研究了好氧和缺氧 条件下序批式生物膜反应器对有毒蓝藻及其藻 毒素的去除,结果表明,在缺氧条件下对MC亦 的细菌都对MC有降解能力,Lathi测试了从湖水 和沉积物中分离的大量细菌菌株对MC的降解,发 现仅有17%的菌株有降解MC的能力 ;另一方 面也说明混合菌群能够降解MC,是因为其中存在 着能利用MC作为碳源和(或)氮源以及能源的微 生物。由于混合菌群对MC总体降解能力不高,所 以需要进一步分离出能够降解MC的纯菌株。 1.2 纯菌株对Mc的降解 1.2.1 好氧性MC降解菌 目前已经发现了多种 能够降解MC的微生物,研究工作以分离鉴定微生 物种类为主,而且分离出的纯菌株对MC的降解能 力有很大的提高。1994年,Jones首次从澳大利亚 的水体中分离出了MC降解菌,定名为MJ—PV, 16 S rRNA分析表明,MJ—PV属于鞘氨醇单胞菌 (Sphingomonas) 。随后,Park从日本的富营养 化的Suwa湖水中分离出了一种能降解MC—RR、 一YR、一LR的菌株Y2,Y2对MC—RR和LR的最 高降解速率分别达到每天13.0和5.4 mg/L,Y2 从表型上归为鞘氨醇单胞菌属,但16 S rDNA序列 分析表明,实际上它属于一个新的种,甚至新的属, 这需要作进一步的研究才能确定… 。而Ishii也 从日本的Suwa湖表面水样中分离出了能降解蓝藻 毒素的细菌7CY,研究表明,7CY能在4 d内完全 降解初始浓度均为6 mg/L的MC—LR、MC—LY、 MC—LW和MC—LF,它是一种革兰氏阴性、好氧 杆状菌,亦属鞘氨醇单胞菌属 。Takenaka等人 报道了在日本湖泊中分离出的一种MC降解菌,属 铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa),对MC— LR有降解能力,在初始浓度高达50 mg/L的情况 下,20 d后,MC—LR的去除率达90%以上,并判 断其中的碱性磷酸酶对藻毒素的降解有重要作 用 t4'。闫海从滇池底泥中分离出了5种菌种,但 未对其作属的鉴定。其中一种分离菌能在3 d内 可将初始浓度分别为60.1 mg/L和38,7 irlg/L的 MC—RR和MC—LR全部降解,降解速率分别达 20,0 mg/(L・d)和12.9 mg/(L・d) 。 目前,分离出的具有降解MC能力的菌株主要 有降解作用,但效率比好氧条件下低许多;此 外,Hoist也研究了渗滤池沉积物中微囊藻毒素 在各种溶解氧条件下的生物降解,发现在缺氧 条件下,加入硝酸盐能明显促进Mc的降解,在 一天的时间内,Mc从1 00 la,g/L降到20 la,g/L以 下,并发现有N,O的产生,说明发生了反硝化作 用,其结论是在缺氧、厌氧条件下,硝酸盐还原 作用是Mc生物降解的一个重要过程¨ 。由此 可见,在特定环境中,如溶解氧浓度较低的深水 和沉积物中,厌氧生物降解可能是Mc去除的一 个重要机制,然而,由于模拟厌氧环境较为困 难,故对Mc厌氧生物降解的研究报道较少,目 前有关Mc厌氧降解菌纯化方面的研究尚未 开展。 1.3 MC降解茵的分离培养基 在MC降解菌的分离过程中,选择合适的培养 基是很重要的,国内外分离MC降解菌所用的培养 基有多种,Ishii利用LB培养基和去除了葡萄糖和 NH CI并加入了MC(浓度为6 mg/L)的M9培养 基分离出了7CY菌株 ;Park利用含有20 mg/L 的MC—RR或MC—LR的肉汤营养培养基分离出 了Y2… ;闫海利用初始浓度分别约为50 mg/L和 30 rag/L的MC—RR和MC—LR的无机盐培养基 分离出了数种菌株 等。其中MC作为唯一碳源 或者作为唯一的碳源和氮源。 2 MC生物降解途径 目前有两种关于MC生物降解最初攻击点的 看法,Cousins利用自然混合菌群对水库水中的MC —LR作了最终降解实验,结果表明,MC—LR中的 Adda侧链是初始生物降解攻击的目标 ;Bourne 则认为降解MC的细菌酶首先攻击点应该是MC— LR中的Adda和精氨酸肽键 。 对于MC的生物降解,Jones认为其降解是由 于两种不同菌群的依次作用:一种能迅速地利用 MC—LR作为碳源和能源,另一种能共代谢剩余的 维普资讯 http://www.cqvip.com
2期 潘新朋等.微囊藻毒素的生物降解综述 29 低浓度MC—LR 。而Bourne认为MC—LR的降 解至少是由细胞内的3种水解酶促成的 。MC 生物降解酶的途径虽然没有完全阐明,但是已经发 现了几种与降解有关的酶。Bourne根据分子生物 学研究,认为MC的生物降解过程至少包括3种水 解酶:MIrA、MlrB及MlrC。在MIrA的催化作用下, MC~LR中的Adda—Arg(精氨酸)肽键被打断生 成线性的MC—LR,随后线性MC—LR被第二种水 解酶MlrB进一步分解成为四肽化合物,最后在第 3种水解酶的作用下,四肽水解成更小的肽和氨基 酸㈠ 。在3种水解酶中,类金属蛋白酶MIrA是 MC—LR降解最重要的酶,它能使稳定的MC—LR 开环,开环后生成的线性MC—LR分子活性比MC —LR降低了160倍,从而使母体毒性大大降低。 Harada在利用鞘氨醇单胞菌菌株B一9对MC—LR 进行生物降解过程中,分离出了完整的Adda基 团¨ ,说明MC—LR生物降解过程中产生了Adda 基团,这一结果为Bourne提出的降解途径提供了 重要的证据。 Bourne于2001年首次检测到菌株中的MIrA基 因,发现由MIrA基因编码的酶具有打开MC—LR 环状结构的特殊功能 。由于在DNA数据库中 未发现与MIrA相似的基因,所以该基因的起源和 功能特性尚未确定。Saito在鞘氨醇单胞菌MJ— PV中也检测到了MC降解基因MIrA,并在MC降 解菌MD一1和Y2中发现了与MIrA相似的基因, 尽管MIrA存在于MC降解菌中,但并非每一种鞘 氨醇单胞菌都拥有MIrA 。 尽管一些蛋白酶如胰岛素、胰凝乳蛋白酶、弹 性蛋白酶、凝血酶、木瓜蛋白酶、胶原酶、羧肽酶和 胃蛋白酶等能与MC—LR结构中的肽键发生特殊 反应,但MC对这些蛋白酶具有稳定性 ,这进一 步说明MC的生物降解是由一种特殊的酶促成的。 研究发现,天然的水细菌需要几天的滞后期才开始 降解MC—LR ,但当其适应MC—LR后,不需要 滞后期就开始降解MC—LR¨ ,这表明天然混合 菌中有些细菌转变成了具有特殊酶活性的MC降 解菌,其转变机理需要进一步阐明。 关于MC降解的最终产物,Hyenstrand利用放 射性同位素示踪法研究了水体中MC—LR的生物 降解,发现其最终矿化产物是CO … 。 3 影响生物降解的因素 为了更好地利用微生物降解MC,还需要了解 MC降解过程中的影响因素,为MC降解菌创造良 好的生长条件。 3.1 温度 温度是MC生物降解最主要的外部影响因子。 Park研究了Suwa湖中MC的归宿,发现在含有MC 的培养基中加入细菌后,几天内MC被完全降解, 在此过程中,温度对MC的降解率影响很大,最大 降解速率出现在30℃L 231。Hoist 1 7j和金丽娜 J 的实验也表明,在研究的温度范围内,提高反应温 度可以加快MC的生物降解反应速率。 3.2 溶解氧 水体中氧的含量也对MC的生物降解有影响, 吕锡武的实验表明,在溶解氧充足的条件下,生物 膜反应器去除MC的效率更高。这可能是由于MC 降解菌主要是好氧菌,充足的溶解氧能促进MC的 降解。溶解氧同样对MC的最终矿化率有影响, Hoist的实验表明,在含有微量氧的泥浆中,在两个 月内MC总体矿化率仅达到了12%,而在好氧的 泥浆中则高达40%… 。 3,3 细菌密度 Hoist研究了天然水体中影响MC生物降解的 因素,发现沉积物泥浆和水样中MC的矿化率受细 菌密度影响,金丽娜利用提取的微囊藻毒素试验溶 液,并加入滇池沉积物,研究了有氧条件下的生物 降解过程,实验表明,加入的沉积物量增加,MC生 物降解的滞后期便会缩短,降解速率会加快 。 3.4外加营养元素 Cousins报道了在沉积物中加入有机物和微生 物有机体条件下,能提高MC—LR的降解速率 , 而加入乙酸盐和葡萄糖可以消除滞后期,但是降解 速率同时会下降 ,这可能是由于细菌更容易以 所加的物质作为碳源。外加氮源或磷源对MC降 解的影响目前未见报道。 影响MC生物降解的因素较多,Hoist发现细 菌的活性也就是菌群与MC的前期接触是一个重 要的参数。其它可能的影响因素如pH值及渗透 压等是否对MC降解有影响,需要进行实验才能 确定 4 结 语 微生物降解MC往往存在一个滞后期 ,这 就延长了MC的生物降解时间,对于利用微生物来 处理MC是不利的。滞后期的存在可能与MC降 解菌的生长特性有关,因为在滞后期期间,微生物 维普资讯 http://www.cqvip.com
30 污染防治技术 19卷 需要适应新的生长条件和环境,调整相应的生长机 制,为生长作好准备,同时细胞内的基因开始转录。 在基因转录过程中,DNA转录产生mRNA,mRNA [9] COUSINS I T,BEALING D J,JAMES H A,et a1.Biodegrada・ tion of Microcystin・LR by Indigenous Mixed Bacterial Popula・ tions[J].Water Research,1996,30(2):481—485. [10] 吕锡武,稻森悠平,丁国际.有毒蓝藻及藻毒素生物降解的 初步研究[J].中国环境科学,1999,19(2):138—140. HYENSTRAND P,ROHRLACK T,BEATTIE K A,et a1.Labo. 启动各种活性酶的合成,细胞的生长节奏是由 mRNA而并不是DNA控制的,当微生物适应了新 的环境,生长就进入了“加速期”,开始快速降 解MC。 ratory Studies of Dissolved Radiolabelled Microcystin-LR in Lake Water[J].Water Research,2003,37:3 299—3 306. [12] JONES G J,BOURNE D G,ROBERT L.et a1.Degradation of 目前,国内外对MC的生物降解进行了一些研 究,在分离纯化可降解MC的微生物及降解途径等 方面取得了很大进展。但分离出的MC降解菌种 类还很有限,在微生物降解MC的生化和遗传机制 及MC厌氧降解途径等方面有待进一步研究,以便 更好地利用微生物降解MC。另一方面,对MC生 物降解可能生成的中间产物,特别是MC厌氧生物 降解生成的中间产物的鉴定,以及中间产物的毒理 学方面还需要作更多的研究,为利用微生物降解 MC的实际应用奠定基础。 [参考文献] BICHOFF K.The Toxicology of Microcystine-LR:Occurrence, Toxicokinetic,Toxicodynamics,Diagnosis and Treatment[J]. Vet Hum Toxico,2001,43(5):294—297. [2] POURIA S,ANDRADE A,BARBOSA J,et a1.Fatal Microcystin Intoxication in Haemodialysis Unit in Caruaru.Brazil[J].Lan- cet.1998,352:21—26. [3] UENO Y,NAGATA S,TSUTSUMI T,et a1.Detection of Micro- cystins.a Blue—green Algal Hepatotoxin,in Drinking Water Sampled in Haimen and Fusui,Endemic Areas of Primary Liver Cancer in China,by Highly Sensitive Immunoassay[J].Carci- nogenesis.1996,17:1 317—1 321. [4] CHRISTOFFERSEN K.Ecological Implications of Cyanobacteri- al Toxins in Aquatic Food Webs[J].Phycologia,1996.17:42— 50 [5] SIVONEN K.JONES G J.Cyanobacterial Toxins,Toxic Cya- nobacteria in Water a Guide to Their Public Health Conse. quences,Monitoring and Management[M].London,UK:E and FN Sport,1999.41—111 [6] CHRISTOFFERSEN K.LVCK S,WINDING A.Microbial Activ- ity and Bacterial Community Structure During Degradation of Microcystins[J].[刊名],2002,27(2):125—136. [7] ISHII H,NISHIJIMA M,ABE T.Characterization of Degradation Process of Cyanobacterial Hepatotoxins by a Gram-negative Aerobic Bacterium[J].Water Rrsearch,2004,38:2 667— 2 676. [8] CHRISTOFFERSEN K.LYCK S.WINDING A.Microbia1 Activ- ity and Bacterial Community Structure During Degradation of Microcystins[J].Aquat Micrub Ecol,2002,27:125—136. the Cyanobacterial Hepatotoxin Microcystin by Aquatic Bacteria [J].Natural Toxins,1994,2:228—235. [13] PARK H D,SASAKI Y,MARUYAMA T,et a1.Degradation of the Cyanobacterial Hepatotoxin Microcystin by a New Bacterium Isolated From a Hypertrophic Lake[J].Environ Toxicol,2001, 16:337—343. [14] TAKENAKA S,WATANABE M F.Microcystin・LR Degrada- tion by Pseudomonas Aeruginosa Alkaline Phosphatase[J]. Chemosphere,1997,34(4):749—757. [15] 闫海,邓义敏,邹华,等.降解微囊藻毒素菌种的筛选和 活性研究[J].环境科学,2004,25(6):49—53. [16] BOURNE D G,JONES G J,BLAKELEY R L,et a1.Enzymatic Pathway for the Bacterial Degradation of the Cyclic Peptide Tox・ in Microcystin LR[J].Applied and Environmental Microbiolo・ gY,1996,62(11):4 086—4 094. [17] HOLST T,NIELS O G J,CLAUS J,et a1.Degradation of Micro・ cystin in Sediments at Oxic and Anoxic,Denitrifying Conditions [J]Water Research,2003,37:4 748—4 760. [18] JONES G J,ORR P T.Release and Degradation of Microeystin Following Algaecide Treatment of a Microcystis Aeruginosa Bloom in a Recreational Lake.as Determined by HPLC and Pro- tein Phosphatase Inhibition Assay[J].Wat Res,1994,28(4): 871—876. [19] HARADA K,IMANISHI S,KATO H,et a1.Isolation of Adda from Microcystin-LR by Microbial Degradation[J].Toxicon, 2004,44:107—109. [20] BOURNE D G,RIDDLES P,JONES G J,et a1.Characterization of a Gene Cluster Involved in Bacterial Degradation of the Cya・ nobacterial Toxin Microcystin LR[J].Environ Toxicol,2001, 16:523—534. [21] SAITO T,OKANO K,PARK H D,et a1.Detection and Sequen- cing of the Microcystin LR-degrading Gene,MIrA,from New Bacteria Isolated from Japanese Lakes[J].FEMS Microbiology Letters.2003,229:271—276. 、 [22] SAITO T.Biodegradation of Cyanobacterial Toxin[A].Micro- cystin in Environment thesis[C].Ibaraki:University of Tsuku・ ba,2003. [23] PARK H D,YOKOVAMA A,OKINO T。et a1.Fate of Microcys- tin in Lake Suwa[J].Japanese Journal of Limnology,2001,62 (3):229—248. [24] 金丽娜,张维昊.滇池水环境中微囊藻毒素的生物降解[J]. 中国环境科学,2002,22(2) :189—192.
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