知识讲堂 | 探索奇妙微生物：自然环境中的生态医生

灰藻生物

关键词：#微生物降解| #酵母菌| #植物益生菌 | #细菌

| 引言

生物降解是一个自然过程，其通过微生物进行物质的分解，生物降解对于维护生态系统的稳定运转非常重要。

图1、微生物降解作用    来源： https://microbenotes.com/biodegradation/

| 什么是生物降解？

生物降解通过微生物的催化还原，将复杂的有机物或无机物分解成更小的、更简单的物质。地球上几乎所有物质都可被微生物降解，唯一区别是降解的“时间”。生物降解过程由细菌和真菌等微生物的代谢和酶促反应。根据物质和环境类型，微生物遵循两种降解模式，即矿化和共代谢。一些微生物表现出优异的代谢活性，可转化降解多种化合物，如多氯联苯、碳氢化合物、放射性核素和金属等。

微生物降解被认为是去除复杂有机物，最受青睐和可持续的措施之一。

| 污染物

工业革命以来，生活水平提高，人类合成了许多剧毒有机化合物，如燃料、多环芳烃（PAH）、染料、农药和一些合成化学品，直接或间接影响到长期环境。

1、多环芳烃 (PAH)

碳氢化合物是由氢和碳作为化合物的主要功能单元组成的有机分子。包括脂肪族（直链和支链化合物）或芳香族（带有苯环的化合物），脂肪族化合物包括烷烃、烯烃和炔烃，而芳香族化合物包括苯环，如苯酚、甲苯等。 PAH 被归类为“疏水性有机污染物 (HOC)”类别中的一种重要有机污染物，易在沉积物、土壤和空气中发现

PAH 很容易结合并形成微小颗粒，并在生物体中积累。在2003-2004年的一项调查中，科学家测量了2504名6岁以上个体的尿液样本，发现了10种不同的PAH代谢物

多环芳烃会刺激眼睛和鼻道，还可能导致肝脏问题

2、多氯联苯 (PCB)

PCB 属于人造化学品，具有油状质地，无味道或气味，颜色为黄色

化学性质非常稳定，耐高温、不易燃且电绝缘

广泛应用于液压和电气设备，作为橡胶制品中的增塑剂，以及染料

可能导致癌症，干扰内分泌

3、农药

农药属于一类化学品，包括除草剂、杀菌剂和杀虫剂等

提高作物生产力，预防病媒传播

导致浮游动植物数量减少

具有神经毒性和致癌性，降低鱼类、无脊椎动物、昆虫、哺乳动物和两栖动物的生育能力

4、染料

广泛应用于化妆品、纺织品、药品、橡胶制品等行业

最常用的染料是偶氮染料，含有与苯酚或胺基偶联的重氮化胺以及单个或多个偶氮 (-N=N-) 基团

5、放射性核素和重金属

原子核高度不稳定，辐射过程中原子放射性衰变，产生亚原子α或β粒子或发射伽马射线

砷、镉、铬等重金属不能像有机化合物一样被破坏，而是转化为稳定形式

微生物应用的机制包括：

生物浸出——通过甲基化反应或有机酸排泄来转移重金属

生物吸附——细胞表面的金属吸附

| 参与降解的微生物

细菌、真菌和酵母等是生物降解过程的常见物种

1、细菌（Bacterial Strain）

克雷伯氏菌属、肠杆菌属、芽孢杆菌属、葡萄球菌属、不动杆菌属等，属于碳氢化合物降解类别

假单胞菌属、气单胞菌属等革兰氏阴性菌株对芳香烃进行生物降解

革兰氏阳性菌株（如红球菌属、芽孢杆菌属、微杆菌属等）和革兰氏阴性菌株（假单胞菌属、鞘氨醇单胞菌属、拉尔斯通氏菌属等）显示出 PCB 降解活性

DDT（二氯二苯基三氯乙烷）等农药可被葡萄球菌和寡养单胞菌菌株降解，“毒死蜱”农药降解菌为斯氏普罗维登斯菌

希瓦氏菌脱色是有效去除偶氮染料的单一细菌

酸性氧化亚铁硫杆菌（一种嗜酸铁细菌）和硫氧化细菌含有来自受污染土壤的高浓度砷、镉、锌、钴和铜

2、植物促生长细菌（Plant Growth Promoting Bacteria）

通常存在于植物根部附近，植物提供庇护所和食物，细菌帮助植物代谢和排毒

假单胞菌属和赖氨酸杆菌表现出PAH 碳氢化合物降解活性

黄杆菌属、威廉氏​​菌属和红杆菌属菌株在受污染的土壤中表现出 PCB 降解活性

固氮螺菌可降解马拉硫磷（一种有机磷杀虫剂）

3、真菌（Fungal Species）

真菌可以在低 pH 值和潮湿地区生存，配备了特殊酶复合物，有助于高分子化合物降解

真菌借助菌丝结构，能够定植并穿透物质，分配营养

木质素等难降解物质的回收与真菌的降解机制有关

已发现有甲苯降解真菌及利用甲苯作为碳和能源的菌株

丝状真菌枝孢菌属和曲霉属显示出脂肪烃降解活性，青霉素属、镰刀菌属和坎宁哈氏菌属的真菌可降解芳香烃

黑曲霉对多氯联苯表现出生物降解活性

真菌通过主动摄取、转化以及细胞外或细胞内沉淀等对金属进行降解

4、酵母（Yeast）

皮肤毛孢子菌（Trichosporum cutaneum）是一种土壤酵母，可降解酚类

烷烃可被解脂假丝酵母、橙色红酵母、恩诺比假丝酵母等降解

酿酒酵母、生物丁假丝酵母等可转化增塑剂、杀虫剂、杀菌剂和多氯联苯 (PCB) 等

汉逊酵母可吸收Cr、Co和Ni等重金属

5、转基因微生物（Genetically-Modified Microorganisms）

转基因的主要方面：

酶特异性和亲和力修饰

代谢途径的调控和构建

生物过程的开发、监测和控制

构建升级的遗传模块需要针对不同化合物使用特殊质粒，如：

OCT 质粒– 己烷、辛烷和癸烷的降解

XYL 质粒– 降解甲苯和二甲苯

CAM 质粒– 樟脑化合物的分解

NAH 质粒– 萘的降解

转基因微生物实例：

具有多质粒功能的GMM恶臭假单胞菌，也被称为 Superbug（食油虫），除了 XYL、NAH、OCT 和 CAM 质粒外，还包含用于水杨酸甲苯的 pKF 349、pAC 25（用于 3-cne 氯苯甲酸酯降解）

沼泽红假单胞菌，一种重组光合细菌，用于去除废水中的汞

| 生物降解阶段

生物降解过程可分为三个过程——生物劣化（Biodeterioration,）、生物碎化（Bio-fragmentation,）和同化（Assimilation）。生物劣化是指化合物结构的机械、物理和化学弱化，生物碎化是指微生物将复杂化合物分解为简单分子，同化是将旧结构转化为新化合物。

| 生物降解的影响因子

土壤类型和有机质

含水层饱和度

CO2、甲烷和氧气浓度

微生物间对碳源的竞争或噬菌体和原生动物捕食

产酶微生物数量

酶亲和力

pH值、温度、湿度和渗透压等

| 总结

工业化进程开始以来，人类不断向环境中释放各种化学污染物，极大地影响了自然平衡。大自然利用微生物代谢通过生物降解这些有毒化学物质来清除废物。微生物表现出了将合成化合物转化为稳定形式的能力和消化机制，进而净化生态系统

参考文献

1、Biodegradation: Involved Microorganisms and Genetically Engineered Microorganisms – https://www.intechopen.com/chapters/45093

2、Biodegradation: Updating the Concepts of Control for Microbial Cleanup in Contaminated Aquifers – https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5b00715

3、Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) Factsheet – https://www.cdc.gov/biomonitoring/PAHs_FactSheet.html

4、Polychlorinated Biphenyls (PCBs) – http://www.idph.state.il.us/envhealth/factsheets/polychlorinatedbiphenyls.html

5、Pesticide Biodegradation: Mechanisms, Genetics and Strategies to Enhance the Process – https://www.intechopen.com/chapters/45111

灰藻生物：我们期待着与客户共同成长，共创生命科学的美好未来！

更新日期：2023-12-23