王超—环境生物学

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环境生物学课程论文环境内分泌干扰物一一邻苯二甲酸的生物降解研究进展AdvancesinResearchofBiodegradationofEnvironmentalEndocrineDisruptors-PhthalateEsters资源与环境学院08级环境科学三班王超学号：20086279环境内分泌干扰物一一邻苯二甲酸酯的生物降解研究进展AdvancesinResearchofBiodegradationofEnvironmentalEndocrineDisruptors-PhthalateEsters王超WANGChao摘要：邻苯二甲酸酯是一类重要的合成有机物，主要用作增塑剂來提高塑料树脂的机械性能尤其是柔韧性.近来，由于在全球范围内的广泛使用，在环境中的普遍存在，以及其内分\n泌干扰毒性，邻苯二中酸酯受到了人们越来越多的关注.微生物降解被认为是邻苯二甲酸酯完全矿化的主要途径.邻苯二甲酸酯的降解机制与途径已经在细菌中到广泛的研究。本文主要概述了邻苯二甲酸酯的环境污染现状，介绍了其对人物的健康危害，并且综述了邻苯二甲酸酯微生物降解的研究进展，包括降解菌的种类、降解的代谢途径。关键词：邻苯二甲酸酯；内分泌干扰物；生物降解；增塑剂；环境污染Abstract：Phthalateesters(PAEs)aresyntheticcompoundsusedasplasticizerstoimprovemechanicalpropertiesoftheplasticresin,particularlyitsflexibilityandsoftness-Inrecentyears,theyhaveattractedincreasingattentionowingtotheirextensiveuse,ubiquityintheenvironmentandendocrine-disruptingactivity・Microbialdegradationistheprincipalwayforcompletelymineralizationofphthalatesinnaturalenvironments.Thedegradationmechanismsandpathwaysofphthalateshavebeenconsolidatedbyusingbacteria.Thisarticlemainlysummarizesthepollutionstatusofphthalates,introducesthehealthhazardofphthalatestohumansandanimals,andreviewsthecurrentresearchprogressinthemicrobialdegradationofphthalates,includingspeciesofphthalate-degradingbacteria,degradationpathways・Keywords:phthalateester;endocrinedisruptor;biodegradation;plasticizer;environmentalpollution前言邻苯二甲酸酯的环境污染PAEs主要用作塑料工业生产中的增塑剂，用來提高一些塑料制品(如家具、日用容器、食品包装、医疗设备和儿童玩具等)的弹性和柔韧性川.其中邻苯二甲酸二(2■乙基己基)酯(DEHP)作为全球用量最大的PAE类增塑剂，广泛应用在儿童玩具、牙刷和服装的生产上.作为增塑剂，PAEs在塑料制品中的含量占20%~30%左右，有时可高达50%⑷.自上世纪50年代聚氯乙烯(PVC)面世以来，PAEs就得到大规模的生产.目前，它占了全球增塑剂市场的80%以上⑸.除了作为增塑剂外，PAEs还广泛应用于油漆、粘合剂、驱虫剂、化妆品、香料和润滑剂的生产原料⑵.在德国，每年的PAEs的消耗达到4X105吨，其屮DEHP的消耗占60%⑹.作为增塑剂，为了提供塑料产品必要的可塑性，PAEs并非共价聚合到塑料产品的基质中，而是与聚烯炷类塑料分子之间由氢键或范德华力连接，彼此保留各自相对独立的化学性质.因此，随着吋间的推移，PAEs可由塑料中迁移到外环境，造成对环境的污染.塑料制品的全球性大量应用导致PAEs在环境中无处不在.目前,PAEs在全球主耍工业国的生态环境中己达到了普遍检出的程度.在土壤、河流、湖泊、海洋底质、饮用水、垃圾场乃至食品屮都有检测到PAEs的存在I*®,PAEs已成为全球最普遍的污染物之一(表2).表1具有环境激素作用的PAEs化合物TableIPAEswithendocrine-disruptingactivities中文名称英文名称用途wChinesenameEnglishnameUse*】邻苯二甲酸二耳酣(kII)Dimethylphthalate(DMP)塑料增塑剂：驱蚊剂Plasticplasticizer;anti-mosquitocomplex邻苯二甲酸二乙ffl(LII)Diethylphthalate舉料和合成橡胶等的增垠剂*清漆的洛剂(DEP)Plasticizerforplasticandsyntheticrubber;varnishsolvent邻苯二甲酸二丙酹(I)Di-n-propylphthalate(DPP)Di-n-butylphthalate(DBP)鞏料增舉剂Plasticplasticizer苹料•合成橡胶、人造苹等的常用增頊剂：香料的溶剂：卫生害虫驱避剂邻苯二甲酸二丁酣(I)Plasticizerforplastic,syntheticrubber.andartificialleather;perfumesolvent;insectrepellent邻苯二甲酸二反酯Di-n-pentylphthalate(DDP)塑料增塑剂Plasticplasticizer邻苯二甲酸二己酩Dihexylphthalate(DHP)塑料增舉剂Plasticplasticizer邻苯二甲酸二辛陌(I、II)Di-n-octylphthalate(DOP)舉料增塑剂Plasticplasticizer邻苯二甲酸丁节矗Butylbenzylphthalate塑料增塑剂：涂料：人造革材料(BBP)Plasticplasticizer;dope;artificialleather邻苯二甲酸二(2•乙基己基)酯(I)Di-2-ethyIhexylphthalate聚氯乙烤和氨乙烯共聚物的优良增舉剂：硝酸纤维的软化剂(DEHP)PlasticizerforPVC・chloroethylenepolymer;softenerofcellulosenitrateDicyclohexylphthalate丙烯酸稱释剂：热粘合剂的可苹剂——(DCHP)Diluentforacrylicacid;plasticizerfbrhobsellingadhesiveI.美国环保局的优先污染物；II.屮国国家环境监测屮心的优先污染物\nI.PrioritypollutantslistedbytheUnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency;II.PrioritypollutantslistedbyChinaNationtilEnvironmentalMonitoringCenter表2—些PAEs在环境中的检出与浓度Table2ExistenceandconcentrationofseveralPAEsintheenvironment邻苯二甲酸SiPAEs检出环境Existenceinenvironment浓度Concentration文献ReferencesDMP河流River10mgL“11DBP井水Wellwater0.19-9.26pgL-J12渎物Foodstuffs0.09-0.19mgkge,9BBP食物Foodstuffs0.017-0.019mgkg-:9DEP海洋底质Seasediment0.049pgL-113生活垃圾Householdwaste18.2mgkgai8河流River1.3-2.6mgL-114海洋氏质Seasediment0.18pgLd13DEHP生活垃圾Householdwaste16820.6mgkg•:8垃圾渗遞漬Landfillleachate346pgL,:15食物Foodstuffs0.11-0.18mgkg-191、邻苯二甲酸酯的健康危害PAEs共约30多种，大多是无色透明的油状液体，难溶于水，易溶于有机溶剂，屈中等极性物质，可通过呼吸、饮食和皮肤接触进入人和动物体内.PAEs对人体健康的影响是一个慢性的过程，需要较长的时间才会出现，而且可能通过胎盘和授乳产生跨代影响，目前对其毒性的研究主要通过动物实验进行"〔PAEs对生物体的急性毒性不大，小鼠口服LD50值为800-1600mgkg-1,Ames试验呈阴性【川.但在大剂量下，PAEs对动物有致畸、致癌和致突变作用阳.例如，Agarwal等研究了DEHP对成年小白的致畸与致突变影响，发现经DEHP处理后的小白鼠表现有显性致死和致突变作ffl1131.1982年，美国国家毒理规划署的实验报告(NationalToxicologyProgram)确证了大白鼠和小白鼠长期吸收DEHP可引发肝癌此外，动物实验还表明某些邻苯二甲酸酯还会引起动物的肝、肾损伤〔⑸.近来的研究指出，PAEs主要的危害在于环境激素作用，可在极低的浓度下干扰人和动物的内分泌系统切.其对内分泌系统的扰乱是通过雌激素受体(Estrogenreceptor)介导的反应，通过与雌激素受体结合，作用于DNA中雌激素反应元件(Estrogenresponsiveelement)激活基因的转录，产生雌激素效应动物实验表明，作为内分泌干扰物，PAEs的生化效应表现为过氧化酶体增生、足细胞毒性、肝脏促进作用、抗雄激素、体外雌激索活性等2」.对动物生殖方面的扰乱主要是使精囊萎缩、精子数量减少以至于精子形成中止、生殖能力下降、后代数量减少、体重下降、子宫粘膜组织增生等［冈.由于PAEs対人体健康的潜在危害，一些环境监控组织，包括美国环保署和屮国国家环境监测川心都把它列为优先污染物加以控制吧目前被认为有环境激素作用的邻苯二甲酸酯有10种，其名称与用途见表12、邻苯二甲酸酯的细菌降解PAEs在环境中的水解、光解的速率非常缓慢，属于难降解物质.因此，微生物降解被认为是自然坏境中PAEs完全矿化的主要过程⑴。近年来，PAEs的细菌降解已经得到广泛的研究，大量髙效降解PAEs的菌株已经从各类环境中分离得到，包括红树林、土壤、海洋、河流与废水处理厂的活性污泥等(表3).但是，并非所有的菌株都能完全矿化PAEs,部分菌株只能将PAEs转化成单酯，或者进-步转化成邻苯二甲酸.利用各种各样的PAEs降解菌构建成的细菌菌群显示出更好的PAEs的降解能力，对以通过不同菌株的协同作用完全矿化PAEs俵4).Vega和Bastide等［26］研究了一个rflArthrobactersp.和Sphingomonaspaucimobilis两种细菌构建的菌群对邻苯二甲酸二甲酯(DMP)的降解能力，发现Arthrobactersp.能够将DMP转化为邻苯二甲酸单甲酯(MMP),但不能将MMP进一步转化为邻苯二甲酸(PA),但是这个菌株却有PA的降解能力.而另一个菌株Sphingomonaspaucimobilis能够将MMP转化为PA,并且能完全降解PA,但是却不能完成DMP到MMP的转化.因此，利用由这个两个菌株构建成的菌群能够很好的完全矿化DMP.同时，细菌对PAEs的代谢途径也得到深入的研究(图1,2).对大多数细菌菌株来说，在PAEs的好氧降解过程屮，酯键的水解是一个共同的起始步骤.在\n微生物酯酶作用下，PAEs水解形成邻苯二甲酸单酯，再生成邻苯二甲酸.而邻苯二甲酸的降解是完成整个降解过程的关键步骤.细菌对邻苯二甲酸的降解通常有两条途径，革兰氏阴性菌通过邻苯二甲酸4,5双加氧酶的作用氧化邻苯二甲酸生成顺式・4,5■二瓮基・4,5-二氢邻苯二甲酸，然后脱氢生成4,5■二疑基邻苯二甲酸，后者再通过脱竣生成原儿茶酚I绚.而革兰氏阳性菌则是在邻苯二甲酸的碳3-4位氧化和脫氢生成3,4■二疑基邻苯二甲酸，最后再通过脱竣形成原儿茶酚r2L221.原儿茶酚这一许多芳香族化合物代谢途径中的重要中间代谢物可通过正位或偏位开环形成相应的有机酸，进而转化成丙酮酸、琥珀酸、草酰乙酸等进入三竣酸循坏，最终转化为CO2和H2O.如Pseudomonadsfluorescens和P.putida通过原儿茶酚3,4双加氧酶的作用止位开环氧化原儿茶酚生成3■竣基■顺，顺.粘康酸.后者再经rhB■酮己二酸途径转化为琥珀酸与乙酰辅酶A进入三竣酸循环代谢.而对于P.testosterone和Arthrobacterkeyseri,它们通过原儿茶酚4,5双加氧酶的催化氧化原儿茶酚生成2-疑基-4-竣基粘康半醛,后者再通过一系列的酶促反应最后转化为草酰乙酸与丙酮酸从而进入三竣酸循环㈡的.而PAEs在厌氧条件下的生物降解途径研究较少.Kleerebezem等［绚研究了产烷细菌菌群对PAEs的厌氧降解过程，发现至少有3类细菌参加了PAEs的降解过程.首先是通过发酵细菌(Fermentativeorganisms)将PAEs转化为乙酸盐与氢，然后由嗜乙酸甲烷产生菌(Acetoclasticmethanogens)转化乙酸盐为甲烷和碳酸盘盐，最后通过蛍利用产甲烷菌(Hydrogenotrophicmethanogens)的作用下还原碳酸氢盐产生甲烷.此外，邻苯二甲酸酯细菌降解的遗传机制也得到了深入的研究，这些研究主耍集中在对参与从邻苯二甲酸到原儿茶酚降解的酶基因进行克隆和鉴定.其屮Arthrobacterkeyseri12B与BurkholderiacepaciaDBO1分别是革兰氏阳性和阴性菌株中遗传机制研究得最为透彻的两株邻苯二甲酸降解菌.在A.keyseri12B中，确认了一个130kb的质粒编码邻苯二甲酸的完全代谢⑵】.在这个质粒中确定了5个遗传单位：pht操纵子编码邻苯二甲酸到原儿茶酚的转化；pcm操纵子编码从原儿茶酚到丙酮酸和草酰乙酸的进一步代谢；一个推测的ptr操纵子编码一个对能是邻苯二甲酸，或原儿茶酚，或邻苯二甲酸酯的转运蛋白；pehA基因，一个可能的邻苯二甲酸酯水解酶基因;tnpR基因，转座子解离酶基因.其中phi操纵子(phlBAaAbAcAdCR)是革兰氏阳性菌中报道的第一个邻苯二甲酸催化基因操纵子.在这个操纵子中，phtAaAbAcAd基因簇(氧化酚大亚基，氧化酶小亚基，铁氧还蛋白，和铁氧化蛋白还原酶)编码一个三组分的双加氧酶，邻苯二甲酸3,4-双加氧酶.编码顺式-3,4■二氢-3,4-二疑基邻苯二甲酸脱氢酶(phtB)和3,4-二疑基邻苯二甲酸脱竣酶的基因(phtC)分别位于phtAaAbAcAd基因簇的上下游.调控基因(phtR)位于操纵子的后面.此外，pht操纵子在Terrabactersp.DBF63中也得到克隆与描述〔旳.该操纵子(phtA!A2BA3A4CR)与A.keyseri12B中的pht操纵子高度相似，除了ph(B基因所在的位置有所不同.此外，Stingley等在MycobacteriumvanbaaleniiPYR-1也克隆了一个pht操纵子(phtRAaAbBAcAd)1221.然而，该操纵子无论在基因排布与核酸序列上都与前面两株菌有很大的不同.其编码调控蛋白的基因(phtR)的位置与转录方向都与另两株菌完全不同•此外，该操纵子没有脱竣酶基因，所以M.vanbaalenii隔了7kb.与之相比，PseudomonasputidaNMH102-2的邻苯二甲酸降解基因(pht12345)则是串成一个操纵结构并以同一方向转录的"I。表3降解PAEs的细菌菌株Table3BacterialspeciescapableofdegradingPAEs分冉环境细凿閨株降解底物文献IsolationsourcesBacterialspeciesDegradationsubstratesReferencesPseudomonasfluorescentDBP・BBP27,28红树林MangroveRhodococcusruberDMP,DM1P.DMTP29PasturellamultocidaDMTP21,30SphingomonaspaucimohilisDMTP21KlebsiellaoxvtocaDMTP31Bacillussp.DMP32土壤RhodococcusrhodochrousDEHP33SoilGordonia5p・BBP34Arthrobactersp.DMP26海洋ViarovoraxparadoxusDMIP.DMTP35,36\nMarineSphingonmonasyanoikuyaeDMTP36河流Corynebacteriumsp.DEP.DPrP,DBP.BBP,DPP37RiverAcinetohacter5p.DEHRDBP38Sphingomonas5p.DEP.DPrP,DBP.BBP,DPP37,39ComamonasacidovoransDMTP40废水处理厂的活性污泥ActivatedsludgefromwastetreatmentplantPseudomonasfluorescensRhodococcuserythropolisRhodococcusruberDMP・DEP,DnBP.D1BP・DnOP.DEHPDMIPDMIP414242PseudomonasfluorescensDMP,D^BP43,44PseudomonasaeruginasaDMP43Brevihacteriumsp.DMP43表4降解PAEs的细菌菌群Table4BacterialconsortiacapableofdegradingPAEs分离坏境绘菌菌群降解底物文献IsolationsourcesBacterialconsortiaDegradationsubstratesReferences土壤SoilArthrobactersp.andSphingomonaspaucimobilisDMP26废水处理厂的活性污泥Pseudomonassp・，Aeromonassp.,Arthrobactersp.andBacillussp.DMTP45ActivatedsludgefromwastePseudomonasfluorescens,treatmentplantPseudomonasaureofaciensandDMP46.47SphingomonaxpacuimohilixXanthomonasmaltophiliaandDMP46,47Sphingomonaspacuimobilis\nACOOHOHOHVUl谢IPALs^iS堇好氨陡承途径——从邻苯二出酸能到臣儿茶酣X(A.革兰氏宦件旁转化途0叫B.革兰氏阳件菊转化途約6COOHCOOH\1COOHvnvm实2PAES的細葯歼雯薩鯉途Q——亘茶职悅陡鎚“3、结论和展望邻苯二甲酸酯是人们长期大量生产、使用塑料制品所造成的一种环境有机污染物，虽然人们目前已经认识到它的危害，但是在实际的生产和生活中仍离不开它。因此，当前的研究重点一方面应放在如何使其与塑料结合更加紧密,使其不易从塑料中分离出来，进入环境；另一方面应研究如何降解进入环境中的邻苯二甲酸酯，减少环境污染。微生物降解被认为是消除坏境中邻苯二甲酸酯污染的有效途径。但是，现阶段对邻苯二甲酸酯的降解的研究主要还是在实验室内，如何将实验室所取得的研究成果应用于现实环境中，解决目前环境屮邻苯二甲酸酯的污染，是需要研究的一个重要方向。参考文献：[1]StaplesCA,PetersonDR,ParkertonTF,AdamsWJ.Theenvironmentalfateofphthalateesters:Aliteraturereview.Chemosphere,1997,35:667-749[2]FatokiOS,OgunfowokanAO.DeterminationofphthalateesterplasticizersintheaquaticenvironmentofsouthwesternNigeria・EnvironInt,1993,19:619〜623[3]WangYY,FanYZ,GuJD.Dimethylphthalateesterdegradationbytwopltinktonicandimmobilizedbacterialconsortia.IntBiodeter&Biodegr,2004,53:93〜101[4]MersiowskyI,WellerM,EjlertssonJ.FateofplasticizedPVCproductsunderlandfi11conditions:alaboratory-scalelandfi11simulationreactor⑸BaikovaSV,SamsonovaAS,AleshchenkovaZM,Shcherbina,AN.Theintensificationofdimethylphthalatedestructioninsoil.EurasianSoilSci,1999,32:701-704⑹FrommeH,KiichlerT,OttoT,PilzK,MullerJ,WenzelA.OccurrenceofphthalatesandbisphenolAandFintheenvironment.WaterRes,2002,36:1429〜1438[7]BauerMJ,HerrmannR・Estimationoftheenvironmentalcontaminationbyphthalicacidestersleachingfromhouseholdwastes.SciTotalEnviron,1997,208:49〜57[8]PetersenJH,BreindahlT.Plasticizersintotaldietsamples,babyfoodandinfantformulae.FoodAddit&Contam,2000,17:133〜141\n[7]GuJD,LiJX,WangYY.Biochemicalpathwayanddegradationofphthalateesterisomersbybacteria.WaterSci&Technol,2005,52:241-248110]林兴桃，王小逸，任仁.环境干扰物一一邻苯二甲酸酯[J].环境污染与防治，2003,25:286-288[11]丁鹏，赵晓松，刘剑峰.邻苯二甲酸酯的研究进展[J].吉林农业大学学报，1999,21:119〜123[12]PiersmaAH,VerhoefaA,BiesebeekaJ,PietersaMN,SlobaW.Developmentaltoxicityofbutylbenzylphthalateintheratusingamultipledosestudydesign.ReprodToxicol,2000,14:417〜425[13]AgarwalDK,LawrenceWH,AutianJ.Antifertilityandmutageniceffectsinmicefromparenteraladministrationofdi-2-ethylhexylphthalate(DEHP).JToxicolEnvironHealth,1985,16:71〜84[14]NationalToxicologyProgram.CarcinogenesisBioassayofdi(2-ethylhexyl)phthalate(CASNo.117-81-7)inF344Ratsa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