综述:土壤中持久性有机污染物(POPs)的真菌生物降解研究现状及分离相关候选菌株的创新策略

【字体: 时间:2025年05月19日 来源:Environmental Technology & Innovation 6.7

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  该综述聚焦真菌修复技术,探讨其降解《斯德哥尔摩公约》中 19 种 POPs(含首批 “十二大害” 及新增 POPs)的潜力。分析真菌种类、降解途径及优劣势,强调标准化方法的重要性,还展望了创新分离与表征策略,为土壤修复提供方向。

  

1. 引言


土壤中人为化学物质的广泛存在是主要环境问题,其中持久性有机污染物(POPs)因高毒性、生物累积性、难降解性和长距离迁移性,对人类健康和生态系统构成严重威胁。尽管《斯德哥尔摩公约》推动了相关治理,但 POPs 仍长期存在于环境中。

现有 remediation 技术包括物理、化学、生物及联合修复方法。与能耗高、成本高的物理和化学方法相比,生物修复更可持续,但效率受微生物菌株效能限制。真菌在土壤环境中具有重要作用,其通过细胞内(如细胞色素 P450 单加氧酶参与的 Ⅰ 相和 Ⅱ 相反应)和细胞外(如白腐真菌分泌的木质素降解酶(LMEs))途径降解 POPs,尤其在处理高分子量和难降解化合物方面优于细菌,且菌丝网络能促进污染物运输和细菌协同作用。

2. 方法


本综述基于《斯德哥尔摩公约》列出的 POPs,选取 19 种 POPs(10 种首批 “十二大害” 和 9 种新增 POPs),通过关键词检索科学数据库,筛选 2003-2023 年文献,分析真菌降解 POPs 的能力、机制及培养条件等。

3. 农业持久性有机污染物的真菌生物修复


3.1 氯代环二烯


氯代环二烯(CDDs)包括 aldrin、dieldrin 等,曾广泛用作农药,因难降解性仍存在于土壤中。多种真菌如Phlebia属、Pleurotus ostreatus等能降解 CDDs,降解途径涉及环氧化、羟基化等反应,但多数真菌需共代谢碳源,无法以 CDDs 为唯一碳源。

3.1.1 艾氏剂和狄氏剂


Phlebia acanthocystis等真菌可转化艾氏剂和狄氏剂,代谢途径涉及环氧化反应,形成的环氧化物阻碍进一步降解,因此能转化狄氏剂的菌株备受关注。

3.1.2 七氯


Phlebia tremellosa等真菌可降解七氯及其更难降解的产物七氯环氧化物,代谢途径包括羟基化和环氧化。

3.1.3 氯丹


Phlebia lindtneri等 3 种Phlebia属真菌能代谢反式氯丹,主要产物为七氯环氧化物,细胞色素 P450 单加氧酶参与代谢过程。

3.1.4 硫丹


硫丹是含硫的有机氯农药,Aspergillus属、Penicillium属等多种真菌能降解硫丹,降解过程中培养基 pH 可能因脱卤反应和有机酸释放而降低。

3.1.5 异狄氏剂


Pleurotus pulmonarius等白腐真菌可降解异狄氏剂,但其在环境中的持久性仍需关注。

3.2 其他非环二烯杀虫剂


3.2.1 滴滴涕(DDT)


DDT 及其代谢产物仍广泛存在于环境中,Phanerochaete属、Fusarium属等真菌能降解 DDT,代谢途径包括脱氯和羟基化反应。

3.2.2 六氯苯


关于真菌修复六氯苯的信息较少,Psilocybe cf. castanella等菌株对其有一定耐受性和降解潜力。

3.2.3 十氯酮


Fusarium oxysporum strain MIAE01197 是目前唯一被报道能降解十氯酮的真菌,可耐受并降解液体培养基中的十氯酮,但代谢产物未被检测到。

3.2.4 林丹


林丹是六氯环己烷(HCH)的 γ 异构体,Phanerochaete chrysosporium等多种真菌能降解林丹,代谢途径包括脱氯和环裂解。

3.2.5 五氯苯酚(PCP)


PCP 是重要的木材防腐剂,BasidiomycotaAscomycota等真菌能降解 PCP,但其对真菌生长有抑制作用,需使用菌丝体而非孢子作为接种物。

4. 工业及非故意持久性有机污染物的真菌生物修复


4.1 多氯二苯并 - 对 - 二噁英(PCDDs)和多氯二苯并 - 对 - 呋喃(PCDFs)


PCDDs 和 PCDFs 是剧毒的工业副产物,现有真菌降解研究主要集中于 2,3,7,8 - 四氯代二苯并 - 对 - 二噁英(2,3,7,8-tetraCDD)以外的同系物,降解真菌种类较少。

4.2 多氯联苯(PCBs)


PCBs 曾广泛用于工业,其细菌修复因代谢产物积累效率低,而真菌降解无选择性,Trametes versicolor等真菌能有效降解 PCBs。

4.3 多溴联苯醚(PBDEs)


PBDEs 是新兴的溴化阻燃剂,Trametes versicolor是主要降解真菌,通过细胞色素 P450 单加氧酶介导的羟基化反应降解 4 - 溴代 PBDE。

5. 知识空白与鉴定有前景的 POPs 降解真菌的新策略


5.1 新兴 POPs 的真菌修复潜力


部分历史 POPs(如灭蚁灵、毒杀芬)和新增 POPs(如十氯酮、全氟烷基物质(PFAS))的真菌降解研究有限。Trametes versicolor等真菌对部分新增 POPs 有降解或吸附能力,PFAS 的真菌转化涉及细胞外酶催化的氧化腐殖化反应。

5.2 分离和表征生物修复真菌菌株的创新方法


传统真菌修复研究集中于白腐真菌,但本土菌株(如子囊菌门和接合菌门)更适应污染环境。分离菌株需从污染土壤采样,使用特定培养基(如麦芽提取琼脂、马铃薯葡萄糖琼脂),通过生化分析(如 MALDI-TOF MS)和基因测序鉴定。筛选菌株需进行耐受性测试、降解试验和酶活性评估,微宇宙实验可评估其原位修复能力。

5.3 实验室外的真菌修复:现场应用及与细菌修复的比较


真菌修复已应用于现场,如利用平菇废基质处理多环芳烃污染土壤,效果显著。与细菌修复相比,真菌(尤其是担子菌和子囊菌)凭借细胞外酶更擅长降解复杂结构污染物,但生长速度较慢,联合方法可能优化修复效果。

6. 结论


真菌因其代谢多样性和生态优势成为有潜力的生物修复剂。选择理想菌株需考虑耐受性、非致病性、降解效率等因素。标准化实验条件和微宇宙实验对评估修复潜力至关重要。未来需拓展真菌多样性,结合高通量培养和快速鉴定技术,开发更有效的修复策略。

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