一种用于高效生物降解溴化阻燃剂的新真菌——Penicillium crocicola LF-2022：其作用机制、降解途径、土壤修复效果及转录组学机制

《Journal of Hazardous Materials》：A novel fungus Penicillium crocicola LF-2022 for high-efficiency biodegradation of brominated flame retardants: Performance, pathways, soil remediation, and transcriptomic mechanisms

　　

摘要

四溴双酚A（TBBPA）和十溴二苯醚（BDE-209）是典型的溴化阻燃剂，具有环境持久性、生物累积潜力以及高毒性，对生态系统和人类健康构成严重威胁。本研究中发现了一种新的真菌菌株——Penicillium crocicola LF-2022，该菌株对这两种阻燃剂都具有出色的降解能力。在六天内，该菌株对TBBPA的降解率可达81.1%，而对BDE-209的降解率则可达97.7%。该菌株通过细胞内和细胞外途径降解这两种污染物，其中细胞色素P450酶起着关键作用。降解路径分析表明，TBBPA是通过还原脱溴和亚丙基桥断裂来降解的，而BDE-209则经历依次脱溴、醚键断裂以及环开放反应，最终实现矿化。在土壤修复实验中，即使在非无菌条件下，Penicillium crocicola LF-2022也能有效降解TBBPA和BDE-209，其降解率分别约为55.3%和82.9%，显示出强大的污染物解毒能力。种子毒性测试进一步证实了该真菌处理方法的解毒效果。修复处理后，小麦幼苗的根和茎长度明显长于未处理的对照组。此外，植物组织中的丙二醛含量显著下降，而超氧化物歧化酶、过氧化酶和过氧化氢酶的活性则恢复到接近对照组的水平，这表明污染物已得到有效降解。转录组分析显示，两种污染物诱导出不同的降解机制：TBBPA胁迫会上调与膜完整性、ABC转运蛋白、CYP450单加氧酶以及抗氧化酶相关的基因，而BDE-209胁迫则会上调分泌型水解酶、脂氧酶以及cAMP/Ras信号通路相关基因。总体而言，本研究提供了一种具有较强耐受性的真菌菌株，可用于高效降解溴化阻燃剂，同时为在非无菌条件下修复受溴化阻燃剂污染的场地奠定了基础。

引言

随着电子工业和聚合物材料行业的快速发展，电子设备及塑料产品的年产量不断增加，这也使得作为重要添加剂的溴化阻燃剂的需求大幅上升[63]。溴化阻燃剂属于典型的新兴污染物，具有环境持久性、生物累积潜力以及高毒性等特征[37]、[46]。由于其化学结构稳定，这类物质难以被生物或非生物因素降解，从而带来长期的生态风险[13]、[17]。

四溴双酚A（TBBPA）和十溴二苯醚（BDE-209）是全球产量最大、分布最广的两种溴化阻燃剂。TBBPA是一种不含多溴二苯醚结构的双酚衍生物，含有亚丙基桥；而BDE-209则是高度溴化的二苯醚，也是十溴二苯醚商业混合物中的主要成分（de Boer等人[10]、[12]）。这两种化合物在环境样本和人体组织中普遍存在，已有的研究表明它们具有多种毒性，包括影响神经发育、干扰内分泌功能以及导致线粒体功能障碍等[21]、[64]。正是由于这些毒性特征，迫切需要开发有效的策略来处理现有的溴化阻燃剂污染问题。

传统的处理方法，如焚烧、物理吸附和化学催化，都存在严重的可持续性缺陷。热处理会产生高毒性的副产品，而化学降解过程则容易受到空间位阻的影响而效率低下[28]、[30]。物理化学处理方法成本较高，且往往只是将污染物转移到其他相中，并不能真正将其消除[32]、[66]。

生物降解作为一种有前景的替代方案，主要是利用微生物或其酶系来催化氧化脱溴反应。这种方法具有高效、环保且能耗低等优点[25]、[5]。已有研究探讨了多种溴化阻燃剂的生物降解可能性，例如某些细菌能够降解溴酚类物质，如Achromobacter piechaudii、Desulfovibrio sp. TBP-1以及Ochrobacterium sp. TB01[57]、[60]。Mahajan等人发现，Pseudomonas sp. EN-4在以苯酚作为共底物的情况下，能够将4-溴酚的降解率和脱溴率分别提升至99.22%和70%，而如果不使用苯酚作为共代谢物，这两项指标仅为36%和20%[33]、[34]。尽管有这些研究成果，但大多数细菌降解系统无法分泌足够的细胞外酶来启动溴化阻燃剂的降解过程，而且溴化阻燃剂的高疏水性和强烈的空间位阻也会阻碍其被细胞摄取[15]、[24]。

与细菌不同，真菌演化出了更为复杂的机制来应对这些挑战。它们能够改变细胞膜结构，从而提高对疏水性溴化阻燃剂的吸附能力和耐受性；同时还能激活ABC转运蛋白，帮助污染物跨膜运输[61]，并分泌多种细胞外酶，直接作用于大分子污染物[35]。近年来，由于白腐真菌具备降解难降解有机污染物的强大能力，相关研究越来越多，这也凸显了它们在生物修复领域的应用潜力[58]、[67]。然而，将真菌用于溴化阻燃剂的生物修复仍面临诸多挑战，比如降解周期较长、在高污染物浓度下效率降低，尤其是对微生物污染的耐受性较差，这在非无菌的户外环境中会严重限制其发挥作用。因此，找到兼具高降解效率和强抗污染能力的真菌菌株，对于在现实条件下修复受溴化阻燃剂污染的场地至关重要。

在本研究中，我们报道了一种新分离的真菌菌株——Penicillium crocicola LF-2022，它是一种能够高效降解TBBPA和BDE-209的菌株。我们系统研究了其最佳降解条件，通过液相色谱-质谱技术阐明了降解路径，并通过转录组分析揭示了相关的分子机制。此外，我们还建立了非无菌土壤修复体系，并结合种子毒性测试，验证了该菌株的实际应用价值。总体而言，本研究为开发一种具有较强耐受性的真菌修复菌株提供了依据，也为在真实野外条件下修复溴化阻燃剂污染的场地奠定了科学基础。

章节摘录

材料、菌株及培养基

四溴双酚A（TBBPA）和十溴二苯醚（BDE-209）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。真菌菌株Penicillium crocicola LF-2022最初是从蒲达措国家公园采集的土壤样本中分离鉴定出来的，目前保存在我们实验室的4℃环境中。实验时，将该菌株接种到马铃薯葡萄糖琼脂培养基上，然后在28℃下静置培养7天，直到菌丝几乎覆盖整个培养皿表面。

Penicillium crocicola LF-2022的鉴定及其对TBBPA和BDE-209的降解作用

通过ITS区域测序和系统发育分析对该真菌进行了分子鉴定。将测序结果与NCBI核酸数据库进行BLAST比对后，发现其与Penicillium crocicola的序列相似度超过99%。进一步通过最大似然法构建系统发育树，确认了该菌株的分类地位，它与已知的Penicillium crocicola分离株高度相似。综合这些分子生物学分析结果，将该菌株命名为Penicillium crocicola LF-2022（见图）。

结论

本研究分离出一种新的真菌菌株Penicillium crocicola LF-2022，该菌株能够高效降解TBBPA和BDE-209，其去除率分别为81.1%和97.7%。该菌株对不同的pH值、污染物浓度以及重金属离子都具有较强的适应能力。从机制上看，TBBPA的降解主要由细胞内的CYP450酶负责，而BDE-209的降解则依赖于细胞外的芬顿自由基反应系统，同时还有一些辅助的酶参与其中。

环境意义

这种新型真菌Penicillium crocicola LF-2022通过不同的机制降解TBBPA和BDE-209：降解TBBPA依靠细胞内的CYP450酶，而降解BDE-209则依赖细胞外的芬顿自由基反应系统，同时还有CYP450酶的辅助作用，这一机制与白腐真菌依赖过氧化酶的降解途径有明显区别。重要的是，即使在非无菌的土壤环境中，该菌株也能实现82.9%的BDE-209去除率和55.3%的TBBPA去除率，克服了普通真菌在生物修复过程中易受污染影响的缺陷。这种低能耗的降解过程

CRediT作者贡献说明

陈家庆：可视化分析。 吴海涛：方法学研究。 林晨：实验研究。 李岩：论文初稿撰写、可视化分析、方法学研究、实验研究、正式分析、数据整理。 吴瑞英：论文初稿撰写、可视化分析、方法学研究、正式分析、数据整理。 夏正林：方法学研究、实验研究。 江珍楠：实验研究、正式分析。 李飞：论文审阅与编辑、项目监督、项目管理、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了湖北省科技厅2025年度重点研发计划（2025BCB007）、中国湖北省楚天学者计划（2022年）以及武汉科技大学科学研究基金（编号105005901）的支持。

李岩|吴瑞英|夏正林|江珍楠|吴海涛|林晨|陈家庆|李飞

中国武汉430081，武汉科技大学化学与化工学院生物工程系