卤代脂肪烃的降解：应用微生物学原理与技术

卤代脂肪烃广泛用作工业溶剂、清洗剂、气雾推进剂和化工合成的中间体。 最常见的卤原子是氯。 主要有二氯甲烷、氯仿、四氟化碳、二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯。 卤代脂肪烃引起的地下水、地表水和土壤的污染很普遍。 含1 个氯或2 个氯的氯代脂肪烃在适合的条件下可以作为生长基质供微生物生长，如果有多个氯时则需要补充其他生长基质才能被微生物降解。

（1）卤代脂肪烃作为生长基质利用

一些纯培养菌可以利用氯代脂肪烃作为生长基质。 有些化合物容易降解，例如氯乙酸的利用菌很容易在土壤中分离；有些化合物难降解，例如二氯甲烷和1，2-二氯乙烷的降解菌很难分离到。

（2）卤代脂烃的好氧和厌氧降解

卤代脂肪烃在环境中可以进行非生物转化，例如在水中的取代反应、脱氢脱卤反应和还原反应。 典型的取代反应是水解反应。 过渡金属如镍、铁、铬和钴可以还原卤代脂肪烷，产物为氧化态金属和脱氯的烷烃。 好氧和厌氧微生物都已经用于卤代脂肪烃的降解和环境修复。

①好氧降解。 目前对卤代脂肪烃好氧降解的了解还不完全，只知道它们最初的氧化作用由单加氧酶或双加氧酶催化。 由于单加氧酶和双加氧酶的特异性较低，它们的降解可以与脂肪烷烃和芳烃降解使用相同的加氧酶系。 一般来说，降解的敏感性和分子中氯原子的数目呈负相关。 例如，氯乙烯最容易好氧降解，而四氯乙烯最具抗性。 降解需要有代谢基质（甲烷、甲苯/酚或氨）存在，因此这种降解是一种共代谢作用。

②厌氧降解。 最初研究的是卤代脂肪烃的好氧降解，近年来才研究其厌氧降解。 厌氧条件下的降解过程称为还原性脱卤作用（reductive dehalogenation），卤原子从分子中逐个脱去并被氢原子取代。 在厌氧条件下有机化合物脱卤在热力学上是有利的。

脱卤作用取决于分子的氧化还原电位，而这又是由卤—碳键强度决定的。 键强度越高，卤原子越难脱去。 键强度与卤原子的类型和数目有关，也与卤代分子的饱和程度有关。

总结卤代脂肪烃的降解规律，涉及生物修复的一些要点如下:

a.微生物脱卤方式有好氧产能脱卤、好氧共代谢脱卤和厌氧还原性脱卤。 卤代脂肪烃不会对所有代谢方式作出反应，这取决于化合物的骨架、卤代程度、氧还电位、土水条件和有效电子受体。

b.某些卤代脂肪烃在好氧条件下作为唯一碳源和能源。

c.某些卤代脂肪烃在好氧条件下以共代谢方式转化，甲烷营养菌已经在现场示范中共代谢转化某些卤代脂肪烃。(www.xing528.com)

d.许多卤代脂肪烃可在厌氧条件下还原性脱卤。 电子受体（硝酸盐、硫酸盐）显著影响还原性脱卤的程度。 硝酸盐可以阻断某些卤代脂肪烃的厌氧脱卤，硫酸盐也会影响脱卤的程度。

e.充足对路的电子供体是成功进行还原性脱卤的必要条件，如在产甲烷条件下产生的挥发性脂肪酸可以做电子供体。

（3）脱卤反应机制

氯代脂肪烃化合物的微生物代谢关键步骤是脱卤反应。 催化这一反应的酶可以直接作用于C—Cl 键，或不直接作用于C—Cl 键，而和氧结合形成不稳定的中间物。

目前在好氧细菌中发现5 种脱卤机制。

①亲核置换（nucleophilic displacement）。 有谷胱甘肽硫转移酶（glutathione-S-transferase，GST）参与，形成谷胱甘肽和卤代脂肪烃共价结合的中间物，最后脱卤。

②水解脱卤酶参与氯代脂肪烷烃的脱卤反应，其反应产物是对应的醇。 这类氯代脂肪烷烃有2-氯代羧酸以及其他相关化合物。 例如，自养黄色杆菌以1，2-二氯乙烷为唯一碳源，在两种不同的水解脱卤酶作用下经过两次水解脱氯作用，生成产物乙醇酸，然后进入中央代谢途径。

③氧化。 由单加氧酶催化，需要还原性辅助因子或细胞色素，分子氧中的一个氧原子与基质结合，另一个氧原子形成水。 单加氧酶反应在性质上是亲电反应而不是亲核反应，因此这种氧化反应为结构上对亲核取代反应不敏感的化合物的降解提供了另一种途径。 氯仿在这种方式下氧化产生不稳定的中间物。

④分子内部亲核取代（intramolecular nucleophilic substitution）。 由单加氧酶或双加氧酶催化，形成环氧化物，然后再脱去氯。 如反1，2-二氯乙烯在甲基营养细菌作用下的降解。

⑤水合（hydration）。 具有不饱和键的卤代烃水合后脱卤。 例如3-氯代丙烯酸水合脱氯形成丙醛酸。