全 文 ：降解芳烃微生物的多样性 3
邱俊珊　朱可丽　张　杰　张忠泽 3 3 　(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016)
【摘要】　芳烃是一类生物异源物质. 自然微生物群落利用其对环境的适应性 ,对这类物质由陌生到适应 ,
微生物群落的遗传背景发生了变化 ,降解芳烃的微生物呈现出多样性. 本文系统介绍了降解芳烃微生物的
特性、物种资源、环境适应、遗传背景及演变 ;介绍了各遗传型物种的功能基因数量、表达及调控方式 ;指明
芳烃环境污染的生物修复主要取决于高效工程构造及代谢过程的控制.
关键词 　芳烃降解 　适应性 　生物修复 　物种多样性 　遗传多样性
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 12 - 1713 - 03 　中图分类号 　Q939. 96 　文献标识码 　A
Diversity of the microorganisms degrading aromatic hydrocarbons. Q IU J unshan , ZHU Keli , ZHAN G Jie ,
ZHAN G Zhongze ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016) . 2Chin. J .
A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (12) :1713～1715.
Aromatic hydrocarbons are biological xenobiotics. Indigenous microorganism groups turn from being unfamiliar
with into active response to environmental changes by their adaptability to environment . There are changes in
their genetic background , and then , the biodiversity turns into being. This paper reviewed the microorganism
groups resources ,biocharacters ,genetic background ,evolvement and their aptability to environment ;described the
genetic information ,expression and regulatory for some species in detail ;and pointed out that the degradation of
aromatic hydrocarbons depended maily on new microorganisms formed by genetic engineering and on their highly
efficient metabolic regulatory.
Key words 　Aromatic hydrocarbon degradation , Bioremediation , Adaptability , Species diversity.
3 中国科学院知识创新工程资助项目 ( KZCX 22401) .3 3 通讯联系人.
2001 - 08 - 29 收稿 ,2002 - 02 - 01 接受.
1 　引 　　言
芳烃污染主要来源于石油污染 . 近年来 ,世界各国开始
重视治理环境污染的技术研究. 其中生物修复最具生命
力[3 ] .微生物是生物修复中的一种重要生物. 微生物与环境
之间存在广泛的信息交流 ,它们能够感受环境变化并对之作
出有效的应答 ,同时微生物自身在遗传背景上也发生了变
化 ,导致了物种性状的变化 ,使降解芳烃的微生物群落呈现
出生物多样性的特征. 本文从降解芳烃微生物的物种、对环
境的适应性及遗传背景等方面简述其多样性 ,旨在总结前人
工作 ,提出问题 ,展望降解芳烃微生物的开发利用前景.
2 　降解芳烃微生物
　　自然界中降解烃类的微生物约占微生物群落总数的
1 % ,而当石油污染物存在时 ,这个比例可增加到 10 %[1 ] . 据
Bull 等[2 ]对全球不完全统计 ,已描述的真菌种为 69000 个 ,
占总数的 5 % ,细菌种为 4760 个 ,占 12 % ,病毒种为 5000
个 ,占 4 %. 由此可推测 ,微生物种类应不少于 90 万. 如以降
解芳烃的微生物占微生物群落总数 10 %来计算 ,能够降解
芳烃的微生物种群至少为 9 万. 这将是一个极有开发潜力的
资源库.
3 　降解芳烃微生物的环境适应性
311 　对物理化学环境的适应
　　环境中存在多种影响因子 ,各因子间呈复杂的作用关
系.它们对微生物的影响是协同作用的结果 ,各个因子所起
的作用也有主次之分 ,起主要作用的因子又因环境的不同而
异. 通常把环境因子分为物理、化学及生物因子. 生存繁殖于
环境中的微生物对这些因子具有一定的耐受范围 ,超越这一
范围 ,微生物将不能生存. 但微生物对于环境因子的耐受范
围具有可塑性 ,这种特殊性是环境因子与微生物在长期相互
影响过程中形成的 [23 ] .
　　随着工业的发展 ,微生物生活在日益污染的环境里 ,作
为生存、繁殖的主要策略 ,必须表现出主动适应. 高等生物通
过功能专化或分化的细胞或器官对付逆境 ,而微生物则是通
过变异不同的单细胞群体而形成了可耐受和适应广泛的特
殊环境的生物种群 [4 ] . 一般来讲 ,微生物能分解生态系统中
的所有有机质 ,Alexander 把它定义为微生物绝对可靠性原
理.呈多样性的复杂难降解物质的产生与存在 ,总是与相应
的微生物降解途径产生与存在相平行. 虽然这种适应性有时
显得十分罕见 ,但必定存在 [7 ] . 因此 ,即使在在寒冷、炎热、酸
性、碱性、高盐、营养极限等地方只要有芳烃污染物的存在 ,
就可能分离到降解芳烃的微生物. 此外 ,在有特定污染物存
在的生态系统中 ,有利于促使新的微生物降解菌群落的出
现[10 ] .
312 　对生物环境的适应
　　降解芳烃的微生物原本就存在于特定的生态系统中 ,是
应 用 生 态 学 报 　2002 年 12 月 　第 13 卷 　第 12 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Dec. 2002 ,13 (12)∶1713～1715
物质循环的参与者 ,是食物链的组成部分 ,因而不可避免的
与周围的生物发生联系. 它们可通过代谢活动为其它生物提
供营养 ,也可对它们的生命活动有所抑制甚至致死. 在生物
对环境修复的过程中 ,主要利用了周围生物对芳烃降解微生
物有利的方面. 如在植物2微生物的联合修复过程中 ,高等植
物一方面可提供土壤微生物生长的 C 源和能源 ,同时又可将
大气中的 O2 经叶、茎传送到根部 ,扩散到周围缺 O2 的地质
中 ,形成了氧化的 C 环境 ,刺激了好氧微生物对有机污染物
的分解作用. 另外 ,高等植物根基渗出液的存在 ,也可提供降
解微生物的营养来源. 在降解芳烃的微生物中有一类真菌2
白腐霉真菌. 它们有很强的生存能力 ,调节所处环境达强酸
性 ,与其周围的某些微生物产生拮抗关系. 而有些降解芳烃
的微生物在降解芳烃物质的同时 ,为周围的某些生物创造了
良好的生存空间. 有些芳烃化合物的降解不是由某一单一种
微生物来完成的 ,要有多种微生物协同完成 ,好比一条井然
有序的流水线车间 ,每种微生物各尽其职 ,形成了共代谢过
程.相对于处于食物链中同一营养级的其他生物 ,降解芳烃
微生物暂时占据着优势地位 ,但对于食物链中的相应捕食者
来说 ,它是被剥削的对象 ,尤其在生物修复过程中应考虑到
着这些问题.
4 　降解芳烃微生物的遗传多样性
411 　降解菌株的遗传多样性
　　降解芳烃的微生物对芳烃污染环境的应答 ,是逐渐的在
微生物种群结构和功能及遗传方面作出反应. 基因的突变、
转移、重组后构成新的代谢基因 ,进入单个的 DNA 片段 ,有
的形成了染色体外的 DNA 片段2质粒 ,有的则与转移性质粒
结合 ,这样就产生了能在污染环境中生存的微生物新性状.
质粒的某些特性为种群变异提供了条件 ,增加了种内遗传的
多样性.
412 　功能基因的遗传多样性
　　在芳烃污染环境中的某些微生物对生物异源物质表现
出适应 ,产生具有降解活性的应答因子. 降解芳烃的不同种
微生物可能产生功能相同的活性物质 ,但其基因序列存在差
异 ,而这种差异大小与分支进化系统所体现的亲缘关系相吻
合.Laurie 等[12 ]用 Proteobacteria 的α、β和γ纲比较间位裂
解途径操纵子基因序列和组成操纵子的各功能基因的排列
顺序.β纲具有两个不同的间位裂解途径操纵子 ,其中一个
基因顺序与α和γ纲相似 ,另一个则完全不同 ,而双加氧酶
基因序列的保守程度与对 Proteobacteria 各亚群之间的分支
进化关系相一致. Moser 等[14 ]考察了降解芳烃细菌的启始双
加氧酶基因多样性. 他们用启始芳烃双加氧酶α亚基的基因
作为 PCR 模板检出 Pseudonom as , Com anom as 和 Rhodococ2
cus 的芳烃降解菌. 序列分析表明 , Pseudonom as 的菌株的启
始芳烃双加氧酶的α亚基的基因序列高度保守. 但用特异的
用于检测 Pseudonom as 的菌株的启始芳烃双加氧酶基因的
PCR 引物却不能检出 Comanomas and Rhodococcus 属的相应
基因. 由此说明了不同属之间同工活性物质的基因多样性.
Hamann[8 ]分离到 20 株不同的降解芳烃的细菌 , 并以
Pseudonom as putida PaW736 (NCIB) 的萘双加氧酶铁硫蛋
白α亚基基因为探针 ,与各菌株的染色体组进行杂交 ,根据
杂交程度的不同 ,将这 20 株菌分为两大类群 ,亲和力低的表
现为可降解高分子量的芳烃 ,从而为评价特定种群降解芳烃
能力提供了新的工具与标准. 此外 ,酶活不同的同工酶 ,其本
质也在于遗传多样性 ,Meyer[15 ]观测到降解芳烃微生物群落
中的优势菌如 Pseudonom as 的菌株 ,其降解关键步骤的酶如
邻苯二酸 2 , 32双加氧酶的活力就明显高于其它菌株 ,该
Pseudonom as 的菌株的 PCR 引物和基因探针也表现出遗传
特异性.
413 　功能基因的存在形式及调控的多样性
　　由于降解芳烃并不是生物体所必需的活动 ,从简约角度
出发 ,这部分基因所占遗传物质的比例应尽可能的小 ,甚至
可以完全丢掉. 当生物体需要利用芳烃物质时 ,需要尽量高
表达降解基因 ,降解基因的数量也会随之增加. 主要通过以
下几种方式来扩增模板的数量. 以转座子的方式扩增基因 ,
在一些降解基因的两端存在插入序列 ,而且在基因组内随机
存在一些相同或部分相同的插入序列 ,使得降解基因可以根
据需要进行剪切、重组进而扩增 ,这种情况既适用于降解基
因在染色体上也适用于降解基因在质粒上的情况 ;如果降解
基因存在于质粒上 ,则也可直接通过自身质粒扩增来实现基
因数量的增加 ,或者质粒扩散到其它共生菌内再进行扩增 ;
此外 ,携带降解基因的优势菌株在数量上的增加也为基因扩
增作出了贡献. Shimizu 等[19 ]研究了具有很强的降解多氯二
苯的 Rhodococcus sp2RHAI. 它含有 3 个大小不等的质粒 ,其
降解基因主要集中在 450kb 的 线性质粒上 ,同属间此质粒
的结合转移率为 7. 5 ×10 ( - 5) ,这个结果说明了线性质粒
可能是多样降解基因扩增的影响因素. de Lipthay 等[5 ]论述
了原位基因转移对降解外源物质的影响. 试验工作表明基因
水平转移提高了对某一专一底物的降解速率 ,而且通过降解
代谢途径的互补扩大了降解底物的种类范围 ,这种生物现象
可能在新降解能力的进化上扮演着重要的角色 ,为人类对污
染环境的生物修复提供一个可行的工具. Vedler 等 [21 ]分析
了某一个 70kb 质粒的结构组成. 质粒上同一降解功能基因
不连锁分布及质粒上存在两个拷贝的插入序列 ,而且此插入
序列具有普遍特征 ,与各种不同的降解基因操纵子都有联
系 ,分布范围广. 由此推测插入序列在质粒形成过程很可能
起到了作用. 而且当限制底物不存在时 ,会产生 28kb 小质
粒 ,推测是两个插入序列重组的结果. Poelarends 等[16 ]用某
降解基因探针 Southern 杂交 ,检测出相应功能基因既在染色
体上又在质粒上. 由此推出质粒在菌株间穿梭且经历了整合
与切割的过程 ,降解基因是由转座子或质粒融合形成. Top
等[20 ]研究了人工引入的供体菌的降解质粒在土生微生物群
落中的转移情况 ,结果表明 ,降解质粒的生物放大对于缺乏
足够能力去降解外源物质的污染环境的生物修复将是可行
的方法. van der Meer 等[22 ]提到降解芳烃的细菌 ,其降解基
因绝大多数被限于质粒或者染色体. 但对于有些降解基因如
4171 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
经典的氯二苯酚和二苯降解基因 ,有证据表明其定位在可运
动的 DNA 单位上 ,使用一种类噬菌体的整合酶 ,使 DNA 单
位整合到其它寄主菌 ,这一发现揭示了细菌的某些病毒特
性.
　　通常 ,决定降解功能的基因是以操纵子的形式存在. 操
纵子是微生物进行应答反应的遗传基础. 有时虽然基因的功
能相同但其亚克隆片段在操纵子上的排列可能会不同 ,或者
操纵子内调控子基因不同 ,造成效应底物的不同. Liu 等 [13 ]
克隆并分析了以修饰的邻位途径降解氯邻苯二酚的 5 个相
应的基因被命名为 T ,C ,D , E , F. 尽管这 5 个基因与其他菌
株的相应基因极其相似 ,且基因 C 的转录是由基因 T 的转
录产物激活的 ,而可激活这个基因转录的效应底物却十分丰
富. Sarand 等[18 ]描述了底物及其结构类似物与调控蛋白结
合 ,激活编码降解基因的操纵子 ,从而降解底物 ,结果表明此
操纵子降解底物的丰富程度源于调控蛋白敏感域对底物类
型产生回应 ,同时暗示了这种调控蛋白进化的成功 ,对调节
噪声假说[6 ]也是有力的支持.
5 　结 　　语
　　自然界中存在的降解芳烃的微生物是生态系统自我修
复机制的有效工具 ,也是自然给予人类的宝贵资源与财富.
由于人类活动干扰了生态系统的健康 ,超出了生态系统自身
的修复能力 ,因而必须对生态系统自身修复机制的重组与完
善. Kumar 等[11 ]认为 ,最简单的进行生物修复的方法是通过
从其它生物组织引入附加酶来拓展现有生物体中存在的代
谢途径中的降解能力或者修饰现存的代谢基因的专一特性.
Reineke 等[17 ]提出用修补装配的方法发展融合菌株来矿化
由各种瓶颈效应所积累的化合物. Haro 等 [9 ]构建了用于降
解 22氯甲苯的工程菌株 ,分析其代谢中间产物 ,证明此工程
菌既有基因信息又具有降解 22氯甲苯的能力 ,但却不能以 22
氯甲苯为唯一碳源进行生长. 表明代谢流速不是由工程菌中
相应降解过程理论上所需的酶和遗传物质的完整性来决定
的 ,真正的瓶颈在于副代谢产物非生产性的溢出及降解途径
的反馈调控 ,这为我们在利用工程菌株进行生物修复时提出
了问题. 今后不仅要致力于降解基因的分离重组 ,构建多功
能高效率的工程降解菌株 ,还要重视生物体代谢调控的研
究. 此外 ,还应拓展思路 ,对降解微生物之间及降解微生物与
周围生物体之间的关系进行研究 ,利用生物之间的协同作用
来完成修复任务. 这一理念更能体现自然界的生态平衡机
理.
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作者简介 　邱俊珊 ,女 ,1976 年生 ,硕士 ,主要从事微生物污
染生态研究 ,发表论文多篇. E2mail : qjshan2001 @hotmail.
com
517112 期 　　　　　　　　　　　　　　　　邱俊珊等 :降解芳烃微生物的多样性