镰刀菌在环境保护中的科研论文

【摘要】 综述了镰刀菌在环境保护中的应用研究进展，探讨了镰刀菌在生物脱除氮氧化物，生物降解酚类化合物、氰化物和合成染料，吸收、蓄积、降解多环芳烃等方面的作用机理，指出了其在环境保护中的重要作用和巨大的应用前景。

【关键词】 镰刀菌；生物降解；环境保护

【中图分类号】 Q93  【文献标示码】 A   【文章编号】

[作者简介] 李峰（1977-），男，山东省新泰市人，硕士，研究方向为环境污染控制技术及生物修复技术。

    氮氧化物、酚类化合物、多环芳烃、氰化物和合成染料是难处理的重要环境污染物，其结构稳定，不易降解，且毒性大，对人体健康危害极大。这类污染物主要来源于化工、石油、农药、电子、纺织、造纸、化妆品及制药工业，它们通过多种途径进入环境，对大气、水体和土壤造成污染。近年的研究表明，微生物降解环境污染物成为治理环境污染的重要方法，以细菌和真菌中的白腐菌、酵母菌和青霉菌研究颇多^[1]，而镰刀菌(Fusarium)少有人涉及。镰刀菌是真菌中一个常见且重要的种属，在环境中分布极为广泛，易培养，对营养物质要求不高，且抗毒性强。过去人们的注意力多集中在镰刀菌及其所产毒素的危害上，为开发利用这一真菌资源，笔者综合近年镰刀菌在环境保护中的研究，探讨了镰刀菌在生物脱除氮氧化物，生物降解酚类化合物、氰化物和合成染料，吸收、蓄积、降解多环芳烃等方面的作用机理和其应用前景。

1  镰刀菌处理氮氧化物及其机制

Fusarium oxysporum的细胞色素P450NADH-NO还原酶（P450_Nor）是属亚铁血红素-硫醇蛋白家族，是真菌反硝化作用的关键酶，此酶能催化还原2分子的NO到1分子N₂O，如反应式（1），它还可作为还原剂催化还原N₂O₄。Fe³⁺-NO复合体被认为是此酶的酶-底复合体，P450_Nor在分子氧极为有限的时候，使得NO的还原加快，其催化机理见图1，这与反硝化细菌的氧化氮还原酶不同，后者可以将NO直接转化为N₂，但所需时间比前者要长^[2]。这为生物脱出氮氧化物的污染方面提供了理论支持和模式菌，必将在氮氧化物的治理技术上产生重要的影响。

图1  依赖NADH的NO催化还原反应机制

2  镰刀菌处理氰化物及其机制

利用镰刀菌12号固定化细胞降解氰化物的研究表明，在培养基中添加氰化物可显著提高诱导酶的活力，经海藻酸钙固定后相对活性为89.68% ，最适pH=8.0～9.0，最适温度为35～45℃。固定化细胞柱连续处理浓度500ppm，流速15ml/h，运转90h，出水CN^-<10ppm 。Alain等^[3]从被氰化物污染的土壤中分离一株在碱性条件(pH9.2～10.7)下对氰化物有良好的降解效果的Fusarium solani IHEM8026，并利用K¹⁴CN碳原子示踪法研究了氰化物的降解途径，认为氰化物降解有两步反应：

在反应（2）中菌株没有生长，在反应（3）中伴随着菌株的生长，说明氰化物对菌株有一定的毒性，外加营养介质对反应（3）发生有着重要的影响。除氰化物水合酶外，腈水解酶也具有降解氰化物的活性。Kobayashi等^[4]认为腈水解酶酶解机理中氨基化合物是一个重要的中间体，当氰化物水合酶的最佳途径为III时，腈水解酶的最佳途径为IV/V（如图2）。这样可对含有CN^-的碱性工业废水不经酸化处理而直接进行生物处理，避免了HCN的挥发，这将对含氰废水的治理产生重要的影响。

图2  腈水解酶/氰化物水合酶降解氰化物的途径

3  镰刀菌处理酚类化物及其机制

镰刀菌在芳香族化合物生物圈循环中也起着重要的作用，尤其是酚类化合物，如Fusarium flocciferm，Fusarium sp．FE11等对苯酚具有很强的降解能力^[5]。李济吾等^[6]以苯酚为唯一碳源，研究了Fusarium sp．HJ01降解苯酚的动力学符合Andrews模型，见公式5，添加适量蔗糖可促进HJ01菌对苯酚的降解，在蔗糖添加量3g/L、初始pH=6.0、30℃的最适条件下，420mg/L的苯酚溶液经4d后可被HJ01完全降解。Santos等^[5]认为苯酚是通过儿茶酚的邻位断裂开环，进入β-酮己酸代谢途径，而被彻底矿化的，Fusarium sp.FE11的细胞提取物就具有儿茶酚1，2-双加氧酶和苯酚羟化酶的活性，这不同于混浊红球菌R7等细菌降解酚类物质的机制，后者是通过邻苯二酚2，3-双加氧酶催化酚类物质开环降解的。但镰刀菌有细胞壁，比细菌有更强的耐酚能力，说明镰刀菌在生物降解酚类化合物方面有着潜在应用价值。

4  镰刀菌处理多环芳烃及其机制

镰刀菌可以降解土壤中菲、芘，经处理360h后，对菲、芘的降解效率分别76.96%和20.69%。Fusarium solani通过¹⁴CO₂示踪法证实了其可使苯巴芘矿化，并同化为自身的生物量^[7]，而且其胞内脂肪泡对多环芳烃（PAHs）也有累积和降解作用，其从培养基质里吸收PAH是不需能量的被动过程，累积过程不受其老化的影响。PAH在脂肪泡内的累积是PAH可能被氧化的开始位置，但累积和降解不是同步的。这说明镰刀菌既可降解多环芳烃，也可累积回收多环芳烃，具有巨大的应用前景。过去对多环芳烃的生物降解的研究多集中于白腐菌，但白腐菌的生长周期长，且在营养生长阶段不产生木质素氧化酶和锰过氧化酶等这类对PAH有降解作用的酶类，这就成了白腐菌在PAH治理应用中的瓶颈。

5  镰刀菌处理合成染料及其机制

合成染料大多是芳香族化合物，化学结构稳定，不易降解，尤其是含璜酸基的蒽醌染料。多数研究是白腐菌降解偶氮染料，而白腐菌培养时间长，脱色时间大多在7～14d。李济吾等^[8]在国内外首次从膨润土中分离筛选了一株高效降解蒽醌性染料酸性蓝B的镰刀菌Fusarium sp.HJ01菌株，该菌株在25℃下培养96h后，加入到含100 mg/L酸性蓝B的液体培养基中继续培养96h时，酸性蓝B的脱色率达100%，并指出该菌株所产的漆酶在酸性蓝B的降解中起着关键的作用，而且该染料的降解分为两个阶段，首先是染料的吸附、富集阶段，菌体变为染料的颜色；其次是生物降解阶段，被染料染色的菌体逐渐变为原来菌体的颜色。在第二阶段，染料的生物降解包括两个步骤：一是染料透过HJ01菌株的细胞壁进入质膜，二是在质膜上的传递并通过菌体细胞的生命活动如漆酶的产生，使氧化、还原等过程得以发生，从而促使其降解。这也显示出镰刀菌在印染废水处理中的应用前景。

6  问题与展望

    镰刀菌在环境保护中日益显示其巨大的应用前景，但镰刀菌自身也有缺点，有的种类能产生毒素，如单端孢霉烯族化合物、玉米烯酮、串珠镰刀菌素和丁烯酸内酯等。但随着现代基因技术的日臻成熟，采用驯化、培养和诱变、遗传、克隆等技术，使得高效菌株的选育成为可能。为了更好地利用镰刀菌这一常见且重要的真菌资源并结合近年的镰刀菌在环境保护中的研究情况，建议今后的镰刀菌研究工作应集中在：

（1）进一步开展高效且无毒镰刀菌的选育研究和镰刀菌所产毒素的快速检测技术研究，采用基因工程等现代科学技术，构建高效降解环境有毒污染物的新型优良菌株，扩大其应用范围。

（2）大力加强高效镰刀菌应用工艺的开发研究，确定反应器构型、操作条件等工艺参数，建立示范工程，尽快使高效菌的应用产业化。

随着镰刀菌在环境保护中的应用研究的不断深入，这种真菌资源必将在改善环境质量，促进环境可持续发展的事业中发挥重要作用。

参考文献

[1]宋昊,邱森,章俭,等.高活性萘降解细菌Hydrogenophaga Palleronii LHJ38的研究.化工环保,2006,26(2):87-90.

[2]蒋文举,毕列锋,李旭东.生物法废气脱销研究.环境科学,1999,20(3):34-37.

[3] Alain D,Therese C,.Prortal J M, et al.Cyanide Degradation under Alkaline Conditions by a Strain of Fusarium solani Isolated from Contaminated Soils. Applied and Environmental.Microbiology.1997,7:2729-2734.

 [4] Kobayashi M, Goda, et al.Nitrilase catalyzes amide hydrolysis as well as nitrile hydrolysis. Biochem. Biophys.Res.Commun.1998,253:662-6666. 

[5] Santos V L,Valter R L. Biodegradation of phenol by a filamentous fungi isolated from industrial effluents-identification and degradation potential. Process Biochemistry.2004,39:1001-1006.

[6] 李济吾,张珍.镰刀菌HJ01对苯酚的降解性能.化工环保.2006,26(5):353-356.

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 [8]李济吾.李峰.降解酸性蓝B的镰刀菌(Fusarium sp.)HJ01的分离和降解特性研究.环境科学学报,2005,25(12):1641-1646