- 移动端
北京北纳创联生物技术研究院
14 年
手机商铺
商家活跃：
产品热度：
- NaN
- 0
- 0
- 2
- 2
推荐产品
公司新闻/正文
氯苯类化合物的降解机制——共代谢
2694 人阅读发布时间：2016-03-21 16:14
“共代谢’’的概念来源于Peter和Foster提出的“共氧化”，其定义为在生长基质存在时对不可利用基质的氧化。Jenson将此概念一般化，提出“共代谢”，现在一般定义为只有在初级能源物质存在时才能进行的化台物的生物降解过程。
共代谢被认为是由于初级基质诱导产生的酶和辅助因子缺乏专一性所致。由于代谢所需的酶来源于初级基质的代谢，因此对次级基质的共代谢活性取决于对初级基质的利用。Brunsbach等在研究CB、1，4-DCB的生物降解时发现该微生物能共代谢1，2-DCB和1，2，4-TCB，但当生长基质消耗殆尽时1，2- DCB和1，2，4-TCB不再降解。由于共代谢体系中的酶缺乏专一性，在一个同时存在2种基质的体系内，必然存在着对所需酶的竞争作用，两种基质的代谢速率之间存在着相互作用。在上述研究中，1，2-DCB和l，2，4-TCB的引入降低了氯苯的代谢速率，使细胞对生长基质的利用产生明显滞后。
共代谢中生长基质的选择很重要。同种微生物可能以多种化合物为生长基质，但不同生长基质诱导的酶可能不尽相同。一般来说，生长基质与非生长基质分子结构类似时，生长基质诱导的酶可能非专一的共代谢非生长基质。如在上述例子中，1，4-DCB的降解菌可以降解结构相似的l，2-DCB和1，2，4-TCB。另外许多氯代芳香化合物不能被微生物直接利用作为生长基质，但可通过选择一种合适的生长基质来诱导产生它们所需的酶及产生足够的能量驱动它们的最初转化。如在消除氯苯类化合物代谢中产物氯代邻二酚的积累时，可以加入酵母膏来诱导。
(1)好氧共代谢
至今，氯苯类化合物的好氧共代谢已经有很多报道。HaigIer等发现分离到的氯苯降解菌假单胞菌能够氧化1，2-二氯苯和1，3-二氯苯，而这两种氯苯却不是生长基质。Brunsbach等发现铜绿假单胞菌株利用单氯苯和1，4-二氯苯作为生长基质，对l，2-二氯苯和l，2，4-三氯苯的共代谢。Sullivan等研究了甲烷氧化菌Methylosinus trichosporium OB3b对1，2，3-三氯苯的共代谢。在低铜条件下，当有甲酸盐作为共基质时，生长在甲烷上的细胞能促进甲烷单加氧酶将1，2，3-三氯苯代谢为2，3，4-三氯苯和3，4，5-三氯苯。另一株嗜甲烷细菌Methylocystis sp．GB 14，在无铜基质中以甲烷作为基质生长时能代谢氯苯。在不同的培养基条件下，80％的氯苯被Methylocystis sp．GB 14去除。而这一过程中氯苯代谢的产物中氯酚占到53％。Burback等发现氯苯能够被以丙烷为生长基质的分枝杆菌Mycobacterium vaccae JOB-5共氧化，主要产物是4-氯酚。
也有一些报道是关于氯苯在恶臭假单胞菌Pseudomonas putida作用下的共代谢。Bestetti等发现以谷氨酸为基质培养出来的Pseudomonas putida MST能够把氯苯代谢为三氯邻苯二酚。另外，以苯为生长基质培养出来的Pseudomonas putida能够将1，2-二氯苯代谢为2，3-二氯苯酚，3，4-二氯苯酚和2，6-二氯苯酚。在相似的研究中，几乎所有的氯苯同系物，从单氯苯到四氯苯，都可以被来自土壤中的以苯为基质生长的混合菌氧化为苯酚。在二氯苯降解实验中还能够得到其他的氯代物。在以苯作为最初基质的实验中发现，在氯苯代谢的过程中有单加氧酶的参与。单加氧酶的其他反应导致了氯酚中间体向氯代物的转化。单加氧酶已经从Pseudomonas putida中分离出来，这种酶对氯苯的羟化有很大作用，常用定点诱变来提高酶的活性，拓宽可以利用单加氧酶的底物的特异性。五氯苯酚降解菌，Sphingobium chlorophenolicumATCC 39723，被基因工程改造为包括有将六氯苯氧化为五氯苯酚的单加氧酶细胞色素P450的突变基因。
(2)厌氧共代谢
在厌氧条件下氯苯的还原脱氯是一个已知的生物转化过程，这种转化或者以偶然的共代谢反应发生，或者以能源产生反应发生。从大鼠胃肠道分离出来的Staphylococcus epidermidis表皮葡萄球菌，在有氢气的条件下，会将1，2，4-三氯苯缓慢地进行生物还原为1，2-二氯苯和单氯苯，这是有关氯苯共代谢的最早报道。在NADH作为电子供体时，Staphylococcus epidermidis表皮葡萄球菌破裂的细胞也能转化三氯苯。其他的研究表明在厌氧污泥中六氯苯可以转化为三氯苯和二氯苯的同分异构体。转化的主要产品是1，3，5-三氯苯。
(3)富集培养下的厌氧代谢
许多研究者已经发现，厌氧富集培养使氯苯脱卤的速度更快。大多数的研究表明，氯苯脱氯和菌群的生长有关联。脱氯反应都遵循向热力学最有利反应的方向进行。所有可能的还原脱氯模式都有良好的标准还原电势(310～478mV)来作为电子受体，还得有氢气作为电子供体(一414mV)来提供值为一139．6～一171.4kJ／mol的吉布斯自由能。然而，大多数的研究表明双侧相邻的氯原子脱除比单侧相邻的氯原子脱除更容易发生。这种现象符合双重两侧脱氯需要高的吉布斯自由能，而非两侧脱氯需要最低的吉布斯自由能这样的实际。最频繁的脱氯模式进行如下：从1，2，3，5-四氯苯到1，3，5-三氯苯，或者从1，2，4，5-四氯苯到1，4，5-三氯苯，l，3，5-三氯苯会进一步脱氯成为1，3-二氯苯，1，4，5-三氯苯会进一步脱氯成为1，4-二氯苯或1，3-二氯苯。但有学者发现了与上述趋势不同的现象，即单氯两侧更容易脱氯，导致了通过1，2，3，4-四氯苯，1，2，3-三氯苯，1，2-二氯苯生成单氯苯这一路径的进行。研究还发现，富集培养也可以使得非两侧氯脱氯。这些研究表明．可以利用低自由能转变的脱卤菌株在非两侧氯上是可以存在的。
从生物学角度来看，对氯苯为了竞争生存，或者在硫酸盐还原条件下生存时的卤呼吸能力做了评价。结果表明，氯苯在硫酸盐还原条件下的卤呼吸能力更强。在大多数的研究中，氯苯的还原脱氯是在硫酸盐还原条件下发生的。但是，在另一个研究中，当有硫酸存在，在含有高浓度丙酮酸的富集培养基上不能发生三氯苯的还原脱。近几年，在鉴定氯化苯还原脱氯负主要责任的卤呼吸微生物方面，研究者取得了可观的成绩。有学者采用了16S RNA基因并且应用到了由流化床反应器的微生物对三氯苯的厌氧生物转化。这个研究揭示了Dehalobacter sp.的存在。三氯苯脱氯群体中Dehalobacter sp．的出现被进一步证实，即根据来自已知的呼吸细菌还原脱卤基因的保守区域，用分子探针进行杂交。这些发现支持了三氯苯还原脱氯反应可以通过呼吸途径实现的假设。
能使四氯苯和三氯苯脱氯的纯培养菌已经被分离。Dehalococcoides sp．CBDB1，一种和已知的四氯乙烯卤呼吸菌有很近关系的菌，这种菌的生长和氯苯呼吸时氢气的氧化相关联。脱氯最初最易进行的是双重两侧脱氯，次之易进行的是单氯两侧脱氯。
纯培养菌株Dehalococcoides ethenogens195，以把四氯乙烯转化为乙烯著称。在有四氯乙烯存在并作为电子受体支持生长时，可以是多种高氯苯同系物脱氯。六氯苯或五氯苯还原脱氯的产物为l，2，3，5-四氯苯，l，2，4-三氯苯，1，3，5-三氯苯。l，2，4，5-四氯苯脱氯的产物是1，2，4-三氯苯，1，4-二氯苯．1，3-二氯苯。而1，2，3，4-四氯苯脱氯产物是1，2，4-三氯苯，1，3，5-三氯苯，1，3-二氯苯。对比之下，1，2，3，5-四氯苯的同系物在Dehalococcoides ethenogens195作用下的脱氯反应非常缓慢。
六氯苯脱氯形成了1，3，5-三氯苯，途中经过了五氯苯和1，2，3，5-四氯苯。利用分子生态学工具证明细菌DF-l是六氯苯的主要脱卤剂。和Dehalococcoides sp．CBDB1相比，细菌DF-1和已知的四氧乙烯和三氯乙烯脱氯菌株Dehalococcoides sp．有更近的关系。
来源：北纳细胞网www.bncc.org.cn
共代谢被认为是由于初级基质诱导产生的酶和辅助因子缺乏专一性所致。由于代谢所需的酶来源于初级基质的代谢，因此对次级基质的共代谢活性取决于对初级基质的利用。Brunsbach等在研究CB、1，4-DCB的生物降解时发现该微生物能共代谢1，2-DCB和1，2，4-TCB，但当生长基质消耗殆尽时1，2- DCB和1，2，4-TCB不再降解。由于共代谢体系中的酶缺乏专一性，在一个同时存在2种基质的体系内，必然存在着对所需酶的竞争作用，两种基质的代谢速率之间存在着相互作用。在上述研究中，1，2-DCB和l，2，4-TCB的引入降低了氯苯的代谢速率，使细胞对生长基质的利用产生明显滞后。
共代谢中生长基质的选择很重要。同种微生物可能以多种化合物为生长基质，但不同生长基质诱导的酶可能不尽相同。一般来说，生长基质与非生长基质分子结构类似时，生长基质诱导的酶可能非专一的共代谢非生长基质。如在上述例子中，1，4-DCB的降解菌可以降解结构相似的l，2-DCB和1，2，4-TCB。另外许多氯代芳香化合物不能被微生物直接利用作为生长基质，但可通过选择一种合适的生长基质来诱导产生它们所需的酶及产生足够的能量驱动它们的最初转化。如在消除氯苯类化合物代谢中产物氯代邻二酚的积累时，可以加入酵母膏来诱导。
(1)好氧共代谢
至今，氯苯类化合物的好氧共代谢已经有很多报道。HaigIer等发现分离到的氯苯降解菌假单胞菌能够氧化1，2-二氯苯和1，3-二氯苯，而这两种氯苯却不是生长基质。Brunsbach等发现铜绿假单胞菌株利用单氯苯和1，4-二氯苯作为生长基质，对l，2-二氯苯和l，2，4-三氯苯的共代谢。Sullivan等研究了甲烷氧化菌Methylosinus trichosporium OB3b对1，2，3-三氯苯的共代谢。在低铜条件下，当有甲酸盐作为共基质时，生长在甲烷上的细胞能促进甲烷单加氧酶将1，2，3-三氯苯代谢为2，3，4-三氯苯和3，4，5-三氯苯。另一株嗜甲烷细菌Methylocystis sp．GB 14，在无铜基质中以甲烷作为基质生长时能代谢氯苯。在不同的培养基条件下，80％的氯苯被Methylocystis sp．GB 14去除。而这一过程中氯苯代谢的产物中氯酚占到53％。Burback等发现氯苯能够被以丙烷为生长基质的分枝杆菌Mycobacterium vaccae JOB-5共氧化，主要产物是4-氯酚。
也有一些报道是关于氯苯在恶臭假单胞菌Pseudomonas putida作用下的共代谢。Bestetti等发现以谷氨酸为基质培养出来的Pseudomonas putida MST能够把氯苯代谢为三氯邻苯二酚。另外，以苯为生长基质培养出来的Pseudomonas putida能够将1，2-二氯苯代谢为2，3-二氯苯酚，3，4-二氯苯酚和2，6-二氯苯酚。在相似的研究中，几乎所有的氯苯同系物，从单氯苯到四氯苯，都可以被来自土壤中的以苯为基质生长的混合菌氧化为苯酚。在二氯苯降解实验中还能够得到其他的氯代物。在以苯作为最初基质的实验中发现，在氯苯代谢的过程中有单加氧酶的参与。单加氧酶的其他反应导致了氯酚中间体向氯代物的转化。单加氧酶已经从Pseudomonas putida中分离出来，这种酶对氯苯的羟化有很大作用，常用定点诱变来提高酶的活性，拓宽可以利用单加氧酶的底物的特异性。五氯苯酚降解菌，Sphingobium chlorophenolicumATCC 39723，被基因工程改造为包括有将六氯苯氧化为五氯苯酚的单加氧酶细胞色素P450的突变基因。
(2)厌氧共代谢
在厌氧条件下氯苯的还原脱氯是一个已知的生物转化过程，这种转化或者以偶然的共代谢反应发生，或者以能源产生反应发生。从大鼠胃肠道分离出来的Staphylococcus epidermidis表皮葡萄球菌，在有氢气的条件下，会将1，2，4-三氯苯缓慢地进行生物还原为1，2-二氯苯和单氯苯，这是有关氯苯共代谢的最早报道。在NADH作为电子供体时，Staphylococcus epidermidis表皮葡萄球菌破裂的细胞也能转化三氯苯。其他的研究表明在厌氧污泥中六氯苯可以转化为三氯苯和二氯苯的同分异构体。转化的主要产品是1，3，5-三氯苯。
(3)富集培养下的厌氧代谢
许多研究者已经发现，厌氧富集培养使氯苯脱卤的速度更快。大多数的研究表明，氯苯脱氯和菌群的生长有关联。脱氯反应都遵循向热力学最有利反应的方向进行。所有可能的还原脱氯模式都有良好的标准还原电势(310～478mV)来作为电子受体，还得有氢气作为电子供体(一414mV)来提供值为一139．6～一171.4kJ／mol的吉布斯自由能。然而，大多数的研究表明双侧相邻的氯原子脱除比单侧相邻的氯原子脱除更容易发生。这种现象符合双重两侧脱氯需要高的吉布斯自由能，而非两侧脱氯需要最低的吉布斯自由能这样的实际。最频繁的脱氯模式进行如下：从1，2，3，5-四氯苯到1，3，5-三氯苯，或者从1，2，4，5-四氯苯到1，4，5-三氯苯，l，3，5-三氯苯会进一步脱氯成为1，3-二氯苯，1，4，5-三氯苯会进一步脱氯成为1，4-二氯苯或1，3-二氯苯。但有学者发现了与上述趋势不同的现象，即单氯两侧更容易脱氯，导致了通过1，2，3，4-四氯苯，1，2，3-三氯苯，1，2-二氯苯生成单氯苯这一路径的进行。研究还发现，富集培养也可以使得非两侧氯脱氯。这些研究表明．可以利用低自由能转变的脱卤菌株在非两侧氯上是可以存在的。
从生物学角度来看，对氯苯为了竞争生存，或者在硫酸盐还原条件下生存时的卤呼吸能力做了评价。结果表明，氯苯在硫酸盐还原条件下的卤呼吸能力更强。在大多数的研究中，氯苯的还原脱氯是在硫酸盐还原条件下发生的。但是，在另一个研究中，当有硫酸存在，在含有高浓度丙酮酸的富集培养基上不能发生三氯苯的还原脱。近几年，在鉴定氯化苯还原脱氯负主要责任的卤呼吸微生物方面，研究者取得了可观的成绩。有学者采用了16S RNA基因并且应用到了由流化床反应器的微生物对三氯苯的厌氧生物转化。这个研究揭示了Dehalobacter sp.的存在。三氯苯脱氯群体中Dehalobacter sp．的出现被进一步证实，即根据来自已知的呼吸细菌还原脱卤基因的保守区域，用分子探针进行杂交。这些发现支持了三氯苯还原脱氯反应可以通过呼吸途径实现的假设。
能使四氯苯和三氯苯脱氯的纯培养菌已经被分离。Dehalococcoides sp．CBDB1，一种和已知的四氯乙烯卤呼吸菌有很近关系的菌，这种菌的生长和氯苯呼吸时氢气的氧化相关联。脱氯最初最易进行的是双重两侧脱氯，次之易进行的是单氯两侧脱氯。
纯培养菌株Dehalococcoides ethenogens195，以把四氯乙烯转化为乙烯著称。在有四氯乙烯存在并作为电子受体支持生长时，可以是多种高氯苯同系物脱氯。六氯苯或五氯苯还原脱氯的产物为l，2，3，5-四氯苯，l，2，4-三氯苯，1，3，5-三氯苯。l，2，4，5-四氯苯脱氯的产物是1，2，4-三氯苯，1，4-二氯苯．1，3-二氯苯。而1，2，3，4-四氯苯脱氯产物是1，2，4-三氯苯，1，3，5-三氯苯，1，3-二氯苯。对比之下，1，2，3，5-四氯苯的同系物在Dehalococcoides ethenogens195作用下的脱氯反应非常缓慢。
六氯苯脱氯形成了1，3，5-三氯苯，途中经过了五氯苯和1，2，3，5-四氯苯。利用分子生态学工具证明细菌DF-l是六氯苯的主要脱卤剂。和Dehalococcoides sp．CBDB1相比，细菌DF-1和已知的四氧乙烯和三氯乙烯脱氯菌株Dehalococcoides sp．有更近的关系。
来源：北纳细胞网www.bncc.org.cn