雌激素類污染物的微生物降解研究進展*

林泳墨，秦玉瑩，李明堂

(吉林農業大學資源與環境學院，吉林　長春　130000)

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雌激素類污染物的微生物降解研究進展*

林泳墨，秦玉瑩，李明堂

(吉林農業大學資源與環境學院，吉林長春130000)

由于雌激素類污染物排放到環境中，對淡水生物、生態系統的可持續和人類的健康造成不利影響，因此人們對此有了越來越多的關注。微生物降解是去除環境雌激素的主要途徑。通過歸納已報道的雌激素降解細菌的各類文獻、并總結其在環境中污染現狀、作用機制危害以及環境行為，概括闡述了雌激素的微生物降解作用。

雌激素；微生物；污染物

1　環境雌激素在環境中的污染現狀

由于雌激素類污染物的釋放，尤其是17β-雌二醇、雌酮、雌三醇，通過人和牛的尿液傳播進入水體環境中導致內分泌系統和生殖器官的影響，在絕大多數發達國家的城市中，釋放出來的雌激素通過污水處理廠到達水體本身，然而，在污水處理廠中去除雌激素不能夠有效的防止內分泌的干擾。Purdom等[1]報道污水處理廠中的廢水中虹鱒魚的卵黃蛋白原含量增加，導致雌性化雄魚。Desbrow等[2]表明由于環境中的雌激素類污染物的產生導致的雌性化雄魚的地區主要分布于來自污水處理廠排放污水的下游地區。該研究表明，動物肥料的處理，農業用地的廢水、污泥會導致像17β-雌二醇、雌酮、雌三醇、類固醇類污染物轉移進入地下水表面。Finlay Moore[3]在土壤中通過肉用雞垃圾應用程序檢測出E2的背景濃度從55 ng/kg增加到了675 ng/kg，而雌激素在地下水的含量很低，大約在0.5～70 ng/L范圍內浮動，而這主要取決于他們的污染源[4-5]。不同污水處理廠廢水中EE2的含量升高到了42 ng/L 并且E2被發現含量也升高到了64 ng/L?？梢?，目前雌激素類污染物對于水體的污染已經日益嚴重[6]。然而，當濃度僅達到1 ng/L 這些化合物就就會影響魚的生殖和發育[7]，尤其是EE2在雌激素類污染物中具有十倍的毒性效力，由此可見，尋找雌激素類污染物的去除方法迫在眉睫。

2　雌激素類污染物的作用機制及其危害

2.1作用機制

雌激素類污染物對內分泌系統產生影響，其中主要通過雌激素受體(ER)介導、抑制雄激素受體 (AR) 或其它受體介導發揮作用，由于雌激素類污染物的化學結構與內源雌激素的結構相似，具有高度親和能力，當這種親和發生時,同型二聚體復合物將使轉錄子聚集到靶基因啟動子上并促發基因轉錄的增強，或者通過介導模式影響介導的基因轉錄活性，繼而mRNA翻譯成蛋白質并表現出各種生理反應，影響基因的表達，進而影響細胞的分裂增殖，使其在體內產生錯誤的信息。環境雌激素都可通過雌激素受體或其他細胞核受體以及直接通過胞內其他信號傳遞系統如離子通道、濃度以及鈣調蛋白、微管的裝配和解聚等的介導產生生物效應，從而影響正常的生物代謝，內分泌的紊亂。

2.2危害

在環境中的雌激素類污染物在低濃度條件下對于敏感有機體的內分泌干擾有著潛在的威脅[8-9]。近年來，關于人類和野生動物的生殖和發育的不利影響有許多有力的可追溯的觀測，在人類身上，如有研究表明睪丸和乳腺癌的增加案例越來越多，大量的報道也指出精液質量下降，隱睪癥(為降到陰囊的睪丸)尿道下裂(陰經的畸形)多囊性卵巢[10]兒童性早熟現象以及對自身免疫系統和神經系統的影響，在野生動物中，有很多研究報道顯示動物數量劇減，高的癌癥并發率，生殖器官功能的降低，免疫力下降，繁殖能力下降[11],這些影響對于雌激素類污染物的在水體環境中的重視程度迅速提升，因為有報道指出目前在污水和處理過的廢水中的雌激素類污染物通常進入到地表水體中，比如河流、湖泊和海水以及人類和野生動物通常暴露的地方[10-12]。

3　雌激素類污染物的環境行為研究

通過大量的實驗研究表明，雌激素類污染物具有短期[12-13]且穩定[13-14]的特點，一些研究人員在地表水的領域檢測出相對較高頻率和濃度的雌激素類污染物[15]，某些有機碳有助于促進一些穩定或者不穩定污染物在土壤中持久性的運輸[16-20]。

Nichols證明了家禽糞便的土地利用可能導致雌激素的損失，從農田徑流到地表。Peterson也調查研究17β-雌二醇從家畜和牛糞中通過地表運動進入含水層隨后運動到地表層，他們的研究發現在泉水中17β-雌二醇的含量很高，那是廢物排放一開始的地方，他們還研究發現排泄物的大腸桿菌和大腸埃希菌的濃度與雌激素濃度成正相關進一步證明了動物排泄的廢物是雌激素類污染物的重要來源，在實驗室中研究的柱浸出實驗也證明了雌激素在土壤中垂直遷移和微生物轉化的可能性。然而，Casey認為他們的實驗條件可能不具有區域條件代表性由于雌激素傳遞到土壤中的連續方法，因此，他們認為在自然條件下，雌激素的吸附和降解率最有可能導致流動性和持久性，與Lucas and Jones的工作形成對比，據報道雌激素在土壤中的半衰期5～25天并且證明在動物糞便中的17β-雌二醇和雌酮通過降雨導致淡水中的嚴重污染。

4　微生物研究進展

雌激素類污染物在環境中的遷移轉化過程主要包括吸附、氧化，生物降解，其中其被吸附后很難被遷移，氧化之后降解產物的毒性仍不清楚，而生物降解，通過微生物本身與周圍的環境進行物質交換，從而達到將污染物去除或轉化為無毒無害的物質，日益受到人們的重視。目前利用微生物降解雌激素類污染物的研究主要分為兩類，一類是分離培養某一菌種用來降解；另一類是用活性污泥降解，而單一菌株的降解具有局限性，雖然可以很好的降解雌激素類污染物但會有中間代謝產物生成，因此研究復合菌對于雌激素類污染物的降解成為人們研究的重點。

許多研究都報道了在污水處理廠中雌激素的有效去除率，并且在實驗室的批量實驗中證明了在污水處理廠中活性污泥能夠有效地降解雌激素，在處理廠雌激素不能夠有效地去除的潛在原因還不明確，然而，增加液壓的保留時間或者污泥保留時間可能會提高雌激素的去除率，這些結果表明了去除雌激素生物降解方法的重要性。

在微生物降解代謝過程中，微生物可以利用雌激素作為唯一碳源供自身生長。前文所述部分降解菌對雌激素的降解屬于代謝，例如鞘氨醇單孢菌(Sphingomonas) KC8可利用雌激素為能源和碳源。而共代謝則是因為某些激素如EE2，本身不能提供細胞生長的碳源和能源，必須有額外碳源時才能被降解。額外碳源，一方面用于細胞增殖，另一方面供給細胞產生共代謝酶所需的能源。一些菌株被分離出來被鑒定是能夠降解雌激素的微生物，包括新鞘脂菌屬(Novosphingobium tardaugens sp.)[21-22]，鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas sp.strain)[23]，紅球菌屬 (Rhodococcus zopfii)[18]，(Rhodococcus equi)[14]，無色桿菌(Achromobacter xylosoxidans) 和羅爾斯通菌屬(Ralstonia sp.)的 混合菌[15]，另外，亞硝酸單胞菌(Nitrosomonas europaea)也有降解雌激素的能力。

細菌降解雌激素的代謝過程不是很好描述，通常在很多研究中，E2氧化成E1發生在復雜的培養系統中，比如活性污泥和被純化的細菌培養，活性污泥的批量實驗中，E1被進一步降解，然而，很少有人知道降解產物和如何降解的過程，在早期階段，E2被活性污泥降解，Li等發現在E1的D環上的代謝物是內酯環結構并指出E1被氧化并且在D環上被裂解，Coombe等報道暴露的E1被諾卡氏菌屬降解三種代謝產物[16]，并提出E1經過C-4上羥基化隨后C-4和C-5之間經雙加氧酶氧化斷裂。

[1]Purdom C E,Hardiman P A,Bye V J,et al.Estrogenic effects of effluents from sewage-treatment works[J].Chem.Ecol.,1994,8:275-285.

[2]Desbrow C,Routledge E J,et al.Identification of estrogenic chemicals in STW effluent.1.Chemical fractionation and in vitro biological screening[J].Environ.Sci.Technol.,1998,32:1549-1558.

[3]Shore L S,Shemesh M.Naturally produced steroid hormones and their release into the environment[J].Pure Appl.Chem.,2003,75:1859-1871.

[4]Belfroid A C,Van der Horst A,Vethaak A D.Analysis and occurrence of estrogenic hormones and their glucuronides in surface water and waste water in The Neth er lands[J].Sci.Total Envi ron.,1999,225:101-108.

[5]Ternes T A,Stumpf M,Mueller J,et al.Behaviour and occurrence of estrogens in municipal sew age treatment plants -I.Investigations in Germany,Canada and Brazil[J].Sci.Total Environ,1999,225:81-90.

[6]Ying G G,Kookana R S,Ru Y J.Occurrence and fate of hormone steroids in the environment[J].Environ.Int.,2002,28(6):545-551.

[7]Rodgers-Gray T P,Jo bling,et al.Long-term temporal changes in the estrogenic com position of treated sew age effluent and its biological effects on fish.Environ[J].Sci.Tech nol.,2002,34:1521-1528.

[8]李明堂,田來明,王呈玉,等.睪丸酮叢毛單胞菌PhaR基因敲除菌株的構建及其3,17 -HSD對甾族化合物的響應特性[J].環境科學學報,2014,34(11):2773-2778.

[9]B Jalabert.Particularities of reproduction and oogenesis in teleost fish compared to mammals[J].Reprod.Nutr.Dev.,2005,45:261-279.

[10]Harrison PTC,Holmes P,Humfrey CDN.Reproductive health in humans and wildlife:are adverse trends associated with environmental chemical exposure[J].Sci.Total.Environ,1997,205:97-106.

[11]Jimenez B.Environmental effects of endocrine disruptors and current methodologies for assessing wildlife health effects[J].Trends Anal Chem,1997,16(10):596-606.

[12]M S Colucci,H Bork,E Topp.Persistence of estrogenic hormones in agricultural soils:I.17-estradiol and estrone[J].J.Environ.Qual.,2001,30:2070-2076.

[13]Z Fan,F X M Casey,G L Larsen,et al.Persistence and fate of 17-estradiol and testosterone in agricultural soils[J].Chemosphere,2007,67:886-895.

[14]李明堂,林泳墨.畜禽養殖排放內源類固醇雌激素的污染與控制研究進展[J].吉林農業大學學報,2014,36(3):253-257,264.

[15]D W Kolpin,E T Furlong,M T Meyer,et al.Pharmaceuticals,hormones,and other organic wastewater contaminants in U.S.streams,1999-2000:a national reconnaissance[J].Environ.Sci.Technol.,2002,36:1202-1211.

[16]G.Chen,M Flury,J B Harsh,et al.Colloid-facilitated transport of cesium in variably saturated Hanford sediments[J].Environ.Sci.Technol.,2005,39:3435-3442.

[17]H de Jonge,L W de Jonge,O H Jacobsen.[C-14]glyphosate transport in undisturbed topsoil columns[J].Pest Manag.Sci.,2000,56:909-915.

[18]J E Saiers,J J Lenhart.Colloid mobilization and transport within unsaturated porous media under transient-flow conditions[J].Water Resour.Res.,2003,39(1):SBH 10-11.

[19]L A Sprague,J S Herman,G M Hornberger,et al.Atrazine adsorption and colloid-facilitated transport through the unsaturated zone[J].Environ.Qual.,2000,29:1632-1641.

[20]K G Villholth,N J Jarvis,O H Jacobsen,et al.Field investigations and modeling of particle-facilitated pesticide transport in macroporous soil[J].Journal of Environmental Quality,2000,29(4):1298-1309.

[21]Fujii K,Kikuchi R S,Ru Y J.Degradation of 17β-estradiol by a Gram-negative bacterium isolated from activated sludge in a sewage treatment plant in Tokyo,Japan[J].Appl.Environ.Microbiol.,2002,68:2057-2060.

[22]Fujii K,Satomi M,Morita N.Novosphingobium tardaugenssp.nov.,an oestradiol-degrading bacterium isolated from activated sludge of a sewage treatment plant in Tokyo[J].Int.J.Syst.Evol.Microbiol.,2003,53:47-52.

[23]ChaoY,Kurisu F,Saitoh S,et al.Degradation of 17β-estradiol by Sphingomonas sp.strain D12 Isolated from Soil[J].Environ.Biotech.,2004,3:89-94.

Review on Estrogens Microbial Degradation of Pollutants*

LIN Yong-mo,QIN Yu-ying,LI Ming-tang

(College of Resources and Environment,Jilin Agricultural University,Jilin Changchun 130000,China)

Because of estrogen kind of pollutants into the environment,the fresh water biological and ecological system of sustainable and adversely affect human health,so people have more and more attention.Microbial degradation is the main way of estrogen removal environment.Through inducing reported from the estrogen degradation bacteria of various types of literature,its mechanism,the present situation in the environment pollution,and environmental behavior were summarized,the microbial degradation of estrogen effect were summarized.

estrogen; microbe; pollutants

國家自然科學基金項目(51109089)。

林泳墨(1990-)，女，吉林農業大學碩士研究生。

秦玉瑩，研究方向：環境微生物。

X53

A

1001-9677(2016)011-0003-03