在选择压力下高效微生物降解：合成偶氮染料生物修复新突破

《BIOspektrum》：Under Pressure: effizienter mikrobieller Abbau durch selektiven Druck

为解决合成偶氮染料污染问题，研究人员开展微生物降解研究，发现选择性压力可提升降解效率，意义重大。

　　

合成偶氮染料生物修复研究：压力下的微生物降解新探索

在当今工业蓬勃发展的时代，各类合成化合物广泛应用于各个领域。合成偶氮染料（Azofarbstoffe）便是其中一种，因其稳定性高、成本效益好且色彩丰富，被大量用于纺织、食品和制药等行业。然而，它却带来了棘手的环境问题。在生产过程中，仅有约 10% 的染料能附着在材料上，其余的都流入了废水系统。部分合成偶氮染料及其中间产物一旦进入环境，会对人类健康和生态系统造成严重影响。现有的物理和化学处理方法不仅会产生诸如吸附剂处理困难、有毒中间产物生成以及成本高昂等问题，也无法从根本上解决污染难题。因此，寻找环境友好的替代方法来降解这些染料迫在眉睫。

在这样的背景下，德国鲁尔大学波鸿分校（Ruhr-Universit?t Bochum）生物学与生物技术学院的研究人员开启了一项极具意义的研究。他们将目光聚焦于微生物修复（Bioremediation）领域，试图利用微生物的独特能力，找到解决合成偶氮染料污染的新途径。该研究成果发表在《BIOspektrum》杂志上。

研究人员采用了多种关键技术方法来开展此项研究。首先，他们运用琼脂筛选法，从 107 种不同的微生物分离株中筛选出具有染料降解能力的菌株。之后，将筛选出的最佳菌株组合成合成细菌群落（synthetic bacterial consortium），并对其进行研究。同时，利用光谱分光光度计、RP-HPLC 分析以及 LC-MS 分析等技术，检测酶活性和代谢产物，以此来探究微生物在选择性压力下对染料的降解机制。

下面来详细了解一下研究结果：

1. 微生物菌株筛选与群落构建：研究人员对 107 种微生物分离株，如芽孢杆菌（Bacillus）、链霉菌（Streptomyces）、红球菌（Rhodococcus）等进行单独研究。通过琼脂筛选法，以合成染料作为唯一碳源，最终确定了戈登氏菌（Gordonia rubripertincta）、红平红球菌（Rhodococcus erythropolis）的多个菌株等为最佳染料降解菌。随后，研究人员将这些最佳降解菌组合成合成细菌群落，然而最初的实验并不顺利，该群落的降解活性低于单个菌株。但研究并未就此止步，研究人员调整策略，在让群落进行染料降解前，先对其施加选择性压力（selective pressure）12。
2. 芳香化合物的作用探究：偶氮染料结构复杂，通常由较小的芳香族化合物合成。研究人员测试了多种小芳香族化合物，如醌、对硝基苯酚（p-Nitrophenol）、对氨基苯磺酸（Sulfanils?ure）等，观察合成细菌群落能否在这些化合物作为碳源的环境下生存、繁殖并产生生物量。结果发现，对硝基苯酚、对甲苯磺酸酐（p-Toluolsulfons?ureanhydrid ）和对氨基苯磺酸的组合最能促进微生物群落生物量的增加。进一步研究发现，用这些芳香族化合物处理后的微生物群落，其染料降解速度和底物接受度都得到了提高。与之对比，以葡萄糖为对照培养的生物量，在染料降解效果上远不如经芳香族化合物处理的生物量345。
3. 染料降解酶的研究：微生物在应对化学物质时，常释放各种酶作为防御机制。在合成染料存在的情况下，微生物会产生氧化酶和还原酶。其中，氧化酶包括漆酶（Laccasen）和过氧化物酶（Peroxidasen） ，漆酶是含铜酶，利用其活性中心的四个 Cu2+离子氧化化合物；过氧化物酶如木质素过氧化物酶（Ligninperoxidasen）等，则利用过氧化氢将芳香族化合物转化。还原酶主要是偶氮还原酶（Azoreduktasen），它可依赖或不依赖黄素，以 NADH 或 NADPH 为电子供体攻击偶氮基团，生成相应的胺。研究发现，小芳香族化合物的预处理能促进染料降解酶的产生，且这些酶的产生并非同时进行，而是依次发生678。
4. 酶活性的动态变化：研究人员以 ABTS 为氧化酶的指示剂，对酶活性进行了为期 5 天的监测。结果发现，氧化酶的存在情况每天都有所变化。类似漆酶的酶在预处理第 1 天被检测到，第 2 天达到最高值；第 2 天检测到类似过氧化物酶的活性，第 3 天活性则大幅下降 。对于偶氮还原酶，研究人员通过提取细胞内提取物，以甲基红为指示剂进行检测，发现处理后第 3 天的样本细胞内提取物中出现了甲基红还原的相应产物，这表明存在偶氮还原酶9。

综合以上研究结果，研究人员得出结论：选择性压力在微生物对合成偶氮染料的降解过程中起着关键作用。通过对合成细菌群落施加适当的选择性压力，利用小芳香族化合物作为预处理，可以有效提高微生物对染料的降解效率。这种降解效率的提升，得益于预处理促进了染料降解酶的产生，且这些酶的产生呈现出依次发生的规律。

这项研究意义非凡。它不仅为解决合成偶氮染料的污染问题提供了新的思路和方法，还进一步加深了人们对微生物群落功能和微生物降解机制的理解。此外，该研究还为微生物修复技术在其他领域的应用提供了理论支持，意味着在未来，或许可以利用类似的方法，培育出能够降解如聚乙烯和聚苯乙烯等更难降解化合物的菌株，从而为环境保护和可持续发展开辟新的道路。