详细介绍

卤代芳烃是一种携带有卤族原子的芳香族化合物的总称，根据它们结构复杂度的不同，可以被分为三类：第一类是结构最为简单的卤代芳烃化合物，只包含了一副芳香环骨架和至多一个非卤取代基，例如氯苯、氯酚等（图1）；第二类则具有一个或多个结构较为复杂的取代基，相对于第一类卤代芳烃化合物，不仅具有较高的生物毒性，也具有较强的化学稳定性，例如除草剂四氯丁酸、农药毒死蜱等（图2）；第三类是具有多于一个芳香环骨架的化合物的集合，包含了常见的多氯联苯(PCBs)、多溴联苯醚(PBDEs)等工业用品和滴滴涕（DDT）、除草醚等农业用品（图2）。它们大部分都被列入国家环保局的《中国水中优先控制污染物黑名单》。研究表明，环境中存在大量可降解卤代芳烃的微生物类群，包括细菌（红球菌、假单胞菌、棒杆菌、微球菌、产碱杆菌、分歧杆菌、鞘脂菌、诺卡氏菌等）、真菌（平革菌、侧耳、云芝等）和藻类（阿格门氏藻、颤藻、栅藻和月牙藻等）等。它们对卤代芳烃的降解脱毒代谢可以系统地分为三个阶段（图3）：第一个阶段是复杂卤代芳烃取代基的脱支阶段；第二个阶段是卤代芳烃的卤基被取代，并被氧原子激活的阶段；第三个阶段则是芳香环裂解成为脂肪酸类化合物，并进入微生物的物质代谢循环的阶段。

图1简单卤代芳烃化合物的化学结构

图2复杂卤代芳烃化合物的化学结构

图3卤代芳烃化合物的微生物降解介绍

图4微生物对2,4-D和毒死蜱的降解途径举例介绍

图5微生物对多氯联苯的降解途径举例介绍

其中第一阶段只存在于微生物对复杂卤代芳烃化合物的代谢过程中，而第三阶段的代谢产物为脂肪酸类化合物，与微生物常见的碳源底物相似，相关过程与微生物的物质代谢循环重叠，因此各个微生物种类的代谢模式极为相似。在第二阶段，由于各类卤代芳烃的性质差异较大，微生物演化出了不同的代谢通路和酶系统对不同的卤代芳烃进行降解和利用，因此显示出了较高的代谢多样性，成为了当前微生物卤代芳烃降解脱毒的研究重点。根据降解过程的化学反应特性，第二阶段的微生物卤代芳烃脱毒代谢可以被分为以下几种模式：（1）卤代芳烃的还原脱卤。微生物的还原脱卤过程是利用氢原子代替卤原子氧化还原过程，是微生物厌氧脱毒的主要过程，微生物以卤原子作为电子受体，氢作为电子供体进行氧化还原反应，而膜结合还原脱卤酶是这个反应的关键酶。（2）卤代芳烃的加氧酶氧化脱卤。加氧酶是一种可以将氧分子导入有机物，并生成一个羟基的酶类，单加氧酶在一个反应中可以生成一个羟基，而双加氧酶可以生成两个羟基。微生物可以利用此类酶将卤代芳烃中的卤基替换成为羟基，是微生物好氧脱毒的主要过程。（3）卤代芳烃的水解脱卤，是将水分子解离出来的羟基替换卤基的反应。该反应目前只在微生物对氯苯乙酸的降解脱毒过程中发现。如图4和5所示，微生物对2,4-D、毒死蜱和多氯联苯降解的途径就是通过三步走的方式进行。

综上所述，卤代芳烃的降解脱毒能力不仅广泛存在于各类微生物，且不同种类的微生物对卤代芳烃的代谢多样性非常丰富。现有的微生物卤代芳烃降解基因研究还局限在对纯培养菌株的分子生物学和酶学分析，随着科学技术的不断发展，大量不依赖菌株培养的方法使得我们可以从环境样品中直接获取微生物物种和基因信息，在此基础还能进一步预测未培养微生物潜在的生理生化代谢途径。此外，由于微生物的卤代芳烃的代谢多样性极高，形成了极为复杂的模块化降解脱毒代谢网络，现有的研究尚未系统地解析微生物卤代芳烃降解脱毒各个代谢模块的相互作用和调控机制，相应的特色基因资源数据库缺乏。因此，微生物卤代芳烃降解基因数据库的构建不仅有利于突破相关研究领域的瓶颈，还将会极大地丰富了人们对于微生物卤代芳烃降解的科学认知。

我们在此分享卤代芳烃的降解基因的分类及收集到的蛋白序列。卤代芳烃的降解基因分了一个小库（HA_S）和一个大库（HA_L_100_de_w）。小库数据主要是已经过试验过的蛋白序列，大库的蛋白序列数据来源比较广泛，主要来源于文献报道和NCBI对比搜寻。在此分享，以供大家使用。

附件4-5系在深圳市茅洲河、大沙河流域的底泥宏基因组数据中，新发现了895条微生物的卤代芳烃降解基因，包括第一阶段267条，第二阶段430条和第三阶段198条。这些微生物的卤代芳烃降解过程可分为三个主要步骤：上、中、下代谢途径，依次将有毒的卤代芳烃转化为细胞内的常见代谢物。相关研究已发表在International Biodeterioration & Biodegradation（Zou et al. 2024；https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2024.105806）。