藻源臭味物质Geosmin与2-MIB的生成途径及控制研究

给水排水Ｖｏｌ．４１增刊２０１５９藻源臭味物质Ｇｅｏｓｍｉｎ与２－ＭＩＢ的生成途径及控制研究仲鑫崔崇威（哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨１５０００１）摘要饮用水中的臭味问题不但严重影响水的感官特性，而且某些致臭化合物还会直接危害人体健康。蓝藻是地表饮用水水源中典型致臭物质土腥素（Ｇｅｏｓｍｉｎ）和二甲基异莰醇（２－ＭＩＢ）的主要来源。以Ｇｅｏｓｍｉｎ和２－ＭＩＢ的研究历史为主线，综述了土腥素和２－甲基异莰醇的生物合成和代谢途径以及由此产生的基于分子生物学的检测方法及未来的发展方向，为含有土嗅味原水的处理技术的遴选提供了理论依据。关键词蓝藻土嗅味土腥素２－甲基异莰醇饮用水中土嗅味是经常引起消费者投诉的重要原因之一。这种令人反感的气味主要是由微生物产生的土腥素（Ｇｅｏｓｍｉｎ）和二甲基异莰醇（２－ＭＩＢ）引起的。尽管Ｇｅｏｓｍｉｎ和２－ＭＩＢ还没有已知的不良生理或病理的影响，但消费者经常认为这种土嗅味的水是不安全的。Ｇｅｏｓｍｉｎ和２－ＭＩＢ分别属于萜类化合物中的单萜和倍半萜，这两种萜醇通常是真菌、粘细菌、放线菌和蓝细菌的次级代谢产物［１～５］。在我国，藻类代谢产生的Ｇｅｏｓｍｉｎ和２－ＭＩＢ是饮用水中嗅味问题发生的重要原因，到目前为止发现了二百多种藻类能够生成Ｇｅｏｓｍｉｎ和２－ＭＩＢ，主要包括席藻属、颤藻属、束丝藻属、鞘丝藻属及鱼腥藻属的部分藻类。２－ＭＩＢ主要由颤藻等丝状藻产生，而Ｇｅｏｓｍｉｎ主要由鱼腥藻等产生［６］。Ｇｅｏｓｍｉｎ的季节性浓度与营养淡水湖中束丝藻属（Ａｐｈａｎｉｚｏｍｅｎｏｎ）［７］和鱼腥藻属（Ａｎａｂａｅｎａ）［８］的数量有很好的相关性。最初蓝藻被认为是生产者，直到Ｔａｂａｃｈｅｋ和Ｙｕｒｋｏｗｓｋｉ［９］证明，这些光合自养微生物比放线菌更加频繁地产生ｇｅｏｓｍｉｎ和２－ＭＩＢ。有趣的是，似乎只有丝状蓝藻产生ｇｅｏｓｍｉｎ和２－ＭＩＢ。目前，在水处理厂主要采用活性炭吸附、高级氧化和生物降解等方法去除Ｇｅｏｓｍｉｎ和２－ＭＩＢ。本文综述了藻类在分子水平上合成Ｇｅｏｓｍｉｎ和２－ＭＩＢ的研究进展，以期对藻类引起的水体臭味问题有所启示。１藻类合成Ｇｅｏｓｍｉｎ和２－ＭＩＢ的途径早期Ｂｅｎｔｌｅｙ和Ｍｅｇａｎａｔｈａｎ［１０］对链霉菌属的标记试验得知２－ＭＩＢ是单萜类化合物，Ｇｅｏｓｍｉｎ是不规则的倍半萜化合物。采用标记试验追溯到Ｇｅｏｓｍｉｎ和２－ＭＩＢ的生物合成有３条途径，即２－甲基赤藓糖醇－４－磷酸（２－ｍｅｔｈｙｌｅｒｙｔｈｒｉｔｏｌ－４－ｐｈｏｓ－ｐｈａｔｅ，ＭＥＰ）途径、甲羟戊酸（ｍｅｖａｌｏｎａｔｅ，ＭＶＡ）途径和Ｌ－亮氨酸（Ｌ－ｌｅｕｃｉｎｅ）途径。ＭＶＡ主要存在于真核生物中，ＭＥＰ则存在于原核生物和光合生物的质体中［１１～１３］。值得注意的是，ＭＥＰ途径是最近发现的并能够从高等植物的基因和酶分子水平上阐述Ｇｅｏｓｍｉｎ的合成［１４］。尽管集胞藻属（Ｓｙｎｅｃｈｏ－ｃｙｓｔｉｓ）的成员并不产生Ｇｅｏｓｍｉｎ，但却在集胞藻属（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓｓｐ．ｓｔｒａｉｎＰＣＣ６８０３）中发现了ＭＥＰ途径的基因密码［１５］。说明了生成Ｇｅｏｓｍｉｎ的蓝藻可能具有相同功能的萜类化合物合成途径，但目前对蓝藻采用哪种途径合成Ｇｅｏｓｍｉｎ还没有解决。这一难点对于解释在不同蓝藻中哪些是Ｇｅｏｓ－ｍｉｎ生产者或非Ｇｅｏｓｍｉｎ生产者，哪些是高产量生产者或低产量生产者至关重要。对于Ｇｅｏｓｍｉｎ的合成路径，很多报道热衷于对最后步骤的阐述，即法呢基二磷酸（ｆａｒｎｅｓｙｌｄｉｐｈｏｓ－ｐｈａｔｅ，ＦＰＰ）环化成单环或二环倍半萜。Ｐｏｌｌａｃｋ和Ｂｅｒｇｅｒ［１６］发现了具有很强产Ｇｅｏｓｍｉｎ能力的柠檬链霉菌（Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓｃｉｔｒｅｕｓ）也生成一定数量的倍半萜烯醇（ｇｅｒｍａｃｒａｄｉｅｎｏｌ），由此他们推断ＦＰＰ环化生成的ｇｅｒｍａｃｒａｄｉｅｎｏｌ是Ｇｅｏｓｍｉｎ的直接前驱体。最近天蓝色链霉菌（Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓｃｏｅｌｉｃｏｌｏｒ）和阿维链霉菌（Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓａｖｅｒｍｉｔｉｌｉｓ）的ｇｅｒｍａｃ－DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2015.0330１０给水排水Ｖｏｌ．４１增刊２０１５ｒａｄｉｅｎｏｌ／ｇｅｒｍａｃｒｅｎｅＤ合酶被复制，ｇｅｒｍａｃｒａｄｉｅｎ－ｏｌ／ｇｅｒｍａｃｒｅｎｅＤ合酶能够催化ＦＰＰ生成ｇｅｒｍａｃ－ｒａｄｉｅｎｏｌ、ｇｅｒｍａｃｒｅｎｅＤ和Ｇｅｏｓｍｉｎ。然而，在这些研究中发现ｇｅｒｍａｃｒａｄｉｅｎｏｌ是主要产物，Ｇｅｏｓｍｉｎ是次要产物，但是在自然条件下，Ｇｅｏｓｍｉｎ在细胞内的浓度远远高于ｇｅｒｍａｃｒａｄｉｅｎｏｌ，说明合酶的环境对这两个产物的合成具有重要的影响［５］。Ｇｕｓｔ等和Ｃａｎｅ等两个独立的科研小组，进行了倍