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微生物甲醛代谢途径的研究进展北京大元环境检测技术研究中心

来源：花匠小妙招时间：2025-05-08 16:24

0 前言

　　甲醛作为一种重要的粘合剂成分，广泛应用于化工业与制造业。由于甲醛对蛋白质与核酸的非特异性损伤，使其对生物具有很强的毒害作用。近年来, 有不少关于去除甲醛的各类研究报道，其中用微生物法吸收降解甲醛具有良好的应用前景。甲醛在微生物中的代谢途径，主要分为同化作用途径和异化作用途径两大类。同化作用包括丝氨酸途径和核酮糖单磷酸途径（RUMP）。丝氨酸途径是将甲醛的碳分子转移到四氢叶酸上形成亚甲基四氢叶酸，然后与甘氨酸结合形成丝氨酸。同化的另一条途径—RUMP途径开始于甲醛和5-磷酸核酮糖(RUMP)的缩合反应，最终生成磷酸二氢丙酮(DHAP)。甲醛的异化作用一般指甲醛的氧化途径。最简单的甲醛氧化途径为通过甲醛脱氢酶将甲醛转化为甲酸，而后反应生成CO2和水。另一种甲醛氧化途径为环化氧化途径，甲醛与C5受体分子结合形成C6化合物进入代谢循环。对甲醛在微生物中的代谢途径及关键酶的了解，将更有利于微生物法去除甲醛的研究。本文将对甲醛在微生物中的同化、异化途径及关键酶的研究进展进行综述。

　　1 甲醛代谢的同化途径

　　目前，发现有甲醛代谢能力的主要为甲基营养型细菌，也有一些真菌和非甲基营养菌。在甲基营养型细菌中同时存在着甲醛同化作途径和异化作用途径，这两种途径发挥作用都有利于甲醛的脱毒。甲醛在微生物细胞内的同化作用主要包括丝氨酸途径和RUMP途径。甲醛的同化作用是C1化合物和多碳化合物之间的羟基化反应，最终产生C3化合物。

　　1.1 丝氨酸循环

　　丝氨酸循环开始于亚甲基四氢叶酸的羟基化反应及甘氨酸合成丝氨酸的反应。这个C3化合物经过一系列的转化生成磷酸烯醇式丙酮酸，又经羧酸化生成苹果酸。苹果酸分解生成2个C2化合物，而后转换成甘氨酸，从而完成了整个循环过程。参与丝氨酸循环的特异性酶类主要有丝氨酸羟甲基转移酶、羟基丙酮酸还原酶、甘油酸激酶、PEP羧化酶、苹果酸激酶和丝氨酸-乙醛酸氨基转移酶。在MethylobacteriUm extorqUens AM1[6]和HyphomicrobiUm methylovorUm[7]中能克隆到编码上述这些酶类的大部分基因。大多数PEP羧化酶只有在乙酰CoA的参与下才能起催化作用，而C1代谢中的特异性PEP羧化酶为不依赖乙酰CoA型的酶，编码此两种同工酶的基因只有30%左右的重复序列。由丝氨酸途径产生的C3化合物中，有两个C来自甲醛，另一个来自于CO2。

　　图1 丝氨酸循环途径

　　Fig1 The serine cycle for fomaldehyde assimilation

　　(Serine transhydroxymethylase:丝氨酸羟甲基转移酶， HydroxypyrUvaate redUctase:羟基丙酮酸还原酶，Glycerate kinase:甘油酸激酶，PEP Carboxylase: PEP羧化酶，Malate thiokinase苹果酸激酶，Serine-glyoxylate aminotransferase:丝氨酸-乙醛酸氨基转移酶)

　　1.2 核酮糖单磷酸途径（RUMP）途径

　　同化作用的另一条途径——RUMP途径开始于甲醛的同化作用，包括两个RUMP途径独特的反应:甲醛和5-磷酸核酮糖(RUMP)缩合产生6-磷酸己酮糖(HU6P)及HU6P的异构化，产生6-磷酸果糖(F6P)，这两个反应分别被磷酸已酮糖合成酶（HPS）和磷酸葡萄糖异构酶（PHI）催化[8]。HPS和PHI是此途径的关键酶。研究结果表明，在专性甲级营养型细菌如Methylomonos antinafaciens 77a中，HPS和PHI为组成型表达，而在非甲基营养细菌B.cepacia TM1中的HPS/PHI可被来源于生长底物降解产生的甲醛诱导。编码这两个关键酶的基因，与许多细菌及古细菌中的某些基因片段有很高的同源性。古细菌通过RUMP途径代谢甲醛，同时也需要HPS和PHI这两个关键酶的参与。对P.borikoshii OT3的HPS和PHI的作用机理研究表明，RUMP途径是非甲基营养菌中的甲醛代谢核心途径，对生物的甲醛脱毒起关键作用。

　　图2 核酮糖单磷酸（RUMP）途径

　　Fig2 The ribUlose monophosphate (RUMP) cycle for formaldehyde assimilation

　　(HexUlose phosphate synthase:磷酸已酮糖合成酶，PhosphohexUlose isomerase: 磷酸葡萄糖异构酶)

　　 2 甲醛代谢的异化途径

　　最简单的甲醛氧化途径为通过甲醛脱氢酶将甲醛转化为甲酸。已有大量的NAD依赖型甲醛脱氢酶在微生物中发现。微生物的甲醛异化途径又可分为环化氧化途径和非环化氧化途径两大类。

　　2.1 谷胱甘肽（GSH ）依赖型异化途径

　　在大多数的甲基营养革兰氏阴性菌中，谷胱甘肽依赖性酶类参与了甲醛的异化作用[13]。主要有两种酶，NAD-GSH依赖型脱氢酶催化反应产生甲酰-谷胱甘肽的衍生物。另一种酶为水解酶，能催化反应产生谷胱甘肽和甲酸。通过对编码此种酶的基因进行分析，发现和各种有机体中参与甲醛解毒作用的基因相似。在酵母菌Candida boidonii中发现的甲醛脱氢酶也需要谷胱甘肽的参与才能发挥作用。

　　图3 谷胱甘肽依赖型甲醛脱氢酶异化途径

　　Fig3 Linear pathways of GlUtathione-linked FaDH for foremaldehyde oxidation

　　（GlUtathione-linked FaDH: 谷胱甘肽-依赖型甲醛脱氢酶）

　　2.2 叶酸-依赖型异化途径

　　与叶酸相关联的甲醛异化途径主要有两条，一条为四氢叶酸（H4F）氧化途径，与大多数有机体中的C1途径相似，能将亚甲基四氢叶酸氧化成甲醛和H4F。这一途径被认为是通过丝氨酸循环氧化进行甲醛同化作用的甲基营养菌重主要的甲醛异化途径。在一些菌株中，这一途径则是次要的甲醛异化途径。另外，亚甲基H4F脱氢酶在细菌中并不常见。

　　另一条主要的异化途径为四氢甲烷蝶呤（H4MPT）途径，与古细菌中的产甲烷菌里发现的CO2还原途径相似。这条途径包含一个古细菌特异性辅因子-四氢化亚甲基蝶呤（H4MPT），同时酶的编码基因与特异性古细菌的相似。因此，推测此基因可能从古细菌中横向转移过来。在此类代谢途径中，有两种类似的酶参与了氧化亚甲基H4MPT形成甲川H4MPT，一种酶与NAD关联，另一种与NADP关联。NAD依赖性酶为H4MPT途径的特异性酶，而NADP依赖性酶能参与H4MPT和H4F两种途径。此途径中最后的氧化过程仍然未知。

图4 叶酸依赖型甲醛异化途径

　　Fig4 Linear pathways of Folate-linked FaDH for foremaldehyde oxidation

　　(Merhylene H4MPT dehydrogenase:亚甲基H4MPT脱氢酶，Merhylene H4F dehydrogenase:亚甲基H4F脱氢酶)

　　2.3 甲醛环化氧化途径

　　另一种甲醛氧化途径为环化氧化，甲醛与C5受体分子结合形成C6化合物进入代谢循环。此途径中，除了6-磷酸葡糖酸脱氢酶外，其他的酶类均参与核酮糖单磷酸循环的甲醛同化作用。葡萄糖-6-磷酸脱氢酶能同时利用NADP和NAD，其是否参与核酮糖单磷酸循环，根据菌体的差异性而定。目前发现的两种不同的6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶中，一种酶能同时利用NADP和NAD，而另一种酶只能利用NAD。推测这两种同工酶是调节环化途径后的异化作用和同化作用的分支点。

　　图5 甲醛环化氧化途径

　　Fig5 Cyclic pathway of formaldehyde oxidation

　　(6-PosphoglUconate dehydrogenase:6-磷酸葡糖酸脱氢酶，GlUcose-6-phosphate dehydrogenase:葡萄糖-6-磷酸脱氢酶)

　　本实验室分离获得了一株高活性高耐受的甲醛降解菌株，通过对其甲醛代谢途径的分析，研究其高效降解甲醛的机理，从而构建更高甲醛耐受活性和降解效率的工程菌，为微生物甲醛降解的应用奠定基础。

　　3 结论与展望

　　甲醛作为室内空气检测的主要污染物之一，严重影响了人们的生活健康。微生物法去除甲醛具有低成本，效率高等特点，拥有良好的应用前景。微生物甲醛代谢主要包括同化途径和异化途径。许多微生物都具有甲醛脱毒作用，不少微生物同时具有甲醛同化及异化代谢途径。对甲醛代谢途径及关键酶的研究，可以构建高耐受高活性的甲醛工程菌，为微生物的甲醛降解应用奠定基础。