一股清新的氯氣

在令人不安的有害廢物問題世界中，很少有化合物像氯化溶劑那樣麻煩。這些高密度有毒物質傾向於沉到地下水位以下，並在水池中聚集，然後在地下水中緩慢溶解，逐漸擴大汙染區域。化學家有時稱之為“不良分子”（參見側邊欄）的物質，能夠抵抗微生物的降解——將受汙染的水抽到地面進行處理是一項吃力不討好的工作，因為土壤中的化學物質會繼續滲入地下水位。

現在，康奈爾大學的一個研究團隊發現了一種有前景的工具來幫助清理工作：一種細菌，它可以中和兩種最常見的氯化溶劑，使其無害。這一發現發表在1997年6月6日出版的《科學》雜誌上，使科學家們深入瞭解了脫氯生物的生物學——這些知識可以用來制定生物清理（或“生物修復”）各種環境汙染物的策略。

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三氯乙烯 (TCE) 和四氯乙烯——更廣為人知的名稱是全氯乙烯或 PCE——是分佈最廣泛的麻煩氯化化合物。PCE 和 TCE 均有毒，並被懷疑是致癌物。然而，由於這些化合物在工業過程中的用途，它們無處不在。PCE 是乾洗行業的主要成分；這兩種化學物質都經常用於機械脫脂，並且是許多油漆稀釋劑和防凍劑的成分。

直到最近，還沒有已知細菌可以完全降解 PCE（儘管至少已鑑定出一種可以分解 TCE 的細菌）。但康奈爾小組在紐約州伊薩卡一家廢棄汙水處理廠的微生物混合培養物中發現了一種僅被稱為 195 菌株的微生物。

研究人員發現了關於 195 菌株的一個非常有用的特性：它是一種厭氧細菌（意味著它不需要氧氣進行呼吸），它實際上“呼吸”氯化溶劑——從化學物質的分解中提取能量用於其自然代謝。195 菌株中的酶催化一系列四步反應，其中氯原子從 PCE 中去除。PCE 分子內碳原子和氯原子之間原子鍵的斷裂釋放出能量，細菌利用這些能量來維持自身。對於這種微生物來說，PCE 的作用類似於人類的氧氣。

195 菌株並不是第一個被發現可以從有機化學物質中去除氯的微生物。然而，其他微生物通常不會去除所有不需要的原子。相反，它們會產生中間反應產物，這些產物可能與原始毒物一樣糟糕或更糟。例如，從 PCE 上取下一個氯原子會產生 TCE。剝離兩個會產生順式-二氯乙烯，一種疑似致癌物。切除第三個會產生氯乙烯，一種已知致癌物。

只有去除 PCE 的所有四個氯原子，才能留下真正無害的副產品：乙烯（乙烯），一種簡單的碳氫化合物。鍵合的氯原子和碳原子與發酵有機物產生的氫氣反應，形成碳-氫鍵和鹽酸，然後鹽酸與地下豐富的金屬離子反應，形成無害的鹽。195 菌株，最終可能被命名為脫滷球菌屬 ethenogenes，是第一種可以將有害的 PCE 完全降解為安全成分的微生物。

儘管 195 菌株具有明顯的潛力，但它不會立即在世界各地的危險廢物場地中找到歸宿。斯坦福大學環境工程學教授佩裡·L·麥卡蒂（也是《科學》雜誌一篇配套文章的作者）解釋說，這些微生物通常不會在土壤中大量繁殖。195 菌株和其他脫氯劑只有在能夠獲得分子氫源的情況下才能茁壯成長，分子氫源提供打破溶劑分子中氯-碳鍵所需的電子。但在野外，普通微生物會捕獲大部分氫提供的電子以滿足自身代謝需求。

康奈爾團隊成員詹姆斯·M·戈塞特正在進行的持續研究，重點是如何改變汙染場地的土壤條件，以增加 195 菌株及其同類可用的氫量，並確定這些微生物所需的最佳營養混合物。在未來一年，戈塞特將參與一項空軍、海軍和 EPA 的聯合研究，該研究將在內華達州法倫海軍航空站的土壤中放置潛在的氫源，以鼓勵脫氯劑的生長。如果這種方法不起作用，該小組可能會嘗試在當地的地下水中新增一種混合培養物，其中包括 195 菌株以及其他夥伴細菌。

195 菌株也提出了一些有趣的科學難題。這種微生物似乎與真細菌域（包括大多數已知細菌的系統發育域）中的任何其他屬無關。195 菌株不尋常的飲食也讓康奈爾大學的科學家們想知道它是如何進化的。“對於像這樣的細菌，最大的問題是，在人們將 PCE 傾倒到環境中之前，它在做什麼？” 本文的合著者之一、微生物學家斯蒂芬·H·津德說。

195 菌株的困難之一是它很難培養，因此研究人員可能會有一天考慮克隆其有價值的脫氯基因，並將其插入到一種更容易生長的生物體中。然而，這項工作是未來的事情。目前，津德只是試圖獲得對這些神秘微生物的基本瞭解。“當我們幾年前開始研究這個領域時，我們將其比作巴斯德之前的釀酒，”他說。“我們真的試圖將此從一門藝術變成一門科學——瞭解參與者[細菌]是誰以及它們喜歡什麼。”