微生物对有机物的降解作用

微生物对有机物的降解作用摘要:本文介绍了有机物的性质、污染状况及处理方法;以多环芳烃和农药为例阐述了微生物降解有机物的机理及影响因素;综述了国内外研究较多的几种生物难降解污染物微生物处理技术的进展，并对今后的几个研究发展方向进行了展望。有机物降解作用关键词:微生物1引言有机污染物是指以碳水化合物、蛋白质、氨基酸以及脂肪等形式存在的天然有机物质及某些其他可生物降解的人工合成有机物质为组成的污染物，主要包括酚类化合物、芳香族化合物、氯代脂肪族化合物和腈类化合物等。目前，由于大量工业废水和生活污水未达标排放，以及广大农村地区大量使用化肥和农药等农用化学物质，使我国水体和土壤受到不同程度的污染，严重的破坏了地球的生态平衡。七大水系的411个地表水监测断面中，水质为?,?类、?,?类和劣?类的断面比例分别为41,、32,和27,。其中，珠江、长江水质较好，辽河、淮河、黄河、松花江水质较差，海河污染严重。而农业土壤中15种多环芳烃(PAHs)总量的平均值为4.3mg/kg，且主要以4环以上具有致癌作用的污染物为主，占总含量的约85%，仅有6%的采样点尚处于安全级。而工业区附近的土壤污染远远高于农业土壤:多氯联苯、多环芳烃、塑料增塑剂等，这些高致癌的物质可以很容易在重工业区周围的土壤中被检测到，而且超过国家多倍。[1]处理有机物的一般方法可分为三大类:物理方法:主要有吸收法、洗脱法、萃取法、蒸馏法和汽提法等;化学方法:如光催化氧化法、超临界水氧化法、湿式氧化法、以及声化学氧化法等，这一方法应用较多;生物方法:包括植物修复，动物修复和微生物降解三类技术。与其他处理方法相比，微生物降解有机物具有无可比拟优势:(1)微生物可将有机物彻底分解成CO和HO，永久的消除污22染物，无二次污染;(2)降解过程迅速，费用低，为传统物理、化学方法费用的30%,50%;(3)降解过程低碳节能，符合现在节能减排的环保理念。2微生物降解有机物的机理及影响因素2.1微生物降解有机物的机理用于降解有机物的微生物主要有细菌和真菌，降解的方式主要包括堆肥法、生物反应处理和厌氧处理等，但每一过程都是利用微生物的代谢活动把有机污染物转化为易降解的物质甚至矿化[2][3~4][5]。以多环芳烃(PAHs)和农药的降解为例来说明。2.1.1微生物对多环芳烃(PAHs)的降解微生物之所以能降解多环芳烃依赖于它们对多环芳烃的代谢。微生物通过两种方式对PAHs进行代谢:1)以PAHs作为唯一的碳源和能源:2)把PAHs与其它有机质进行共代谢降解。研究表明许多微生物能以低分子量的PAHs(双环或三环)作为唯一的碳源和能源，并将其完全矿化。而四环或多环的PAHs的可溶性差，比较稳定，难以降解，一般要通过共代谢方式降解。研究又表明，微生物在有氧和无氧条件下都能对多环芳烃进行降解。(1)共代谢降解高分子量的多环芳烃的生物降解一般均以共代谢方式开始。共代谢作用可以提高微生物降解多环芳烃的效率，改变微生物碳源和能源的底物结构，增大微生物对碳源和能源的选择范围，从而达到难降解的多环芳烃最终被微生物利用并降解的目的。在有其他碳源和能源存在的条件下，微生物酶活性增强，降解非生长基质的效率提高，也称为共代谢作用。烃类的降解的初始阶段都是通过加氧酶的作用在碳链上加上氧原子，再经过一系列的反应使烃链断开，最终完成降解。选择诱导物(基质类似物)应该考虑:毒性相对较低，价格低廉，可以作为微生物生长所需的碳源和能源，可以提高微生物内加氧酶的含量和活性的物质，如水杨酸、邻苯二甲酸、联苯等。矿物油中含有很多有机物，其中有些成分可以起到共代谢的作用。共代谢是多环芳烃降解的一个重要特征，它普遍存在，扩展了微生物所能降解的有机物范围。研究表明把苯并芘和原油混合后投入清洁土壤，用土著微生物进行降解，降解苯并芘的菌在菲和荧葸的存在下降解滞后期缩短，降解速度提高。(2)加氧酶降解途径原核微生物和真核微生物对多环芳烃的微生物降解都需要氧气的参与，产生氧化酶，加氧酶把氧原子加到C-C键上形成C-O键，再经过加氢、脱水等作用而使C-C键断裂，苯环数减少。多环芳烃苯环的降解取决于微生物产生加氧酶的能力，且由于酶对于多环芳烃的专一性，环境中的多环芳烃的多样性，多环芳烃的降解需要多种微生物的参与。微生物加氧酶分单加氧酶和双加氧酶两种它们的活性程度对多环芳烃的降解有很大影响，微生物加氧酶对多环芳烃的作用见图1。丝状真菌一般产生单加氧酶，对多环芳烃降解的第一步是羟基化多环芳烃，即把一个氧原子加到底物中形成芳烃化合物，继而氧化为双氢乙醇和酚类:细菌主要产生双加氧酶，对多环芳烃降解的第一步是苯环的裂解，把两个氧原子加到底物中形成双氧乙烷，进一步氧化成顺式双氢乙醇，双氢乙醇可继续氧化为儿茶酚、原儿茶酚和龙胆酸等中间代谢物，接着苯环断开，产生琥珀酸、延胡羧酸、乙酸、丙酮酸和乙醛。降解中的产物被微生物用来合成自身的生物量，同时产生CO和HO。22多环芳烃最初的氧化即苯环的加氧是多环芳烃微生物降解反应的速控步，此后间接进程加快，没有或很少有中间代谢物的积累。多环芳烃的酶降解具有很强的区域性和选择性。在环境中，还存在着其他多环芳烃降解机制，如甲烷单氧酶、几丁质超氧化酶等酶代谢。图1微生物在加氧酶的作用下氧化多环芳烃的途径2.1.2微生物对农药的降解降解农药的微生物有细菌、真菌、放线菌、藻类等。细菌由于其生化上的多种适用能力以及容易诱发突变菌株从而占了主要的位置。细菌降解农药的本质是酶促反应，(1)即化合物通过一定的方式进入细菌体内，然后在各种酶作用下，经过一系列的生理生化反应，最终将农药完全降解或分解成分子量较小的无毒或毒性较小化合物的过程。如莠去津作为假单胞菌ADP菌株的唯一碳源，有三种酶参与了降解莠去津的前几步反应，第一个酶是AtzA，催化莠去津水解脱氯的反应，得到无毒的羟基莠去津，此酶是莠去津生物降解的关键酶。第二个酶是AtzB，催化羟基莠去津脱氯氨基反应，产生N,异丙基氰尿酰胺。第三个酶是AtzC，催化N,异丙基氰尿酰胺生成氰尿酸和异丙[6]胺。最终莠去津被降解为CO和NH。由于降解酶往往比产生该22类酶的微生物菌体更能忍受异常环境条件，酶的降解效率远高于微生物本身，特别是对低浓度的农药，所以，人们想利用降解酶作为净化农药污染的有效手段。但是，降解酶在土壤中容易受非生物变性、土壤吸附等作用而失活，难以长时间保持降解活性，而且酶在土壤中的移动性差等等，这限制了降解酶在实际中的应用。现在许多试验已经证明，编码合成这些酶系的基因多数在质粒上，如2，4,D的生物降解，即由质粒携带的基因所控制。通过质粒上的基因与染色体上的基因的共同作用，在微生物体内把[7]农药降解。(2)微生物在农药转化中的作用一是矿化作用。有许多化学农药是天然化合物的类似物，某些微生物具有降解它们的酶系。它们可以作为微生物的营养源而被微生物分解利用，生成无机物、二氧化碳和水。矿化作用是最理想的降解方式，因为农药被完全降解成无毒的无机物，如石利利等[9]研究了假单胞菌DLL-1在水溶液介质中降解甲基对硫磷的性能及降解机理后指出，DLL-1菌可以将甲基对硫磷完全降解为无--[8]机离子NO、NO。23二是共代谢作用。有些合成的化合物不能被微生物降解，但若有另一种可供碳源和能源的辅助基质存在时，它们则可被部分降解，这个作用称为共代谢作用。如门多萨假单胞菌DR-8菌株降解甲单脒产物为2,4,二甲基苯胺和NH，而DR-8菌株不能以甲单3脒作为碳源和能源而生长，只能在添加其它有机营养基质作为碳源的条件下降解甲单脒，且降解产物未完全矿化，属于共代谢作[9]用类型。共代谢作用在农药的微生物降解过程中发挥着主要的作用。目前，对于各种杀虫剂的微生物降解途径已比较清楚，表1列举了几种主要的降解途径。表1微生物降解农药的主要途径降解机理作用机理适用对象在微生物作用下，酯键和酰胺如马拉硫磷、敌稗、毒死水解作用键水解，使得农药脱毒蜱卤代烃类杀虫剂，在脱卤酶的作用下，其取代基上的卤被如DDT降解变为DDE;脱卤作用H、羧基等取代，从而失去毒二氯苯性微生物通过合成氧化酶，使分子氧进入有机分子，尤其是带氧化作用如多菌灵和2,4-D有芳香环的有机分子中，插入1个羧基或形成1个环氧化物如2,4-二硝基酚其降解产在微生物作用下，农药中的物为2-氨基-4-硝基酚;对硝基还原NO转变为NH硫磷转化为氨基对硫磷;222,4-二硝基酚甲基化有毒酚类加入甲基使其钝化如四氯酚、五氯酚含有甲基或其他烃基，与N、如敌草隆的降解即脱去去甲基化O、S相连，脱去这些集团转两个N-甲基;苯脲化为无毒去氨基脱氮无毒如醚草通、莠去津2.2影响因素(1)营养物质微生物分解有机物一般利用有机污染物作为碳源，但同时需要其他的营养物质，如氮源、能源、无机盐和水。一般来说，为了达到完全降解，适当的添加营养物常常比接种特殊的微生物更为重要。但在添加营养盐之前，必须确定营养盐的形式、合适的浓度以及适当的比例。另外，一些微量元素也许考虑。例如，在对土壤中多氯联苯生物降解的研究中发现，作为亲核剂的维生素B12可催化多氯联苯所有位置上的脱氯反应，30?下40天内多氯联苯分子脱氯率达40%;相比之下，在缺乏维生素B，其脱氯率小于1210%。(2)电子受体有机污染物氧化分解的最终电子受体的种类和浓度极大地影响着污染物降解的速率和程度。微生物氧化还原反应的最终电子受体包括溶解氧、有机物分解的中间产物和无机酸根(如硝酸根、硫酸根和碳酸根等)三大类，第一种为有氧过程，而后两种为无氧过程。因此，溶解氧的情况不仅影响污染物的降解速率，也决定着一些污染物的最终降解产物，如某些氯代脂肪族和化合物在厌氧降解时，产生有毒的分解产物，但在好氧条件下这种情况却很少见。(3)污染物的性质有机物的分子量、空问结构、取代基的种类及数量等都影响到微生物对其降解的难易程度。一般情况下，高分子化合物比低分子量化合物难降解，聚合物、复合物更能抗生物降解;空间结构简单的比结构复杂的容易降解;苯环上有-OH或-NH的化合物都2比较容易被假单胞菌WBC-3所降解。例如农药的生物降解性由易到难依次为脂肪酸类、有机磷酸盐类、长链苯氧基脂肪酸类、短链苯氧基脂肪酸类、单基取代苯氧基脂肪酸类、三基取代苯氧基脂肪酸类、二硝基苯类、氯代烃类。(4)环境条件这主要包括酸碱度(PH一般应在6.5,8.5的范围内)、温度和湿度。Sarfraz等研究了假单胞菌对硫丹的降解，证明了温度和pH对微生物降解硫丹的影响，指出上述三菌株降解硫丹的最佳温度为30?，pH为8.0。Rhodes研究了不同土壤对2，4-二氯苯酚降解的影响，发现微生物或其产生的酶系降解农药都需要适宜的温度、pH及底物浓度。而湿度的大小也影响着微生物降解有机物的速率。(5)微生物的协同作用自然界中，多数微生物降解过程需要两种或更多种类微生物的协同作用才能完成。微生物之间的这种协同作用主要体现在:(?)一种或多种微生物为其他微生物提供B族维生素、氨基酸及其他生长因素;(?)一种微生物将目标污染物分解为中间产物，第二种微生物继续分解中间产物;(?)一种微生物通过共代谢将目标产物进行转化，只有在其他微生物存在条件下才能将其彻底分解;(?)一种微生物分解目标产物形成有毒中间物，使分解率下降，其他微生物可能以这种有毒中间产物作为碳源加以利用。3微生物降解有机物的应用研究目前，研究较多的是酚类化合物、芳香族化合物、氯代脂肪族[10]化合物和腈类化合物等四类难降解有机物。3.1酚类化合物的降解含酚废水主要来自炼油、石油化工、木材加工和煤气与煤焦等工业，危害较大。降解菌主要包括黄杆菌、镰刀菌、产碱杆菌等，其中白僵菌降解率达96,、假单胞菌降解率为95,;用海藻酸钠包埋后的小球藻细胞、紫色非硫光合细菌混合菌株体系处理焦化厂工业废水24h，去除率达95,以上。Patrick等研究了未饱和土壤中，2,6-二氯酚降解的环境因素，包括土壤湿度、含氧量、污染年限、温度、有机质含量、污染物浓度、添加基质和氯酚降解菌密度，实验表明关键因素是污染物浓度、土壤温度、接种量，添加基质，并确定了最佳降解条件。3.2芳香族化合物的降解用途广泛的芳香族化合物主要来自煤和石油，结构稳定，毒性很大，故其微生物降解研究受到人们的普遍关注。(1)苯二甲酸酯类化合物的降解由于增塑剂苯二甲酸酯(PAES)的大量生产、广泛应用，PAES已在全球各主要工业国的生态环境中达到了普遍检出的程度，且因有“三致”作用，被人们称为“第二个全球性PCB污染物”。微生物降解PAES污染物的研究起步较晚。目前认为能对PAES降解的微生物种属主要有:棒状菌属、氮单胞菌属、假单胞菌属、黄单孢菌属、棒状杆菌属、芽孢杆菌属、节细菌属诺卡氏菌属、产碱菌属、镰刀霉属、青霉属、木霉属等。棒状杆菌是断裂杂环化合物和碳氢化合物链的主要菌种。假单胞菌普遍存在，能够适应许多人工合成的有机物。已发现可完全降解400mg/L邻苯二甲酸酯(DBP)的降解菌。假单胞菌SH1菌株能以苯甲酸、邻羟基苯甲酸、间羟基苯甲酸为碳源和能源生长，48h内其降解率分别为95%、93%、和87%。(2)氯苯类化合物的降解广泛用于农药、有机合成工业的氯苯类化合物是毒性很高的难降解化合物，已被EPA列为优先污染物。白腐菌2d可降解约40%的氯苯类化合物;60d可降解88,90%的五氯酚。假单胞菌和诺卡氏菌的优势组合菌4d可降解氯代芳香族化合物;在厌氧条件下1,7周可完全降解酚类化合物，而白腐菌需30d。对重点污染物中六种氯苯类化合物的生物降解研究发现除六氯苯外，其它五种氯苯去除率达95%以上。(3)苯胺的降解苯胺主要来自农药、染料、塑料和医药工业，环境中硝基苯化合物和苯胺类农药的微生物转化也可形成苯胺，从而严重污染环境和危害人类健康。已发现人苍白杆菌、O-chrobactrumanthropi等降解苯胺的高效菌。其中食酸丛毛胞菌AN3可在高达5000mg/L以上的苯胺中生长，3d即可完全降解2000mg/L的苯胺;芽胞杆菌C7在pH8.0，温度30?条件下可降解4000mg/L的苯胺96.8%。(4)硝基苯类化合物的降解已分离出枯草芽孢杆菌、类产碱假单胞菌等多株硝基苯降解菌。恶臭假单胞菌24h使705mg/L的硝基苯类化合物降解68.8%;48h可使1106mg/L的硝基苯类化合物降解67.4%。Zablotowicz等用SphingomonasUG30分别作了2,4-二硝基苯酚，P-硝基儿茶酚，m-硝基苯酚，苦味酸，除草药，P-硝基苯酚等的降解研究。SimonToze等对生产废水中硝基苯类化合物的微生物降解可能性进行了探讨，三硝基苯去除率达76%。(5)其他芳香烃类化合物的降解黄杆菌ND3可降解萘最多98%以上，并可降解水杨酸、对羟基苯甲酸和苯乙酸。青霉素组合菌、白腐菌等可降解PAH。其中研究最多的是白腐菌，21d可无机化40%芘、68%蒽、63%联苯;加人表面活性剂可分别增至74%、80%、5%;向吸收了芘的土壤中加人表面活性剂和过氧化氢，芘降解可提高至90%。Canet等研究了降解PAHs的四种白腐菌，测试了PAHs最高损失量。Yuan等分离出可完全降解菲、苊、芘但不能降解蒽和芴的混合菌，并研究了pH、温度、浓度、其他PAH化合物及基质对菲降解的影响。根瘤菌、产甲烷菌可分别降解多氯联苯、甲苯及邻二甲苯。3.3氯代脂肪族化合物的降解氯代脂肪烃大部分是很毒的，并且有些是可疑的致癌物(如氯乙烯、三氯乙烯等)，因而生物降解氯代脂肪烃具有重要意义。分枝杆菌TA5和TA27能以乙烷、乙醇和其他含碳化合物为能源，可降解初始浓度为75mg/L的三氯乙烷口。大肠杆菌、假单胞菌、Shewanellaputrefaciens200可使四氯化碳降解脱氯。已发现多株三氯乙烯的高效降解菌，其中甲烷菌5d可降解20mg/L的三氯乙烯达80,95%;在连续循环膨化床生物反应器三氯乙烯降解率达5%;放射菌可使67%以上的氯乙烯矿化生成二氯化碳。如分枝9杆菌TA5和TA27能以乙烷、乙醇和其他含碳化合物为能源，可降解初始浓度为75mg/L的三氯乙烷。大肠杆菌、假单胞菌、Shewanellaputrefaciens200可使四氯化碳降解脱氯。3.4腈类化合物的降解霍夫曼棒杆菌、微黄色节杆菌、克雷作氏杆菌可将乙腈、丙腈、丁腈和丙烯腈等脂肪族腈降解生成相应的酰胺、羧酸和氨。季也蒙假丝酶母UFMG-Y65能以腈系列化合物为唯一碳源，腈浓度可高达2mol/L。4发展趋势目前，国内外生物降解研究的发展趋向主要集中在以下几方面[11]:(1)固定化技术固定化微生物(IMC)技术最初起源于生物发酵工业。由于其处理效率高，产泥量少，处理装置占地面积小，并能选择性地固定一些生长缓慢的特殊菌种，近年来在废水处理，特别是含难降解有机物工业废水处理中得到广泛关注。固定化技术通过化学或物理的手段将游离菌加固定，但仍具有其生物活性。制备方法大致可分为结合固定法、包埋固定法和交联固定法。(2)混台茵培养与纯培养技术相比，混合菌培养法利用微生物之间有益的相互作用，将几株己知菌混合培养用于生物转化的反应系统。主要有两种相互作用:(1)互生作用。微生物的单独作用时均可降解污染物，而混合培养时降解率更高;(2)共生作用。微生物单独作用都不能降解污染物外，共同培养时披此提供生长因子或消除对方生长障碍。从而顺利降解污染物。降解氯代有机污染物时，需要细胞内多种酶参与，但同一菌体内存在全部所需酶并且各种活性很高的机率不大，而经适当筛选组合的混合均培养物却可以形成一个具备各种高活性酶的降解体系，提高降解效率。(3)基因工程基因工程的应用在国际上方兴未艾，正朝着构建具有特殊降解能力的微生物方向发展。在识别降解酶基础上，对降解酶基因进行克隆与表达，构建工程菌、拓宽降解谱，或用来提高微生物体内特异酶类的水平。微生物降解质粒的发现，特别是质粒转移和基因工程技术构建特殊功能的超级细菌的成功，为难降有机污染物的处理开辟了广阔前景。(4)酶工程酶是高效专一的生物催化剂，选用酶来催化难降解有机污染物的降解过程屡有报道。酶工程应用到难降解的有机污染物的生物处理主要是通过开发具有特殊功能的酶类。酶分子化学修饰和分离提纯等技术制备具有高降解能力的制剂，帮助降解。有研究表明从P.Chrysosporium中可以提取两种酶:木质素酶和锰氧化酶，均能有效地催化氧化分解有机卤化物等难降解有机污染物。酶的固定化技术也是研究热点。(5)藻类系统“活性藻”方法是由Megriff于70年代初提出的废水处理方法。通过人工强化培养高浓度藻类。能有效地富集和降解有机氯、氮、磷等多种有毒难降解污染物。已有实验室及小规模的试验表明，超浓度培养与常规培养相比能明显加速氮、磷等营养物及其它污染物的去除。但到目前为止，藻类超浓度培养仅局限于小规模试验，大规模超大型浓度培养技术尚不成熟。利用载体通过物理或化学方法将藻类细胞固定，形成固定化藻类系统，应用于樗水处理，具有藻细胞浓度高，反应速度快，运行稳定等优势。自80年代以来，许多学者进，行了有益的尝试，将是有希望的发展方向。5结语近年来生物技术在环境科学领域取得可喜的进展，国外采用生物技术对微生物进行改造，提高分解有机物的效率，研制新的微生物分解难降解的污染物，为污染的生物处理创造了新的途径。总之，随着对微生物降解有机物机理研究的深入、以及各种现代环境生物技术在微生物特性提高方面的应用，会使得微生物成为处理有机物最有效和最有前景的技术参考文献[1]曹启民,王华等.中国持久性有机污染物污染现状及治理技术进展[J].中国农学通报,2006,22(2):361-365[2]戴树桂.环境化学[M].北京:高等教育出版社,2006.[3]思显佩，曹霞霞等.微生物降解多环芳烃的影响因素及机理研究进展[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2009,26(5):457-462[4]柳世全.微生物降解多环芳烃研究[J].科学论坛:107-108[5]杨明伟,叶非.微生物降解农药的研究进展[J].植物保护,2010,36(3):26-29[6]张宏军,崔海兰,周志强等(莠去津微生物降解的研究进展[J].农药学报,2002,4(4):10-16[7]崔中立,李顺鹏.化学农药的微生物降解及其机制[J].江苏环境科技,1998,11(3):l-5[8]石利利,林玉锁等.DLL-1菌对甲基对硫磷农药的降解作用及其降解机理[J].农村生态环境,2002,18(3):26-29[9]王保军,刘志培,杨慧芳.甲单脒农药的微生物降解代谢研究[J].环境科学学报,1998,18(3):298-302[10]曹植菁,龙炳清等.微生物处理生物难降解有机物的进展[J].重庆环境科学,2002,24(6):63-66[11]马雅琳,尹爱君等.氯代有机化合物生物降解的研究状况及展望[J].中国锰业,1999,17(4):16-19