生物化学课程论文焦化废水中多环芳烃及其生物降解摘要：多环芳烃（PAHs）是一类普遍存在的环境污染物，微生物的降解是PAHs去除的主要途径介绍了多环芳烃及目前国内外研究状况，以及降解多环芳烃的微生物，阐述了三大因素：微生物活性、基质和环境因予等对微生物降解多环芳烃的影响，微生物降解多环芳烃的机理；并对今后的几个研究发展方向进行了展望关键词：焦化废水；生物降解；多环芳烃；微生物；污水处理Polycyclic aromatic hydrocarbons and biodegradation of PAHs in coking wastewaterAbstract：Polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) are a class of widespread pollutants in the environment，microbial degradation is the main way of removing PAHs．This article presented the polycyclic aromatic hydrocarbon and the research situation at home and abroad，and the microbial of degradating polycyclic aromatic hydrocarbon，analyzed the three factors，such as microbial activity，and matrix environmental factors，the effects of microbial degradatation on polycyclic aromatic hydrocarbon，and the mechanism of microbial degradation of polycyclic aromatic hydrocarbon．Finally，the author forecasted a few research directions of future development．Key words：coking wastewater；biodegradation；polycyclic aromatic hydrocarbons；microorganism；wastewater treatment1 引言近年来，随着工业的迅速发展，人民的生活水平有了显著提高，但随之而来的环境污染、生态破坏等问题也日益严重。
化学工业、石油工业、冶金工业、机械工业以及人们日常生活产生的废水、废物大量排入水体，大气中各类污染物通过干、湿沉降进入水体，使得水体的水质、底质和生态环境日益恶化难降解有毒有机物是使水质恶化的主要因素之一，它们往往难以分解，长期存留于水体环境中，能在环境和食物链中产生累积、扩大效应，已成为当今极其重要环境问题之一其中，焦化废水产生于原煤的高温干馏、煤气净化和化工产品精制过程中，该有机废水成分复杂，含有氨、氰、硫氰根等无机污染物，酚、油类、萘、吡啶、喹啉、蒽等杂环及多环芳香族有机化合物焦化废水的大量排放不但对环境造成严重污染，同时也直接威胁到人类的健康焦化废水中的氨氮和易挥发组分的处理已经被广泛地研究，而对其中杂环化合物及多环芳烃研究的文献报道较少且多环芳烃作为有毒难降解有机污染物的代表物之一，是环境中致癌化学物质中最大的一类，位于环境污染物黑名单之首因此，开展经济而有效的难降解污染物控制技术的研究显得尤为迫切2 多环芳烃多环芳烃（PAHs）是一类广泛分布并稳定存在于自然环境中的由两个或两个以上苯环构成的有毒有机污染物，在POPs中居于重要地位根据苯环的连接方式不同，可分为非稠环型，如联苯、三联苯等；另一种是稠环型，如萘、蒽、芘等，相对于非稠环型多环芳烃而言，稠环型多环芳烃的毒性更强。
由于苯环个数以及排列方式的不同，PAHs 的理化性质有显著差异，通常PAHs 的溶解性随苯环数量的增多而减小，毒性随苯环数量的增加而增强，如苯并芘是多环芳烃中毒性最强的PAHs，它具有强致癌性，是我国指定的优先控制环境污染物之一环境中的PAHs 除极少量来源于生物体(某些藻类、植物和细菌) 内合成，森林草原自然起火，火山喷发等自然活动外，绝大部分由人为活动污染造成，主要来自于两方面：(1)煤、石油和木材及有机高分子化合物的不完全燃烧，即热解成因；(2)原油在开采、运输、生产和使用过程中的泄漏及排污，即石油类源PAHs具有“三致（致癌、致畸、致突变）”效应，对人类健康和生态环境具有很大的潜在危害美国环保局在20世纪80年代初就把16种PAHs列为环境中优先监测污染物，我国也把PAHs列入环境优先检测的污染物黑名单中由于PAHs的稳定性和疏水性，造成其能持久的存在环境中，特别是高分子量的PAHs大量的积累由于PAHs的脂溶性而很容易被动物的肠胃吸收，并能经食物链级联放大而富集并迅速的被广泛的分散到不同的组织（趋定位身体的脂肪中）发挥作用3 PAHs生物降解生物降解法是指通过微生物的活动使某一物质改变其原来的化学和物理性质，在结构上引起变化所能达到的程度。
微生物降解是水体沉积物环境中PAHs降解的主要途径多环芳烃的微生物降解包括以下几方面的内容：具有降解多环芳烃性能微生物的获得；PAHs微生物降解机理的探讨；调控环境因子，使其适宜于多环芳烃降解性微生物生长3.1 降解PAHs的微生物多环芳烃不易生物降解，但在长期被多环芳烃污染的环境中能够分离出多环芳烃的降解性微生物迄今为止，已经发现的能够降解烃类的微生物有70多个属、200余种，其中细菌和真菌占绝大多数国内外的许多研究者对降解多环芳烃的微生物进行了广泛的研究，其中具有降解PAHs性能的细菌有：假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）、分枝杆菌属（Mycobacterium）、黄杆菌属（Flavobacterium）、诺卡氏菌属（Nocardia）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、产碱杆菌属（Alcaligenes）、拜叶林克氏菌属（Beijernckia）、微球菌属（Micrococcus）、气单胞菌属（Aeromonas）、弧菌属（Vibrio）和蓝细菌（Cyanobacteria）等真菌对芳香烃具有普遍的氧化能力，在真菌中研究较多的是白腐真菌（White rot fungi）。
众多研究表明，白腐真菌属具有降解多环芳烃的功能Field J等人筛选分离出8株能降解多环芳烃的白腐菌，其中对蒽和苯并[a]芘有很好的降解效果Rmero M.G等人分离出一株酵母菌，以高浓度菲（200mg/L）为唯一碳源生长，在生长22天发现，微生物数量增至最多，大约为7.7×106～1.4×107Cfu/mL且在PAHs的微生物降解研究中，对最简单的PAH萘的研究最早，已经分离得到很多对萘有降解性的微生物但是目前的研究表明，不同的细菌对不同PAHs的降解能力存在着很大的差别，假单胞菌是目前发现的降解菌种类最多、降解范围最广的菌属，已发现的假单胞菌可以降解几乎所有的四环以下的PAHs，如分枝杆菌、红球菌、黄杆菌、假单孢菌、糙皮侧耳、白瓶霉菌、雅致小克银汉霉、黑曲霉3.2 PAHs降解的影响因素由于PAHs性质稳定，单纯靠自然界的降解是很慢的因此，通过人为手段强化微生物降解多环芳烃的能力，改善降解微生物的生存条件，从而加以快速除去PAHs，减少环境中的污染物，就成为研究的主要目标PAHs生物降解性能的因素主要受到三大因素的影响，即微生物活性、基质和环境因子3.2.1 PAHs降解菌的活性影响① PAHs降解菌的筛选从受污染的环境中分离并培养出PAHs降解优势菌株，然后再把它们投人PAHs污染环境，是PAHs污染生物修复的重要环节。
因此，研究PAHs这一类难降解有机物的生物降解过程，首要问题是筛选并确定这些降解菌，使其最终能够应用于PAHs污染的生物修复中所以，筛选出好的菌种能够为微生物处理污染物技术更好的应用，提供一定的前提条件苏丹，鞠京丽等以芘和苯并芘（BaP）污染土壤为介质从中筛选出具有高降解能力，同时具有高降解速率的菌株在无沉积物和沉积泥浆的条件下，由红树林沉积中富集而来的菌落具有很好的PAHs降解能力，它在生长4周后，在无沉积物的液体介质下可以100％降解苯丙氨酸徐虹等分离出能够降解PAHs的14种菌株，其中10株假单胞菌在芴，菲，蒽和芘在混合系统中具有最大的降解能力② PAHs的降解基因生物降解的成功与否很大程度上取决于降解微生物群落在环境中的数量及生长繁殖速率许多情况下，微生物会逐渐适应PAHs污染区的特定条件，为了缩短适应期限，提高菌种的降解活性，加快PAHs的降解速度，常通过人工的方法来改变菌种的基因，然后再把它们用于PAHs污染环境的生物降解编码降解多环芳烃关键酶的基因有的位于染色体上，有的位于质粒上位于染色体上的基因较为稳定且基因承载量大质粒是染色体外的遗传因子，具有复制和控制机构，能够在细胞质中独立自主地进行自身复制，并使子代细胞保持他们恒定的拷贝数。
到目前为止，国际上从自然界分离的菌株中发现的天然降解性质粒共约有30种随着现代分子生物学的发展，新的生物技术手段不断被应用于PAHs污染的生物修复，PCR技术的成熟和发展使发现更多的代谢基因成为可能，通过构建PAHs的高效降解菌，寻找新的PAHs降解途径，有一定的使用价值3.2.2 基质的影响基质的影响主要是指PAHs的生物可利用性污染物的浓度、化学结构、毒性、溶解性和吸附性能都影响PAHs的生物可利用性生物降解过程中微生物对污染物的转化率依赖于生物对污染物的吸收、代谢及物质转化程度由于多环芳烃特别是3环以上高分子量的PAHs具有亲脂的特性，使其极易吸附在颗粒上，这使得他们在生物降解过程中传质成为限制因子但是，可以通过共溶剂或表面活性剂的添加，可以减少或消除这方面的限制例如，Volkering等针对低水溶性的萘和菲研究了4种非离子表面活性剂对其生物处理过程的影响，表明这些物质的添加增加了萘、菲的溶解速率，并由此提高了降解菌的生长速率3.2.3 环境因子的影响影响PAHs生物降解的环境因子包括PAHs的存在状态、温度、溶解氧、营养盐、pH等PAHs在实际的环境系统中多是以混合物的形式存在的，复杂的多底物混合状态势必会影响微生物的生理生态以及微生物对混合组分中单个底物的利用动力学，进而会影响降解效率。
PAHs混合物可能导致抑制、共代谢以及增大等效应，这也是PAHs混合物降解研究中观察到的最普遍的现象Tiehm和Ffitzche用添加了表面活I生剂的培养基培养一株芘降解菌，发现在菲存在时芘的降解得到了增加温度对PAHs生物降解的影响主要表现在其对PAHs的理化性质、化学组成、微生物对PAHs的代谢以及微生物群落结构等的影响低温下由于酶活性的降低使PAHs的生物降解受到抑制在30～40℃范围内，高温可以提高PAHs代谢率达到最大值但超过这个温度范围，PAHs的膜毒性会增高在一般条件下，PAHs的生物降解需要氧气的参与，为提高降解率，往往需要人为增加氧的浓度细菌和真菌对PAHs代谢的都需要氧气厌氧条件下，一般增加硝酸盐、硫酸盐类电子受体环境中的氧气对微生物而言是一个极为重要的限制因子，首先是氧气的含量决定微生物群落的结构Hayes研究表明环境中微生物接触污染物时间的长短是PAHs能否发生无氧降解的关键因素营养盐的缺乏对微生物的生长和种群的维持都是重要的限制因素为了使污染物达到完全的降解，适当添加营养物可以明显地促进污染物的降解目前，营养盐主要用于受石油烃化合物污染环境的生物修复尽管添加营养盐己被广泛接受并用于一些污。