《微生物对有机物的降解作用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微生物对有机物的降解作用（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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。 关键词：微生物 有机物 降解作用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
2、，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，而且超过国家标准多倍。处理有机物的一般方法可分为三大类1：物理方法：主要有吸收法、洗脱法、萃取法、蒸馏法和汽提
3、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CO2和H2O，永久的消除污染物，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
4、有机污染物转化为易降解的物质甚至矿化2。以多环芳烃（PAHs）34和农药5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
5、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
6、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
7、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CO2和H2O。 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
8、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。（1）细菌降解农药的本质是酶促反应，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，
9、第一个酶是A tzA，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A tzB，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A tzC，催化N异丙基氰尿酰胺生成氰尿酸和异丙胺。最终莠去津被降解为CO2和NH26。由于降解酶往往比产生该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
10、码合成这些酶系的基因多数在质粒上，如 2，4D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，在微生物体内把农药降解7。（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机离子NO2-、NO3-8。二是共代谢作用。有些合成的化合物不能被微生物
11、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NH3，而DR-8菌株不能以甲单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，属于共代谢作用类型9。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水解作用在微生物作用下，酯键和酰胺键水解，使得农药脱毒如马拉硫磷、敌稗、毒死蜱脱卤作用卤代烃类杀虫剂，
12、在脱卤酶的作用下，其取代基上的卤被H、羧基等取代，从而失去毒性如DDT降解变为DDE；二氯苯氧化作用微生物通过合成氧化酶，使分子氧进入有机分子，尤其是带有芳香环的有机分子中，插入1个羧基或形成1个环氧化物如多菌灵和2,4-D硝基还原在微生物作用下，农药中的NO2转变为NH2如2,4-二硝基酚其降解产物为2-氨基-4-硝基酚；对硫磷转化为氨基对硫磷；2,4-二硝基酚甲基化有毒酚类加入甲基使其钝化如四氯酚、五氯酚去甲基化含有甲基或其他烃基，与N、O、S相连，脱去这些集团转化为无毒如敌草隆的降解即脱去两个N-甲基；苯脲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
13、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B12，其脱氯率小于10%。（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
14、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-NH2 的化合物都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、
15、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6.58.5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 3 0，p H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、氯代脂肪族化合物和腈类化合物等四类难降解有机物10。3.1 酚类化合物的降解含酚废水主要来
