微生物降解污染物的可持续发展

微生物降解污染物的可持续发展

12生物科学班唐小飞

摘要人类在生产与生活中常常会释放到水体、大气和土壤各种各样的污染物，造成对环境和人类自身的不利影响。微生物在自然界分布广泛，具有遗传多样性和代谢类型多样性，因此释放于环境中的几乎所有的有机物都能被微生物降解与转换。同时，微生物具有个体小、繁殖快、易变异和适应性强的特点。预计该领域具有十分广阔的应用前景。

关键词微生物降解有机污染物化学农药烃类化合物

重金属

随着人类社会化程度的不断提高和社会经济活动的日益频繁，环境污染问题越来越突出，环境保护已成为世界各国面临的共同课题之一。在污染防治与生态系统保护过程中，微生物在许多方面发挥着重要的作用，例如微生物对有机污染物、化学农药、烃类化合物、重金属等各种污染物的降解。

1、有机物的降解

在城市污泥发酵处理过程中，研究微生物与有机污染物的相互作用关系具有重要的作用，通过实验的研究发现微生物对有毒污染有机物降解具有非常明显的效果。为园林绿化安全施用城市发酵污泥提供科学依据,将污水处理厂采集的脱水消化污泥,添加吸湿剂,使其含水量达40%后,装入发酵池,与对照池同时进行。、5、10、15、20天采样,并同步进行微生物培养计数和用色谱法对

毒性有机物进行定量分析。结果表明,微生物对毒性有机物的降解有明显效果,特别对甲苯、乙苯、邻苯二甲酸醋、7一666、oP,一DDT等降解效果更显著。同时,微生物类群的数量变化与毒性有机物的降解率呈正相关关系。毒性有机物的降解是以细菌、放线菌为主的微生物综合作用的结果。可以认为污水处理厂的消化污泥通过发酵处理降解有机物是可行的,其产物应用于园林绿地将是比较安全的。【1】{城市污泥发酵处理中微生物对有机物的降解，刘庆余等}

2、微生物对化学农药的降解

化学农药包括各种人工合成的除草剂、杀虫剂、杀菌剂等化学药物，目前生产中使用的农药主要是有机磷、有机氯、有机硫等农药。大部分的农药会在土壤中残留，吸附于土壤，并以空气、地表水扩散至更远的范围，从而对生态系统中的动植物、微生物以及人类自身造成影响。人类社会的发展为自身创造了经济利益的同时也带来许多生态环境问题,尤其是化学农药的使用,

是造成环境污染的主要/杀手0之一。化学农药主要是人工合成的生物外源性物质,大多数农药本身对人类及其他生物具有毒性,加之多数农药还具有高残留、难降解的特性,更使得化学农药的使用严重威胁人类的身心健康和生态环境协调发展【2】{陶秀成.环境化学.北京:高等教育出版社, 2002.}土壤微生物是土壤环境生态系统中的重要成

员,包括细菌、真菌、放线菌、藻类和原生动物等。土壤残留农药,除一部分通过热分解、光分解和化学分解外,大部份可通过环境微生物的降解或转化作用,使有毒的农药转化为无毒或低毒的

其他化合物[11]。目前,从自然界中分离出的能降解农药的微生物,主要包括细菌、真菌、放线菌、藻类等。[3]{刘培桐.环境学概论[M ].北京:高等教育出版社}实验表明，环境中农药的清除主要是靠细菌、放线菌、真菌等微生物的降解作用。例如DDT可以被芽孢杆菌属、棒杆菌属、诺卡菌属的一些种类降解，五氯硝基苯可以被链霉菌属、诺卡菌属的一些种类降解，敌百虫可被曲霉、青霉等真菌降解。微生物降解农药主要是通过脱卤作用、脱烃作用，对酚、胺、脂的水解作用、氧化作用、还原作用以及环裂解、缩合等方式把化学农药的分子结构改变而达到的。微生物降解化学农药可分为两种类型，一种是将农药作为碳源或氮源直接利用，这种情况下农药很快被微生物降解，另一种是通过共代谢作用降解。例如氟乐灵一种除草剂，可被一些曲霉作为唯一碳源。六六六是一种难以被降解的农药，直肠梭菌在有蛋白胨存在时可降解丙体六六六，由于微生物不能直接从共代谢农药中获得能量和碳源，其降解速度很慢。

由以上可见,降解农药的微生物在自然界中广泛存在,说明降解农药的微生物并非特殊种群。由于自然界中存在着这些大量可以降解农药的微生物,所以,微生物就成为生物修复技术的主体,通过

微生物的作用,把环境中的有机污染物转化为CO2和H2O等无毒无害或毒性较小的其他物质【4】{孔繁翔,尹大强,严国安.环境生物学[M ].北京:高等教育出版社, 而上述几个微生物类群中,由于细菌在其生化上的多种适应能2000: 211-230.}

力和容易诱发突变菌株的特性,使其在农

药降解过程中占有主要地位【5】

{虞云龙,樊德方,陈鹤鑫.农药微生物降解的研究现状与繁殖策略[J].环境科学进展, 1996, 4(3): 28-36.}3 微生物对烃类化合物的降解

烃类包括烷烃、烯烃、炔烃、和脂环烃。存在的状态有气体、挥发性液体和固体。烃是石油产品的主要组成成分。随着石油的开采、运输、加工和利用，由于各种污染导致烃类物质进入水体、土壤和大气，因此，污染土壤和水体的生态修复成为人们研究的重点，而在众多的石油污染中，烃是最常见的污染源。微生物对烃类的降解主要是在加氧酶的催化下，将分子氧渗入到基质中形成含氧的中间产物，然后转化为其他物质参与代谢过程。【6】{微生物学}

重点介绍一下微生物对石油的降解机制，石油作为重要能源之一已被世界各国广泛使用,由于在石油的开采、储存、运输、加工和石化产品生产等过程中的漏油以及突发性泄油事故致使大量的石油进入环境造成污染。石油污染的危害主要表现在对土壤生态系统的结构和功能的破坏,严重影响土壤的透气性和渗水性,导致土壤板结、肥力下降;在水体表面形成油膜,致使水中溶氧量急剧下降,造成水生生物的大量死亡,破坏水生生态环境和渔业资源;还可进入地下水系,直接污染地下水源,影响居民用水和农田灌溉;石油中的一些致畸致癌物质还可通过食物链的生物富集作

用而直接危害人类健康。随着人们对环境问题的日益关注,石油烃类的微生物降解研究工作也不断得以深入。近十年来这一领域又有许多研究和相关报道,本文对相关工作进行了综述。根据烃类的化学结构特点,烃类的降解途径主要可分两部分:链烃的降解途径和芳香烃的降解途径。直链烷烃的降解方式主要有三种:末端氧化、亚末端氧化和X氧化。此外,烷烃有时还可在脱氢酶

作用下形成烯烃,再在双键处形成醇进一步代谢。关于芳香烃的降解途径,在好氧条件下先被转化为儿茶酚或其衍生物,然后再进一步被降解。近十年来未见有新的降解途径的报道,倒是对芳香烃的厌氧降解有诸多研究,目前的研究主要是调查和确认芳香烃在厌氧条件下的可降解性。研究表明,微生物在厌氧条件下也可降解石油烃类。Seyfried等【7】{Seyfried B,Glod G,Schocher R,et al.Appl Environ Microbiol,1994,60}研究发现,在反硝化条件下,甲苯的降解是由甲基的直接氧化起始的,可检测到苯甲醛和苯甲酸的积累。

4、微生物对重金属的转换

自然界存在许多重金属，如汞、砷、铅、铬、锌等，这些并不是生物所必须的元素，达到一定的浓度时会对生物产生抑制或致死的作用，土壤和水体等环境中的有毒元素主要来自工业废水、废渣和垃圾。金属的存在形式不同，其毒性作用也不同。微生物不能降解重金属，但可以改变其存在状态而改变其毒性。重金属污染的微生物修复就是通过微生物与重金属之间的相互作

用以减轻重金属对环境的危害。近年来,基于微生物对重金属的作用机理,以修复有毒有害金属污染或回收有经济价值重金属为目的的生物处理技术日趋成熟,微生物巨大的环境保护功能(生态毒理评价和生物修复)显得越来越重要。微生物对重金属的吸附作用，微生物吸附重金属离子的机理十分复杂,按是否消耗能量分为活细胞吸附与死细胞吸附两种。微生物能通过多种途径将重金属离子吸附在其细胞表面。革兰氏阳性细菌的细胞壁中含有较多的磷壁酸,带有较强的负电荷,能吸附阳离子。在革兰氏阴性细菌细胞壁中肽聚糖层的外层有8~10nm厚的脂多糖,带有较强的负电荷,能吸附重金属阳离子。真菌的细胞壁由甘露聚糖、葡聚糖、几丁质、纤维素和蛋白质等成分组成,这些物质带有较强的负电荷,能吸附金属阳离子【8】。{Ledin Maria. Accumulation of metals by microorganisms)processes and importance for soil systems[J].Earth-ScienceReviews,2000,51(1):1-311}在活细胞中,重金属离子在微生物细胞内的富集是一个长期过程,此过程需要细胞代谢活动提供能量,并且在这些过程中只对特定元素起作用(如钙、镁、钠等元素),目前已提出的金属运送机制有离子泵、载体协助、脂类过度氧化和复合物渗透等【8】。过量的重金属离子对微生物的生长也会产生毒害作用,活细胞内积累重金属离子的能力有限,而且活细胞的吸附量并不比死细胞高。Veit等研究发现,在合适的外界条件(如pH、温度等)下,死去的凤尾菇(Pleurotus pulmonarius,又名侧耳)能对Cu2+进行较好的吸收,最高富集量可

达4.77j(干重分数)【9】{。Veit Marcia Teresinha, Tavares C R G, Gomes-da-Costa SM, et al. Adsorption isotherms of copper(II) for twospeciesof dead fungi biomasses[J].Process Biochemistry,2005,40 (10):3303-33081})通过微生物对重金属的主动与被动堆积作用而使重金属得以在体内富集。一些重金属(特别是汞、镉、铅、铬等)在水体中不能被微生物降解,而只能发生各种形态相互转化和分散、富集过程,如无机汞在底泥中厌氧细菌的作用下,可转化为毒性更强的甲基汞,而甲基汞又可通过食物链在生物体内

富集,最后进入人体【10】{。Dean W. Boening. Ecological effects, transport, and fate of mercury: a general review[J]. Chemosphere,2000,40(12):1335-13511}

(2)通过微生物的金属转化作用,如氧化-还原作用或烷基取代作用等,而使重金属从一种形态转化为另一种形态。有些微生物,如嗜酸铁氧化细菌(氧化亚铁硫杆菌、氧化亚铁钩端螺旋杆菌等)能够氧化Fe2+、还原态的S(如H2S、S2O2 -3等)和金属硫化物来获得能源,影响许多金属的活动性。除了通过氧化金属离子外,微生物还可把一些重金属还原成可溶性的或挥发性的形态,如有些微生物可把难性的Pu4+还原成可溶性的Pu3+,把Hg2+还原成挥发性的Hg,铁锰氧化物的还原也可把吸附在难溶性Fe3+、Mn4+氧化物上的重金属释放出来。

(3)微生物能够产生影响重金属活性的物质,如微生物新陈代谢过程中产生的简单有机化合物、大分子腐殖酸和富里酸或其它分泌

物等都能络合环境中的重金属离子,从而实现不同重金属离子形态间的转化。Chanmugathas和Bollag报道,在营养充分的条件下,土壤微生物代谢活跃,促进了对镉的转化。Kurek和Bollag比较了在不同碳源条件下微生物对重金属的溶解,发现以土壤有机质或土壤有机质加麦秆作为微生物的碳源时,微生物并不促进铅、镉、锌、铜等重金属的溶解;如果同时加入葡萄糖作为碳源,经过一段时间后,不灭菌处理的淋洗液中重金属离子的浓度显著高于灭菌处理。

参考文献

【1】{城市污泥发酵处理中微生物对有机物的降解，刘庆余等}

【2】{陶秀成.环境化学.北京:高等教育出版社, 2002.}

【3】{刘培桐.环境学概论[M ].北京:高等教育出版社}

【4】{孔繁翔,尹大强,严国安.环境生物学[M ].北京:高等教育出版社, 2000: 211-230.}

【5】虞云龙,樊德方,陈鹤鑫.农药微生物降解的研究现状与繁殖策略[J].环境科学进展, 1996, 4(3): 28-36.}

【6】{微生物学}

【7】{Seyfried B,Glod G,Schocher R,et al.Appl Environ Microbiol,1994,60}

【8】{ Ledin Maria. Accumulation of metals by microorganisms)processes and importance for soil

systems[J].Earth-ScienceReviews,2000,51(1):1-311}

【9】{。Veit Marcia Teresinha, Tavares C R G, Gomes-da-Costa SM, et al. Adsorption isotherms of copper(II) for twospeciesof dead fungi

biomasses[J].Process Biochemistry,2005,40}

【10】{。Dean W. Boening. Ecological effects, transport, and fate of mercury: a general review[J]. Chemosphere,2000,40(12):1335-13511}