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。

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，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Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ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）[3~4]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，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NH2[6]。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