多氯联苯污染及其生物降解途径

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4、全球对PCBs的关注 、全球对 的关注
2001年5月23日签署的瑞典斯德哥尔摩“控制持久性有机污 染物”国际公约中，PCBs成为首批被控制的12种持久性有 机污染物 (Persistent Organic Pollutants，POPs)之一，因此,PCBs 近10年来一直是环境科学研究的热点之一。
2,3-二羟基联 二羟基联 苯双加氧酶
不需辅助因子将羟 基化的底物开环
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2、3,4-双加氧酶途径及其它途径 、 双加氧酶途径及其它途径
Bedard等发现真养产碱菌(Alcaligenes eutrophus)H850的联苯降解机 d等发现真养产碱菌( 的联苯降解机 理可能是3,4 双加氧酶途径； 3,4理可能是3,4-双加氧酶途径； 1,2-二氢-1,2-二羟基萘脱氯酶可以将3,4-二氢-3,4-二羟基联苯和 可以将3,4 1,2-二氢-1,2-二羟基萘脱氯酶可以将3,4-二氢-3,4-二羟基联苯和 3,4-二氢-3,4-二羟基四氯联苯分别转化为3,4分别转化为3,4 3,4-二氢-3,4-二羟基-2,5,2 ,5 -四氯联苯分别转化为3,4-二羟基联苯 3,4-二羟基四氯联苯。 和3,4-二羟基-2,5,2 ,5 -四氯联苯。 Pseudomonos．sp NCIB10643降解联苯的最终产物为苯甲酸；降解 降解联苯的最终产物为苯甲酸； ． 降解联苯的最终产物为苯甲酸 基因位于质粒上的联苯降解菌Pseudomonos putida的代谢产物中存在3的代谢产物中存在3 基因位于质粒上的联苯降解菌 的代谢产物中存在 羟基苯甲酸和肉桂酸，以及某些放线菌将联苯转为单羟基联苯和2,2 2,2羟基苯甲酸和肉桂酸，以及某些放线菌将联苯转为单羟基联苯和2,2-二 羟基联苯。 羟基联苯。 说明开环位置是联苯结构的3 说明开环位置是联苯结构的3，4位C-C键。
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2 、高温处理法
分为简单焚烧法、熔融介质法、等离子体法等。 （1）简单焚烧法
通过加入大量的燃料和溶剂几秒钟内升温至1200～1600℃进行焚 烧转化为其他化台物。 缺点：焚烧条件极为苛刻，设备造价高，要消耗大量的燃料和电 能，尾气要求净化或进行二次焚烧；只适用于处理大量、高浓度 的PCBs，易造成二次污染（270～400℃极易生成二恶英）。
“环境生物学”课程专题总结
环境科学专业 092100091 陈军
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一、多氯联苯的概述
多氯联苯(Polychlorinated Biphenyls ，PCBs)
3 4 5 6 6' 5' 2 1 1' 4' 2' 3'
PCB分为三氯联苯(PCB3)、四氯联苯(PCB4)、五氯联苯(PCB5)、六氯 联苯(PCB6)。 分子式：C12H10-xClx。分子量：PCB3：266.5；PCB4：299.5；PCB5： 328.4；PCB6：375.7
厌氧微生物脱氯反应Fra bibliotek14（4）基因工程菌及真菌 从自然界中筛选的PCBs降解菌株有很多缺陷，可 通过基因构建的方法改造已有的降解菌株以提高其修 复效率。
eg：利用假单胞菌LB400中2,3-联苯双氧酶，2,3-二氢双醇脱氢酶， 2,3-二羟联苯-l,2-双加氧酶及2-羟基-6-苯基-2,4-二烯水解酶的基因 PCBs 构建重组菌株,可降解较宽范围的PCBs同系物。
目前已经分离到的厌氧菌株： Desulfomonile tiedjei， Desulfitobacterium，Dehalobacter restrictus，Dehalospirillum multivoram，Desulforomonas chloroethenica，Dehalococcodes etrtenogenes．Enterobacter MS一1和Enterobacteragglomerans。 13
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2、PCBs的全球分布 PCBs的全球分布
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3、PCBs的不良性能 PCBs的不良性能
PCBs 属半挥发或不挥发物质，具有一定的腐蚀性； 具有难降解性、生物蓄积性和远距离迁移性； 具有免疫学毒性、神经毒性、致畸、致突变和致癌性， 对人类健康危害极大。
PCBs对脂肪具有很强的亲和性， 易在脂肪层和脏器累积而几乎 不被排出或降解。含氯原子愈 多，愈易在人和动物体中蓄积， 愈不易排泄，毒性就愈大。进 而通过食物链浓缩产生积累性 中毒。 eg:在鱼类体内浓度累积到几 万甚至几十万倍。 PCBs其毒性主要表现为：影响 皮肤、神经、肝脏，破坏钙的代 谢，并有慢性致癌和致遗传变异 等的可能性。 eg: 1968年，日本“米糠油中 毒事件”造成1000多人中毒，l6 人死亡，几十万只鸡病死；
（2）熔融介质法
用金属、无机盐等介质代替普通焚烧中的空气作为传热及反应介 质来焚烧废物的方法，由于反应在还原条件下进行，不产生二恶 英等物质，排出气体比简单焚烧好。 缺点：大量尾气或废渣需处理，费用较高，难推广使用。
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（3）等离子体降解 利用等离子体作为热源在高达5000～15000℃的高 温下使有机物彻底分解为原子态，冷却后，最终产物 为水、二氧化碳以及一些水溶性的无机盐，降解率可 达99.99％ 以上。 缺点：复杂的设备及高达每吨4000～8000美元的昂贵 费用限制了它的推广应用。
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（3）厌氧微生物降解法 通过催化还原反应把PCBs从高氯转化为低氯或无 氯的物质，进而降解。厌氧降解速率与氯化程度成正 比。 厌氧脱氯共性特点：①脱氯过程需要诱导酶催化；② 诱导酶具有底物专一性；③脱氯微生物在共生群落中 执行脱氯功能并依赖于群落；④脱氯微生物在从还原 脱氯过程中获得代谢能量。
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2、实验思路
芳烃降解微生物的分离； （1）芳烃降解微生物的分离； 分离菌株降解酶系分析； （2）分离菌株降解酶系分析； 纯菌株降解性能定量测试； （3）纯菌株降解性能定量测试； 菌株降解能力生态组合设计； （4）菌株降解能力生态组合设计； （5）混合菌群降解性能优化； 混合菌群降解性能优化； 共代谢对生物降解性能促进影响； （6）共代谢对生物降解性能促进影响； 复合菌系的反应器运行； （7）复合菌系的反应器运行； （8）芳烃降解动力学分析。 芳烃降解动力学分析。
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微生物降解联苯有两条途径： 位加氧和3,4-位加氧，以前者居多。 位加氧， 微生物降解联苯有两条途径：2,3-位加氧和 位加氧和 位加氧 以前者居多。
1、2，3-双加氧酶途径 、 ， 双加氧酶途径
Ahmed等提出，联苯类化合物的生物降解是由双加氧酶攻击2,3位碳所引起的。 从1973年，Gibson等研究拜叶林克氏菌属(Beijerincksa sp.)发现，联苯能被氧化成二 氢二羟基联苯。
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七、课题关联
1、研究目标
从在苯酚、三氯苯酚和三氯联苯等含芳烃物质环境驯化的污泥中分离 从在苯酚、三氯苯酚和三氯联苯等含芳烃物质环境驯化的污泥中分离 苯酚 出多株微生物菌株，测定各自的关键降解酶特性，依据降解机理、 出多株微生物菌株，测定各自的关键降解酶特性，依据降解机理、耐 微生物菌株 关键降解酶特性 降解机理 受浓度、挂膜性能及生态互补等原则建立高效协同的芳香类污染物质 受浓度、挂膜性能及生态互补等原则建立高效协同的芳香类污染物质 的生物降解体系，并进一步将该体系应用到生物反应器完成降解动力 的生物降解体系，并进一步将该体系应用到生物反应器完成降解动力 特征测试，从而建立起一种新的芳香类污染物质的生物降解工艺。 学特征测试，从而建立起一种新的芳香类污染物质的生物降解工艺。
典型的联苯降解途径： 典型的联苯降解途径 联苯双加氧酶(BphA) 催化联苯产生2,3 二氢二羟基联苯，一般在2,3 (BphA)： 2,3①联苯双加氧酶(BphA)：催化联苯产生2,3-二氢二羟基联苯，一般在2,3 位加氧，有时也在3,4位加氧； 3,4位加氧 位加氧，有时也在3,4位加氧； 2,3-二氢二羟基联苯脱氢酶(BphB) 催化为2,3 二羟基联苯； (BphB)： 2,3②2,3-二氢二羟基联苯脱氢酶(BphB)：催化为2,3-二羟基联苯； 二羟基联苯1,2 双加氧酶(BphC) 通过间位断裂生成黄色 1,2(BphC)： 黄色的开环 ③2，3-二羟基联苯1,2-双加氧酶(BphC)：通过间位断裂生成黄色的开环 化合物2 羟基- 酮基- 苯基-2,4-己二烯酸(HOPDA) (HOPDA)； 化合物2-羟基-6-酮基-6-苯基-2,4-己二烯酸(HOPDA)； 水解酶(BphD) 降解成只有一个苯环的苯甲酸 再降解为中心代谢物。 (BphD)： 苯甲酸， ④水解酶(BphD)：降解成只有一个苯环的苯甲酸，再降解为中心代谢物。
图示的途径对Pseudomonas LB400以及许 图示的途径对Pseudomonas putida LB400以及许 多其他细菌都适用。 多其他细菌都适用。 17
两个重要的限速酶
铁氧还原蛋白 含有一个[2Fe-2S]簇电子转移 联苯羟基化 双加氧酶 铁氧还原蛋白还原酶 黄素蛋白或铁硫黄素蛋白。作 为电子传递链 终点加氧酶 由亚基α和β组成共同影响底物特异性。 具有不同的底物特 异性，相互之间没 有同源性。
厌氧（5）厌氧-好氧的联合降解 由于还原脱氯难度随氯原子取代数目的下降而增 加，而氧化酶随氯原子数目的下降越来越容易从苯环 上获得电子进行反应。因此，利用厌氧微生物还原脱 氯生成低氯联苯，再由好氧微生物氧化分解。
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五、微生物降解联苯的代谢途径
微生物降解联苯的特性与联苯分子结构有直接关系。
联苯降解与其它芳香族化合物的降 解过程类似，都要经过开环的过程。 开环过程两种酶非常关键，即芳环 羟基化加氧酶和芳环断裂双加氧酶 断裂双加氧酶。 羟基化加氧酶 断裂双加氧酶
艾氏剂、氯丹、DDT、 艾氏剂、氯丹、DDT、 狄氏剂、异狄氏剂、 狄氏剂、异狄氏剂、 七氯、灭蚁灵、 七氯、灭蚁灵、毒杀 六氯代苯、 芬、六氯代苯、多氯 联二苯、 联二苯、二恶英和呋 喃。
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二、多氯联苯的处理方法