微生物降解有机污染物的研究进展

微⽣物降解有机污染物的研究进展⽥　雷　⽩云玲　钟建江3

(华东理⼯⼤学⽣物反应器⼯程国家重点实验室,上海200237)

摘　要　从降解菌的筛选及检测技术、新的降解菌种及其作⽤酶和代谢途径、污染物

对降解菌的作⽤以及环境因素对降解菌的影响等⽅⾯介绍了微⽣物降解有毒有机污染物的最新研究进展,预期该领域具有⼗分⼴阔的应⽤前景。关键词:微⽣物降解;　有毒有机污染物;　⽣物环境⼯程;　研究进展作者简介:⽥雷(1975～),男,硕⼠⽣。3通讯联系⼈。

⽣物技术在环境领域的应⽤已有多年历史,其中有较早的活性污泥法处理⼯业废⽔以及近20年来发展起来的⽣物修复技术。微⽣物可降解的污染物种类⼤致可分为多环芳烃(PAHs )、有机染料和颜料、表⾯活性剂、农药、酚类和卤代烃等。⽬前,应⽤⽣物降解原理治理被污染的环境所具有的潜在优势得到了⼴泛认可。它不仅经济、安全,⽽且所能处理的污染物阈值低、残留少,其应⽤前景看好。应⽤微⽣物来治理环境污染(⽐如处理有毒难降解有机污染物)的研究正受到世界各国的普遍重视,相关研究也⼗分活跃。⾄今,国内已发表了⼀些有关综合论述[1],还有其它针对如三氯⼄烯[2]和氯代芳⾹化合物[3]等的⽣物降解、⽣物修复技术[4]以及嗜热微⽣物的应⽤[5]等专门综述。本⽂根据国外最新原始研究报道,就降解菌的筛选及检测技术、新的降解菌种及其作⽤酶和代谢途径、污染物和其它环境因素对降解菌的影响等⽅⾯作⼀介绍。1　降解菌的筛选及检测技术

⼈们已开发了许多技术来分离筛选有机污染物的降解菌,如:平板技术筛选PAHs [6,7]降解菌,[14C]筛选三硝基甲苯(TNT )[8]和⽊质素[9,10]降解菌。近年来,环境微⽣物学研究

中应⽤的分析⽅法如图1所⽰[11]。其中,基于特定DNA ⽚段或核糖体RNA (rRNA )亚基如16S 或23S rRNA 的检测筛选技术由于其使⽤⽅便、精确、灵敏,已成为该领域的⼀门重要新技术,被应⽤于环境微⽣物过程的评价和环境风险的分析等⽅⾯。Leung 等[12]设计了⽤于聚合酶链反应(PCR )扩增pcpC (编码S phi ngomonas sp.U G 30菌四氯氢醌还原脱卤酶的基因)的专性引物,经PCR 扩增定量分析接种到⼟壤中的该菌密

度变化,并与最⼤概率数法(MPN )/[14C ]五氯酚(PCP )矿化分析法进⾏了⽐较,发现⽤后者得到的结果将接种密度低估了70～740倍,⽽应⽤新的检测技术的结果与接种浓度有很好关联,且下限可达3CFU/g ⼲⼟。Princic 等[13]利⽤上述技术并结合脂肪酸分

析,在⼀接种了含有硝化细菌废⽔的反应器中研究了p H 、氧及氨浓度对系统中硝化菌菌落结构的影响。Dojka 等[14]在对美国密歇根州某受污染的蓄⽔层中进⾏的⾃⾝⽣物修复的研究中,利⽤适当的引物分别对试样中的DNA 进⾏PCR 扩增并克隆测序⽐较,提出了6个新的微⽣物门,他们还发现了⼤量与S ynt rophus 和Methanosaeta 两属有关的序

列,由此推断该⽔体的甲烷产⽣区中碳⽔化合物降解的最终步骤是降解⼄酸的产甲烷过程,且两属间是互养共栖关系。Hastings—

64—　第30卷第2期　2000年6⽉

⼯　业　微　⽣　物Industrial Microbiology　Vol.30No.2　J un.2000

等[15]利⽤16S rRNA 探针对不同季节由⼀富养湖区采集的样品进⾏富集培养物的分析,初步得出了沉积物与⽔体中氨氧化菌群的季节性分布

。

图1　环境微⽣物相关领域及其研究分析⽅法⽂中缩略语:GC/MS ,⽓相⾊谱/质谱;PCR ,聚合酶链反应;RTPCR ,逆转录酶Ο聚合酶链反应2　新的降解菌种及其作⽤酶和代谢途径

⼏⼗年的研究表明,⼤部分的有机污染物都能被微⽣物不同程度地降解或转化,许多污染物在微⽣物中的代谢途径也不断得到了阐明。这些污染物可以被分为⼏类,各类中的物质间根据它们类似的降解机理,通过共同的中间物连接起来,形成⼀条代谢的“主⼲”途径。图2列出的就是以此为依据,部分污染物的被微⽣物降解的代谢主⼲图。

其中细实线代表初始污染物向中间物的有氧转化,粗实线代表中间物之间的有氧转化;细虚代表初始污染物向中间物的⽆氧转化,粗虚线代表中间物之间的⽆氧转化;圆圈内物质表⽰⼏个降解途径(图中箭头所⽰)的同⼀产物,这些产物还会被微⽣物以通常代谢途径进⼀步利⽤。

分离可降解某污染物的纯种菌株并对其进⾏研究的⼀个重要意义就在于可利⽤它揭⽰污染物的降解途径与机理,这是有效地将⽣

物技术应⽤于环境的基础。这⽅⾯的基础研究⼯作⼀直⼗分活跃。近两年来报道的新的降解菌株有:降解1,2,3,4Ο四氯苯的P seu 2domonas chlororaphis [16]、降解2,6Ο⼆氯苯酚的Ralstonia sp.RK 1[17]

,和两株新的能降解甲苯的Mycobacterium T103、T104[18]等。在代谢途径及代谢中间物的研究⽅⾯,Casellas 等[19]通过对A rthrobacter sp.F101降解芴的研究,发现了新的中间物及关键酶活性,提出了芴代谢的新途径,即通过在1、2位的双加氧反应后裂环降解。Sandermann 等[20]在试图优化⼀⽊腐霉Phanerochaete chryso sporium 矿化3,4⼆氯苯胺发酵条件时,意外发现了新的中间物并分析确认其为NΟ(3,4⼆氯苯基)Ο(Ο酮戊⼆酰基Ο(Ο酰胺,以此推出了该中间物的⽣成途径

并进⼀步推测它以后会转化为琥珀酰亚胺。与好氧⽣物处理相⽐,由于厌氧⽣物处理具有其独特的优越性,它也越来越引起⼈们的注意。⼀些能在厌氧条件下降解有机物的新菌种也不断被分离出来,例

如:Schie 和Y oung [21]报道了三株能厌氧降解苯酚的A zoanus 属硝化细菌;Zhang 和Y oung [22]将⼀产硫菌群应⽤于萘、菲厌氧代谢研究,提出羧基化可能是该系统代谢的第⼀步。另外,⼀些极端环境下的污染降解菌也有报道,如Maeda 等[23]报道了三株分属Rhodococcus 、Dietzia 、A lcaligenes 属且能降解⼆联苯(PC Bs )的嗜碱菌;另外还有如分离获得的嗜中盐的Halomonas sp.菌,可⽤于含酚废盐⽔的处理[24]。

3　污染物对降解菌的作⽤3.1　传质限制问题

许多有机物污染物,如PAHs ,由于其憎⽔、亲脂的特性,给利⽤⽣物降解这些物质带来了传质限制的问题,因为迄今为⽌⼈们发现,只有溶于⽔相的那⼀部分才能为胞内代谢所利⽤[25]。⽽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,如—7

4—　第2期⽥　雷,等:微⽣物降解有机污染物的研究进展第30卷　

图2　部分有机污染物被微⽣物降解的代谢主⼲图Volkering 等[26]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,并因此提⾼了降解菌的⽣长速率。考虑到许多表⾯活性剂在被应⽤后,或

为微⽣物所降解,或本⾝对细胞有毒性⽽不能很好地发挥作⽤,微⽣物⾃⾝所产的表⾯活性剂引起了⼈们的兴趣。Deziel 等[27]将筛选到的⼀株⼟壤Pseudomonas 菌在萘和菲上⽣长,发现该菌产醣脂类表⾯活性剂并使

—8

4—　第2期⼯　业　微　⽣　物第30卷　两者在⽔相中的浓度增加。2　混合的污染物对降解菌的作⽤

环境中污染物的存在往往是混合的,它们之间的相互作⽤及对降解菌的影响是⼈们所感兴趣的。3.2.1　竞争作⽤

Millette等[28]设计了因⼦实验,以由沙⼟蓄⽔层中采集的样本为接种物、对7种与杂酚油有关的物质(菲、芴、p2甲酚、五氯酚、咔唑、⼆苯噻吩、⼆氢呋喃)在有氧降解过程中的相互作⽤进⾏了考察,发现⼤体上憎⽔性越强、越难降解物质的降解受的影响越⼤,例如,p2甲酚的矿化不受底物相互作⽤的影响,⽽它却抑制菲的矿化;咔唑的矿化受到其它物质存在的严重影响;p2甲酚是主要的抑制剂,菲也抑制其它物质的降解但程度要⼩; PCP和⼆苯呋喃使延迟期延长,却不影响其后咔唑的降解。3.2.2　共代谢

1985年J.T.Wilson和B.H.Wilson[29]报道天然⽓对好氧微⽣物转化三氯⼄烯有促进作⽤,其后⼈们在对共代谢的研究中不断发现了新的“组合”。例如TN T,由于它的三个硝基必须在严格⽆氧的条件下才能被完全还原,许多物质如甲酸、⼄酸、丁⼆酸、苹果酸、氢⽓、葡萄糖、葡糖酸、蔗糖、糖浆等被发现能共代谢还原TN T;Hay和Focht[30]发现⼀株Pseudomonas aci dovorans M3GY菌能以⼆联苯为原始底物共代谢1,1Ο⼆氯Ο2,2Ο双(4Ο氯苯基)⼄烯[DDE,DD T(⼆氯⼆苯三氯⼄烷)的有毒代谢中间物],并通过对产物的分析证明DDE通过间位开环途径被代谢。近年来在共代谢机理与动⼒学⽅⾯国外开展了许多⼯作。Hill等[31]通过对A lcaligenes eut rophus以苯酚为⽣长基质共代谢4Ο氯酚的研究,刻划出该菌在⾮⽣长限制性的底物浓度区间内其⽣长动⼒学模型:µ=µmax×(1 -[S1]/K i1)×(1Ο[S2]/K i2),其中µ为该菌的⽣长⽐速度;S1、S2分别为苯酚和4Ο氯酚

的浓度,K i1、K i2分别为两物质的⽣长抑制浓度。Daun等[32]利⽤污⽔⼚样本经葡萄糖ΟTN T驯化后获得的培养物进⾏了厌氧下葡萄糖共代谢TN T的研究,发现随TN T浓度增加、葡萄糖浓度与补料频率的减少,TN T 被共代谢还原为2,4,6Ο三胺基甲苯会有较⼤增加。共代谢在实际中的应⽤也很⼴泛。McCarty等[33]报道了⼀例持续达410d,通过注射7～13.4mg/L甲苯、氧⽓、过氧化氢,以25～38L/min的流量对含500～1200µg/L三氯⼄烯的地下⽔进⾏原位共代谢的情况。结果TCE的去除率达97～98%,且同时甲苯去除率也达99.98%,远低于排放标准。4　其它环境因素对降解菌的影响

通过向被污染的⼟壤接种微⽣物是⽣物修复的⼀个重要⽅法,然⽽接种菌进⾏的降解往往不能形成优势,K astner等[34]在不同pH 下,采⽤不同的接种⽅式向原⼟和灭菌⼟壤接种PAHs降解菌并测定其存活与活性以考察这种抑制作⽤,发现因接种⽅式导致的原⼟壤的pH、盐度的变化会严重影响原有的寡养⼟⽣菌的代谢,⽽且接⼊菌在⼟壤中的数量并不与降解活性相关。在研究⼟壤微⽣物的降解⾏为中,⼟壤胶体尤其是粘⼟颗粒对它们的作⽤显得尤为重要。关于在腐殖酸或粘⼟存在情况下污染物的⽣物降解研究报道有很多, Stevens等[35]研究了紫丁⾹酸与腐殖酸对摇瓶中Phanerochaete chryso sporium降解五氯酚的影响,发现两者在⾼浓度下会降低该菌的降解作⽤;⽽Ortega2Calvo和Saiz2Jimenez[36]⽐较了腐殖酸Ο粘⼟体系中菲⽣物降解率,认为菲在这两个⼟壤组份上的吸附导致了菌四周的⾼底物浓度,增加了它的⽣物可利⽤性。可以相信,今后有关环境因素对降解菌的影响的研究将在⼴度和深度上不断发展。—94—

　第2期⽥　雷,等:微⽣物降解有机污染物的研究进展第30卷　

致谢　在本⽂准备阶段,与汉城国⽴⼤学的Y J Y oo 教授进⾏了有益讨论,表⽰感谢。参考⽂献

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