多環(huán)芳烴的微生物降解

多環(huán)芳烴的微生物降解魏花朵河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院摘要：環(huán)境污染己成為當(dāng)今世界所面臨的一個(gè)重要問題。應(yīng)用生物降解能力使有害廢物無害化或低毒害化，是當(dāng)今環(huán)境治理的主要研究方向。微生物作為生物界的主要降解類群，在水體污染、固體廢棄物污染、重金屬污染、化合物污染、石油及大氣污染等治理過程中，均取得顯著效果。純培養(yǎng)微生物的單一菌株及混合菌株的多環(huán)芳烴降解的研究已有很多年了。為了更好地應(yīng)用生物修復(fù)技術(shù)治理被多環(huán)芳烴污染的環(huán)境，有必要對(duì)降解微生物、降解機(jī)制、環(huán)境影響因子等因素進(jìn)行進(jìn)一步的研究，從而選擇出最優(yōu)化的方案來治理污染環(huán)境。關(guān)鍵詞：多環(huán)芳烴微生物生物降解1環(huán)境污染治理的微生物學(xué)原理：微生物是肉眼不易看見、必須在電子顯微鏡或光學(xué)顯微鏡下才能看見的單細(xì)胞或簡(jiǎn)單多細(xì)胞或無細(xì)胞結(jié)構(gòu)的微小生物的總稱。自然界中存在著豐富的微生物種群，在生物圈中著重充當(dāng)分解者的角色。微生物對(duì)物質(zhì)的降解與轉(zhuǎn)化，保證了自然界中正常的物質(zhì)循環(huán)。微生物對(duì)污染物的降解與轉(zhuǎn)化是環(huán)境污染治理的基礎(chǔ)。由于微生物自身特點(diǎn)和代謝活動(dòng)表現(xiàn)出在環(huán)境中的化學(xué)作用，決定了它對(duì)污染物具有強(qiáng)大的降解與轉(zhuǎn)化能力。1.1微生物適合環(huán)境污染治理的特點(diǎn)微生物對(duì)污染物具有強(qiáng)大降解與轉(zhuǎn)化能力，主要是因?yàn)槲⑸锞哂幸韵绿攸c(diǎn)：1.1.1微生物個(gè)體微小，比表面積大，代謝速率快微生物的這個(gè)特點(diǎn)，使之具有驚人的代謝活性，有利于營(yíng)養(yǎng)物的吸收和廢物的排泄，有利于污染物的快速降解與轉(zhuǎn)化。1.1.2微生物種類多，分布廣，代謝類型多樣環(huán)境的多樣性決定了微生物類型的多樣性。微生物種類多，代謝類型多樣，為當(dāng)今日益復(fù)雜的環(huán)境污染治理提供了更多的功能菌，對(duì)環(huán)境中形形色色的物質(zhì)的降解轉(zhuǎn)化，起著至關(guān)重要的作用。1.1.3微生物繁殖快，易變異，適應(yīng)性強(qiáng)微生物巨大的比表面積使之對(duì)生成條件下的變化具有極強(qiáng)的敏感性，加之微生物繁殖快、數(shù)量多，可在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量變異的后代，對(duì)進(jìn)入環(huán)境中的“新”污染物，微生物可通過基因突變，改變?cè)瓉淼拇x類型而適應(yīng)、降解之。1.1.4微生物具有多種降解酶，有巨大的降解能力和共代謝作用。微生物能靈活的改變其代謝與調(diào)控途徑，合成各種降解酶，以適應(yīng)不同的環(huán)境，將環(huán)境中的污染物降解轉(zhuǎn)化。同時(shí)微生物體內(nèi)含有質(zhì)粒，質(zhì)粒能通過基因工程實(shí)現(xiàn)不同物種的細(xì)胞間轉(zhuǎn)移，從而構(gòu)建多質(zhì)粒功能菌，在環(huán)保中發(fā)揮重要作用。此外微生物具有共代謝作用，利于難降解污染物的徹底分解。1.2微生物在環(huán)境污染治理中的化學(xué)作用微生物通過它的代謝活動(dòng)，降解和轉(zhuǎn)化污染物，表現(xiàn)在環(huán)境中的化學(xué)作用主要有氧化、還原、脫氨、脫羧、水解、酯化、脫水、縮合、氨化和乙?；饔玫?，通過各種微生物的化學(xué)作用，實(shí)現(xiàn)污染物的降解與轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到污染治理的目的。1.3微生物治理環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)微生物治理環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)：一是充分體現(xiàn)在它是一個(gè)純生態(tài)過程，無二次污染，從根本上體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想；二是微生物在處理環(huán)境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、反應(yīng)條件溫和等，加之其技術(shù)開發(fā)所預(yù)示的廣闊的市場(chǎng)前景，受到了各國(guó)政府、科技工作者和企業(yè)家的高度重視。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)越來越受到社會(huì)各界的關(guān)注。綜合國(guó)力的增加，有機(jī)污染物的監(jiān)測(cè)與研究也越來越受到重視。多環(huán)芳烴（PolycyclicAromaticHydrocarbons，PAHs)是持久性有機(jī)污染物的一種，容易在生物體內(nèi)富集，難以生物降解，。鑒于它在環(huán)境中的毒性、持久性、普遍性和累積性，PAHs已被各國(guó)列為有機(jī)污染物研究的重點(diǎn)。2多環(huán)芳烴的概述：多環(huán)芳經(jīng)（PolycyclicAromaticHydrocarbons，PAHs)是指兩個(gè)以上苯環(huán)以稠環(huán)形式相連的化合物，是目前環(huán)境中普遍存在的污染物質(zhì)。環(huán)境中的含有兩個(gè)苯環(huán)以上的有機(jī)化學(xué)污染物，隨著苯環(huán)數(shù)量增加，其脂溶性越強(qiáng)，水溶性越低，在環(huán)境中存在時(shí)間越長(zhǎng)，遺傳毒性越高，其致癌性隨著苯環(huán)數(shù)的增加而增強(qiáng)。每年有數(shù)百萬噸石油產(chǎn)品和原油從煉油廠和石化廠的廢棄物中排放到世界范圍的海洋環(huán)境中;由于多環(huán)芳烴的潛在毒性、致癌性及致畸誘變作用，對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境具有很大的潛在危害，已引起各國(guó)環(huán)境科學(xué)家的極大重視。美國(guó)環(huán)保局在80年代初把16種未帶分支的多環(huán)芳烴確定為環(huán)境中的優(yōu)先污染物，我國(guó)也把多環(huán)芳烴列入環(huán)境污染的黑名單中。2.1PAHs的危害：PAHs在環(huán)境中的存在雖然是微量的，但其不斷地生成、遷移、轉(zhuǎn)化和降解，并通過呼吸道、皮膚、消化道進(jìn)入人體，極大地威脅著人類的健康。2.1.1化學(xué)致癌作用：多數(shù)PAHs均具有致癌性，在目前已知的500種致癌性化合物種，有200多種為PAHs及其衍生物，強(qiáng)致癌性的PAHs有苯并苯并[a]芘、1，12-二甲基苯蒽、二苯并(A，H)蒽、3-甲基膽蒽、四甲基菲、1，2,9,10-四甲基蒽等。流行病學(xué)研究表明，PAHs通過皮膚、呼吸道、消化道等均可被人體吸收，有誘發(fā)皮膚癌、肺癌、直腸癌、膀胱癌等作用，而長(zhǎng)期呼吸含PAHs的空氣，飲用或食用含有PAHs的水和食物，則會(huì)造成慢性中毒。有調(diào)查表明BaP(即苯并芘)濃度每增加0.Ipg/100m3時(shí)，肺癌死亡率上升5%。我國(guó)云南省宣威縣由于室內(nèi)燃煤，空氣中BaP污染嚴(yán)重，成為肺癌高發(fā)區(qū)，有些鄉(xiāng)肺癌死亡率高達(dá)100/10萬以上;許多山區(qū)居民經(jīng)?；\火取暖，室內(nèi)終日煙霧彌漫，造成較高的鼻咽癌發(fā)生;職業(yè)中毒調(diào)査表明，在3^ig/m3、2pg/m3濃度下工作5年和20年的工人，前者大部分誘發(fā)肺癌，后者患多種癌癥;焦?fàn)t工人的肺癌死亡率同接觸BaP的濃度密切相關(guān)。2.1.2光致毒作用:越來越多的研究表明，PAHs的真正危險(xiǎn)在于它們暴露于太陽光中紫外光輻射時(shí)的光致毒效應(yīng)?？茖W(xué)家將PAHs的光致毒效應(yīng)定義為紫外光的照射對(duì)多環(huán)芳烴毒性所具有的顯著的影響。研究表明，多環(huán)芳烴對(duì)原生動(dòng)物、水蚤、昆蟲、水生無脊椎、水生脊椎動(dòng)物、植物和哺乳動(dòng)物等都有較強(qiáng)的光致毒作用。有實(shí)驗(yàn)表明，同時(shí)暴露于PAHs和紫外照射下會(huì)加速具有損傷細(xì)胞組成能力的自由基形成，破壞細(xì)胞膜損傷DNA，從而引起人體細(xì)胞遺傳信息發(fā)生突變。2.2多環(huán)芳烴來源：環(huán)境中的PAHs除極少量來源于生物體(某些藻類、植物和細(xì)菌）內(nèi)合成，森林草原自然起火，火山噴發(fā)等自然活動(dòng)外，絕大部分由人為活動(dòng)污染造成，主要來自于兩方面:(1)煤、石油和木材及有機(jī)高分子化合物的不完全燃燒，即熱解成因;(2)原油在開采、運(yùn)輸、生產(chǎn)和使用過程中的泄漏及排污，即石油類源。2.3環(huán)境中多環(huán)芳烴的遷移變化：多環(huán)芳烴在環(huán)境中大多數(shù)是以吸附態(tài)和乳化態(tài)形式存在，一旦進(jìn)入環(huán)境，便受到各種自然界固有過程的影響，發(fā)生變遷。通過復(fù)雜的物理遷移、化學(xué)及生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)，在大氣、水體、土壤、生物體等系統(tǒng)中不斷變化，改變分布狀況。處在不同狀態(tài)、不同系統(tǒng)中的多環(huán)芳烴則表現(xiàn)出不同的變化行為。多環(huán)芳烴進(jìn)入大氣后，可通過化學(xué)反應(yīng)、降塵、降雨、降雪等過程進(jìn)入土壤及水體中。3多環(huán)芳烴的微生物降解機(jī)理：微生物是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的分解者，對(duì)多環(huán)芳烴具有較強(qiáng)的分解代謝能力和較高的代謝速率。研究表明，微生物降解多環(huán)芳烴一般有2種方式:一種是以多環(huán)芳烴為唯一碳源和能源;另一種是將多環(huán)芳烴與其他有機(jī)質(zhì)進(jìn)行共代謝。微生物降解PAHs的難易程度取決于其化學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和降解酶的適應(yīng)程度。一般來說，隨著多環(huán)芳烴苯環(huán)數(shù)和辛醇一水分配系數(shù)的增大，其降解速率越來越低。因此，低分子量的PAHs(萘、菲、蒽、芴等）在環(huán)境中能較快地被降解，在環(huán)境中存在的時(shí)間較短，對(duì)其降解機(jī)制的了解也較為深入；而高分子量的PAHs則難以降解，在環(huán)境中較穩(wěn)定，能以其為唯一碳源和能源進(jìn)行礦化的細(xì)菌的研究甚少。3.1多環(huán)芳烴微生物降解的一般途徑：原核生物和真核生物對(duì)多環(huán)芳烴的微生物降解都需要氧氣的參與，產(chǎn)生氧化酶，使苯環(huán)降解。因此，多環(huán)芳烴苯環(huán)的降解取決于微生物產(chǎn)生加氧酶的能力，且由于酶對(duì)于多環(huán)芳烴降解的專一性，環(huán)境中多環(huán)芳烴的多樣性，多環(huán)芳烴的降解需要多種微生物參與。微生物加氧酶有兩種，即單加氧酶和雙加氧酶。絲狀真菌一般產(chǎn)生單加氧酶，對(duì)多環(huán)烴降解的第一步是羥基化多環(huán)芳烴，即把一個(gè)氧原子加到底物中形成芳烴化合物，繼而氧化為反式雙氫乙醇和酚類；細(xì)菌主要產(chǎn)生雙加氧酶，對(duì)多環(huán)芳烴降解的第一步是苯環(huán)的裂解，把兩個(gè)氧原子加到底物中形成雙氧乙烷，進(jìn)一步氧化成順式雙氫乙醇，雙氫乙醇可繼續(xù)氧化為兒茶酸、原兒茶酸和龍膽酸等中間代謝物，接著苯環(huán)斷開，產(chǎn)生琥珀酸、延胡索酸、乙酸、丙酮酸和乙醛。降解中的產(chǎn)物被微生物用來合成自身的生物量，同時(shí)產(chǎn)生C02和H20。3.2多環(huán)芳烴的無氧降解：海洋沉積環(huán)境中多環(huán)芳烴的有氧降解己有了廣泛的研究。然而大部分有機(jī)物富集的海洋沉積環(huán)境處于無氧條件，越來越多的研究對(duì)多環(huán)芳烴在無氧條件下分解感興趣。研究表明，在反硝化的條件下，多環(huán)芳烴可以發(fā)生無氧降解，以硝酸鹽作為電子受體。在硫酸鹽還原環(huán)境，多環(huán)芳烴的微生物降解仍然存在，以硫酸鹽作為電子受體，可以降解萘、菲、熒蒽等等。Hayes研究表明，環(huán)境中微生物暴露于污染物時(shí)間的長(zhǎng)短是多環(huán)芳烴能否發(fā)生無氧降解的關(guān)鍵因素。3.3影響多環(huán)芳烴微生物降解的因子：由于PAHs性質(zhì)穩(wěn)定，單純靠自然微生物降解很慢，所以有必要通過研究多環(huán)芳烴微生物降解的影響因素，從而通過工程手段加以快速除去PAHs。影響PAHs微生物降解的因素很多，主要包括底物PAHs本身、微生物種群以及電子受體、溫度、鹽度、pH值、土壤類型、通氣狀況、營(yíng)養(yǎng)鹽、所處的深度、擴(kuò)散速率、微生物適應(yīng)性、生物利用率、季節(jié)因素、多環(huán)芳烴的濃度、多環(huán)芳烴微生物的理化特性等。4結(jié)語微在污染治理中具有廣泛的應(yīng)用前景，為提高微生物降解能力，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，分離、重建高效、廣譜降解微生物具有重要意義。多環(huán)芳烴是一類廣泛分布于環(huán)境中的難降解有機(jī)污染物，主要來源于人類活動(dòng)和能源利用過程中燃料的不完全燃燒，主要累積在沉積物、生物體及溶解的有機(jī)質(zhì)中，最終被微生物緩慢降解。由于多環(huán)芳烴具有潛在的毒性、致癌性，對(duì)其在毒理監(jiān)測(cè)、控制、治理等方面的研究尤為活躍，生物修復(fù)技術(shù)被認(rèn)為是最有前途最徹底地從環(huán)境中去除多環(huán)芳烴的有效途徑。我國(guó)的環(huán)境微生物技術(shù)研究尚處于起步階段，與國(guó)際先進(jìn)水平還有很大差距，應(yīng)根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，充分利用我國(guó)的資源優(yōu)勢(shì)，借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)加強(qiáng)環(huán)境生物技術(shù)的研究與開發(fā)，以期取得更好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)：余莉萍，尹華，彭輝.環(huán)境生物技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì).城市環(huán)境與城市生態(tài)，2002,15(2):52-54.宋穩(wěn)成，楊仁斌，郭正元，等.現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境保護(hù):現(xiàn)狀和展望云南