危險性化合物的微生物降解-中國石油大學(xué)環(huán)境生物工程

危險性化合物（hazardouschemicals）——由于這些化學(xué)物質(zhì)對人具有三致效應(yīng)（致癌、致畸、致突變），故稱之為危險性化合物。理論上——微生物具有降解自然界產(chǎn)生的有機化合物的代謝機制，但是由于：新合成的化合物結(jié)構(gòu)新穎；微生物對這些化合物無降解機制

因此新的化合物往往對微生物的降解表現(xiàn)出抗逆性來源——人工合成的農(nóng)藥、殺蟲劑、除草劑、防腐劑、溶劑的主要成分或石油化工產(chǎn)品的中間產(chǎn)物化學(xué)本質(zhì)—脂肪烴、芳香烴類及其衍生物；最常見的為多環(huán)芳烴(PAHs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)、氯代烴（如三氯乙烷）、有機氮、有機氯、有機磷農(nóng)藥等要回答的實際問題能否生物降解？是否完全？—可行性哪種或哪幾種微生物降解？后者中的分工腳色如何？—菌種選育及基因工程菌改造方向以及好厭氧工藝選擇降解生化反應(yīng)機理如何？哪些酶參與？限速步驟為哪一步？—酶工程強化的可行性微生物通常通過生態(tài)學(xué)協(xié)同作用完成為此類污染物的降解環(huán)境生物工程學(xué)工作者的任務(wù)從特定環(huán)境中分離純化得到具有某些特定降解能力的微生物純培養(yǎng)物馴化出降解某些污染物的微生物菌株，使其降解能力更強大通過基因工程手段來改造微生物使其具有特定的降解能力通常，任何有毒物質(zhì)在混合培養(yǎng)條件下的速率均快于單個菌群的速率為什么要研究單個的、純化了的微生物菌株，并研究其特點？微生物本身的特性必須要清楚：生理生化、遺傳、降解能力降解機制、代謝過程二、微生物菌群的生態(tài)學(xué)地位

（微生物群落的生物降解功能）屬于通常意義上共生、互生、寄生、拮抗的前兩種。目前主要通過試驗室混合菌培養(yǎng)模擬環(huán)境實際情況以下實驗中發(fā)現(xiàn)的微生物現(xiàn)象是否與實際既然環(huán)境中真實情況完全一致不能確定，但可提供類比參考根據(jù)不同代謝作用進行職責(zé)劃分，可以將微生物群落分為7種：（相當于我們?nèi)祟惿鐣殬I(yè)分工，如廚師、醫(yī)生、球員等等）Stirling等人(1976年)從環(huán)己烷上富集分離得到微生物群落：諾卡氏菌屬（Nocardiasp.

）（放線菌中一種）可獨立分解環(huán)己烷，但只有在能提供生物素（維生素B族）的假單胞菌屬（Pseudomonas）存在情況下才能生存。假單胞菌屬的角色（1）提供特殊營養(yǎng)物質(zhì)（主要是生長因子）（相當于“廚師”或“營養(yǎng)師”）類似于我們腸道中的微生物為我們提供身體所需的維生素在利用甲烷生產(chǎn)單細胞蛋白的微生物群落中分離得到四種微生物：氧化甲烷的假單胞菌會受到體系中甲醇的毒害，體系中的生絲微菌確可將甲醇氧化去除。（該群落中的其余兩個成員是黃細菌與不動桿菌）。對于甲烷的氧化，生絲微菌的腳色（2）去除生長抑制產(chǎn)物（相當于“大夫”或“環(huán)衛(wèi)工”）微生物之間構(gòu)成了類似食物鏈的關(guān)系，如降解黑苔酚的3種細菌之間的關(guān)系，假單胞菌、擴展短桿菌、短小桿菌三者均可降解3，5-二羥基甲苯（又稱苔黑酚），但后兩者只有在假單胞菌首先生長后才能降解苔黑酚。假單胞菌的角色（3）改善單個微生物的基本生長參數(shù)（條件）（相當于“大哥大”或“大姐大”）上述三類主要在簡單有機物的降解中較為重要，對于復(fù)雜或異型有機物，危險性化合物和難降解化合物主要依靠下面四種類型生物代謝（4）對底物協(xié)調(diào)利用（相當于“足球隊”或“流水作業(yè)”）單個微生物對某種物質(zhì)沒有降解能力，但混合后則能夠降解該物質(zhì)——以協(xié)同代謝降解為基礎(chǔ)。如沒有一種微生物可以殺蟲劑二嗪農(nóng)［硫代磷酸－O，O－二乙基－O－（2－異丙基－4－甲基－6－嘧啶基）酯］為唯一碳源生長原因何在？都不具有完整的降解酶。但節(jié)桿菌、鏈霉菌同時存在時，可將其降解“分工協(xié)作”第四類微生物再如，除草劑茅草枯（達拉朋；α，α-二氯丙酸鈉）的降解一個從除草劑茅草枯上分離得到的多成員微生物群落，混合菌株的降解率比單個菌株的降解率之和還高20%（5）共代謝（相當于“友情客串”）共代謝——指某種生長底物和某種非生長底物（污染物，不作為生長必需的能源或碳源提供物）共用同一種酶的現(xiàn)象。生長底物是能被微生物用作為唯一碳源的物質(zhì)。共酶現(xiàn)象——是指一些污染物(非生長底物)不能作為微生物生長的唯一碳源,而只能在生長底物被利用時，通過微生物產(chǎn)生的酶，將該污染物轉(zhuǎn)化為不完全的氧化物。

如如土壤中廣泛存在的好氧嗜甲烷菌－只能利用甲烷生存，其產(chǎn)生的單加氧酶專一性較差，可同時啟動烴類的初始降解反應(yīng)，為其他微生物進一步降解創(chuàng)造便利。第五類微生物注意：該特殊生長底物存在及數(shù)量的重要性！人工強化第六類微生物（6）氫（電子）轉(zhuǎn)移（相當于“接線生”）復(fù)雜有機物1水解菌2發(fā)酵菌脂肪酸

乙酸

H2

+CO23產(chǎn)乙酸菌

CH4+CO2H2S+CO2硫酸鹽還原菌4產(chǎn)甲烷菌4產(chǎn)甲烷菌厭氧代謝與去除生長抑制物、及協(xié)同作用的區(qū)別在于，氫受體物質(zhì)存在的重要性——硫酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽解除過多氫對產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)物抑制有一種以上初始利用者存在，每個初始利用者作用相同，都可以將某特殊污染物降解利用（區(qū)別于協(xié)同利用之處）但混合菌群合力速率＞＞任何一個菌種單獨降解速率如對除草劑對硫磷和苯甲酸降解菌群中各種微生物均可獨立在以上唯一碳源培養(yǎng)基上生存，但混合菌對其降解速度遠高于各自單獨降解速率？尚不清楚第七類微生物（7）提供一種以上初級底物利用者（相當于“男女搭配干活不累”）確定某種污染物自然狀態(tài)的生態(tài)降解菌群種類及其生態(tài)作用的目的？找出人工強化的關(guān)鍵所在如特定細菌的人工引入引發(fā)反應(yīng)的加速進行？需要補充共代謝底物？補充電子受體（如硫酸鹽）等？特定混合菌的固定化？第二節(jié)烴類化合物的微生物降解一般而言，具有易失去電子的取代基（如-OH、-COOH、-NH2）的芳香族化合物要比具有易獲得電子的取代基（-NO2、-SO3H、鹵代基）的芳香族化合物更易于氧化代謝。根據(jù)物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，各種有機化合物的降解性能可以排成如下順序：脂肪酸>有機磷酸鹽〉長鏈苯氧基脂肪酸〉短鏈苯氧基脂肪酸〉單基取代苯氧基脂肪酸〉三基取代苯氧基脂肪酸〉硝基苯〉氯代烴類2.1好氧混合菌培養(yǎng)條件下（1）芳香族化合物的分解在芳香族與雜環(huán)化合物分解過程中起重要作用的微生物有假單胞菌、無色桿菌、節(jié)桿菌、棒桿菌、諾卡氏菌、分枝桿菌、曲霉、青霉等，這些微生物都能不同程度地使芳香族與雜環(huán)化合物分解。

微生物分解芳香族化合物的方式有兩種：在酶的作用下直接將分子中的環(huán)狀結(jié)構(gòu)打開芳香族化合物中大部分被微生物作用去掉環(huán)上的側(cè)鏈基團，使之轉(zhuǎn)變成兒茶酚（焦性兒茶酚，鄰苯二酚

）或原兒茶酸（3,4-二羥基苯甲醛

）。三羧酸循環(huán)關(guān)鍵酶－加氧酶環(huán)境酶工程產(chǎn)品酶之一——后續(xù)介紹注意芳香族化合物的生物降解取代物酚石化廢水、煤炭廢水燃料、農(nóng)藥、炸藥、醫(yī)藥、殺蟲劑廢水，毒性大，難降解硝基苯苯胺及多環(huán)芳烴萘蒽等加氧酶作用，形成共通中間產(chǎn)物開環(huán)進入三羧酸循環(huán)（2）烷烴同樣加氧酶氧化為醇→脂酸→脂代謝(βω氧化）（2）烷烴同樣加氧酶氧化為醇→脂酸→脂代謝(βω氧化）地下水、土壤、江河湖泊底部、厭氧污泥、垃圾場（1）單環(huán)芳烴及其衍生物極為緩慢（如甲苯、苯在培養(yǎng)基條件下34d和64d后消失）詳細的降解機理尚不清楚，通過中間產(chǎn)物及放射性原子標記物（如H218O、14C）轉(zhuǎn)化途徑判斷2.2厭氧混合菌培養(yǎng)條件下還原水解開環(huán)芳香環(huán)脂環(huán)族脂肪酸礦化水供氧氧化酚限速步驟？關(guān)鍵酶？微生物組成及生態(tài)關(guān)系？（2）多環(huán)芳烴及其衍生物試驗數(shù)據(jù)報道萘(C10H8，二環(huán))(7mg/l)、苊(C12H10，三環(huán))(0.4mg/l)(染料中間體)分別在45d、40d后檢測不出。含N、P、S的雜環(huán)芳烴（如喹啉C9H7N）在混合菌培養(yǎng)時也可轉(zhuǎn)化，時間20～144d不等，具體機理不清每年全世界產(chǎn)量估計8×105t，應(yīng)用于各類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如化工合成中間體、潤滑劑、絕緣劑、傳熱介質(zhì)、增塑劑、農(nóng)藥等鹵代烴——鹵代芳烴（如氯代苯甲酸、氯酚類、氯苯類）和鹵代脂肪烴第三節(jié)鹵代有機化合物的微生物降解參學(xué)鹵原子的引入使生物降解性大大降低如因何在呢？例如乙烯是三氯乙烯（半衰期300d）提供電子，保護C難受氧化劑(如O:)親核攻擊，同時原子半徑大，空間位阻效應(yīng)較大受進化的影響，生物通過專一性較差的酶對鹵代有機物極性轉(zhuǎn)化。四氯乙烯不能氧化鹵代芳香化合物的生物降解是指其芳香環(huán)開裂形成中間代謝物及其有機鹵素的礦化。生物降解的唯一重要限速步驟是鹵素取代基從有機化合物中的脫除。根據(jù)報道它主要通過以下兩種途徑發(fā)生：3.1好氧混合菌培養(yǎng)條件下①先脫鹵再開環(huán)：在降解的初期通過還原、水解或氧化分解去除機理消除鹵素；

H2OCl-開環(huán)3-氯苯甲酸3-羥基苯甲酸3,5-二羥基苯甲酸限速步驟酶?如何發(fā)生?②先開環(huán)再脫鹵；生成非芳香結(jié)構(gòu)產(chǎn)物后通過自發(fā)水解脫鹵或β-氧化消去鹵化氫。

O2

加氧酶RClTCA,三羧酸循環(huán)O2

加氧酶鄰位間位O2

加氧酶3-氯鄰苯二酚酰基鹵化物不可逆抑制R=H,OH,NH2,COOH大多數(shù)鹵代物致死代謝物限速步驟?

（2）鹵代脂肪烴鹵代脂肪烴的氧化模式主要有以下兩種：利用烷烴的細菌通過加氧酶將分子氧引入到有機分子中。一些能以鹵代脂肪烴為唯一碳源和能源的微生物以這類化合物為初始底物代謝。通常認為作為脫油脂洗滌劑的氯代溶劑(如三氯甲烷)不能用傳統(tǒng)生物處理方法處理,但一些能利用烷烴的土壤細菌可以降解氯乙烯、氯乙烷。O2

加氧酶環(huán)氧化物乙醛酸、二氯乙酸，甲酸氯取代基越多代謝速度越慢，代謝機理為共代謝（普通烷烴）專一性降解微生物如假單胞菌、生絲微菌可將氯代烷作為初始底物，進行氧化、還原、水解完全代謝氯代烷烴的微生物降解3.2厭氧混合菌培養(yǎng)條件下通過厭氧污泥系統(tǒng)以及自然湖泊底泥分析發(fā)現(xiàn)不能被好氧微生物降解的四氯乙烯、六氯環(huán)己烷（六六六）、五氯聯(lián)苯（DDT)、六氯聯(lián)苯及更高氯代聯(lián)苯均可由厭氧微生物脫氯降解。已明確的規(guī)律待研究規(guī)律①逐個還原脫氯具體催化酶及步驟？限速步驟②補充葡萄糖、酵母膏、蛋白胨等可顯著提高脫氯速率混合菌群生態(tài)協(xié)同機理——共代謝？營養(yǎng)因子補充？多初級底物？③低氧化還原電位對提高反應(yīng)速率有利明確了可行性！如五氯酚用于制造防腐劑、殺蟲劑、除草劑、殺菌消毒劑等，性質(zhì)穩(wěn)定，劇毒，優(yōu)先控制污染物，對厭氧活性污泥半抑制濃度6mg/lCH4

＋CO2五氯酚（PCP)厭氧混合培養(yǎng)條件下脫氯與降解的假設(shè)途徑第四節(jié)其他危險化合物的微生物降解典型基團降解機理典型中間產(chǎn)物偶氮染料(致突變）厭氧還原+好氧氧化(苯胺)亞硝胺(致癌）僅知幾周內(nèi)緩慢降解無資料化學(xué)農(nóng)藥有機氮RC(=NH)NH2脒共代謝？苯胺有機磷脂酶水解

(二甲基磷酸)有機氯略研究內(nèi)容缺乏農(nóng)藥降解1.農(nóng)藥分子結(jié)構(gòu)與微生物降解的關(guān)系現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展建立在大量化學(xué)合成農(nóng)藥廣泛使用的基礎(chǔ)之上。各種化學(xué)農(nóng)藥的共同特性是：有毒性；比較穩(wěn)定，不易分解，與足夠長的有效期；不易溶于水，具有脂溶性。進入環(huán)境中的農(nóng)藥有些是可以生物降解的，如有機磷農(nóng)藥。有些則是難以生物降解的，如有機氯農(nóng)藥。環(huán)境因子，如土壤的pH、溫度、含水量、有機質(zhì)含量、粘度及氣候等均影響農(nóng)藥的降解。1.農(nóng)藥分子結(jié)構(gòu)與微生物降解的關(guān)系圖6-5-52,4-D、2,4,5-T苯胺靈、毒草胺的分子結(jié)構(gòu)

化合物時間/周鄰位間位對位氯苯酚甲氧酚甲基酚硝基酚苯酚32①1