多环芳烃在环境中污染的微生物降解的研究进展

3!微生物降解多环芳烃的机理
微生物是生态系统中最重要的分解者， 对多环芳烃具有较强的分解代谢能力和较高的代谢速 率。 刘世亮等研究表明， 微生物降解多环芳烃一般有两种方式： 一种是以多环芳烃为唯一碳源和能 源； 另一种是将多环芳烃与其他有机质进行共代谢。沈德中研究表明微生物降解难易度取决于化 学结构的复杂性和降解酶的适应程度。另外， 影响微生物降解()*+的因素还有温度、 盐度、 通 >*、 气状况、 营养盐和()*+浓度等。 进行()*+的降解 3!1筛选分离高效优势菌种， 微生物降解是自然环境中去除()*+的主要途径， 在被 ()*+ 污染的沉积 ?#./ 等的研究表明， 物中， 微生物降解 ()*+ 的能力远高于未受污染的沉积物。许多细菌、 真菌具有降解多环芳烃的能 力， 在多环芳烃高效降解菌中， 研究最充分的是白腐菌， 苯并 @567’ 曾经报道了 12 种具有降解蒽、 芘的白腐菌， 但不同种的菌对各多环芳烃及其转化产物的降解能力不同， 有些仅仅只能将多环芳
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2!2!3大气中多环芳烃的污染及分布状况：
目前，世界各国的空气普遍受到 ()*+ 化合物污染， 4 567+6. 等研究波兰高度工业化的西里西 亚地区空气亦受到严重的()*+污染， 其污染源是煤燃烧产物。 。我国空气()*+污染也主要是燃煤 型污染， 其污染程度与城市功能区类型、 季节、 交通流量及燃料种类等诸因素有关。胡冠九等研究 得出结论为：空气中的()*+总浓度具有高度相关性，空气中()*+浓度与风速具有一定的负相关 性。 成玉等研究大同和广州市城市空气中分别含有38和19种()*+， 后者()*+ 浓度达,:;9 ./ 0 %3。 周家斌等研究采集了北京城乡结合部与郊区 2--3 年 9 个季节的不同粒径大气颗粒物样品，结果表 明， 城乡结合部含量是郊区的 1!-<:;!;- 倍 ! ()*+ 总量 1< 种 ()*+ 总量为 -!,9:182!23 ./ 0 %3 ， 的季节性变化表现为冬季 = 秋季 = 春季 = 夏季， 且随颗粒物粒径减小， 含量逐渐增大， 燃煤取暖 与低温是导致冬季 ()*+污染增高的主要因素!
环芳烃的来源、 分布、 危害、 处理方法等进行了回顾和综述， 研究多环芳烃在环境中降解的最新发展。 关键词： 多环芳烃； 降解； 微生物； 降解机理；
引言 多环芳烃是一类重要的全球性污染物， 是美国环保局制定的 !"+ 种优先污染物中的一类， 它广 泛存在于人类生活的自然环境如大气、 水体、 土壤、 作物和食品中。多环芳烃 （’()*） 是指一类含有 两个或两个以上苯环， 以线状、 角状或簇状排列的稠环型化合物， 熔点和沸点较高， 具有疏水性、 蒸 气压小， 辛醇, 水分配系数高。 目前已知的多环芳烃约有"$$多种， 近年来的大量调查研究表明， 空 气、 土壤、 水体及生物体等都受到了多环芳烃的污染。生物毒性实验表明多种’()*具有致畸、 致癌 和致突变性， 因此受到人们的高度重视。-./.0等指出， 多环芳烃水溶性较低， 挥发性中等偏低， 在 环境中的半衰期变化很大， 在水环境中的半衰期为! 周 ," 个月； 在土壤中的半衰期为 " 个月 ,," 年， 在水底沉积物中的半衰期为1个月,&年。 由于人类对石化产品的不断开发利用， 环境中多环芳烃污 染物浓度在逐年增加， 己经威胁到人类的身体健康， 在自然界自净能力的基础上， 人类应该通过各 种渠道促进自然界快速转化降解积累在环境中的’()*。因此多环芳烃的治理研究已引起国内外 有关专家的高度重视， 是目前污染防治研究的热点与难点。 分布、 危害 !2多环芳烃的来源、
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资源环境与发展
多环芳烃含量增加而减小的趋势 !
!""# 年第 $ 期
"#$%#&’ 等对贻贝的研究表明；体内 ()*+ 残留量与沉积物
当沉积物 ()*+ 含量在 ,-- ./ 0 / 以上时， 富集系数均小于 1 ， 沉积物中 ()*+ ()*+ 含量呈正相关； 含量在1-- ./ 0 /以下时， 富集系数均大于1!
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烃转化为中间产物， 而有些则能将多环芳烃矿化。 !"#$%% 等研究了不同真菌对&’(% 的氧化能力， 发现外生菌根真菌能够利用四环的荧蒽和芘。 利用共代谢技术进行多环芳烃的 )* +寻找对微生物代谢难降解物有促进作用的共代谢物质， 降解。 在有其他碳源和能源存在的条件下， 微生物酶活性增强， 提高降解 ,-.%-. 提出共代谢的概念， 非生长基质的效率， 称为共代谢作用。 现在一般把微生物的共代谢定义为： 只有在初级能源物质存 在时才能进行的有机化合物的生物降解过程，并把提供碳源和能源的物质称为共代谢底物。 在厌氧反应器中添加初级基质来处理含氯酚的废水。巩宗强等报道， &/0#11#等利用共代谢原理， 向土壤中加入多环芳烃的代谢中间产物水杨酸等有机物， 能提高微生物酶的活性， 促进芘共代谢 降解过程的进行， 此外， 营养物质的加入对提高共代谢率也是很重要的。共代谢作为一种代谢机 制， 不仅有助于我们更加准确地认识环境中存在共代谢情况下物质的生物降解， 而且为我们寻求 难降解有机污染物的生物降解技术提供了新的思路。 （!23） ， 进行多环芳烃降解 )* )组建遗传基因工程菌 基因工程菌以其高效、 易于控制、 低抑制性而受到青睐。 基因工程菌构建， 可以通过质粒转移、 质粒突变和降解基因克隆等)种途径实现。 近 +4 年来， 该领域的研究有了许多进展， 可用于污染环 存活能力及其稳定性， 将编码荧光酶 境的治理修复。35%0"#等考察了基因重组菌的原油降解效果、 的6/7基因的质粒导入重组菌， 尤其关注质粒丢失的情况。试验证明6/78&9: 扩增插入序列是稳 定的。在8;4<甘油中保存一年后插入仍具有稳定性。李少婷等研究提出； 今后应该在筛选高效降 解菌及基因工程菌， 探明高效降解菌株的代谢动力学和代谢机理， 创建新的技术手段和多种技术 的联合使用， 将现有的技术成果转化为实用技术。 创造适合于微生物生长， 同时又有利于谁降解有机物的生物代谢环境。 )* =投加外源菌； 投加外源降解菌强化生物降解作用， 提高生物修复效率 * 施汉昌等通过补充碳源大大提高了 啤酒废水污泥对氯酚的降解作用。邓欢欢等研究投加外源降解菌可以促进生物降解， 达到生物强 化的目的。 赵飞等研究表明降解菌对堆肥中多环芳烃具有降解作用。 实验结果表明， 降解菌的加入 能明显地提高多环芳烃的降解率。
资源环境与发展
!""# 年第 $ 期
多环芳烃在环境中污染的 微生物降解的研究进展
于萍萍!， 张进忠" 林存刚!
（!、 西南大学资源与环境学院， 重庆市农业资源与环境重点实验室， 重庆#$$%!&） "、
摘 要： 多环芳烃 （’()*） 是一类普遍存在于环境中的难降解危险性 “三致” 有机污染物。本文就多
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!"#环境中多环芳烃的迁移变化
多环芳烃在环境中大多数是以吸附态和乳化态形式存在， 一旦进入环境， 便受到各种自然界 固有过程的影响， 发生变迁。它们不断通过复杂的物理迁移、 化学及生物转化反应， 在大气、 水体、 土壤、 生物体等系统中不断变化改变它们的分布状况。 处在不同状态、 不同系统中的多环芳烃则表 现出不同的变化行为。多环芳烃进入大气后， 可通过化学反应， 扩散与稀释， 降尘、 降雨、 降雪等过 程进入土壤及水体中， 使其浓度减少。
!"!"!水体生态系统中多环芳烃的污染状况：
多环芳烃可以通过大气直接沉降， 雨水冲刷以及生物合成等途径进入水体生态系统。杨毅等 人研究大气干湿沉降输入使水体表层 $%&( 量比水体下层中高得多，而接近水底 $%&( 的量比 表层水中高得多， 这主要是因为沉积物颗粒的再悬浮作用。K1AC0L43 等研究土壤及地面上的多环 芳烃可以通过雨水冲刷进入水体。K8@30HH等研究水底沉积物中生物合成也可以产生多环芳烃。曹 学丽等调查表明， ； 江河湖海，特别是各国近海及海湾区域沉积物富集了大量的多环芳烃。 麦碧娴 等对珠江三角洲和珠江口沉积物中的$%&( 进行了分布和特征研究，指出该流域已处于高风险生 态区。 水生生态系统中水生生物中的底栖动物体内多环芳烃含量随沉积物含量增加而增加， 但富集 系数却随沉积物多环芳烃含量增加而减小， 这表明底栖动物对$%&(的排泄作用高于吸收作用 " 蔡 立哲等研究九龙江口红树林区的 . 种底栖动物， 测定了它们体内 #. 种多环芳烃的含量 " 弹涂鱼和黑 口滨螺体内多环芳烃含量有随沉积物多环芳烃含量增加而增加的趋势， 但富集系数却有随沉积物
2!3多环芳烃的毒性及危害
现己公认多环芳烃是对包括人类在内的动物界危害很大的一类污染物。 多环芳烃是有毒难降 解的有机污染物， 特点是毒性大， 成份复杂， 化学耗氧量高， 一般微生物对其几乎没有降解效果， 如 果这些物质不加治理地向环境排放， 多环芳烃在其生成、 迁移、 转化和降解过程中， 通过三种途径 侵入人体、 动物体， 即直接吸入被污染的气体； 食用烟熏食物及饮用被污染水； 皮肤直接与烟灰、 焦 油及各种石油产品等接触! 呼吸道、 皮肤、 消化道进入人体， 极大地威胁着人类的健康， 有很强的致 畸、 致癌、 致突变作用。多环芳烃对人体造成危害的主要部分是呼吸道和皮肤。人们长期处于多环 芳烃污染的环境中， 可引起急性或慢性伤害。 多环芳烃的毒性还表现在， 它们能使一些生物的生长 受到抑制， 以及光诱导毒性； 使包括人类在内的动物界体内细胞的生长繁殖速度失控， 基因突变， 畸形繁殖， 引发肿瘤或癌变。()*+ 种类繁多， 每一类在与细胞接触时， 进攻破坏的方式有所差异， 所以多环芳烃引发的癌变是多种类型的， 其中肺癌居多。 多环芳烃毒性的另一个表现是， 光诱导毒 性。()*+的光诱导毒性大小与化合物分子结构、 成链轨道与反键轨道能级差、 化学稳定性等内部 因素及辐射光波长、 辐射强度等外部因素有关。多环芳烃分子量越大， 在土壤中的半衰期越长， 影 响土壤中()*+的降解速度的因素还有()*+的浓度、 土壤结构、 土壤是否种植作物等。环境中的多 环芳烃主要来源于人为生产生活活动过程， 每年因人类生产生活活动向地球上各种环境系统中释 放的()*+有成干上万吨， 远远超过了环境的自净能力。如果再不采取措施防治， 其后果是严重的。
!"!环境中多环芳烃的存在状态 !"!"#土壤中的多环芳烃的污染状况：
由于$%&是一类半挥发性的有机物， 随着分子量的增加， 其挥发性逐渐降低， 其存在形态逐渐 由气态转为颗粒态" 低分子量的 $%& 易被挥发、 光解至大气环境中， 而高分子量的 $%& 则更倾向分 布于土壤颗粒上。 土壤中的多环芳烃主要来源于大气中的直接沉降和降水降雪。 一般来说， 土壤中 的多环芳烃浓度按照无人的郊区’ 农村地区 ’ 城市地区 ’’’ 工业化地区的顺序逐渐增加，并且浓 度差别很大。刘瑞民等研究在不同的空间尺度上， 不同的$%&( 之间表现出不同的空间相关性， 具 有空间尺度相关性。葛成军等对大型矿业企业周边农业土壤中多环芳烃残留量进行了调查。结果 表明， 研究区农业土壤达重污染水平的占 )*+ ， 中度污染的占 #,+ ， 轻污染的占 !-+ ， 另有 #)+ 的采 样点污染程度处于警戒限， 仅有.+的采样点尚处于安全级。/—00等报导了中国, 省未开垦森林表 层土壤中$%&(含量。 沥青路面交通干线两侧土壤多受到$%&(污染。 /—123145报导647589 各交通 干线及钢铁厂周围土壤中含有 $%&(， 其含量高达 :;; /< = 5< （干燥土壤） 。 > ?@421A0 对爱沙尼亚 的几个城区、 城郊、 远郊等土壤中多环芳烃污染状况进行调查研究时， 工业区土壤中 $%&( 的浓度 是相当高的"城区土壤中$%&(的浓度也比较高， 随着距离城区越远， 土壤中$%&(的浓度逐渐减少。 土壤是环境中 $%&( 的储库和中转站， 土壤沉积物中颗粒物来源、 大小、 理化性质都影响将影 响其对 $%& 的吸附能力。 B24C D8(D E 等研究了美国 >1CF49500 港口沉积物中的 $%&( 时， 他们发 与颗粒物亲和力都与粒径大小有关。郝蓉等研究汕头经济特区的农业 现$%&(在沉积物中的分布、 土壤和蔬菜， 结果表明表层土壤的输入比率要高于移动和传输的比率 " 影响 $%& 在土壤和植物中 分布的因素除 $%& 本身的理化性质外，土壤的理化性质、植物种类和环境条件同时起重要的作 用。 G01((03H0C( 等也研究发现土壤有机质 （IJ> ）含量是影响土壤吸附 $%& 的重要因素 " 有机质 含量高的土壤会吸附或固定大量的疏水性有机物， 从而降低其生物可给性" 此外， 土壤温度和土壤 水分也将影响土壤对$%& 的吸附能力"
!2!多环芳烃的来源
主要是通过火山活动和微生物内源合成 （好氧生 !2!2! 天然源多环芳烃在自然界本来就存在， 物合成和厌氧生成） ， 比如火山爆发， 植物及细菌在好氧生长过程中能生成 ’()*， 未开采的煤、 石 油中含很多的多环芳烃。
!2!2"人为源
环境中的多环芳烃主要是由石油、 煤炭、 木材、 气体燃料、 纸张、 作物秸秆等不完全燃烧以及在 还原状态下热分解而产生的； 特别是化石燃料的燃烧是环境’()* 的主要来源 2 每年因人类生产生 活活动向地球上各种环境系统中释放的’()*有成干上万吨， 远远超过了环境的自净能力。如果再 不采取措施防治， 其后果是严重的。 行为及迁移变化 "2环境中多环芳烃的存在状态、