【doc】喷气燃料中微生物的研究

喷气燃料中微生物的研究
磁守簖:,/军用航油(冒外部分)1998?l★专题报道★
喷气燃料中微生物的研究
赵升红黄教,】王善雨刘荣亮
第九部分石油烃的微生物降解
1前言
石油的化学组成非常复杂,除了单纯的
烃以外,还存在各种各样的酚,氮,硫杂有机
化合物.在一些重硫原油中,硫杂有机物可高
达原油总量的10,这个复杂混合物的各个
成分被微生物群体降解的可能性相同.这些
结构中的大多数在适宜环境条件下能为微生
物利用并最终矿化成无机物,这是微生物学
家的一大课题.
本文的目的是阐述微生物生长的基本要
求,石油及石油产品的降解途径,微生物降解
产物对石油产品性能的影响.
2微生物生长的基本要求
微生物和环境有着密切的关系,环境因
子影响微生物的生长繁殖,微生物的生长叉
反过来影响环境,环境适宜时微生物能旺盛
的生长,改变环境,微生物的代谢也发生变
化,轻则使生长受到抑制,重则引起死亡.本
文仅阐述氧气和水分两种最基本营养要求.
21水分
微生物生存的最主要要求是有水存在,
微生物的生恬离不开水.微生物生长的最低水活度(aw)在0.60～099之间.
在干燥条件下,水活度低到0.60～0.70
时,除少数真菌外,多数微生物都不能生长. 因为干燥会使微生物的代谢活动停止,有机体基本处于休眠状态.严重时,会引起细胞脱2,2
水,蛋白质变性,进而引起死亡.
微生物的抗干燥能力不同.例如长形细
胞,细胞壁薄的细菌,对干燥敏感,遇干燥易
于死亡.而一般小型细胞,细胞壁厚的细胞, 圆形细胞和孢子较耐干燥;有些芽孢和霉菌的孢子在干燥环境中,可以存活几年甚至几十年,当遇到合适的环境时叉会恢复生长.在原油加工和石油产品中要彻底清除水是根本不可能的,因此,通过干燥使石油产品免于微生物污染在买践中是不可能的.最近研究表明,由于水是微生物矿化有机底物的产物之一
,在没有水相存在时,发生微生物污染也是
可能的,微生物能自已创造水的环境而生存繁殖.
2.2氧气
氧对微生物的生长影响很大,对好氧微
生物氧是其生长的必需营养组分,对厌氧微生物氧却具有毒化作用.
好氧菌指那种台有加氧酶或那些能利用
氧作为电子受体的微生物,大多数真菌,很多细菌和藻类都属于好氧微生物,它们在缺氧
时便不能生长,固为氧是呼吸作用的最终电子受体,在固醇类和不饱和脂肪酸的生物合成中,也需要氧参与.在石油中也存在兼性好气性微生物,这类微生物能通过氧化磷酸化作用或通过发烧作用而获得能量,无氧时,菌体中的细胞色素和其它呼吸系统组分会减少或失去,有氧时,它们叉很快恢复.
在某些油料和石油产品中,纯烃组分占
一
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★专题报道★军用航油(国外部分)1998?1 95,氧这些组分分子生化降解的必须营养
组分.因为分子氧是导致这些产品矿化的降解酶反应的共同底物.引发这些反应的酶称为加氧酶,加氧酶是无论脂肪烃还是芳香烃降解所必须的.
石油组分除含有碳和氢外,还含有氧,氮
或硫的分子,这些分子可能发生厌氧降解.引起底物厌氧降解的微生物称为厌氧微生物. 这些微生物不利用氧,氧对它们具有毒害作用,这是因为在有氧条件下,会使这类微生物产生H:O:和自由基形式的过氧化物,这些
都是有毒物质.由于厌氧微生物不能产生或只产生少量的接触酶和超氧化物歧化酶,不能够分解破坏H:O和自由基形式的过氧化物,所以氧对这类微生物具有毒害作用.酚可为厌氧微生物利用,产生发哮产物(脂肪酸, 醇)作为电子受体或利用无机物如硫酸根离
子(如硫酸盐还原菌)或硝酸根离子作电子受体.由于微生物协同作用的一致性,微生物
降解可能的途径是好氧微生物氧化纯烃为含氧化台物,随后含氧化合物成为其它好氧微生物和厌氧微生物的降解底物.
3烃的各种组分的降解途径
3.1直链烷烃和支链烷烃的微生物代
谢作用
关于正构烷烃和支链烷烃的微生物代谢
作用,已经发表了相当多的文献,很多专家和学者对这些文献进行了综述,如Mekenna, Kall[o(1965)和Thijsse(1965)分别综合和专题论述了烷烃的微生物氧化作用的生物学和生物化学.Markovetz(1971)综述了涉及烃
的次端氧化作用的文章,并对烷烃的细菌氧化作用的生物学作了概括性讨论,Klug和
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Markovetz(1971)以及Fuhs(1961)整理了大
量有关利用烃的微生物的文献,确定在能够利用这种底物的微生物界里,微生物种类很多.Ratledge(1978)就微生物对烷烃的利用
作了一次出色的调查,并把重点放在以前被忽视了的烃的代谢作用的诸方面.Auriehhm 和Reiff(1981)曾总结过烷烃的细菌代谢作
用的生物化学过程.Abbott和Gledhill (1971)及Rehm和Reiff(1981)曾广泛总结
了烷烃代谢作用的产物.Perry(1979)综述过考察烃类的微生物共氧化作用的文献.微生
物对烷烃的利用,在理论上有如下结论:
a.大量细菌,酵母和真菌具有依靠许多
简单烃类生长的能力.
b.这些微生物的代谢过程必须有氧的
参与,并包含烷烃分子的单末端,双末端和次末端氧化.
c.虽然很多已有的知识表明,在烷烃氧
化这样的生物反应中,脂肪酸确实代表一种初级氧化产物,但烷烃氧化途径在很大程度上仍是推测性的,尚缺乏足够的生物化学和酶学证据
与烷烃的代谢有关的还有如下问题尚要
解决:
a.微生物如何输送和/或以何种方式介
导水溶性底物的摄取?主要问题仍然在烷烃进入细胞的确切机制.迄今为止的研究提出了多种可能的机制,这些机制之间的关系有待进一步确定.
b+关于微生物异化烷烃的确定途径有
人提出了一种经验假设.这种由烷烃氧化成醇,醛最后形成脂肪酸的途径只有很少而且勉强的实验证据.基本上还没有见到已发表的生化证据证明烷烃氧化形成的脂肪酸存在
军用航油(国外部分)1998?1★专题报道★
p氧化,也只是一个不恰当的臆断结果.
c.由于不同的代谢途径都明显缺乏酶学
证据(关于腐臭假单胞菌代谢短链烷烃的研究可能例外),这使得烷烃的微生物氧化的生
物化学定义更加模糊了
d.对于为什么某些微生物利用短链烷烃
而另一些微生物则只能利用长链烷烃这一问题还没有得到充分解释.
e.关于微生物中决定烷烃代谢的遗传系
统的特性和调控方面的信息也相当缺乏.在腐臭假单胞菌中,烷烃的代谢由质粒编码,而在不动杆菌中,烷烃的代谢则是由染色体基因编码.所以,不同微生物之间确实存在着重要的根本差别.而我们对于腐臭假单胞菌代谢短链烷烃的遗传学知识,代表了我们关于这一领域的大部分知识.
3.2环烷烃类的微生物代谢作用
环烷烃是石油中的一个非常重要的组
分,其含量取决于石油的性质和来源.就被微生物分解的难易性而言,链烷烃最易受到微生物的攻击,随之是异构烷烃和芳烃.而环烷烃最难分解.所以在自然界中环状化台物可能倾向于积累.在波斯湾油轮航道中载运的原油,它们的环烷烃的平均重量百分比是37,沿着油轮航道从海水中收集的非挥发
性烃类馏分中环烷烃的相对百分比是57,
反映了脂环烃的选择性积聚.以前曾有人以为环烷烃类的低溶解度和潜在毒性是微生物不能利用这些底物的原因.但是,通常就一定的碳数而言,环的形成使其溶解度增加,环烷烃的溶解度比相应的正烷烃高得多.因此可以认为这种脂环烷烃不易被单独降解,但是可由混合微生物培养物环境下的共氧化和共
生系统中被降解.共氧化为微生物代谢氧化烃的非常重要的机理,即当一微生物利用一烃底物生长,可带来第二底物的非专一氧化, 而这种微生物通常情况下,不能用这种物质作为底物.第二种化台物的氧化产物可变为同一微生物或其它的第二类微生物的底物图1是这个过程的实例,微生物A和微生物B不能利用环己烷,但当微生物A在正辛烷中生长时,微生物A将共氧化环己烷为环己醇,微生物B能利用环己醇,这个简单混合
培养的终端产物是二氧化碳和水,而在这个系统中,单个微生物不能利用环己烷,在一定范围底物和大范围具有各种代谢特点微生物内扩展这个概念,形成了微生物坚实的基础. 口
0+辅
[]/佣+CO2+H20
0夕C02.
0辅一A+BCO2+H20
图l环己皖的共氧化和矿化作用
对有关脂环化台物生物降解的了解还非
常少.迄今所研究的化台物的结构一般不太复杂.在生物圈中,相当一部分脂环烃是比较复杂的.我们对它们的代谢途径了解的还很少.对这一领域还有许多问题尚需进一步研究,如:有关脂环烃生物降解的酶的诱导和调47
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控作用;烃类降解突变菌株的生态特性等. 3.3芳香烃类的微生物转化作用
在石油及其产品中.多环芳烃类是其重
要组分之一,常见的多环芳烃如苯,萘,蒽, 菲,苯并(a)芘,苯并(a)蒽,7一甲基苯并(a)
蒽等.其它多环芳烃或是以多种烷基取代的形式出现,或是作为含氮,氧或硫的杂环分子而存在现在已经知道多环芳烃经代谢活化以后会产生有毒的致癌物质因此,人们对芳香烃族在自然界中的转化非常重视,关于其转化机理及化学致癌作用机理发表了多篇化学文献.微生物在芳烃降解中的作用机理概括如下:
首先,细茁通过把分子氧的两个原子结
合到底物中,使芳烃氧化成一种具有顺式构型的二氢二酚.这种反应为加双氧酶所催化, 它是一种多成分的酶系,由黄素蛋白,铁一硫蛋白和铁氧还蛋白所组成.顺式一二氢二酚类的进一步氧化导致儿茶酚类的形成.它是引起芳环酶裂解的另一种加双氧酶的底物. 与细菌相反,真菌经过细胞色素P450催化
的加单氧酶和环氧水解酶反应,把芳烃氧化为反式一二氢二酶类
应该指出的是芳烃微生物代谢作用的研
究大多使用了纯培养物和/或纯化的酶类.对于环境条件下这些反应是否能够发生,目前缺乏足够的认识,因此我们应努力去认识天然微生物酶促氧化芳烃的代谢作用和机理.
4微生物降解烃对石油产品
最直接的影响
微生物降解烃对石油产品造成的最直
接的影响是使油水分离困难.与微生物反应一
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相关联的油料及石油产品相关的重要物理特性是其不溶于水.通常人们认为大多数的烃是不溶于水的,不利于为水相生长的微生物利用,这意味着烃一微生物的相互作用发生在油水界面,增加烃表面可增加微生物的活性,依此原理,不难理解微生物具有增大界面的作用很多细菌具有产生表面活性剂分子的作用,即它们能带来水相在油中的分散,并产生稳定的乳化.如果微生物活动很活跃,人们将面临破乳和去乳问题,既有水包油的乳化,又有油包水的乳化.值得注意的是,如果
在储存系统中含有轻微的碱性介质,则水相可发生部分酸化,这可导致整个水相微生物活性的增加并产生其它问题.
5结论
我们已概括了微生物与烃底物相互作用
的基本知识,并已看到其在油料及其产品储存过程中的重要性,这些知识的了解对微生物污染和生物量的积累问题的合理而逻辑的解决具有重要意义.
参考文献
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