芳香烃类化合物的微生物降解

芳香烃类化合物的微生物降解

摘要：近年来，芳香烃类化合物正以惊人的速度被制造出来，不仅带来了严重的环境问题，还威胁到了人类的生存、发展。目前，人类正在探索如何利用微生物技术更快、更彻底的消除环境中有害的芳香烃类化合物。本文简要介绍了传统的降解菌株及其降解机理，并着重探讨了生物强化技术，以及基因工程菌在芳香烃类化合物的降解中所达到的显著成果，对未来芳香烃类化合物的微生物降解事业作出了展望。

关键词：芳香烃类化合物微生物降解生物强化基因工程菌

一、芳香烃类化合物的来源与危害

目前，全球每年大约有百万吨芳香族化合物被制造出来，这些化合物除广泛用于生产塑料聚合物、农药、染料、医药和其它日用品当中外，还广泛应用于冶金、炸药和化工产品的制造中[1]。这些物质在制造与利用的过程中，其中的有害物质不可避免的泄漏到环境中，导致土壤和水体环境质量下降，危害生态系统安全，从而造成严重的环境污染。

众所周知，芳香烃类化合物是可致癌或有潜在致癌性的物质，由于它毒性强且结构较稳定，所以很难通过降解除去。传统的处理方法包括物理法和化学法，如活性炭吸附、溶剂萃取、焚烧、深埋等[2]，这些方法不但效率低、成本高而且容易造成二次污染[3],目前为降低环境中芳香烃的含量，世界上采用的最安全有效的方法即微生物技术。

二、常见的降解菌株及其降解机理

芳香烃类化合物主要包括：苯、硝基苯、烷基苯、卤代苯、苯胺等[4]。主要降解微生物有假单胞菌属、反硝化菌属、产甲烷菌属、节细菌属、芽孢杆菌属、无色杆菌属、棒状杆菌属、黄杆菌属、土壤杆菌属、黄单胞杆菌属、微球菌属、气杆菌属、埃希氏杆菌属等，以及一部分放线菌、真菌、藻类[5]。它们的代谢途径分为好氧代谢和厌氧代谢。

1.芳香烃的好氧降解

芳香烃的好氧降解较厌氧降解更容易实现，所以目前发现和研究的大部分微生物都是好氧微生物。正常条件下培养的好氧微生物可以产出混合功能的双氧化酶或氧化酶，这些酶在分子氧的参与下．使苯环羟基化。从而引发芳环的裂解，所以能有效地降解芳香烃化合物[6]。

Claude-henri等在对微生物降解土壤中石油烃的实验中发现，大部分的芳烃组分发生了降解。微生物降解芳香烃的最初途径是多种多样的，但这些反应均具有一致的中间产物。邻苯二羟基类化合物原儿茶酚和儿茶酚就是大多数微生物代谢芳香化合物的过程中产生的中间产物[7]，同时也是环裂开前共同的先导性中间产物。

2.芳香烃的厌氧降解

厌氧降解是指在缺乏氧气的外界条件下，一些厌氧微生物、兼性厌氧微生物将有机物作为电子供体，将除氧以外的其他物质作为电子受体，微生物在降解有机物的同时获取化学能量。厌氧条件一般可分为4种：严格的产甲烷环境或发酵，以硫酸盐为最终电子受体，以硝酸盐为最终电子受体以及以Fe(Ⅲ)为最终电子受体。

2.1严格的产甲烷条件或发酵

“产甲烷条件”是指适合甲烷产生的环境或发酵条件。在产甲烷条件下，最终电子受体——二氧化碳被还原成甲烷，在外界存在电子受体或发酵的条件下，厌氧微生物可以将醇、酸、醛、酚等含氧芳香烃厌氧降解。简单含氧芳香烃的降解是以还原反应为基础的，还原反应可将芳香环转化为带有含氧取代基的脂环，大部分此类脂环均可以发生水解反应并破裂。

2.2以硝酸盐作为最终电子受体

硝酸盐呼吸菌一般是兼性厌氧菌，在氧气消耗完全时呼吸菌即可利用硝酸盐。不同的微生物种群对于硝酸盐的还原作用不同，可将其还原为氨或分子氨。在脱氨实验过程中，陈余道等发现在3个月的驯化期后，原环境中14c甲苯的含量为0.25 mg，其中有75％在8天内被全部菌群转化，生成14C二氧化碳；经过7个月的稳定期后，在相同环境下，8天内间一二甲苯中的80％被菌群转化，生成14C二氧化碳，同时硝酸盐被还原为氨气[8]。

2.3以硫酸盐作为最终电子受体

硫酸盐可以作为硫酸盐还原菌厌氧代谢过程中的的外来电子受体。这种代谢通常是在硝酸盐耗尽时发生，硫酸盐在代谢过程中被还原为硫化氢。以硫酸盐作为最终电子受体的厌氧降解在很多环境中可被发现，硫酸盐还原菌能够降解苯甲酸、羟基苯甲酸和苯己酸等很多芳香烃化和物[8]。

2.4铁(Ⅲ)作为电子受体

此外，铁(Ⅲ)也可作为厌氧微生物降解芳香烃过程中，微生物生存需要的电子受体[9]。经研究，若含水层中含有丰富的铁(Ⅲ)，其中的微生物对于芳香烃类化合物的转化则较易进行。证明了铁(Ⅲ)还原与烃降解之间的相关关系。

三、生物强化技术

虽然目前通过实验研究已发现了很多种可以降解不同种类芳香烃化合物的微生物菌株。但一方面由于外界环境不适合某些菌株的生存，降低了它们的繁殖速度，使有机物难以按预期目标快速降解；另一方面，多数菌株具有较强的专一性，而污染环境中常存在多种芳香烃化合物，单一菌种不能独立清洁含多种有机混合物的废水,因此需要通过生物强化技术来解决这一问题。

1.生物强化技术

生物强化技术(Bioaugmentation)是指通过向传统的生物处理系统中引入具有特定功能的微生物，提高有效微生物的浓度，增强对难降解有机物的降解能力，提高其降解速率，并改善原有生物处理体系对难降解有机物的去除效能。

以姚秀清等运用生物强化技术对炼油废水中含量较高的几种芳香烃及其衍生物(甲苯、对二甲苯、乙苯、邻苯二甲酸二丁酯和苯并噻唑)进行降解的研究为例[10]。他们分别选育出了可专一高效降解上述5种难降解有机物的菌种，并按一定比例制备成复合菌剂，运用生物强化技术将复合菌投入模拟废水反应池中，观测其在反应池中的降解效率，研究生物强化技术的处理效果。

2.复合菌剂的作用

在模拟废水处理反应池中复合菌剂有较明显的生物强化作用。复合茵剂的投加可以增加COD的去除效率，减短反应达到平衡状态的时间，及增强抵抗负荷的程度。此外，不同的菌剂投加量，对系统反应速度加快及应对能力增强的效用也不同，生物强化作用在投加lO％高效菌的时候需要最短的启动时间。复合菌剂的应用使系统内优势菌群的种类发生了变化，进而提高了系统污水处理的效率。但是对于提高系统中高效菌对环境的适应能力、降解活性、及增强菌群竞争能力等问题，仍然有待进一步研究。