第7章 典型有机物的生物降解(N)

■ 在偏位裂解过程中 双加氧酶：在双加氧酶催化下，形成的2羟基粘康酸。 脱氢酶：在脱氢酶的催化下，氧化为2-羟 基粘康酸，然后再脱羧形成2-羟基-2,4-戊 二烯酸。 水解酶：在水解酶作用下，去除甲酸直接 形成2-羟基-2,4-戊二烯酸。 水合酶：在水合酶作用下，形成4-羟基2氧戊酸。 醛缩酶：在醛缩酶作用下，形成丙酮酸和 乙醛。
表7-1 氧化脂肪烃的部分细菌和酵母
（3）烯烃降解 ■ 微生物攻击甲基端，或攻击双键。 ■ 不饱和直链烃一般没有饱和直链烃容易 降解。 ■ 中间代谢物 不饱和醇和不饱和脂肪酸，伯醇或仲醇， 甲基酮类，1，2-环氧化物，1，2-二醇。 ■ 典型的烯烃代谢途径 甲基氧化是主要的降解途径(Britton， 1984)。
图7-7 苯甲酸 厌氧降解的最 初几步 (a)苯甲酸在厌 氧条件下还原 形成对应的环 烷烃 (b)苯甲酸在莫 拉氏菌作用下 的还原作用,过 程中有水中的 氧参与氧化作 用
图7-8
甲苯的几条厌氧代谢途径
第三节 多环芳烃的降解 一、多环芳烃(PAHs) 指分子中含有两个或两个以上苯环的烃类。 ■ 按照苯环之间的连接方式分为两类 苯环间没有共用的环内碳原子(如联苯)。 苯环之间发生稠合(如萘、蒽、菲等)。 ■ 一般PAHs多指稠环芳烃，其化合物中至少 有2个环，多则3环、4环、5环，甚至6环。 ■ 许多PAHs 是具有毒性的致瘤、致突变环境 污染物。
■ 链烃比环烃容易降解，直链烷烃比支链 烷烃容易降解。 ■ 分支降低了烃类的降解速率，一个碳原 子上同时连接两个、三个或四个碳原子 会降低降解速率，甚至完全阻碍降解 (Atlas & Bartha，1998)； ■ 饱和脂肪烃比不饱和脂肪烃容易降解； ■ 水分低于50％，pH高于8.5时会抑制生物 降解作用。
二、多环芳烃的降解途径 1.萘（最简单的PAHs）的降解过程 ■ 由双加氧酶催化降解，生成顺-萘二氢二醇。 ■ 脱氢形成1,2-二羟基萘 ■ 环氧化裂解,去除侧链，形成水杨酸。 ■ 进一步转化成儿茶酚或龙胆酸后开环。 2.三环的PAHs的降解过程 ■ 双加氧酶催化产生顺-二氢二醇 ■ 脱氢形成对应的二醇 ■ 环氧化裂解，去除侧链，形成少一个环的 二醇。 ■ 进一步转化为儿茶酚或龙胆酸，彻底降解
■ 甲基营养菌 能够利用甲烷作为唯一碳源和能源供给 的细菌。 ■ 包括 甲基单胞菌属(Methylomonas) 甲基球菌属(Methylococcus)等。 ■ 甲基营养菌还可以利用甲醇、甲基胺和 甲酸盐等。 ■ 甲烷降解的过程
（2）长链脂肪烃在好氧条件下易被多种微生 物降解 ■ 土壤中含有大量的以烃类作为唯一碳源和 能源的微生物。 ■ 土壤中有高达20％的微生物群体能够降解 烃类。 ■ 有160个属的真菌可在烃类中生长。 ■ 丝状真菌比酵母降解短链烷烃更具多样性， 但仍服从长链比短链更容易降解的规律。 ■ 能够氧化烃类的微生物也广泛分布于水环 境中，包括海水。
(6) 增加PAHs的饱和程度会显著地降低降解程度； (7) 4环、5环以上的PAHs降解要依赖共代谢和类似物； (8) 微生物种群的协同作用和多样性对生物降解和生 物修复有利； (9) 初始的环氧化是限速步骤，其后步骤在3环和3环 以下进行很迅速； (10)将PAHs氧化菌接种到污染区会加速降解速率，有 利于生物修复； (11)PAHs在厌氧条件下的降解尚未广泛地进行研究， 并未在现场使用； (12)2环、3环PAHs在反硝化、硫酸盐还原、甲烷和发 酵条件下转化。
儿茶酚 对甲酚
苯酚
甲苯
邻二甲苯
混合培养物
反硝化
芳香化合物的厌氧降解过程 ■ 反硝化、硫酸盐还原、产甲烷。 ■ 铁氧化物 Fe(III) 和氧化锰 Mn(IV) 也可以 作为有效的电子受体。 ■ 厌氧降解的最初几步与好氧降解完全不同。 ■ 厌氧降解过程包括： 苯环的加氢：加氢改变了苯环的稳定结构 苯环开裂：形成脂肪烃 β -氧化：通过β-氧化进入三羧酸循环
一、苯的好氧降解 1.苯环的氧化过程 ■ 苯环上引入两个羟基，形成一种顺式二氢二 羟化合物。 ■ 通过脱氢-氧化反应形成儿茶酚。 ■ 儿茶酚裂解方式 正位裂解：在两个羟基之间裂解，形成顺， 顺-粘康酸； 偏位裂解：在羟基化碳原子与非羟基化碳原 子之间裂解，形成2-羟基粘康酸半醛。
图 7-5 苯的两种生物降解途径
三、环烷烃的降解 1.一般环烷烃的降解 ■ 环烷烃的降解和链烷烃的次末端降解途 径相似。 ■ 许多能氧化非环烷烃的微生物由于专一 性较宽，也可以水解环烷烃。 ■ 羟基化是降解的关键步骤 ■ 环己烷的代谢降解，经历环己醇、环己 酮和ε-己酸内酯后，开环形成羟基羧 酸。
图7-3
环己烷的生物降解过程
2.取代环烷烃的降解 ■ 各类取代环烷烃微生物降解的规律： ① 带羧基的容易降解； ② 而带氯原子的抗降解； ③ 带有长碳侧链的环烷烃抗微生物降解； ④ 有偶数碳原子正烷基侧链的环烷烃，其 侧链容易户氧化； ⑤ 有奇数碳原子正烷基侧链的环烷烃，其 侧链甲基容易羟化，然后被氧化为对应 的酸，再行 β-氧化。
③次末端氧化(subtermninal oxidation) ■ 微生物氧化烷烃末端的第二个碳原子， 形成仲醇； ■ 再依次氧化成酮和酯； ■ 酯被水解为伯醇和乙酸，然后进一步 分解。 ■ 现已发现甲烷假单胞菌 (Ps．methanica)的甲烷单加氧酶有这 种作用。
图7-1
链烷烃的次末端氧化反应历程
图7-9 典型的多环芳烃
1.PAHs的来源、分布与性质 ■ 广泛分布于空气、土壤、水体中。 ■ PAHs的来源 (1)有机质的不完全燃烧，汽油不完全燃烧产 生的尾气。 (2)炼油和炼焦过程：70％的PAHs 污染来自 于采油、炼油和石油运输过程。 (3)溶剂、杀虫剂、塑料、涂料、树脂和染料 生产等也会造成 PAHs 污染。 (4)PAHs 还可由二萜、三萜、甾族化合物以 及植物色素形成。
■ 自然界中的PAHs可以被化学氧化、光解 和挥发。 ■ 微生物可以降解多种PAHs。尽管已经分 离到可以利用PAHs为惟一碳源的微生物， 但是能够降解4环和4环以上PAHs的微生 物不多，这与其溶解性有关。 ■ PAHs的降解取决于其化学结构的复杂性 和降解酶的适应程度。 ■ 现在还很难总结出PAHs生物降解性的一 般规律，但是可以归纳出一些适用于大 多数情况的降解特点。
二、链烃的降解 1.链烃生物氧化的方式 链烃的最初降解作用有四种氧化方式： 单末端氧化 双末端氧化 次末端氧化 直接脱氢
① 单末端氧化 (terminal oxidation) ■ 在加氧酶的作用下，氧直接结合到碳链 末端的碳上，形成对应的伯醇； ■ 伯醇再依次进一步氧化成为对应的醛和 脂肪酸； ■ 脂肪酸再按β-氧化方式氧化分解，即形 成乙酰CoA后进人中央代谢途径。 ■ 碳链的长度由Cn变为Cn-2。反应重复进行， 直至烃类完全氧化。
养研究以精确了解代谢途径。
表7-2 芳香化合物的厌氧降解
化合物 苯甲酸 微生物 施氏假单孢菌 巨大脱硫线菌 未鉴定菌 儿茶酚脱硫杆菌 未鉴定菌 混合培养物 未鉴定菌 未鉴定菌 未鉴定菌 未鉴定菌 酚脱硫杆菌 未鉴定菌 混合培养物,未鉴定菌 混合培养物 培养条件 反硝化 硫酸盐还原 产甲烷 硫酸盐还原 产甲烷 反硝化 硫酸盐还原 产甲烷 反硝化 硫酸盐还原 硫酸盐还原 产甲烷 反硝化 产甲烷
3.邻二甲苯 ■ 只有通过共代谢方式氧化降解。 烷基取代芳烃降解菌： 几种不同的诺卡氏菌通过共代谢方式 氧化烷基取代芳烃 (Cookson，1995)。
三、苯系物的厌氧降解 ■ 近十几年来大量的研究表明厌氧菌对 苯系物降解具有重要作用。
■ 主要采用富集培养混合菌群的研究方
法，而很少采用像好氧菌那样的纯培
图7-10 萘-12 蒽的细菌生物降解过程
三、多环芳烃的好氧微生物代谢 很多土壤微生物可以好氧氧化2环和3环 化合物。利用恶臭假单胞菌和黄杆菌对不同 结构的PAHs的降解程度研究发现： ① 两种不同的微生物对不同的 PAHs 有不同 的反应。② 随着环数目的增加，降解程度 下降。③ 增加一个甲基可以明显降低降解 程度，其效果因位置而异。增加三个甲基会 严重阻碍降解作用。④ 增加 PAHs 的饱和程 度(即在双键之间加氢)会显著降低降解程度。 如菲在加两个氢以后这两种微生物的降解性 分别降低了82％和77％。
图7-2 1-烯烃生物降解的可能代谢途径
（4）支链烷烃降解 ■ 具有支链的烷烃（如季碳和ß -烷基分支化 合物）很难降解，并在生物圈中积累。 ■ 只有很少的微生物可以利用这类烷基分支 的化合物作为唯一碳源和能源。 ■ 例如 2,2 - 二甲基庚烷在不受阻碍端降解，产 生2,2-二甲基丙酸，但尚未发现有微生物 可以再降解后者。 ■ 这类化合物在环境中只能和化学方法结合 使用进行生物修复。
第七章 典型有机化合物的生物降解
第一节 脂肪烃类的降解 一、微生物对脂肪烃类降解的特点 ■ 土壤中含有足够的微生物种群进行生物 修复(Cookson，1995)； ■ 降解过程需要氧，所以污染环境生物修 复需要好氧条件； ■ 长链脂肪烃(C10-C24)比短链脂肪烃(<C10) 容易降解，小于C10的脂肪烃大部分要通 过共代谢作用降解，大于C24的脂肪烃由 于分子量太大不容易生物降解；
④直接脱氢 ■ 脂肪族烷烃在厌氧条件下可以直接脱氢 ■ 以NO3-作为受氢体，由烷烃变为烯烃； ■ 进一步转变为仲醇、醛和酸。 主要反应历程如下：
2.各类链烃的微生物降解 （1）短链烷烃比长链烷烃难降解 ■ 小于C10的短链烷烃由于有较强的溶解性， 毒性较强。 ■ 小于C10的烷烃由于挥发性强在多数污染 环境中很少发现。 ■ 短链烃类降解需要有特殊的微生物。 ■ 除甲烷可以作为唯一碳源供给特有微生 物生长外，其他烷类如乙烷、丙烷和丁 烷需要共代谢。
2.PAHs的降解特点 (1)降解的难易与PAHs的溶解度、环的数目、 取代基种类、取代基的位置、取代基的数 目以及杂环原子的性质有关； (2)不同种类的微生物对各类PAHs的降解有显 著差异； (3)通常2环、3环PAHs容易被土壤细菌和真菌 降解； (4)4环以上PAHs很难降解，及抗生物降解； (5)在苯环结构中增加了3个甲基后，严重地 降低了其生物降解性；