有机物的微生物降解原理

有机物的生物化学降解

有机物在微生物的催化作用下发生降解的反应称有机物的生化降解反应。水体中的生物，特别是微生物能使许多物质进行生化反应，绝大多数有机物因此而降解成为更简单的化合物。如石油中烷烃，一般经过醇、醛、酮、脂肪酸等生化氧化阶段，最后降解为二氧化碳和水。其中甲烷降解的主要途径为：

CH4→ CH3OH → HCHO → HCOOH → CO2 + H2O

较高级烷烃降解的主要途径有三种，通过单端氧化，或双端氧化，或次末端氧化变成脂肪酸；脂肪酸再经过其他有关生化反应，最后分解为二氧化碳和水。能引起烷烃降解的微生物有解油极毛杆菌(pseudomonas oleovorans)、脉状菌状杆菌(mycobacterium phlei)、奇异菌状杆菌(mycobacterium rhodochrous)。解皂菌状杆菌(mycobacterium smegmatis)、不透明诺卡氏菌(nocardia opaca)、红色诺卡氏菌(ncadia rubra)等。

有机物生化降解的基本反应可分为两大类，即水解反应和氧化反应。对于有机农药等，在降解过程中除了上述两种基本反应外，还可以发生脱氯、脱烷基等反应。

● 生化水解反应

生化水解反应是指有机物在水解酶的作用下与水发生的反应。例如，多糖在水解酶的作用下逐渐水解成二糖、单糖、丙酮酸。在有氧条件下，丙酮酸能被乙酰辅酶A进一步氧化为CO2和H2O；在无氧条件下，丙酮酸往往不能氧化到底，只氧化成各种酸、醇、酮等，这一过程称为发酵。

烯烃的水解反应可表示如下：

蛋白质在水中的降解分两步进行；第一步蛋白质先在肽键上断裂、脱羧、脱氨并逐步氧化，有机氮转化为无机氮；第二步是氮的亚硝化、硝化等使无机氮逐渐转化。可示意如下：

其中氨基酸的水解脱氨反应如下：

许多酰胺类农药和无机酸酯农药如对硫磷、马拉硫磷等，在微生物的作用下，其分子中的酰胺和酯键也容易发生水解。

● 生化氧化反应

在微生物作用下，发生有机物的氧化反应称为生化氧化反应。有机物在水环境中的生物氧化降解，一部分是被生物同化，给生物提供碳源和能量，转化成生物代谢物质；另一部分则被生物活动所产生的酶催化分解。自然水体中能分解有机物的微生物菌种很多。对特定的有机物有特定的优势菌种，这类微生物可分为两组，一组是能在缺氧条件下分解有机物的，称为厌氧微生物；另一组是能在氧气存在下分解有机物的，称为好氧微生物。受有机物严重污染的水体往往缺氧，在这种情况下有机物的分解主要靠厌氧微生物进行。有机物生物降解过程研究得较多，许多研究成果已用于废水处理技术的开发。有机物的生化氧化大多数是脱氢氧化。脱氢氧化时可从-CHOH-或-CH2-CH2- 基团上脱氢：

脱去的氢转给受氢体，若氧分子作为受氢体，则该脱氢氧化称有氧氧化过程；若以化合氧(如CO2、SO2-、NO3-等)作为受氢体，即为无氧氧化过程。在微生物作用下脱氢氧化时，从有机物分子上脱落下来的氢原子往往不是直接把氢交给受氢体，而是首先将氢原子传递给氢载体NAD：

有机物+NAD →有机氧化物+NADH2

然后在有氧氧化时，氢原子经过一系列载氢体的传递，最后与受氢体氧分子结合形成水分子。无氧氧化的大多数情况是，NADH2直接把氢传递给含氧的有机物或其他受氢体。如在甲烷细菌作用下，CO2作为受氢体接受氢原子形成甲烷。

CO2 + 4NADH2→CH4 + 2H2O + 4NAD

硫酸盐还原菌对有机物实行无氧氧化时，可以把SO42-作为受氢体，接受氢原子最终形成硫化氢： SO42-+10 H→H2S+4H2O

水体中各类有机物氧化时按照一定的程序演变，形成某种固定的格式。下面以饱和烃、苯、有机酸的氧化为例，作一简单的介绍。

饱和烃的氧化按醇、醛、酸的程序进行：

苯环的分裂，芳香族化合物的氧化按酚、二酚、醌、环分裂的程序进行：

有机酸的β-氧化：有机酸在含有巯基(-SH)的辅酶A(以HSCoA表示)作用下发生β-氧化：

RCOSCoA可进一步发生β-氧化使碳链不断缩短。若有机酸的碳原子总数为偶数，则最终产物为醋酸，若碳原子总数为奇数，则最终脱去醋酸后，同时生成甲酰辅酶A(HCOSCoA)。甲酰辅酶A立即水解成甲酸，并进一步脱氢氧化生成二氧化碳：

HCOSCoA + H2O == HCOOH + HSCoA

HCOOH CO2

酶催化剂HSCoA继续起催化作用。同样，反应中生成的乙酰辅酶A也可水解生成醋酸，最后氧化为二氧化碳和水。

● 脱氯反应

脱氯反应是指有机氯农药脱去氯原子的反应。六六六、DDT、2，4-D、多氯联苯等在微生物的作用下均能发生脱氯反应。

● 脱烷基反应

脱烷基反应指有机物分子中脱去烷基的反应。例如，氟乐灵等农药在微生物作用下均能发生脱烷基反应。二烷基胺三氮苯在微生物作用下脱去烷基的过程如下：

连接在氮、氧或硫原了上的烷基，在微生物作用下能发生脱烷基反应，连在碳原子上的烷基一般容易被降解。

● 生化还原反应

生化还原反应是在厌氧条件下，由于微生物的作用发生脱氧加氢的反应。如氟乐灵在厌氧条件下可发生生化还原反应。有机物的生化降解对水体自净是最为重要的。而不同有机物的生化降解情况也有较大的差别。总的来说，直链烃易被生物降解，有支链的烃降解较难，芳香烃降解更难，环烷烃降解最为困难。

不利于微生物对有机物生化降解的因素有以下几个方面：(a)有机物沉积在一微小环境中，接触不到微生物。(b)微生物缺乏生长的基本条件(碳源及其必需营养物)，不能存在。(c)微生物受到环境毒害(不合适的pH值等因素)，不能生长。(d)在生化反应中起催化作用的酶被抑制或失去活性。(e)分子本身具有阻碍酶作用的化学结构，致使有机物难以被生化降解，甚至几乎不能进行生化反应。目前，关于金属离子对生物降解过程的影响已经引起人们的重视。(f)有机物的生化降解不仅与其特征有关，而且还受最低浓度的限制，即可能存在一个"极限浓度"。

综上所述，水体中有机物的降解过程主要有化学降解、生物降解和光化学降解，其中生物降解最为重要。在某些情况下，这三个降解过程之间也存在互相依赖关系。一部分有机物只有先经过生物氧化分解，才能进行化学氧化分解，反之亦然。

有机物降解，若通过氧化路线，最终降解为二氧化碳、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐等；若通过还原路线，最终降解为甲烷、硫化氢、氨、磷化氢等；但在变成最终产物之前，还会出现一系列中间产物或生物代谢产物。有机物降解的难易取决于其组成和结构；降解程度则取决于水体条件和降解路线。地下水体中基本上没有微生物活动，也不能发生光化学降解，一旦受到有机物污染，将难以净化。自然水体中有机物的化学降解过程一般较为缓慢，除依赖于水中溶解氧水平外，还受到悬浮颗粒物或胶体物质表面上的吸附/解吸过程等因素的影响。难降解有机物在水环境中基本上不发生降解，它从水相中消除的途径主要是吸附在悬浮颗粒物表面，然后随之一起沉降到底泥中，或者被浮游生物摄取、吸收，再沿食物链(网)富集传递或者随浮游生物(如藻类)尸体一起沉积到底泥中。

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