多环芳烃的微生物降解

多环芳烃的微生物降解
魏花朵
河南大学环境与规划学院
摘要:环境污染已成为当今世界所面临的一个重要问题。

应用生物降解能力使有害废物无害化或低毒害化,是当今环境治理的主要研究方向。

微生物作为生物界的主要降解类群,在水体污染、固体废弃物污染、重金属污染、化合物污染、石油及大气污染等治理过程中,均取得显著效果。

纯培养微生物的单一菌株及混合菌株的多环芳烃降解的研究已有很多年了。

为了更好地应用生物修复技术治理被多环芳烃污染的环境, 有必要对降解微生物、降解机制、环境影响因子等因素进行进一步的研究,从而选择出最优化的方案来治理污染环境。

关键词:多环芳烃微生物生物降解
1环境污染治理的微生物学原理:
微生物是肉眼不易看见、必须在电子显微镜或光学显微镜下才能看见的单细胞或简单多细胞或无细胞结构的微小生物的总称。

自然界中存在着丰富的微生物种群,在生物圈中着重充当分解者的角色。

微生物对物质的降解与转化,保证了自然界中正常的物质循环。

微生物对污染物的降解与转化是环境污染治理的基础。

由于微生物自身特点和代谢活动表现出在环境中的化学作用,决定了它对污染物具有强大的降解与转化能力。

1.1 微生物适合环境污染治理的特点
微生物对污染物具有强大降解与转化能力,主要是因为微生物具有以下特点:
1.1.1微生物个体微小,比表面积大,代谢速率快微生物的这个特点,使之具有惊人的代谢活性,有利于营养物的吸收和废物的排泄,有利于污染物的快速降解与转化。

1.1.2微生物种类多,分布广,代谢类型多样环境的多样性决定了微生物类型的多样性。

微生物种类多,代谢类型多样,为当今日益复杂的环境污染治理提供了更多的功能菌,对环境
中形形色色的物质的降解转化,起着至关重要的作用。

1.1.3微生物繁殖快,易变异,适应性强微生物巨大的比表面积使之对生成条件下的变化具有极强的敏感性,加之微生物繁殖快、数量多,可在短时间内产生大量变异的后代,对进入环境中的“新”污染物,微生物可通过基因突变,改变原来的代谢类型而适应、降解之。

1.1.4微生物具有多种降解酶,有巨大的降解能力和共代谢作用。

微生物能灵活的改变其代谢与调控途径,合成各种降解酶,以适应不同的环境,将环境中的污染物降解转化。

同时微生物体内含有质粒,质粒能通过基因工程实现不同物种的细胞间转移,从而构建多质粒功能菌,在环保中发挥重要作用。

此外微生物具有共代谢作用,利于难降解污染物的彻底分解。

1.2 微生物在环境污染治理中的化学作用
微生物通过它的代谢活动,降解和转化污染物,表现在环境中的化学作用主要有氧化、还原、脱氨、脱羧、水解、酯化、脱水、缩合、氨化和乙酰化作用等,通过各种微生物的化学作用,实现污染物的降解与转化,从而达到污染治理的目的。

1.3 微生物治理环境污染的优点微生物治理环境污染的优点:
一是充分体现在它是一个纯生态过程,无二次污染,从根本上体现了可持续发展的战略思想;二是微生物在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、
反应条件温和等,加之其技术开发所预示的广阔的市场前景,受到了各国政府、科技工作者和企业家的高度重视。

随着我国经济的发展,环境保护越来越受到社会各界的关注。

综合国力的增加,有机污染物的监测与研究也越来越受到重视。

多环芳烃( PolycyclicAromatic Hydrocarbons ,PAHs)是持久性有机污染物的一种, 容易在生物体内富集, 难以生物降解, 。

鉴于它在环境中的毒性、持久性、普遍性和累积性, PAHs 已被各国列为有机污染物研究的重点。

2 多环芳烃的概述:
多环芳烃( Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)是指两个以上苯环以
稠环形式相连的化合物,是目前环境中普遍存在的污染物质。

环境中的含有两个苯环以上的有机化学污染物, 随着苯环数量增加, 其脂溶性越强, 水溶性越低, 在环境中存在时间越长, 遗传毒性越高,其致癌性随着苯环数的增加而增强。

每年有数百万吨石油产品和原油从炼油厂和石化厂的废弃物中排放到世界范围的海洋环境中;由于多环芳烃的潜在毒性、致癌性及致畸诱变作用, 对人类健康和生态环境具有很大的潜在危害, 已引起各国环境科学家的极大重视。

美国环保局在80 年代初把16 种未带分支的多环芳烃确定为环境中的优先污染物, 我国也把多环芳烃列入环境污染的黑名单中。

2.1 PAHs的危害:
PAHs在环境中的存在虽然是微量的,但其不断地生成、迁移、转化和降解,并通过呼吸道、皮肤、消化道进入人体,极大地威胁着人类的健康。

2.1.1化学致癌作用:多数PAHs均具有致癌性,在目前已知的500种致癌性化合物种,有200多种为PAHs及其衍生物,强致癌性的PAHs有苯并苯并[ a ]芘、1, 12 - 二甲基苯蒽、二苯并(A, H)蒽、3 - 甲基胆蒽、四甲基菲、1, 2, 9, 10 - 四甲基蒽等。

流行病学研究表明,PAHs 通过皮肤、呼吸道、消化道等均可被人体吸
收,有诱发皮肤癌、肺癌、直肠癌、膀胱癌等作用,而长期呼吸含PAHs的空气,饮用或食用含有PAHs的水和食物,则会造成慢性中毒。

有调查表明BaP(即苯并芘)浓度每增加0. 1μg/100m3 时,肺癌死亡率上升5%。

我国云南省宣威县由于室内燃煤,空气中BaP污染严重,成为肺癌高发区,有些乡肺癌死亡率高达100 /10万以上;许多山区居民经常笼火取暖,室内终日烟雾弥漫,造成较高的鼻咽癌发生;职业中毒调查表明,在3μg/m3、2μg/m3 浓度下工作5 年和20 年的工人,前者大部分诱发肺癌,后者患多种癌症;焦炉工人的肺癌死亡率同接触BaP的浓度密切相关。

2.1.2光致毒作用:越来越多的研究表明, PAHs的真正危险在于它们暴露于太阳光中紫外光
辐射时的光致毒效应。

科学家将PAHs的光致毒效应定义为紫外光的照射对多环芳烃毒性所具有的显著的影响。

研究表明,多环芳烃对原生动物、水蚤、昆虫、水生无脊椎、水生脊椎动物、植物和哺乳动物等都有较强的光致毒作用。

有实验表明,同时暴露于PAHs和紫外照射下会加速具有损伤细胞组成能力的自由基形成,破坏细胞膜损伤DNA,从而引起人体细胞遗传信息发生突变。

2.2 多环芳烃来源:
环境中的PAHs 除极少量来源于生物体(某些藻类、植物和细菌) 内合成,森林草原自然起火,火山喷发等自然活动外,绝大部分由人为活动污染造成,主要来自于两方面:(1)煤、石油和木材及有机高分子化合物的不完全燃烧,即热解成因;(2)原油在开采、运输、生产和使用过程中的泄漏及排污,即石油类源。

2.3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。

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、降尘、降雨、降雪等过程进入土壤及水体中。

3 多环芳烃的微生物降解机理:
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。

研究表明, 微生物降解多环芳烃一般有2 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。

微生物降解PAHs的难易程度取决于其化学结构的复杂性和降解酶的适应程度。

一般来说, 随着多环芳烃苯环数和辛醇—水分配系数的增大, 其降解速率越来越低。

因此, 低分子量的PAH s (萘、菲、蒽、芴等) 在环境
中能较快地被降解,在环境中存在的时间较短, 对其降解机制的了解也较为深入; 而高分子量的PAH s 则难以降解, 在环境中较稳定, 能以其为唯一碳源和能源进行矿化的细菌的研究甚少。

3.1多环芳烃微生物降解的一般途径:
原核生物和真核生物对多环芳烃的微生物降解都需要氧气的参与, 产生氧化酶, 使苯环降解。

因此, 多环芳烃苯环的降解取决于微生物产生加氧酶的能力, 且由于酶对于多环芳烃降解的专一性, 环境中多环芳烃的多样性,多环芳烃的降解需要多种微生物参与。

微生物加氧酶有两种, 即单加氧酶和双加氧酶。

丝状真菌一般产生单加氧酶, 对多环烃降解的第一步是羟基化多环芳烃, 即把一个氧原子加到底物中形成芳烃化合物, 继而氧化为反式双氢乙醇和酚类; 细菌主要产生双加氧酶, 对多环芳烃降解的第一步是苯环的裂解,把两个氧原子加到底物中形成双氧乙烷, 进一步氧化成顺式双氢乙醇, 双氢乙醇可继续氧化为儿茶酸、原儿茶酸和龙胆酸等中间代谢物,接着苯环断开, 产生琥珀酸、延胡索酸、乙酸、丙酮酸和乙醛。

降解中的产物被微生物用来合成自身的生物量, 同时产生CO2 和H2O。

3.2多环芳烃的无氧降解:
海洋沉积环境中多环芳烃的有氧降解已有了广泛的研究。

然而大部分有机物富集的海洋沉积环境处于无氧条件, 越来越多的研究对多环芳烃在无氧条件下分解感兴趣。

研究表明, 在反硝化的条件下, 多环芳烃可以发生无氧降解, 以硝酸盐作为电子受体。

在硫酸盐还原环境, 多环芳烃的微生物降解仍然存在,以硫酸盐作为电子受体, 可以降解萘、菲、荧蒽等等。

Hayes 研究表明, 环境中微生物暴露于污染物时间的长短是多环芳烃能否发生无氧降解的关键因素。

3.3 影响多环芳烃微生物降解的因子:
由于PAHs 性质稳定,单纯靠自然微生物降解很慢,所以有必要通过研究多环芳烃微生
物降解的影响因素,从而通过工程手段加以快速除去PAHs。

影响PAHs 微生物降解的因素很多,主要包括底物PAHs 本身、微生物种群以及电子受体、温度、盐度、pH 值、土壤类型、通气状况、营养盐、所处的深度、扩散速率、微生物适应性、生物利用率、季节因素、多环芳烃的浓度、多环芳烃微生物的理化特性等。

4 结语
微生物在污染治理中具有广泛的应用前景,为提高微生物降解能力,扩大其应用范围,分离、重建高效、广谱降解微生物具有重要意义。

多环芳烃是一类广泛分布于环境中的难降解有机污染物,主要来源于人类活动和能源利用过程中燃料的不完全燃烧,主要累积在沉积物、生物体及溶解的有机质中,最终被微生物缓慢降解。

由于多环芳烃具有潜在的毒性、致癌性,对其在毒理监测、控制、治理等方面的研究尤为活跃,生物修复技术被认为是最有前途最彻底地从环境中去除多环芳烃的有效途径。

我国的环境微生物技术研究尚处于起步阶段,与国际先进水平还有很大差距,应根据我国的国情,充分利用我国的资源优势,借鉴国外先进技术和经验,重点加强环境生物技术的研究与开发,以期取得更好的环境效益和经济效益。

参考文献:
余莉萍,尹华,彭辉. 环境生物技术的应用及发展趋势. 城市环境与城市生
态,2002 ,15(2) :52 - 54.
宋稳成,杨仁斌,郭正元,等. 现代生物技术与环境保护:现状和展望云南环境
科学,2002 ,21(4) :19 - 22.
郭楚玲, 郑天凌, 洪华生. 多环芳烃的微生物降解与生物修复. 海洋环境科学.
2000. 19 (3) : 24—29
文峰,尹辉,范莉等. 岷江成都段中多环芳烃污染现状分析. 四川环境, 2005, 24 (6) : 77~79
杨敏,倪余文,苏凡,等. 辽河沉积物中多环芳烃的污染水平与特征. 环境化学, 2007, 26 (2) 217~220
王平,徐建,郭炜锋,等. 黄河兰州段水环境中多环芳烃污染初步研究. 中国环
境监测, 2007, 23 (3) : 48~51。