微生物降解有机污染物的研究进展

微生物降解有机污染物的研究进展

田　雷　白云玲　钟建江3

(华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海200237)

摘　要　从降解菌的筛选及检测技术、新的降解菌种及其作用酶和代谢途径、污染物

对降解菌的作用以及环境因素对降解菌的影响等方面介绍了微生物降解有毒有机污染物的最新研究进展,预期该领域具有十分广阔的应用前景。关键词:微生物降解;　有毒有机污染物;　生物环境工程;　研究进展作者简介:田雷(1975～),男,硕士生。3通讯联系人。

生物技术在环境领域的应用已有多年历史,其中有较早的活性污泥法处理工业废水以及近20年来发展起来的生物修复技术。微生物可降解的污染物种类大致可分为多环芳烃(PAHs )、有机染料和颜料、表面活性剂、农药、酚类和卤代烃等。目前,应用生物降解原理治理被污染的环境所具有的潜在优势得到了广泛认可。它不仅经济、安全,而且所能处理的污染物阈值低、残留少,其应用前景看好。应用微生物来治理环境污染(比如处理有毒难降解有机污染物)的研究正受到世界各国的普遍重视,相关研究也十分活跃。至今,国内已发表了一些有关综合论述[1],还有其它针对如三氯乙烯[2]和氯代芳香化合物[3]等的生物降解、生物修复技术[4]以及嗜热微生物的应用[5]等专门综述。本文根据国外最新原始研究报道,就降解菌的筛选及检测技术、新的降解菌种及其作用酶和代谢途径、污染物和其它环境因素对降解菌的影响等方面作一介绍。

1　降解菌的筛选及检测技术

人们已开发了许多技术来分离筛选有机污染物的降解菌,如:平板技术筛选PAHs [6,7]降解菌,[14C]筛选三硝基甲苯(TNT )[8]和木质素[9,10]降解菌。近年来,环境微生物学研究

中应用的分析方法如图1所示[11]。其中,基于特定DNA 片段或核糖体RNA (rRNA )亚基如16S 或23S rRNA 的检测筛选技术由于其使用方便、精确、灵敏,已成为该领域的一门重要新技术,被应用于环境微生物过程的评价和环境风险的分析等方面。Leung 等[12]设计了用于聚合酶链反应(PCR )扩增pcpC (编码S phi ngomonas sp.U G 30菌四氯

氢醌还原脱卤酶的基因)的专性引物,经PCR 扩增定量分析接种到土壤中的该菌密

度变化,并与最大概率数法(MPN )/[14C ]五氯酚(PCP )矿化分析法进行了比较,发现用后者得到的结果将接种密度低估了70～740倍,而应用新的检测技术的结果与接种浓度有很好关联,且下限可达3CFU/g 干土。Princic 等[13]利用上述技术并结合脂肪酸分

析,在一接种了含有硝化细菌废水的反应器中研究了p H 、氧及氨浓度对系统中硝化菌菌落结构的影响。Dojka 等[14]在对美国密歇根州某受污染的蓄水层中进行的自身生物修复的研究中,利用适当的引物分别对试样中的DNA 进行PCR 扩增并克隆测序比较,提出了6个新的微生物门,他们还发现了大量与

S ynt rophus 和Methanosaeta 两属有关的序

列,由此推断该水体的甲烷产生区中碳水化合物降解的最终步骤是降解乙酸的产甲烷过程,且两属间是互养共栖关系。Hastings

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64—　第30卷第2期　

2000年6月

工　业　微　生　物Industrial Microbiology

　Vol.30No.2　

J un.2000

等[15]利用16S rRNA 探针对不同季节由一富养湖区采集的样品进行富集培养物的分析,初步得出了沉积物与水体中氨氧化菌群的季节性分布

。

图1　环境微生物相关领域及其研究分析方法

文中缩略语:GC/MS ,气相色谱/质谱;PCR ,聚合酶链

反应;RTPCR ,逆转录酶Ο聚合酶链反应

2　新的降解菌种及其作用酶和代谢途

径

几十年的研究表明,大部分的有机污染物都能被微生物不同程度地降解或转化,许多污染物在微生物中的代谢途径也不断得到了阐明。这些污染物可以被分为几类,各类中的物质间根据它们类似的降解机理,通过共同的中间物连接起来,形成一条代谢的“主干”途径。图2列出的就是以此为依据,部分污染物的被微生物降解的代谢主干图。

其中细实线代表初始污染物向中间物的有氧转化,粗实线代表中间物之间的有氧转化;细虚代表初始污染物向中间物的无氧转化,粗虚线代表中间物之间的无氧转化;圆圈

内物质表示几个降解途径(图中箭头所示)的同一产物,这些产物还会被微生物以通常代谢途径进一步利用。

分离可降解某污染物的纯种菌株并对其进行研究的一个重要意义就在于可利用它揭示污染物的降解途径与机理,这是有效地将生

物技术应用于环境的基础。这方面的基础研究工作一直十分活跃。近两年来报道的新的降解菌株有:降解1,2,3,4Ο四氯苯的P seu 2domonas chlororaphis [16]、降解2,6Ο二氯苯酚的

Ralstonia sp.RK 1[17]

,和两株新的能降解甲苯的Mycobacterium T103、T104[18]等。在代谢途径及代谢中间物的研究方面,Casellas 等[19]通过对A rthrobacter sp.F101降解芴的研究,发现了新的中间物及关键酶活性,提出了芴代谢的新途径,即通过在1、2位的双加氧反应后裂环降解。Sandermann 等[20]在试图优化一木腐霉Phanerochaete chryso sporium 矿化3,4二氯苯胺发酵条件时,意外发现了新的中间物并分析确认其为N Ο(3,4二氯苯基)Ο(Ο酮戊二酰基Ο(Ο酰胺,以此推出了该中间物的生成途径

并进一步推测它以后会转化为琥珀酰亚胺。与好氧生物处理相比,由于厌氧生物处理具有其独特的优越性,它也越来越引起人们的注意。一些能在厌氧条件下降解有机物的新菌种也不断被分离出来,例如:Schie 和Y oung [21]报道了三株能厌氧降解苯酚的A zoanus 属硝化细菌;Zhang 和Y oung [22]将一产硫菌群应用于萘、菲厌氧代谢研究,提出羧基化可能是该系统代谢的第一步。另外,一些极端环境下的污染降解菌也有报道,如Maeda 等[23]报道了三株分属Rhodococcus 、Dietzia 、A lcaligenes 属且能降解二联苯(PC Bs )的嗜碱菌;另外还有如分离获得的嗜中盐的Halomonas sp.菌,可用于含酚废盐水的处理[24]。

3　污染物对降解菌的作用

3.1　传质限制问题

许多有机物污染物,如PAHs ,由于其憎水、亲脂的特性,给利用生物降解这些物质带来了传质限制的问题,因为迄今为止人们发现,只有溶于水相的那一部分才能为胞内代谢所利用[25]。而通过共溶剂或表面活性剂的添加,可以减少或消除这方面的限制,如

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4—　第2期田　雷,等:微生物降解有机污染物的研究进展第30卷