【正文】 第八章 微生物對(duì)污染物的降解與轉(zhuǎn)化 概述 微生物降解與轉(zhuǎn)化的巨大潛力 環(huán)境中存在的各種天然產(chǎn)物 ， 特別是有機(jī)物 ， 幾乎都能找到可以使之降解或轉(zhuǎn)化它的微生物 。 然而由于近幾十年來許多人工合成的化合物 ， 是自然界中原來所沒有的 。 因此不可能存在有作用于它們能使之分解的微生物和酶系 ， 甚至對(duì)微生物還有殺滅作用 。 由于微生物個(gè)休小 、 繁殖迅速 、 比表面大等特點(diǎn) 。 它們較之其它生物更易適應(yīng)環(huán)境 ，并可通過自然災(zāi)變產(chǎn)生新菌種 ， 產(chǎn)生新的酶系統(tǒng) ， 具有新的代謝功能 ， 從而可參與對(duì)人工新合成化合物的降解與轉(zhuǎn)化作用 。 因此微生物對(duì)降解污染物具有巨大潛力 。 例如已發(fā)現(xiàn)多種微生物對(duì)合成有機(jī)物的降解作用： 酚類已發(fā)現(xiàn)降解細(xì)菌有 30個(gè)屬 ， 66種 鹵素有機(jī)物降解細(xì)菌有 27個(gè)屬 ， 40種 合成含氮有機(jī)物降解細(xì)菌有 18個(gè)屬 ， 36種 合成表面活生劑降解細(xì)菌有 18個(gè)屬 ， 43種 石油烴類降解細(xì)菌有 100多個(gè)屬 ， 200多種 有機(jī)污染物的可生物降解性 當(dāng)前已知的環(huán)境污染物達(dá)數(shù)十萬種 ， 其中大量為有機(jī)化合物 ， 它們可接受光分解 ， 化學(xué)分解與生物分解 ， 其中生物分解為主 。 1 ． 可生物降解性 1） 可生物降解物質(zhì)：?jiǎn)翁?、 蛋白質(zhì) 、 淀粉 、 核糖等降解快的物質(zhì) 2） 難生物降解物質(zhì)：纖維素 、 農(nóng)藥 、 烴類 、 降解慢的一類物質(zhì) 3） 不可生物降解物質(zhì)：塑料 、 尼龍 、 腈綸 、 滌綸 、 聚酯 、 氟里昂 、 多環(huán) ， 雜環(huán)芳烴 、 高聚物等 2． 可生物降解性的測(cè)定 1） 基質(zhì)的可生物氧化率 —— （ 待測(cè)物 ） 基質(zhì)完全徹底氧化所應(yīng)消耗的理論需氧量與 微生物分解基質(zhì)所消耗氧量的比值 。 實(shí)驗(yàn)室中微生物的耗氧量可應(yīng)用瓦勃 (Warburg)呼吸儀測(cè)定 ， 通過測(cè)壓計(jì)測(cè)知釋放出 CO2量或消耗O2量 ， 從而測(cè)得可生物降解率 。 1） 基質(zhì)的生化呼吸曲線 —— 耗氧曲線 。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出一條耗氧量或速度隨時(shí)間變化的曲線 ， 為便于比較可同時(shí)繪制內(nèi)源呼吸線 ， 它是在不投加基質(zhì)的條件下 ， 微生物處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)時(shí)利用細(xì)胞體內(nèi)物質(zhì)作營(yíng)養(yǎng)呼吸耗氧隨時(shí)間變化的曲線 。 討論三種情況 100% )理 論(基 質(zhì)質(zhì) 完全 氧 化耗 氧氧 量微生物分解基 質(zhì) 生物分基 質(zhì)質(zhì)氧 化 ??A t 耗氧量 mg O2/g 污泥 基質(zhì)呼吸 B C 內(nèi)源呼吸 時(shí)間（ h ） 第一情況：基質(zhì)呼吸線在上， 說明基質(zhì)可生物降解。 第二情況：兩線幾乎重疊或平行， 說明基質(zhì)不可生物降解。 第三情況：基質(zhì)線在內(nèi)源線之下， 說明不但不能降解而且有殺滅作用。 1)微生物降解試驗(yàn) 1） 土壤消毒實(shí)驗(yàn) —— 此法適用于新開發(fā)農(nóng)藥可生物降解性的評(píng)定 。 選取有代表性土壤混勻分兩組 ， 一組經(jīng)高溫消毒或藥液處理殺滅其中微生物；另一組不消毒 ， 分別施入同量的待測(cè)農(nóng)藥置室溫時(shí)培養(yǎng) ， 定期檢測(cè)兩組土壤中農(nóng)藥消失情況 ， 最后判定農(nóng)藥可生物降解性及降解速度 。 2） 培養(yǎng)液中降解試驗(yàn) 此試驗(yàn)可在多種試驗(yàn)液中同時(shí)進(jìn)行，在三角燒瓶中配制各種待測(cè)試液，可補(bǔ)加適當(dāng)?shù)?N、 P、 S生長(zhǎng)素和其它營(yíng)養(yǎng)物，調(diào)節(jié) pH，在試驗(yàn)液中接種微生物進(jìn)行恒溫培養(yǎng)，通過測(cè)定色度、濁度、 COD、BOD或其它指標(biāo)全面評(píng)價(jià)試驗(yàn)可生化性。 1． 其它方法與指標(biāo) 1） 由于生物對(duì)有機(jī)物的呼吸作用的本質(zhì)是脫氫 ， 所以可利用脫氫酶活性作為微生物分解污染物的指標(biāo) 。 若培養(yǎng)液中微生物脫氫酶活性增加 ， 則說明對(duì)試驗(yàn)物有降解性 。 采用比色法測(cè)酶活性 。 2） 生物體內(nèi)的 ATP（ 三磷酸腺苷 ） 含量與生物數(shù)量及活性呈正相關(guān) 。 通過測(cè) ATP量作微生物分解利用污染物的指標(biāo) 。 3） 同位素檢測(cè)：有機(jī)物徹底分解結(jié)果放出 CO2， 可利用放射性 14C標(biāo)記待測(cè)污染物中釋放的 14CO2計(jì)算其回收率 ， 從而評(píng)定該污染物生物降解性 。 微生物對(duì)石油污染物的降解 石油是一種含有多種烴 （ 正烷烴 、 支鏈烷烴 、 芳烴 、 脂肪烴 ） 及其它有機(jī)物 （ 硫化物 、 氮化物 、環(huán)烷酸 ） 的復(fù)雜混合物 。 微生物對(duì)石油的降解能力 C10～ C18范圍的化合物易分解 。 烴最易分解 ， 烷烴次之 ， 芳烴難 ， 多環(huán)芳烴最難 ， 脂肪烴基本不分解 ， 苯極難降解 。 1個(gè)細(xì)菌細(xì)胞平均氧化油量為 5 1012 mg/h 微生物降解油率： 35～ 350 g/m3年 原油接觸天然水 ， 大部直鏈烴７天內(nèi)消失 ， 鏈烴需數(shù)月 ， 芳烴則不待降解已沉入底泥中 。 降解石油的微生物 能降解石油的微生物有 100屬 ， 200多種 ， 包括：細(xì)菌 、 放線菌 、 霉菌 、 酵母 、 藻 類及藍(lán)細(xì)菌 。 生物降解石油污染物的工藝方法 ： A/O法 、 A2/O、 AB、 A1O1A2O SBR等 。 微生物對(duì)農(nóng)藥的降解 我國(guó)每年使用農(nóng)藥 50～ 100萬噸 ， 利用率只有 10%， 大量農(nóng)藥殘留土壤中 ，有的被土壤吸附 ， 有的擴(kuò)散入大氣 ， 有的轉(zhuǎn)移到水體河流 、 湖泊 、 海洋 ，引起全球性污染 。 能降解農(nóng)藥的微生物種屬也很多 。 微生物降解農(nóng)藥的途徑 1酶促作用 1） 酶促作用 —— 需先經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生特殊酶而后才能使農(nóng)藥降解 ， 有的可直接利用農(nóng)藥作能源和碳源 。 2） 共代謝作用 —— 對(duì)于難降解頑固復(fù)雜的農(nóng)藥 ， 通過先培養(yǎng)容易降解其中一種農(nóng)藥 ， 促使對(duì)其它農(nóng)藥的降解作用 。 3) 去毒代謝 —— 微生物不直接利用農(nóng)藥作營(yíng)養(yǎng) ， 而是攝取其它有機(jī)物作營(yíng)養(yǎng)和能源 ， 在其中發(fā)展了為保護(hù)自身的生存解毒作用 。 2非酶促作用 —— 微生物代謝中使 pH降低引起農(nóng)藥溶解 ， 或產(chǎn)生某些化學(xué)物質(zhì)促進(jìn)農(nóng)藥轉(zhuǎn)化 。 3 微生物代謝引起農(nóng)藥參與系列生化反應(yīng)：脫鹵作用、脫烴作用、酰胺及脂的水解、氧化還原作用、環(huán)裂解、縮合或共軛效應(yīng)等使農(nóng)藥逐漸降解。例對(duì)硫磷的降解： 微生物代謝將對(duì)硫水解變成較小分子 ， 然后進(jìn)一步分解生成 RCOOH、 H2O、 HNO3， 仍可再進(jìn)一步分解轉(zhuǎn)化為 CO H2S、 N2等 。 微生物對(duì)合成洗滌劑的降解 合成洗滌劑基本成份是合成表面活性劑 ， 有陰離子型 、 陽離子型 、 非離子型 、 兩性電解質(zhì)四大類 。 陰離子型表活劑包括：脂肪酸衍生物 、 烷基磺酸鹽 、 烷基硫酸酯 、 烷基苯磺酸鹽 、 烷基磷酸酯 、 烷基苯磷酸鹽等；陽離子型主要含氨基或季銨鹽的脂肪鏈縮合物 ， 烷基苯與銨基的聚合物；非離子型是一類多羥基化合物與烴鏈的聚合物 ， 脂肪烴與聚乙烯酚的縮合物；兩性電解質(zhì)為脂肪酸與羧酸 、 磺酸的縮合物 。 合成洗滌劑除基本成分為表面活性劑外 ， 尚含有多種輔助劑 。 如三聚磷酸鈉 、 硫酸鈉 、 碳酸鈉 、 羥基甲基纖維素 、 熒光增白劑 、 香料等 。 全世界合成表面活性劑年產(chǎn)量 2022萬噸以上 ， 雖對(duì)水體污染造成影響 ， 但在水體中的含量未呈明顯增加 。 說明這些表面活性劑能較快被微生物降解 。 陰離子表活劑中的高級(jí)脂肪酸鹽類最易被微生物分解，代謝第一步都發(fā)生在烷基鏈末端的甲基上，使甲基氧化成為相應(yīng)的醇、醛、羧酸，然后進(jìn)一步氧化成 CO H2O。 苯 甲酸 、 苯乙酸可進(jìn)一步由單氧酶代謝為鄰苯二酚 ， 然后二氧酶作用使苯環(huán)破裂 。 苯環(huán)與末端甲基距離愈遠(yuǎn) ， 其烷基之分解愈快 。 C 2 H 5 O C 2 H 5 O 對(duì)硫磷 水解酶 C 2 H 5 O C 2 H 5 O S S P O N O 2 P O H ＋ H O N O 2 早期洗滌劑為帶支鏈硬型烷基苯磺酸鈉 ABS很難被細(xì)菌分解，后來經(jīng)工藝改進(jìn)，生產(chǎn)不帶支鏈軟型烷基苯磺酸鈉 —— LAS，則其被細(xì)菌降解速率提高到 90%以上，大大減少了洗滌劑對(duì)環(huán)境的污染早期 合成表面活性劑的分解并不很難 ， 但洗滌劑中含有磷酸鹽輔劑 。 尤其聚磷酸鹽微生物分解就很困難 。 磷的化合物造成水體富營(yíng)養(yǎng)化 ， 是水體污染的大問題 。 城市污水中的 磷 30%～ 75%， 是由于各種洗滌劑 、 洗凈劑 、 清潔劑所造成 ， 因此限制含磷洗滌劑或研制不含磷洗滌劑是新科技 。 微生物對(duì)塑料的降解作用 塑料已在工 、 農(nóng)業(yè) 、 生活用品基本代替金屬 、 木材 ， 幾乎每一個(gè)領(lǐng)域 。 但因塑料的穩(wěn)定性及其難生物降解性又使環(huán)境污染的難題 ， 尤其白色污染已成社會(huì)公害 。 但塑料組分中的增塑劑是一些聚合物卻能被微生物降解 （ 如鄰苯二甲酸二辛酯 、 鄰苯二甲酸異辛酯 ） 如聚氯乙烯塑料組分中含 50%增塑劑 —— 癸二酸酯 ， 這種增塑劑在土壤中放 14天約 40%被細(xì)菌降解 。 塑料母體 —— 樹脂高聚物因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是很難被細(xì)菌降解 ， 但當(dāng)塑料母體先經(jīng)受不同程度的光降解作用后則較易為微生物降解 ， 經(jīng)光降解后的塑料呈粉末狀 ， 當(dāng)分子量降到 5000以下 ， 便易為微生物所利用 。 經(jīng)光降解后的聚乙烯 、 聚丙烯 、 聚苯乙烯及聚乙烯塑料 ， 在土壤微生物作用下約一年后即完全礦化 。 采用新科技研制能被生物降解的塑料正在加緊進(jìn)行。 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 末端甲基 C