多環(huán)芳烴的微生物降解

多環(huán)芳烴的微生物降解魏花朵河南大學環(huán)境與規(guī)劃學院摘要：環(huán)境污染己成為當今世界所面臨的一個重要問題。應用生物降解能力使有害廢物無害化或低毒害化，是當今環(huán)境治理的主要研究方向。微生物作為生物界的主要降解類群，在水體污染、固體廢棄物污染、重金屬污染、化合物污染、石油及大氣污染等治理過程中，均取得顯著效果。純培養(yǎng)微生物的單一菌株及混合菌株的多環(huán)芳烴降解的研究已有很多年了。為了更好地應用生物修復技術治理被多環(huán)芳烴污染的環(huán)境，有必要對降解微生物、降解機制、環(huán)境影響因子等因素進行進一步的研究，從而選擇出最優(yōu)化的方案來治理污染環(huán)境。關鍵詞：多環(huán)芳烴微生物生物降解1環(huán)境污染治理的微生物學原理：微生物是肉眼不易看見、必須在電子顯微鏡或光學顯微鏡下才能看見的單細胞或簡單多細胞或無細胞結構的微小生物的總稱。自然界中存在著豐富的微生物種群，在生物圈中著重充當分解者的角色。微生物對物質的降解與轉化，保證了自然界中正常的物質循環(huán)。微生物對污染物的降解與轉化是環(huán)境污染治理的基礎。由于微生物自身特點和代謝活動表現(xiàn)出在環(huán)境中的化學作用，決定了它對污染物具有強大的降解與轉化能力。1.1微生物適合環(huán)境污染治理的特點微生物對污染物具有強大降解與轉化能力，主要是因為微生物具有以下特點：1.1.1微生物個體微小，比表面積大，代謝速率快微生物的這個特點，使之具有驚人的代謝活性，有利于營養(yǎng)物的吸收和廢物的排泄，有利于污染物的快速降解與轉化。1.1.2微生物種類多，分布廣，代謝類型多樣環(huán)境的多樣性決定了微生物類型的多樣性。微生物種類多，代謝類型多樣，為當今日益復雜的環(huán)境污染治理提供了更多的功能菌，對環(huán)境中形形色色的物質的降解轉化，起著至關重要的作用。1.1.3微生物繁殖快，易變異，適應性強微生物巨大的比表面積使之對生成條件下的變化具有極強的敏感性，加之微生物繁殖快、數(shù)量多，可在短時間內產生大量變異的后代，對進入環(huán)境中的“新”污染物，微生物可通過基因突變，改變原來的代謝類型而適應、降解之。1.1.4微生物具有多種降解酶，有巨大的降解能力和共代謝作用。微生物能靈活的改變其代謝與調控途徑，合成各種降解酶，以適應不同的環(huán)境，將環(huán)境中的污染物降解轉化。同時微生物體內含有質粒，質粒能通過基因工程實現(xiàn)不同物種的細胞間轉移，從而構建多質粒功能菌，在環(huán)保中發(fā)揮重要作用。此外微生物具有共代謝作用，利于難降解污染物的徹底分解。1.2微生物在環(huán)境污染治理中的化學作用微生物通過它的代謝活動，降解和轉化污染物，表現(xiàn)在環(huán)境中的化學作用主要有氧化、還原、脫氨、脫羧、水解、酯化、脫水、縮合、氨化和乙酰化作用等，通過各種微生物的化學作用，實現(xiàn)污染物的降解與轉化，從而達到污染治理的目的。1.3微生物治理環(huán)境污染的優(yōu)點微生物治理環(huán)境污染的優(yōu)點：一是充分體現(xiàn)在它是一個純生態(tài)過程，無二次污染，從根本上體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想；二是微生物在處理環(huán)境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、反應條件溫和等，加之其技術開發(fā)所預示的廣闊的市場前景，受到了各國政府、科技工作者和企業(yè)家的高度重視。隨著我國經濟的發(fā)展，環(huán)境保護越來越受到社會各界的關注。綜合國力的增加，有機污染物的監(jiān)測與研究也越來越受到重視。多環(huán)芳烴（PolycyclicAromaticHydrocarbons，PAHs)是持久性有機污染物的一種，容易在生物體內富集，難以生物降解，。鑒于它在環(huán)境中的毒性、持久性、普遍性和累積性，PAHs已被各國列為有機污染物研究的重點。2多環(huán)芳烴的概述：多環(huán)芳經（PolycyclicAromaticHydrocarbons，PAHs)是指兩個以上苯環(huán)以稠環(huán)形式相連的化合物，是目前環(huán)境中普遍存在的污染物質。環(huán)境中的含有兩個苯環(huán)以上的有機化學污染物，隨著苯環(huán)數(shù)量增加，其脂溶性越強，水溶性越低，在環(huán)境中存在時間越長，遺傳毒性越高，其致癌性隨著苯環(huán)數(shù)的增加而增強。每年有數(shù)百萬噸石油產品和原油從煉油廠和石化廠的廢棄物中排放到世界范圍的海洋環(huán)境中;由于多環(huán)芳烴的潛在毒性、致癌性及致畸誘變作用，對人類健康和生態(tài)環(huán)境具有很大的潛在危害，已引起各國環(huán)境科學家的極大重視。美國環(huán)保局在80年代初把16種未帶分支的多環(huán)芳烴確定為環(huán)境中的優(yōu)先污染物，我國也把多環(huán)芳烴列入環(huán)境污染的黑名單中。2.1PAHs的危害：PAHs在環(huán)境中的存在雖然是微量的，但其不斷地生成、遷移、轉化和降解，并通過呼吸道、皮膚、消化道進入人體，極大地威脅著人類的健康。2.1.1化學致癌作用：多數(shù)PAHs均具有致癌性，在目前已知的500種致癌性化合物種，有200多種為PAHs及其衍生物，強致癌性的PAHs有苯并苯并[a]芘、1，12-二甲基苯蒽、二苯并(A，H)蒽、3-甲基膽蒽、四甲基菲、1，2,9,10-四甲基蒽等。流行病學研究表明，PAHs通過皮膚、呼吸道、消化道等均可被人體吸收，有誘發(fā)皮膚癌、肺癌、直腸癌、膀胱癌等作用，而長期呼吸含PAHs的空氣，飲用或食用含有PAHs的水和食物，則會造成慢性中毒。有調查表明BaP(即苯并芘)濃度每增加0.Ipg/100m3時，肺癌死亡率上升5%。我國云南省宣威縣由于室內燃煤，空氣中BaP污染嚴重，成為肺癌高發(fā)區(qū)，有些鄉(xiāng)肺癌死亡率高達100/10萬以上;許多山區(qū)居民經?；\火取暖，室內終日煙霧彌漫，造成較高的鼻咽癌發(fā)生;職業(yè)中毒調査表明，在3^ig/m3、2pg/m3濃度下工作5年和20年的工人，前者大部分誘發(fā)肺癌，后者患多種癌癥;焦爐工人的肺癌死亡率同接觸BaP的濃度密切相關。2.1.2光致毒作用:越來越多的研究表明，PAHs的真正危險在于它們暴露于太陽光中紫外光輻射時的光致毒效應。科學家將PAHs的光致毒效應定義為紫外光的照射對多環(huán)芳烴毒性所具有的顯著的影響。研究表明，多環(huán)芳烴對原生動物、水蚤、昆蟲、水生無脊椎、水生脊椎動物、植物和哺乳動物等都有較強的光致毒作用。有實驗表明，同時暴露于PAHs和紫外照射下會加速具有損傷細胞組成能力的自由基形成，破壞細胞膜損傷DNA，從而引起人體細胞遺傳信息發(fā)生突變。2.2多環(huán)芳烴來源：環(huán)境中的PAHs除極少量來源于生物體(某些藻類、植物和細菌）內合成，森林草原自然起火，火山噴發(fā)等自然活動外，絕大部分由人為活動污染造成，主要來自于兩方面:(1)煤、石油和木材及有機高分子化合物的不完全燃燒，即熱解成因;(2)原油在開采、運輸、生產和使用過程中的泄漏及排污，即石油類源。2.3環(huán)境中多環(huán)芳烴的遷移變化：多環(huán)芳烴在環(huán)境中大多數(shù)是以吸附態(tài)和乳化態(tài)形式存在，一旦進入環(huán)境，便受到各種自然界固有過程的影響，發(fā)生變遷。通過復雜的物理遷移、化學及生物轉化反應，在大氣、水體、土壤、生物體等系統(tǒng)中不斷變化，改變分布狀況。處在不同狀態(tài)、不同系統(tǒng)中的多環(huán)芳烴則表現(xiàn)出不同的變化行為。多環(huán)芳烴進入大氣后，可通過化學反應、降塵、降雨、降雪等過程進入土壤及水體中。3多環(huán)芳烴的微生物降解機理：微生物是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的分解者，對多環(huán)芳烴具有較強的分解代謝能力和較高的代謝速率。研究表明，微生物降解多環(huán)芳烴一般有2種方式:一種是以多環(huán)芳烴為唯一碳源和能源;另一種是將多環(huán)芳烴與其他有機質進行共代謝。微生物降解PAHs的難易程度取決于其化學結構的復雜性和降解酶的適應程度。一般來說，隨著多環(huán)芳烴苯環(huán)數(shù)和辛醇一水分配系數(shù)的增大，其降解速率越來越低。因此，低分子量的PAHs(萘、菲、蒽、芴等）在環(huán)境中能較快地被降解，在環(huán)境中存在的時間較短，對其降解機制的了解也較為深入；而高分子量的PAHs則難以降解，在環(huán)境中較穩(wěn)定，能以其為唯一碳源和能源進行礦化的細菌的研究甚少。3.1多環(huán)芳烴微生物降解的一般途徑：原核生物和真核生物對多環(huán)芳烴的微生物降解都需要氧氣的參與，產生氧化酶，使苯環(huán)降解。因此，多環(huán)芳烴苯環(huán)的降解取決于微生物產生加氧酶的能力，且由于酶對于多環(huán)芳烴降解的專一性，環(huán)境中多環(huán)芳烴的多樣性，多環(huán)芳烴的降解需要多種微生物參與。微生物加氧酶有兩種，即單加氧酶和雙加氧酶。絲狀真菌一般產生單加氧酶，對多環(huán)烴降解的第一步是羥基化多環(huán)芳烴，即把一個氧原子加到底物中形成芳烴化合物，繼而氧化為反式雙氫乙醇和酚類；細菌主要產生雙加氧酶，對多環(huán)芳烴降解的第一步是苯環(huán)的裂解，把兩個氧原子加到底物中形成雙氧乙烷，進一步氧化成順式雙氫乙醇，雙氫乙醇可繼續(xù)氧化為兒茶酸、原兒茶酸和龍膽酸等中間代謝物，接著苯環(huán)斷開，產生琥珀酸、延胡索酸、乙酸、丙酮酸和乙醛。降解中的產物被微生物用來合成自身的生物量，同時產生C02和H20。3.2多環(huán)芳烴的無氧降解：海洋沉積環(huán)境中多環(huán)芳烴的有氧降解己有了廣泛的研究。然而大部分有機物富集的海洋沉積環(huán)境處于無氧條件，越來越多的研究對多環(huán)芳烴在無氧條件下分解感興趣。研究表明，在反硝化的條件下，多環(huán)芳烴可以發(fā)生無氧降解，以硝酸鹽作為電子受體。在硫酸鹽還原環(huán)境，多環(huán)芳烴的微生物降解仍然存在，以硫酸鹽作為電子受體，可以降解萘、菲、熒蒽等等。Hayes研究表明，環(huán)境中微生物暴露于污染物時間的長短是多環(huán)芳烴能否發(fā)生無氧降解的關鍵因素。3.3影響多環(huán)芳烴微生物降解的因子：由于PAHs性質穩(wěn)定，單純靠自然微生物降解很慢，所以有必要通過研究多環(huán)芳烴微生物降解的影響因素，從而通過工程手段加以快速除去PAHs。影響PAHs微生物降解的因素很多，主要包括底物PAHs本身、微生物種群以及電子受體、溫度、鹽度、pH值、土壤類型、通氣狀況、營養(yǎng)鹽、所處的深度、擴散速率、微生物適應性、生物利用率、季節(jié)因素、多環(huán)芳烴的濃度、多環(huán)芳烴微生物的理化特性等。4結語微在污染治理中具有廣泛的應用前景，為提高微生物降解能力，擴大其應用范圍，分離、重建高效、廣譜降解微生物具有重要意義。多環(huán)芳烴是一類廣泛分布于環(huán)境中的難降解有機污染物，主要來源于人類活動和能源利用過程中燃料的不完全燃燒，主要累積在沉積物、生物體及溶解的有機質中，最終被微生物緩慢降解。由于多環(huán)芳烴具有潛在的毒性、致癌性，對其在毒理監(jiān)測、控制、治理等方面的研究尤為活躍，生物修復技術被認為是最有前途最徹底地從環(huán)境中去除多環(huán)芳烴的有效途徑。我國的環(huán)境微生物技術研究尚處于起步階段，與國際先進水平還有很大差距，應根據我國的國情，充分利用我國的資源優(yōu)勢，借鑒國外先進技術和經驗，重點加強環(huán)境生物技術的研究與開發(fā)，以期取得更好的環(huán)境效益和經濟效益。參考文獻：余莉萍，尹華，彭輝.環(huán)境生物技術的應用及發(fā)展趨勢.城市環(huán)境與城市生態(tài)，2002,15(2):52-54.宋穩(wěn)成，楊仁斌，郭正元，等.現(xiàn)代生物技術與環(huán)境保護:現(xiàn)狀和展望云南